超高磁場MRIと脳磁場計測の融合によるヒト脳活動解析の潜在的時空間分解能の探求

2021 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20H00600
• 研究機関: 電気通信大学
• 研究代表者: 宮脇 陽一 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 教授 (80373372)
• 研究分担者: 福永 雅喜 生理学研究所, システム脳科学研究領域, 准教授 (40330047) ; 山下 宙人 株式会社国際電気通信基礎技術研究所, 脳情報通信総合研究所, 研究室長 (80418516)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2024-03-31
• キーワード: 超高磁場MRI / MEG / 時間分解能 / 空間分解能 / 融合

研究実績の概要

昨年度に引き続き新型コロナウイルス感染症拡大がおさまらず、ヒト被験者を用いた脳活動計測実験の実施が難しい状況が続いたため、ヒト脳活動計測実験に関連する課題についての遅れを取り戻すまでには至らなかった。こうした状況の中、MEG信号源推定技術のさらなる高度化と、超高磁場MRI信号の高速計測および解析手法の研究を多角的に進めた。具体的には、以下の項目を実施した。
（１）構造化MEG信号源推定モデルの階層化：昨年度までに我々が用いてきたMEG信号源推定モデルは、データに対して忠実に誤差を減らそうとするものの、それゆえノイズの影響を受けやすいという特性があることが分かってきた。これを踏まえて、活動している脳部位に関する事前知識を階層化事前分布として積極的に取り込み、ノイズからの影響を低減させることに部分的に成功した。
（２）MEG信号源推定パターンの高時空間分解能解析：前項の実施によって、我々の提案手法の耐ノイズ性に関する理解が深まったが、一方、脳活動パターンの復元精度については未評価であったため、これに取り組んだ。その結果、複雑なパターンであっても十分に再現可能であることをシミュレーションで確認できた。
（３）高速fMRI信号の高時空間分解能計測：昨年度のファントム計測で実証した撮像条件で高速fMRI信号計測の本実験を本格実施する予定であったが、新型コロナウイルス感染症拡大の影響のため、実際にヒト被験者を用いた計測実験は２回程度の予備実験を実施するにとどまった。実験回数は少数であったが、基本的な信号が想定通りに計測できることが確認され、次年度に繋がる結果となった。
（４）高速fMRI信号からの情報読み取りメカニズムの解明：スパースデコーダと磁化率強調画像を組み合わせることにより、高速計測されたfMRI信号において度の脳部位がよりリッチな情報を持っているのかを定量的に解析することに成功した。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

新型コロナウイルス感染症拡大により、ヒト被験者を用いた実験を今年度も本格化することができず、関連した課題において遅滞を生じた。その一方で、MEG信号解析手法をさらに高度化や、高速fMRI信号における情報源の解析において大きな成果を得ることができ、計測済みのデータを活用して研究を大いに進展させることができた。以上の状況を踏まえ、「（３）やや遅れている」の評価が妥当であると考える。

今後の研究の推進方策

今後は、これまで着手した研究課題を継続しつつ、実施が遅れているヒト被験者を用いた脳活動計測実験を進め、新たに開発した解析手法を実データに適用することをすすめる。この目標達成のため、以下の項目を実施する。
（１）構造化MEG信号源推定モデルの実データ評価：今年度開発をすすめた構造化MEG信号源推定に階層化事前分布を導入した新しいモデルを実データ解析に応用する。同時に、推定時の適切なパラメータ探索、階層化事前分布の重み分布設定などを体系的に検証し、偽陽性を生み出す情報拡散の抑制度を高めることを目指す。
（２）MEG信号源推定パターンの高時空間分解能解析：複雑な脳活動パターンであっても我々のモデルが適用可能であることがシミュレーションで示すことができたので、今後は自然物体画像提示時あるいはその構成要素である特徴量を抽出した画像に対する脳活動を実計測し、解析することを目指す。
（３）高速fMRI信号の高時空間分解能計測：本年度は少数回の予備的実験を実施するにとどまったfMRI信号の高速計測の実験を本格的に進めることを目指す。実験条件としてはこれまで実績のある自然物体画像提示とともに、MEG信号源推定でも用いる予定の特徴量画像提示も行う。
（４）高速fMRI信号の潜時同定：高速fMRI信号の高時空間分解能解析において重要になる、各脳部位間での血行動態反応の差を同定することを試みる。これまで予備実験において計測済みの息止め実験や全視野刺激実験における高速fMRI信号を用い、特に各脳部位間での潜時差に着目することから開始する。

