中心溝内皮質脳波により運動を高精度に推定する -NeuroImage誌に掲載-


概要

高位脊髄損傷や重症の筋委縮性側索硬化症(ALS)患者では身体および顔面の運動はもとより意思表示も全くできず(total locked-in)、悲惨な状況に置かれている。Brain machine interface (BMI)技術を用いることで、四肢麻痺患者が念じるだけで外部装置(コンピュータ、ベッドや照明などの環境制御機器、コミュニケーションの補助装置、ロ ボットハンド(電動義手)等)を操作できるような、意思伝達や運動機能の再建が期待される。大阪大学脳神経外科の柳澤琢史(脳神経外科医員/ATR研究 員)、平田雅之(脳神経外科/保健学科助教)等は国際電気通信基礎技術研究所(ATR)脳情報研究所・神経情報学研究室の神谷之康室長らのグループと共同 で、ヒトの脳表から計測した脳波(皮質脳波)を用いたBMIの開発を行っている。本研究成果はヒトの感覚運動野の中でも、中心溝というしわの間から計測し た皮質脳波(中心溝内皮質脳波)が、運動を推定しBMIに用いるために有用であることを示した初めての報告である(図1)。

BMIに用いる脳信号は様々であるが、運動に関する脳からの最終出力部である一次運動野の皮質脳波(Electrocorticogram: ECoG)は、信号の安定性や得られる情報量などの点で実用的なBMIに有利であると考えられている。しかし、ヒトの一次運動野の多くは中心溝と呼ばれる 脳のしわの間に存在しているため、単に脳の表面へ電極を留置しただけでは、ヒトの一次運動野の皮質脳波を十分に計測できていなかった。本研究では、中心溝 内に電極を留置した患者(難治性疼痛*1に対する運動野刺激療法*2)に協力して頂き、患者が3種類の運動(拇指を曲げる、手を握る、肘を曲げる)を行う 際の皮質脳波を計測した。これを、support vector machine(SVM) という方法でコンピュータが学習し、患者がどの運動を行ったかを運動1回毎の皮質脳波だけから推定した。この推定精度を、中心溝内皮質脳波と通常の皮質脳 波とで比較すると、一次運動野の中心溝内皮質脳波が最も高い精度で運動を推定できた。また、中心溝内皮質脳波を用いることで、実際の運動開始より早くから 何の運動を行うかを推定できることが示された。

本研究は中心溝内皮質脳波を用いることで、より高い精度の運動推定ができることを世界で初めて示し、電極留置の方法によりBMIの性能を向上させる可能性を示した。中心溝内皮質脳波を用いることで、真に患者の福音となるBMIの開発と臨床応用が期待される。

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図1:中心溝内電極

人の一次運動野(ブロードマン4野)の多くは中心溝内に存在する。この中心溝内に4極の電極を2本留置し中心溝内皮質脳波を計測した。運動野上の中 心溝内皮質脳波(sulcal M1)を用いて運動を推定すると脳表や感覚野上の中心溝内皮質脳波を用いた場合より高い精度で運動推定が可能であった。

*1:難治性疼痛: 脳卒中後や四肢の切断後に生じる激痛で、薬物療法など一般的な疼痛治療では痛みが軽快しないもの。

*2:運動野刺激療法: 大脳皮質一次運動野を電気刺激することで、難治性疼痛を軽減する治療法。脳表に電極を留置して直接、脳表を電気刺激する。

論文著者名とタイトル

Takufumi Yanagisawa, Masayuki Hirata, Youichi Saitoh, Amami Kato, Daisuke Shibuya, Yukiyasu Kamitani, Toshiki Yoshimine,

“Neural decoding using gyral and intrasulcal electrocorticograms”

研究実施機関

大阪大学大学院医学系研究科脳神経外科

柳澤琢史、平田雅之、齋藤洋一、吉峰俊樹

(株)国際電気通信基礎技術研究所(ATR)脳情報研究所

澁谷大輔、神谷之康

近畿大学脳神経外科

加藤天美

問い合わせ先

大阪大学大学院医学系研究科脳神経外科 平田雅之

〒565-0871 大阪府吹田市山田丘2-2

電話:06-6879-3652, FAX: 06-6879-3659

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