メンタルヘルスケアを目的としたニューロフィードバックシステムの開発日本大学生産工学部機械工学科教授綱島均助手栁澤一機 1 精神疾患と脳活動 • NIRS(Near Infrared Spectroscopy)による精神疾患・発達障害の診断補助が注目されている．うつ病 → 前頭前野背外側部（DLPFC）の活動低下自閉症スペクトラム（ASD） → DLPFCでの非効率な活動 2 ニューロフィードバックトレーニング • ニューロフィードバックとは脳活動状態を知覚できるように呈示することで，訓練を通じて，脳活動を随意制御する技術．脳活動情報使用者解析用PC 映像・音声自身の脳活動情報をフィードバック 3 現状のニューロフィードバックの問題点 • トレーニング効果の定量的評価が難しい．＝どのようなトレーニングが効果的か評価できない！ → どのくらいトレーニングしたらよいか？ → どのように脳活動情報を提示したらよいか？バーによる表示メーターよる表示色変化よる表示音による表示 4 NIRS（（Near-InfraRed Spectroscopy））の原理受光ファイバ送光ファイバ神経活動には酸素が必要光ファイバ酸素を供給するために局所血流が増加刺激 oxy-Hb Hb濃度変化 (mM cm) deoxy-Hb 時間 (s) 酸素化ヘモグロビン (oxy-Hb) 脱酸素化ヘモグロビン (deoxy-Hb)の変化入射した光の減衰から血流の変化がわかる 5 NIRS-NFシステムシステム実験参加者信号解析 NIRS 大 oxy-Hb 濃度小視覚呈示 • 変動が顕著なチャンネルを選択し，その変動を色の変化として提示する. • 色は65段階に変化． • 0.5sに画像を更新． oxy-Hbに対応した色を呈示 6 実験条件 • • • • • 訓練期間： 7日間（1日あたり1時間のトレーニングを行う）タスク：意識を集中させ，画面の色を変化させる測定部位：前頭前野（全42チャンネル）事前にインフォームドコンセントを実施し，実験参加者の安全と人権の保護に十分に配慮した． ●：受光ファイバ ●：送光ファイバ 7 実験参加者の群分けについて • NFトレーニングの効果を検証するため，以下の3群を設定. NFトレーニング群 NFトレーニング群（A群 N=14） N=14） • NFトレーニングを 7日間行う．トレーニング群（B群 N=11） N=11） • 7日間トレーニングを行うが，画像は変化しない．トレーニングなし群（C群 N=12） N=12） • トレーニングを行わない． ~♪ 8 oxy-Hbとその微分値を用いた特徴平面 • • oxy-Hbの値とその微分値に注目． oxy-Hbが上昇する領域，微分値が上昇する領域を活動領域と定義． ① Rest ② Task ③ Rest d(oxy-Hb)/dt ＋ Hb conc. ② －＋ ① oxy-Hb ③ － Time (s) oxy-Hb d(oxy-Hb)/dt Task Rest Activation area 9 チャンネルの評価方法クラス内分散クラスの平均的な広がりクラス間分散クラス間の広がり 1 c σ = ∑ ni ( mi − m )T ( mi − m ) n i =1 1 c 2 σ W = ∑ ∑ ( x − mi ) T ( x − mi ) n i =1 x∈ X i 2 B xd xd ( x − mi ) ( mi − m ) 全データの重心 xj xj x1 x1 分離度 Task d(oxy-Hb)/dt (mM cm/s) Rest 0.006 σ 2B Jσ = 2 σW d(oxy-Hb)/dt (mM cm/s) 0.004 oxy-Hb (mM cm) -0.04 - 0.04 -0.006 分離度：0.0020 oxy-Hb (mM cm) 0.0 3 -0.03 -0.004 分離度：1.2397 10 分離度による評価 • ニューロフィードバックによる特徴平面の変化トレーニング後トレーニング前（脳活動を随意制御できない場合）（脳活動を随意制御可能な場合） d(oxy-Hb)/dt d(oxy-Hb)/dt0.3 -4 Task Rest d(oxy-Hb)/dt d(oxy-Hb)/dt 0.15 0.15 3 oxy-Hb oxy-Hb -0.3 分離度： 0.003 Task Rest -1.5 0 2.5 oxy-Hb oxy-Hb -0.1 分離度： 3.449 11 評価結果トレーニング初日トレーニング7日後 A群分離度 1.5 B群 C群 0 0 分離度による脳活動変化の定量的評価の可能性 12 今後の課題 • 分離度・ニューロフィードバックトレーニングのメンタルヘルスケアへの応用． • より効果的なトレーニング方法の開発．コンピュータゲームによるトレーニングロボットを利用したトレーニング 13 想定される用途 • うつ病、発達障害の治療・予防への応用の可能性． • NIRSを用いた脳活動計測による製品の評価 • 快・不快などの情動の計測評価 14 企業への期待 • 脳活動計測，メンタルヘルスケアに関心のある企業との共同研究を希望．当研究室は・精神疾患治療の専門医との連携を確立しています．・各種の光脳機能イメージング装置，生体情報計測装置を保有しています．・脳機能計測とその信号処理技術に多くの経験があります． 15 本技術に関する知的財産権 • 発明の名称：脳活動状態解析装置、 • 出願番号 • 出願人 • 発明者脳活動状態解析方法、及び脳活動状態解析プログラム：特願2012-168838 ：日本大学：綱島均、酒谷薫、柳沢一機 16 お問い合わせ先日本大学産官学連携知財センター(NUBIC) コーディネーター渡辺麻裕ＴＥＬ０３－５２７５－８１３９ＦＡＸ０３－５２７５－８３２８ e-mail [email protected] 17