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2015 年度 実施状況報告書

注意の神経機構の解明:固視微動とNIRS+脳波同時計測による多次元生体信号解析

研究課題

研究課題/領域番号 26420401
研究機関近畿大学

研究代表者

小濱 剛  近畿大学, 生物理工学部, 准教授 (90295577)

研究分担者 吉田 久  近畿大学, 生物理工学部, 教授 (50278735)
吉川 昭  近畿大学, 生物理工学部, 研究員 (30075329) [辞退]
研究期間 (年度) 2014-04-01 – 2017-03-31
キーワード注意 / 神経機構 / 脳機能計測 / 固視微動 / NIRS / 脳波 / 生体信号解析
研究実績の概要

認知の対象を定める働きを注意といい,脳の情報処理リソースのダイナミックな統制に重要な役割を果たしている.しかしながら,同時並列的かつ高速に進行する注意の情報処理過程を観察することは容易ではないために,注意の機能をもたらす神経系の情報処理過程を定量的かつ客観的にとらえた例は極めて少ない.
本研究は,注視時に不随意に生じる固視微動の解析に基づいて,注意の集中度合いを定量化して観測するとともに,近赤外分光法(NIRS)と脳波の同時計測から得られた脳活動情報の解析によって,脳内で機能する注意の情報処理過程をとらえ,注意の情報処理メカニズムの解明を目指すものである.固視微動解析による注意状態の推定と,NIRSと脳波の同時計測から得られる注意の情報処理過程における脳活動の時空間応答特性は,fMRIに代表される脳イメージング手法の弱点を的確に補うものであり,その成果は,認知科学や医工学分野への貢献が期待される.
NIRSを用いた脳活動の計測では,レスト時とタスク時の賦活量の差が評価されるが,NIRS信号はレスト中の変動が大きいことが問題となる.本年度は,レスト中のNIRS信号変動を抑制する可能性が示されている高域遮断動的ランダムドットパタン(LPDRD)の効果を検証し,NIRS計測の精度を向上させるための計測条件についての検討を進め一定の成果を得た.
被験者に3バック課題を与え,その後のレスト期間にLPDRDまたは十字視標を提示して,このときの前頭前皮質(PFC)から右側側頭皮質(rLTC)にかけてのNIRS信号を計測した.NIRS信号には,脳機能成分と全身性成分に分離する手法を適用して脳機能成分のみを抽出し,いずれの条件がタスクによる賦活状態から早期に定常状態に回復させるのかを比較した.その結果,LPDRD観察時の方が減衰の効果は強く,PFCにおいて両者の差は有意となることが明らかとなった.

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

本申請における平成27年度の研究計画では,NIRS信号と脳波の同時計測データの解析を行うために,1)NIRS信号や脳波のアーチファクトを除去するために,独立成分分析などの適用を検討し,2)NIRS信号と脳波の同時計測データ解析に基づく脳活動の空間的および時間的な伝搬の推定に取り組むことを予定していた.NIRS計測は,身体動作に制約を設けない点が利点であるとされるが,実際のところは,例えば発話をさせるだけでも極めて大きなノイズが混入してしまい,脳活動の抽出が困難となることが判明した.そのため,1)に関しては,脳波計測を先送りとし,本年度はNIRS信号を安定的に計測するための実験条件について検討し,一定の成果を得た.また,NIRS計測データに混入した身体動作や循環器系由来のアーチファクトを除去する手法を適用し,その効果を検証した.さらには,NIRS計測信号に独立成分分析を適用するための手法についても検討を進めており,4月末に学会発表を予定している.今年度は,NIRS信号の性質に応じた対応に優先的に取り組む必要があったために,2)については先送りとした.以上のように,今年度の主な研究目標はほぼ達成されたことから,研究はおおむね順調に進展していると考えている.

今後の研究の推進方策

これまでの成果として,初年度には,注意の神経機構を統制するために,固視微動の解析に基づいて,注意の集中度を定量化して観測するための実験手法や解析手法を検討した.今年度は,注意統制時の脳活動を計測するための準備として,NIRS計測に適した実験条件の検討を進めてきた.次年度は,NIRSと脳波の同時計測データの解析による注意神経機構の解明を目指して,1)NIRS信号のチャネル間相互相関分析による機能的結合部位の同定,2)脳波解析による機能的結合領域間における情報連絡の時間的推移の推定,などに取り掛かる.
NIRS信号には身体動作や循環器系由来のノイズが,また,脳波には眼球運動や頭部の揺れがアーチファクトとして混入するために,1)の目標に取り掛かるには,まず,脳活動を正確に評価するためのアーチファクトの除去方法を検討する必要がある.NIRS信号に対しては,今年度の取り組みとして血流動態モデルによる脳機能成分と全身性成分への分離法や,独立成分分析の適用手法の検討を済ませており,チャネル間の相互相関分析の準備を進めているところである.2)については,NIRS信号の相互相関分析に基づいて推定された機能的結合領域に対し,領域間に生じる応答の時間差を脳波データから算出し,脳活動が伝搬する際の時間的推移の推定を行う予定である.

