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2023 年度 実施状況報告書

睡眠ニューロフィードバック技術の開発とその生理学的・認知的効果の検証

研究課題

研究課題/領域番号 22K18664
研究機関国立研究開発法人理化学研究所

研究代表者

玉置 應子  国立研究開発法人理化学研究所, 脳神経科学研究センター, 理研白眉研究チームリーダー (20586276)

研究期間 (年度) 2022-06-30 – 2025-03-31
キーワード睡眠 / ニューロフィードバック / デコーディング / 睡眠紡錘波 / 学習
研究実績の概要

「ヒトはなぜ眠るのか?」この問いは何世紀にも渡って議論されてきたが、未だに統一見解に至っていない。本提案研究では、睡眠の機能を明らかにするため、覚醒する人に睡眠様の脳状態を引き起こす「睡眠ニューロフィードバック技術」を開発し、その効果を検証することを目的とする。近年、睡眠が覚醒時の認知活動に影響を及ぼすことが報告されている。応募者はノンレム・レム睡眠時の自発脳活動が、脳の可塑性(変化のしやすさ)を調節し、学習の促進(伸び)と定着(忘れにくさ)に寄与するという仮説を提案した。ノンレム睡眠は学習に関連する脳領域における可塑性を高め、レム睡眠はノンレム睡眠時に高まった可塑性を下げて学習を定着する可能性がある。しかしヒト研究では技術的・生理学的制約があるため、現存する方法では睡眠と認知機能の因果関係の検証が困難である。本提案研究では、睡眠の機能を明らかにするため、覚醒する人に睡眠様の脳状態を引き起こす睡眠ニューロフィードバック技術を開発し、その効果を検証する。今年度は、睡眠中の脳活動を効率的・効果的に計測するための環境を利用し、睡眠ポリグラフ(脳波を含む)と機能的磁気共鳴画像法(fMRI)の同時計測による睡眠中の脳活動データを取得し、睡眠紡錘波に関するデコーダを構築し、そのパフォーマンスを評価した。また、ニューロフィードバックの環境も構築した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

昨年度に構築した、睡眠中の脳活動を効率的・効果的に計測するための環境を利用し、睡眠ポリグラフ(脳波を含む)と機能的磁気共鳴画像法(fMRI)の同時計測による睡眠中の脳活動データの取得、睡眠紡錘波に関するデコーダを構築し、そのパフォーマンスを評価した。また、ニューロフィードバックの環境も構築した。18名の健康な若年者が実験に参加した。MRIでの仮眠中は睡眠ポリグラフとfMRIの同時計測を行なった。AASMによる国際基準に準拠し睡眠段階を判定した。睡眠紡錘波はノンレム睡眠ステージ2及び3から検出した。6つのROI(precentral gyrus, supplementary motor area (SMA), calcarine fissure, thalamus, hypothalamus, hippocampus)についてSupport Vector Machine (SVM)を用いて睡眠紡錘波デコーダ(睡眠紡錘波あり vs. なし)を構築した。ROIごと、Sessionごとにleave-one-out cross validation (LOOCV) を適用した。また、セッション間の汎化性能を検討した。1名のデータは睡眠段階ステージ2および3️のいずれも含まなかったため除外した。hippocampusおよびcalcarine fissureFurthermoreから有意に睡眠紡錘波を読み出すことに成功した。ラベル社っしゅるしたデコーダのパフォーマンスはチャンスレベルであることも確認された。これらのことから睡眠紡錘波様の脳活動パタンの構築ができることがわかった。さらに、リアルタイムでfMRIデータのpreprocess、ROIからのデータ抽出、likelihoodの計算を行いフィードバックするfMRIニューロフィードバックの環境を設定し若干名にて予備実験を実施した。

今後の研究の推進方策

構築したfMRIニューロフィードバックの環境を応用し、学習に関与する複数のROI(Hippocampus、SMA、calcarine fissureなど)において睡眠(睡眠紡錘波)様の脳活動パタンを惹起する実験を進める予定である。

