脳のイメージング制度を飛躍的に高める「トライモーダル計測法」

fMRI、脳波計、近赤外光を用いて脳の表面近くの神経細胞の活動を追跡する「トライモーダル」は、脳のイメージング精度を飛躍的に高めたようです。

Researchers report that they have developed a method to combine three brain-imaging techniques to more precisely capture the timing and location of brain responses to a stimulus.

参照元：https://news.illinois.edu/view/6367/1638297213
– イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校 University of Illinois at Urbana-Champaign. JUN 23, 2021 7:00 AM –

研究者らは、3つの脳イメージング技術を組み合わせて、刺激に対する脳の反応のタイミングと位置をより正確に捉える方法を開発したと報告しました。

この研究は、脳活動の同時イメージングに広く用いられている3つの技術を組み合わせた初めての試みです。

この研究成果は、Human Brain Mapping誌に掲載されました。

本研究では、機能的MRI、脳波計、および近赤外光を用いて脳の表面近くの神経細胞の活動を追跡するEROSと呼ばれる3つの技術を組み合わせた「トライモーダル」アプローチを採用しました。

イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校のベックマン先端科学技術研究所で行われたこの研究の筆頭著者であるMatthew Moore博士は話します。

「fMRIは、脳のどこで何が起こっているかを示すのに非常に優れていることはわかっていますが、信号が非常に遅いのです。脳波による電気的活動の測定は、脳内で何が起こったかを知るのに非常に適していますが、どこで何が起こったかについてはあまり正確ではありません。」

イベント関連光信号と呼ばれる3つ目の方法は、fMRIに似た空間情報の測定を行いますが、EEGと同様に、脳の反応のタイミングをより正確に評価することができます。

これは、他の2つの技術の空白を埋めるのに役立つとMoore博士は言います。

その結果、ある人が認知タスクに取り組んでいるときに、感情的に難しい情報に気を取られているときに、脳のさまざまな部分がどのように活性化され、互いにコミュニケーションをとっているのかを明確に把握することができるのです。

機能的MRIは、人が何かを見たり、刺激に反応したりしたときに、脳内の酸素を含んだ血液の流れから得られる信号をとらえます。

この信号は、脳のどの構造が活性化されているかを判断するのに非常に有効だとMoore博士は言います。

Moore博士は話します。

「血中酸素濃度の変化は数秒単位で起こるが、脳は実際には数百ミリ秒以内に反応します。このように、脳の活動と酸素濃度信号の間にタイムラグがあるため、fMRIでは数秒以上の速さで起こる変化を検出することができません。」

「一方、脳波は、何かが起こったときにそれを知らせるのに非常に適しています。しかし、私たちは頭皮に設置したセンサーから収集しており、活動の総和を得ているため、実際には頭皮の数センチにわたってぼやけているのです。」

3つ目の手法「EROS」は、今回の報告書の共著者であるI大学のモニカ・ファビアニ教授とガブリエレ・グラットン教授の2人が開発したものです。

この方法は、近赤外光を脳内に照射し、光の散乱の仕方の変化を測定するもので、神経活動を反映しています。

EROSは、脳がいつ、どこで反応しているかを正確に知ることができますが、頭皮から数センチしか浸透しないため、fMRIのように脳の深部で起きている事象を検出することはできないとのことです。

この3つの技術を組み合わせるのは簡単なことではありませんでした。

様々な電極やセンサーを設置できる頭皮のスペースは限られており、EEGとEROSの機器はfMRIのコイルの中に収める必要があり、磁性金属を使用することはできなかったそうです。

研究者たちは何年もかけて、脳波電極とスペースを共有できるEROSパッチを頭皮に装着する方法を見つけました。

研究チームは、3つの技術をどのように組み合わせたらよいか、また、異なるチャネルから入ってくる情報をどのように解釈したらよいかを検証しました。

また、ある作業に集中しようとしても、感情的な情報に気を取られてしまう場合の脳の動きを調べるために、被験者に「感情的にニュートラルまたはネガティブな内容の四角形やその他の画像から、すばやく丸を選ぶ」という課題を与えました。

画像処理の結果、脳のさまざまな領域が刺激に素早く反応していることがわかりました。

この信号は、前頭前野と頭頂葉という、注意を維持したり注意散漫を解消したりするために協働する脳領域上の場所を行き来していました。

この切り替えは、数百ミリ秒の時間スケールで行われていたことがわかりました。

イリノイ大学の心理学教授で、感情の制御と認知の研究を行っているFlorin Dolcos氏は話します。

「気が散ったときに注意を切り替えて作業に戻る能力は、正常な認知機能に大きく関係しています。うつ病や不安症の人は、感情的なものから離れて集中することができないことがあります。イメージング研究が改善されれば、特定の感情調整戦略のトレーニングを受けた人を対象に、その戦略が認知機能の向上に役立っているかどうかを簡単に調べることができます。そして今、私たちはこれを、心のスピードに合わせてリアルタイムで正確に画像化することができるのです。」

研究者たちは、この三要素アプローチによって、脳がどのように機能しているかについての他の疑問にも、より良い答えが得られるだろうと述べています。

研究者は話します。

「以前の研究では、これらの3つの技術は、同じ個人に対して異なる時期に適用されていました。しかし、これらを一緒に測定することで、多くのことが得られるのです。」

Fabiani氏は話します。

「この新しいアプローチは、神経科学の理論全般、人間の神経科学に大きな影響を与える可能性があります。なぜなら、これらの異なる信号がどのように整合しているかを推測する必要がなくなったからです。」