2019 Fiscal Year Annual Research Report
Non-invasive hearing prosthesis using infrared laser
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17H01769
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| Research Institution | Doshisha University |
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Principal Investigator |
小林 耕太 同志社大学, 生命医科学部, 教授 (40512736)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
古山 貴文 同志社大学, 研究開発推進機構, 特別研究員 (20802268)
飛龍 志津子 同志社大学, 生命医科学部, 教授 (70449510)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 人工内耳 / 赤外レーザー / スナネズミ / 難聴 / 神経刺激 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は近赤外レーザー人工内耳を開発することである。同人工内耳は従来型の電極を刺激プローブとして使用するものと異なり、低侵襲で聴覚を回復することを目指している。神経細胞膜中のイオンチャネルの多くは熱に対する感受性を持つ。近赤外レーザー光を神経細胞に照射することで、チャネルを加熱し（最大5℃）、活動電位を誘発することができる。生体外より聴覚末梢（蝸牛神経）をレーザーで刺激することにより、低浸襲・非接触で神経活動を誘発し、聴力を再建することが可能になると私達は考えている。
当該年度はスナネズミを被験体とし、レーザーにより再建可能な「聴こえ」を聴覚末梢および皮質の神経活動から計測することを目指した実験と、ヒトを被験者として、レーザー人工内耳により言語知覚を再建する手法を検討した。具体的には、スナネズミの蝸牛神経を近赤外レーザーにより刺激し、レーザー刺激のパラメータを制御することで音知覚をコントロールすることを目指した。実験の結果、聴覚抹消および中枢の活動レベルはレーザーの出力により制御可能であることが分かった。また、ヒトを対象として実験ではレーザー人工内耳のシミュレーション音を作成し、従来型の人工内耳のシミュレーション音とで音声の聞き取りの精度を比較した。結果、レーザーファイバーを4本以上用いてフォルマント周波数を再現した場合には、近赤外レーザー人工内耳は従来型の人工内耳と同程度の音声知覚を再建可能であることが示唆された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
実験1では、レーザーにより再建可能な「聴こえ」を聴覚末梢および皮質の神経活動から計測することを目指し、スナネズミを被験体とした研究を行った。近赤外レーザーを蝸牛神経に照射し、レーザー刺激の出力、繰り返し周期、両耳間での出力差・タイミング差を制御することで音知覚をコントロールすることを目指した。レーザーがどのような「聴こえ」を生み出しているのか、神経活動の記録により定量化した。レーザー刺激に対する聴覚中枢の応答を、音刺激に対する応答と比較するとともに、聴覚末梢の応答は蝸牛周辺部に留置した電極により、中枢の応答はフラビン蛍光タンパクの応答により定量化した。結果、聴覚抹消および中枢の活動レベルはレーザーの出力により制御可能であることが分かった。
実験２では、レーザー人工内耳が創りだす音声の「聴こえ」を評価するため、ヒトを被験体として実験をおこなった。これにより、レーザー人工内耳により言語知覚を再建する手法を検討した。レーザーによって言語を知覚させるために、音声をレーザー刺激に変換し再生する必要がある。本研究では、その音声→レーザー変換アルゴリズムを開発・評価した。刺激として4モーラ単語（日本母語話者の会話コーパス）を用いた。レーザー刺激のパルス頻度および強度を変調させた「レーザー音声」および、人工内耳のシミュレーション音を刺激と比較した。結果、4本以上のレーザーによりフォルマント周波数を再現した場合には、従来型の人工内耳のシミュレーション音と同程度の音声知覚を再建可能であることが分かった。
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| Strategy for Future Research Activity |
実験1：レーザーにより再建可能な「聴こえ」を神経活動および行動実験から計測する（スナネズミを被験体とした研究）
近赤外レーザーを蝸牛神経に照射することで、どのような「聴こえ」を再建できるかについて実験動物を対象に検討する。レーザー刺激のパラメータ（出力、繰り返し周期、両耳間での出力差・タイミング差）および刺激位置を制御することで音知覚をコントロールすることを目指す。聴覚生理実験の標準モデル動物であるスナネズミを被験体として用いる。スナネズミを古典的条件付けにより音刺激に対して行動応答するように訓練した後、レーザーにより蝸牛神経を刺激し、どのように行動応答するかを計測することで、レーザーが生み出す「聴こえ」を定量化する。また、レーザー刺激に対する行動応答を、音刺激に対する神経応答と比較する。これにより、行動レベルで、レーザーによる聴覚末梢の刺激によって聴覚知覚を再建可能であることを証明することを目指す。
実験２：レーザー人工内耳が創りだす音声の「聴こえ」の学習法の検討（ヒトを被験体とした研究）
レーザー人工内耳により言語知覚を再建する手法を検討する。レーザーによって言語を知覚させるために、音声をレーザー刺激に変換し再生する必要がある。本研究では、その変換するアルゴリズムを開発するとともに、その聞こえを向上する学習方法を検討する。fMRIにより、レーザー音声の聴き取り訓練による学習の効果および、聴き取りの訓練に伴う脳活動の変化を計測する。行動指標および脳活動に基づき、最適な変換アルゴリズムの提案、学習段階の評定、脳活動の個人差に基づく学習方法の調整など、言語知覚の効率的な再建法の確立を目指す。また音声に含まれるパラ言語情報（感情）をレーザー刺激により効率よく伝達させる手法や、口の動き（視覚刺激）と同時に聴取した場合の聞こえの向上についても検討をおこなう。
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Research Products
(3 results)