研究成果

• [国際共同研究] National Institute of Mental Health(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: National Institute of Mental Health
• [国際共同研究] Maastricht University(オランダ)
  • 国名: オランダ
  • 外国機関名: Maastricht University
• [雑誌論文] Layer-specific activation in human primary somatosensory cortex during tactile temporal prediction error processing (2022)
  • 著者名/発表者名: Yinghua Yu, Laurentius Huber, Jiajia Yang, Masaki Fukunaga, Yuhui Chai, David C. Jangraw, Gang Chen, Daniel A. Handwerker, Peter J. Molfese, Yoshimichi Ejima, Norihiro Sadato, Jinglong Wu, Peter A. Bandettini
  • 雑誌名: NeuroImage 巻: 248 ページ: 118867-118867
  • DOI: 10.1016/j.neuroimage.2021.118867
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Whole-brain propagating patterns in human resting-state brain activities (2021)
  • 著者名/発表者名: Yusuke Takeda, Nobuo Hiroe, Okito Yamashita
  • 雑誌名: NeuroImage 巻: 245 ページ: 118711-118711
  • DOI: 10.1016/j.neuroimage.2021.118711
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] MEG current source reconstruction using a meta-analysis fMRI prior (2021)
  • 著者名/発表者名: Keita Suzuki, Okito Yamashita
  • 雑誌名: NeuroImage 巻: 236 ページ: 118034-118034
  • DOI: 10.1016/j.neuroimage.2021.118034
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Quantitative Evaluations of Geometrical Distortion Corrections in Cortical Surface-Based Analysis of High-Resolution Functional MRI Data at 7T (2021)
  • 著者名/発表者名: Tetsuya Yamamoto, Masaki Fukunaga, Sho K. Sugawara , Yuki H. Hamano, Norihiro Sadato
  • 雑誌名: Journal of Magnetic Resonance Imaging 巻: 53 ページ: 1220-1234
  • DOI: 10.1002/jmri.27420
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Enhanced structural connectivity within the motor loop in professional boxers prior to a match (2021)
  • 著者名/発表者名: Yuichi Ogino, Hiroaki Kawamichi, Daisuke Takizawa, Sho K. Sugawara, Yuki H. Hamano, Masaki Fukunaga, Keiko Toyoda, Yusuke Watanabe, Osamu Abe, Norihiro Sadato, Shigeru Saito, Shigeru Furui
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 11 ページ: 9015
  • DOI: 10.1038/s41598-021-88368-4
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] The integrative role of the M1 in motor sequence learning (2021)
  • 著者名/発表者名: Yuki H. Hamano, Sho K. Sugawara, Masaki Fukunaga, Norihiro Sadato
  • 雑誌名: Neuroscience Letters 巻: 760 ページ: 136081-136081
  • DOI: 10.1016/j.neulet.2021.136081
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] χ-separation: Magnetic susceptibility source separation toward iron and myelin mapping in the brain (2021)
  • 著者名/発表者名: Shin Hyeong-Geol, Lee Jingu, Yun Young Hyun, Yoo Seong Ho, Jang Jinhee, Oh Se-Hong, Nam Yoonho, Jung Sehoon, Kim Sunhye, Masaki Fukunaga, Kim Woojun, Choi Hyung Jin, Lee Jongho
  • 雑誌名: NeuroImage 巻: 240 ページ: 118371-118371
  • DOI: 10.1016/j.neuroimage.2021.118371