次年度使用額が生じた理由

今年度は,注意の集中に伴う認知機能を推定するための予備的検討として,NIRS計測に適した実験条件や実験手法の提案を行った.提案手法により得られたNIRS信号に対して,血流動態モデルによる信号分離法や,主成分分析などの多変量解析の適用を検討した.しかしながら,解析手法に未確定な点があるために,信号解析のために必要とされる計算機の仕様が定まらず,導入を先送りすることにした.

次年度使用額の使用計画

次年度は,これまでの研究の成果により蓄積してきた眼球運動,NIRS信号と,次年度に予定している脳波を加えた多次元生体信号の解析に注力する予定であり,生体信号解析用計算機,理論検討用計算機,および,データバックアップ用ファイルサーバの仕様を定めて導入する予定である.導入時期は,5月末から6月初旬を予定している.これらを用いて,種々の信号解析アルゴリズムを適用し,注意機能の推定のための判断材料を得る予定である.

  • 研究成果

    (19件)

すべて 2016 2015

すべて 雑誌論文 (7件) (うち査読あり 1件) 学会発表 (12件) (うち国際学会 5件、 招待講演 2件)

  • [雑誌論文] 弱視者の固視微動に見られる特徴の解析2016

    • 著者名/発表者名
      加納悠史,中井裕真,大谷尚平,田中公子,白井久美,小濱 剛,雑賀司珠也,吉田 久
    • 雑誌名

      映像情報メディア学会技術報告

      巻: 40 ページ: 9-12

  • [雑誌論文] 前頭前皮質fNIRS信号における動的ランダムドットパタンによる安静効果2016

    • 著者名/発表者名
      並河弘樹,岡本亮太,柴田はるな,小濱 剛,吉田 久
    • 雑誌名

      映像情報メディア学会技術報告

      巻: 40 ページ: 13-16

  • [雑誌論文] 自由観察時のスキャンパスを再現する視線移動予測モデル2016

    • 著者名/発表者名
      吉野宏紀,小濱 剛
    • 雑誌名

      映像情報メディア学会技術報告

      巻: 40 ページ: 17-20

  • [雑誌論文] 視覚探索を再現する視覚的注意の神経機構モデル2016

    • 著者名/発表者名
      前田侑大,正岡明浩,小濱 剛
    • 雑誌名

      映像情報メディア学会技術報告

      巻: 40 ページ: 21-24

  • [雑誌論文] A saliency based motion detection model of visual system considering visual adaptation properties2015

    • 著者名/発表者名
      Mitsuhiro Kodama, Takeshi Kohama, Hisashi Yoshida
    • 雑誌名

      Proceedings of the 37th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC)

      巻: EMBC2015 ページ: 6658-6661

    • DOI

      10.1109/EMBC.2015.7319920

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 音声および身体応答による認知負荷がマイクロサッカード発生頻度 に及ぼす影響2015

    • 著者名/発表者名
      中井裕真,大谷尚平,加納悠史,山本雅也,上田慎一,栗原正幸,小濱 剛, 吉田 久
    • 雑誌名

      電子情報通信学会技術報告

      巻: 115 ページ: 79-84

  • [雑誌論文] 視細胞および神経節細胞の密度分布特性を考 慮した網膜数理モデル2015

    • 著者名/発表者名
      久保賢典,小濱 剛,吉田 久
    • 雑誌名

      電子情報通信学会技術報告

      巻: 115 ページ: 55-60

  • [学会発表] 視覚情報処理における固視微動の役割2016

    • 著者名/発表者名
      小濱 剛
    • 学会等名
      第1回視覚生理学基礎セミナー
    • 発表場所
      大阪府大阪狭山市,近畿大学医学部
    • 年月日
      2016-02-28 – 2016-02-28
    • 招待講演
  • [学会発表] 固視微動が網膜応答にもたらす効果 ─網膜数理モデルの構築とそのシミュレーション実験─2016

