脳磁図による多感覚刺激応答の評価およびブレインコンピュターインターフェースの開発

2022 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 21J22469
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 森 史奈 東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2021-04-28 – 2024-03-31
• Keywords: 脳磁図 / 逆問題推定 / 脳波 / Brain-computer Interface / 視聴覚刺激 / 拡張現実

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、聴覚刺激と拡張現実感提示技術を用いる多感覚Brain-computer interface (BCI)の精度向上のため、脳磁図を用いた聴覚刺激応答の評価および多感覚BCIのための刺激提示方法の検討を行っている。
近年、注意すなわちユーザが選択肢を選ぼうとする意図の有無を判断して、必要な時のみ選択肢を実行するBCIが開発されている。しかし、意図の有無の判断は、視覚刺激を用いるBCIにのみ適用されており、聴覚刺激を用いるBCIでは適用されていない。聴覚刺激を用いるBCIにおいても注意の有無の判断を可能とするためには、注意が聴覚刺激に対する活動に及ぼす影響を理解する必要がある。そこで、聴覚刺激に対して脳磁図から境界を持つように活動領域を推定する手法（領域推定手法）を適用し、聴覚刺激に対する活動領域に注意が及ぼす影響を評価した。領域推定手法は、既存の脳磁場逆問題解法と比較して、高いSN比を持つデータが必要であるため、領域推定手法を適用できるように実験プロトコルを改良した。注意のある場合・ない場合において聴覚刺激応答(N100m)の活動領域を推定した結果、注意のある場合にN100mの領域が広がる可能性が示された。
多感覚BCIの精度向上のためには、視聴覚刺激を提示する方法が課題であった。特に聴覚刺激は、ユーザにとって刺激の聞き分けが可能であるかを考慮する必要がある。聴覚刺激の聞き分けを可能とするためには、適切な種類の音を選定し、刺激と刺激の間の時間間隔を視覚刺激よりも長く設定する必要がある。情報転送速度を低下させずに聞き分けやすさを向上させるため、提示する音の種類や、視聴覚刺激の提示方法について評価を行っている。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

理由としては２点あげられる。１点目は、大脳皮質の特定の領野における活動を評価したい場合に、脳磁図から明確な境界を持つ活動領域を推定する手法（領域推定手法）を適用することが可能になったと考えられることである。領域推定手法では、皮質と写像関係にある球面上において脳活動の電流源を半径、中心座標、電流密度のパラメータを用いて表現する。これまでの研究では、脳活動の電流源を表現するパラメータの探索範囲を制限することで、聴覚刺激が聴覚野に到達した際に生じる反応の１つであるN100mの活動領域の広がりを評価できた。今後は、注目している刺激に対して頭頂付近で観測される磁場P300mについて評価する予定である。したがって、これまでに開発したパラメータの探索範囲を制限する手法は、頭頂付近におけるP300mの評価にも適用できると考えられる。なお、BCIでは、注目している刺激に対して観測される電位P300を用いて、ユーザの意図を識別する。電位P300と磁場P300mは、異なる方法で観測した同一の応答である。したがって、磁場P300mを評価することで、BCIに用いる電位P300の活動の詳細が明らかになり、本研究で開発する多感覚BCIの精度向上につながる。
２点目は、多感覚BCIの開発に既に着手していることである。これまでに、脳磁図を用いた刺激に対する応答の評価と並行して、多感覚BCIについても環境の構築および適切な刺激提示方法の検討を行ってきた。したがって、脳磁図を用いることで明らかになった適切な電極位置や解析方法を多感覚BCIへ適用できると考えられる。

Strategy for Future Research Activity

本研究では、脳磁図を用いて刺激に対する応答を評価し、多感覚BCIの開発に応用する。そのために今後は、以下の２点について研究を進める。
１点目は、注目している刺激に対しておよそ300 ms後に頭頂付近で観測される磁場P300mを脳磁図により評価することである。BCIでは、P300mを電位変化として計測したものであるP300の振幅の大きさを用いてユーザの意図を識別するため、多感覚BCIの精度向上のためには、多感覚刺激が提示された場合におけるP300の時空間的な広がりに関する情報が必要であると考えられる。時空間的な情報を得るためには頭部全体の脳活動を計測する必要があるが、脳波電極は頭皮上に配置できる数に限界がある上、空間分解能が数センチメートル程度である。一方で、脳磁図センサは頭部の周囲に高密度に配置が可能であり、ミリメートル単位の空間分解能を持つため、脳磁図であれば時空間的な情報が得られる。そこで、これまでに開発したパラメータの探索範囲を制限して活動領域を推定する手法をP300mに適用することで、多感覚 BCIの適切な電極位置や解析手法を検討する。
２点目としては、脳磁図を用いた評価により明らかになった適切な電極の配置方法や解析手法を多感覚BCIに適用することで、ユーザの識別したい刺激の種類だけでなく、ユーザに選択肢を選ぶ意図があるかも識別することを目指す。これまでに取り組んだユーザにとって区別しやすい刺激の提示方法に加えて、選択肢を選ぶ意思の有無を判定する方法を検討する。