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Left parietal involvement in motion sickness susceptibility revealed by multimodal magnetic resonance imaging (2021)
  • 著者名/発表者名: Hiroyuki Sakai, Takumi Harada, Stephen K. Larroque, Athena Demertzi, Tomoko Sugawara, Taeko Ito, Yoshiro Wada, Masaki Fukunaga, Norihiro Sadato, Steven Laureys
  • 雑誌名: Human Brain Mapping 巻: 43 ページ: 1103-1111
  • DOI: 10.1002/hbm.25710
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Brain/MINDS beyond human brain MRI project: A protocol for multi-level harmonization across brain disorders throughout the lifespan (2021)
  • 著者名/発表者名: S. Koike, S. C. Tanaka, T. Okada, T. Aso, A. Yamashita, O. Yamashita, M. Asano, N. Maikusa, K. Morita, N. Okada, M. Fukunaga, A. Uematsu, H. Togo, A. Miyazaki, K. Murata, Y. Urushibata, J. Autio, T. Ose, J. Yoshimoto, T. Araki, M. F. Glasser, D. C. Van Essen, M. Maruyama, N. Sadato, M. Kawato, K. Kasai et al.
  • 雑誌名: NeuroImage: Clinical 巻: 30 ページ: 102600～102600
  • DOI: 10.1016/j.nicl.2021.102600
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Cognitive control affects motor learning through local variations in GABA within the primary motor cortex (2021)
  • 著者名/発表者名: Shuki Maruyama, Masaki Fukunaga, Sho K. Sugawara, Yuki H. Hamano, Tetsuya Yamamoto, Norihiro Sadato
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 11 ページ: 18566
  • DOI: 10.1038/s41598-021-97974-1
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Vestibular Morphological Asymmetry Associated With Motion Sickness Susceptibility (2021)
  • 著者名/発表者名: Takumi Harada, Tomoko Sugawara, Taeko Ito, Yoshiro Wada, Masaki Fukunaga, Norihiro Sadato, Stephen K. Larroque, Athena Demertzi, Steven Laureys, Hiroyuki Sakai
  • 雑誌名: Frontiers in Neuroscience 巻: 15 ページ: 763040
  • DOI: 10.3389/fnins.2021.763040
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] 触覚刺激弁別課題時における複数脳領域における活動と情報表現の相互作用 (2022)
  • 著者名/発表者名: 佐藤海渡, 野崎恵, 中谷駿, 高橋陽香, 角谷基文, 北田亮, 定藤規弘, 神谷之康, 宮脇陽一
  • 学会等名: 第12回多感覚研究会
• [学会発表] 深層ニューラルネットワークモデル・脳磁場計測・超高磁場MRI計測の融合による認識行動ダイナミクスの高時空間分解能解析の試み (2021)
  • 著者名/発表者名: 宮脇陽一
  • 学会等名: 生理研研究会「人工知能技術と科学の協調と展開」
  • 招待講演
• [学会発表] ヒト脳活動計測・解析の高時空間分解能化技術とその応用 (2021)
  • 著者名/発表者名: 宮脇陽一
  • 学会等名: 東京理科大学パラレル脳センシング技術研究部門第1回公開シンポジウム 「Think Synch Brain Dynamics ～理工が挑む脳科学～」
  • 招待講演
• [学会発表] 超高磁場下での超高速fMRI信号のスパース解析と磁化率強調画像による神経情報源の同定 (2021)
  • 著者名/発表者名: 小磯堅秀, Daniel Handwerker, Javier Gonzalez-Castillo, Laurentius Huber, Daniel Glen, Arman Khojandi, Yuhui Chai, Peter Bandettini, 宮脇陽一
  • 学会等名: 第44回日本神経科学大会
• [学会発表] 人工知能技術を用いたヒト脳イメージングデータ解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 山下宙人
  • 学会等名: 日本交通医学工学研究会第30回学術総会
  • 招待講演
• [学会発表] 電流源推定を用いた脳機能研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 山下宙人
  • 学会等名: 神戸大学 計算生命科学の基礎8
  • 招待講演
• [備考] MIYAWAKI LAB.
  • URL: http://www.cns.mi.uec.ac.jp/