    • 著者名/発表者名
      小濱 剛
    • 学会等名
      第1回紀泉固視微動研究会
    • 発表場所
      和歌山県和歌山市,和歌山県JAビル
    • 年月日
      2016-01-09 – 2016-01-09
    • 招待講演
  • [学会発表] Attentional effects on involuntary fixation eye movements2015

    • 著者名/発表者名
      Takeshi Kohama, Sho Kikkawa, Hisashi Yoshida
    • 学会等名
      u-Healthcare 2015
    • 発表場所
      Kindai Univ., Osaka, Japan
    • 年月日
      2015-11-30 – 2015-12-02
    • 国際学会
  • [学会発表] Low-passed dynamic random-dot patterns affect the resting-state activities of prefrontal cortex2015

    • 著者名/発表者名
      Hiroki Namikawa, Ryota Okamoto, Takeshi Kohama, Hisashi Yoshida
    • 学会等名
      生体医工学シンポジウム2015
    • 発表場所
      岡山県岡山市,岡山国際交流センター
    • 年月日
      2015-09-25 – 2015-09-26
  • [学会発表] A microsaccadic latency analysis of the amblyopic eye2015

    • 著者名/発表者名
      Yuji Kanoh, Takeshi Kohama, Kumi Shirai, Yuma Nakai, Hiroko Tanaka, Hisashi Yoshida, Shizuya Saika
    • 学会等名
      The 37th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC'15)
    • 発表場所
      Milano Conference Center, Milan, Italy
    • 年月日
      2015-08-25 – 2015-08-29
    • 国際学会
  • [学会発表] The effects of low-passed dynamic random-dot patterns on resting-state brain functions2015

    • 著者名/発表者名
      Hiroki Namikawa, Ryota Okamoto, Takeshi Kohama, Hisashi Yoshida
    • 学会等名
      The 37th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC'15)
    • 発表場所
      Milano Conference Center, Milan, Italy
    • 年月日
      2015-08-25 – 2015-08-29
    • 国際学会
  • [学会発表] A simulation study of the effects of fixation eye movements on retinal responses2015

    • 著者名/発表者名
      Takeshi Kohama, Makoto Nishino, Hisashi Yoshida
    • 学会等名
      The European Conference on Visual Perception 2015
    • 発表場所
      University of Liverpool, Liverpool, UK
    • 年月日
      2015-08-23 – 2015-08-27
    • 国際学会
  • [学会発表] Analysis of pupil response and event-related potential during a fast-paced cognitive and attention task2015

    • 著者名/発表者名
      Hisashi Yoshida, Takeshi Kohama
    • 学会等名
      The European Conference on Visual Perception 2015
    • 発表場所
      University of Liverpool, Liverpool, UK
    • 年月日
      2015-08-23 – 2015-08-27
    • 国際学会
  • [学会発表] A method for controlling the resting-state brain function by using low-passed dynamic random-dot patterns2015

    • 著者名/発表者名
      Hiroki Namikawa, Takeshi Kohama, Hisashi Yoshida
    • 学会等名
      The 38th Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society
    • 発表場所
      Kobe Convention Center, Kobe, Japan
    • 年月日
      2015-07-28 – 2015-07-31
  • [学会発表] A saliency estimation model considering motion detection mechanisms of visual system and its visual adaptation property2015

    • 著者名/発表者名
      Mitsuhiro Kodama, Takeshi Kohama
    • 学会等名
      The 38th Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society
    • 発表場所
      Kobe Convention Center, Kobe, Japan
    • 年月日
      2015-07-28 – 2015-07-31
  • [学会発表] マイクロサッカード潜時解析に基づく音声および身体応答による認知負荷の客 観的評価2015

    • 著者名/発表者名
      中井裕真,加納悠史,上田慎一,栗原正幸,岩崎健二,小濱 剛,吉田 久
    • 学会等名
      第54回日本生体医工学会大会
    • 発表場所
      愛知県名古屋市,名古屋国際会議場
    • 年月日
      2015-05-07 – 2015-05-09
  • [学会発表] NIRS による安静時機能的結合推定 のための計測条件の検討2015

    • 著者名/発表者名
      岡本亮太,並河弘樹,小濱 剛,吉田 久
    • 学会等名
      第54回日本生体医工学会大会
    • 発表場所
      愛知県名古屋市,名古屋国際会議場
    • 年月日
      2015-05-07 – 2015-05-09

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公開日: 2017-01-06  

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