次年度使用額が生じた理由

予定よりも物品費の支出が少なかったが、実験実施に必要となる消耗品等は順次発生する予定である。

  • 研究成果

    (13件)

すべて 2023

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 2件) 学会発表 (9件) (うち国際学会 3件、 招待講演 5件)

  • [雑誌論文] Impaired self-monitoring ability on reaction times of psychomotor vigilance task of nurses after a night shift2023

    • 著者名/発表者名
      Nishimura Yuki、Ikeda Hiroki、Matsumoto Shun、Izawa Shuhei、Kawakami Sayaka、Tamaki Masako、Masuda Sanae、Kubo Tomohide
    • 雑誌名

      Chronobiology International

      巻: 40 ページ: 603~611

    • DOI

      10.1080/07420528.2023.2193270

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 学習は睡眠で強化される2023

    • 著者名/発表者名
      玉置應子
    • 雑誌名

      Clinical Neuroscience

      巻: 41 ページ: 568-569

  • [雑誌論文] Sleep, learning, and memory in human research using noninvasive neuroimaging techniques2023

    • 著者名/発表者名
      Uji Makoto、Tamaki Masako
    • 雑誌名

      Neuroscience Research

      巻: 189 ページ: 66~74

    • DOI

      10.1016/j.neures.2022.12.013

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 睡眠による active systems consolidation仮説2023

    • 著者名/発表者名
      李雪梅、宇治誠、玉置應子
    • 雑誌名

      睡眠医療

      巻: 17(1) ページ: 67-71

  • [学会発表] Reconfiguration of brain networks during sleep supports sleep-dependent learning interactions.2023

    • 著者名/発表者名
      Li X, Uji M, Katsumata R, Saotome A, Aritake S, Tamaki M.
    • 学会等名
      Neuroscience 2023
    • 国際学会
  • [学会発表] Reorganization of brain networks during sleep capacitates memory interactions.2023

    • 著者名/発表者名
      Li X, Uji M, Katsumata R, Saotome A, Aritake S, Tamaki M.
    • 学会等名
      The 45th Annual Meeting of Japanese Society of Sleep Research
  • [学会発表] Cerebrospinal fluid dynamic changes during human NREM and REM sleep: Simultaneous sparse-fMRI and EEG study.2023

    • 著者名/発表者名
      Uji M, Li X, Saotome A, Katsumata R, Aritake S, Suzuki C, Ueno K, Tamaki M.
    • 学会等名
      The 45th Annual Meeting of Japanese Society of Sleep Research
  • [学会発表] Cerebrospinal fluid dynamics during NREM and REM sleep by a simultaneous sparse-fMRI and EEG method.2023

    • 著者名/発表者名
      Uji M, Li X, Saotome A, Katsumata R, Aritake S, Suzuki C, Ueno K, Tamaki M.
    • 学会等名
      Organization for Human Brain Mapping (OHBM)
    • 国際学会
  • [学会発表] Roles of human NREM and REM sleep in learning and memory2023

    • 著者名/発表者名
      玉置應子
    • 学会等名
      和光-精神神経懇話会
    • 招待講演
  • [学会発表] Roles of NREM and REM sleep in learning and memory in humans2023

    • 著者名/発表者名
      Masako Tamaki
    • 学会等名
      The UK-Japan Neuroscience Symposium
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Contribution of sleep to learning and memory in humans2023

    • 著者名/発表者名
      Masako Tamaki
    • 学会等名
      Okinawa Institute of Science and Technology
    • 招待講演
  • [学会発表] ヒトの睡眠と学習・記憶2023

    • 著者名/発表者名
      玉置應子
    • 学会等名
      脳の世紀シンポジウム
    • 招待講演
  • [学会発表] Contribution of sleep to learning and memory in humans2023

    • 著者名/発表者名
      玉置應子
    • 学会等名
      東京医科歯科大学
    • 招待講演

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公開日: 2024-12-25  

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