脳活動の非侵襲的モニタリングのための多チャンネル近赤外分光法(NIRS)システム

Multi-channel Near-Infrared Spectroscopy (NIRS) System for Noninvasive Monitoring of Brain Activity N. Hemmati,S. K. Setarehdan,H. A. Noubari
Proceedings of the IEEE-EMBS International Conference on Biomedical and Health Informatics,vol. 2,no. 7,pp.212-215,2012
171205 syokoyama

“近赤外分光法は,600-900nmの範囲の光を用いて組織の血行力学的活動を監視する非侵襲的光学的方法である.神経科学,新生児脳の監視,筋肉生理学およびブレインコンピュータインタフェース(Bel)のような様々な医療分野において,この方法を利用するための様々な技術および装置が開発されている.本論文では,二波長,多チャンネル,連続波近赤外脳画像装置の設計と実装について述べる.この設計の目的は,前頭前野の皮質活動の血行力学的反応を監視することが可能な小型化された手頃で価格を無視できるシステムを作ることである.システムは,センサパッド,制御ボード,バッテリ,およびデータ収集(DAQ)カードで構成されている.DAQカードはデータを取得してデジタル化し,それをオキシヘモグロビン(HbO2)およびデオキシヘモグロビン(Hb)の濃度変化としてリアルタイムで時間および空間情報を表示するためにコンピュータに送信する.さらに,DAQは制御ボードに制御信号を提供する.
システムの性能を試験するため,ヒトの脳組織の光学的特性およびHbおよびHbO2濃度の変化をシミュレートする静的ファントムを用いて実験を行った.

前頭-頭頂注意ネットワークの機能評価:安静状態のfMRI と注意ネットワークテストからの洞察

Assessing the function of the fronto-parietal attention network insights from resting-state fMRI and the attentional network test
S. Markett, M. Reuter, C. Montag, G. Voigt, B. Lachmann, S. Rudorf, C.E. Elger and B. Weber
Human brain mapping, Vol.35, No4., 1700-1709, 2014
2017 rhagiwara

“近年,様々な固有コネクティビティネットワーク(ICN)が安静時の脳において同定されている.前頭-頭頂ICN は注意プロセスに関与しているという仮説が立てられている.この主張の証拠は,持続的な注意を必要とするタスク中に関与する脳領域の共同活性化を示すタスク関連の活性化研究に由来する.本研究では,機能的磁気共鳴イメージング(fMRI)を使用して,前頭-頭頂ネットワーク内の機能的コネクティビティが安静状態に直接関わることを実証した.我々は,複数の関心領域からの機能的コネクティビティデータにグラフ理論を適用し,MRI環境外で別セッションで取得した注意ネットワークテスト(ANT)によって提供される注意行動の測定値との関連性について検証した.ネットワーク内のノードのグローバルおよびローカルのコネクティビティの中心性のあ
る測定値との強力な統計的関連性が,注意の警告および実行制御サブ機能によって検出された.この結果は,ICNの機能的意義と前頭-頭頂注意ネットワークの仮説的役割についてさらなる証拠を提供する.”

マインドワンダリングでの運転:マインドワンダリングが運転パフォーマンスに及ぼす影響

Driving With the Wandering Mind: The Effect That Mind-Wandering Has on Driving Performance
Yanko, Matthew R and Spalek, Thomas M
Human factors 56.2 (2014): 260-269.
20171204_yfujiwara

本実験の目的は,ドライビングシミュレータを用いて心の状態(マインドワンダリング,もしくはタスク集中時)が運転パフォーマンスに及ぼす影響の調査である.マインドワンダリングは,目標指向の思考に干渉すると考えられている.それはおそらく,運転しているときにマインドワンダリングが運転パフォーマンスの重要な側面で障害につながる可能性がある.2 つの実験において,私たちはマインドワンダリングが平均速度,および車間距離などの突発現象に対する応答性を妨げると考える.高性能運転シミュレータで自動車追従手順を使用し,参加者を無作為に探査し,その時点で作業中であるかマインドワンダリングにあるかを示した.尺度には,参加者のプローブに対する応答を分析した.作業中の時と比較して,マインドワンダリングでの参加者が突発事象に対する応答時間がより長いことを示し,より速い速度で運転し,車間距離をより短く維持した.これらの知見により,マインドワンダリングが広範囲の運転応答に影響し,より高い衝突リスクにつながる可能性があることを示した. /git/personal/yfujiwara/LiteratureSearch/09 Driving performance, Distracted driving, Mind wandering

リアルタイム近赤外分光法を用いたニューロフィードバックは皮質活動に関連して運動想起を高める

Neurofeedback Using Real-Time Near-Infrared Spectroscopy Enhances Motor Imagery Related Cortical Activation
Mihara, Masahito and Miyai, Ichiro and Hattori, Noriaki and Hatakenaka, Megumi and Yagura, Hajime and Kawano, Teiji and Okibayashi, Masaki and Danjo, Nobuyoshi and Ishikawa, Akihiro and Inoue, Yoshihiro and others
PloS one, vol.7, No.3, pp. e32234, 2012
20171205_sfujii

“これまでの証拠は運動想起および運動遂行が共通の神経ネットワークを共有することを示す.
したがって,脳卒中患者のリハビリテーション制度には,運動想起の形態の精神的訓練が有利な結果をもたらしている.
運動想起を直接モニタリングすることは困難であるため,運動想起に関連する皮質活動のフィードバック(ニューロフィードバック)は,運動想起の精神的訓練の有効性を高めるのに役立つ可能性がある.
近赤外分光法(NIRS)によって媒介されるリアルタイムニューロフィードバックシステムの実現可能性および有効性を決定するために,2つの別の実験を行った.
実験1は,5人の被験者で行われ,運動実行タスク中のリアルタイム皮質酸素化ヘモグロビン信号フィードバックが,オフラインで計算された基準ヘモグロビン信号と相関するかどうかを評価した.
結果は,NIRS媒介ニューロフィードバックシステムが酸素化ヘモグロビンシグナル変化をリアルタイムで確実に検出することを実証した.
実験2では,21人の被験者が,関連する皮質信号および関連性のない偽信号からのフィードバックを用いて,指の運動の運動想起を実施した.
実際のニューロフィードバックは,擬似フィードバックと比較して,前頭皮質の著しく大きな活性化および運動感覚運動想起に対するより大きな自己評価スコアを誘導した.
これらの知見は,NIRSを介するリアルタイム神経フィードバックシステムが運動感覚運動想起の性能に及ぼす可能性と潜在的有効性を示唆している.
しかしながら,これらの結果は,このシステムが脳卒中患者における精神的練習の効果を高めることができるかどうかを決定するさらなる臨床試験を保証する.”

運動想起型BCIシステムにおける脳波信号の分類における信号分解法の比較

Comparison of signal decomposition methods in classification of EEG signals for motor-imagery BCI system
Jasmin Kevrica, Abdulhamit Subasib
Biomedical Signal Processing and Control, 2017,Volume.31,P.398-406
20171122_tishihara

“この研究では,分類タスクのためのブレインコンピュータインタフェース(BCI)システムにおける脳波(EEG)信号の分解について,3つの一般的な信号処理技術(経験的モード分解,離散ウェーブレット変換,およびウェーブレットパケット分解)を調査した.この目的のために,マルチチャンネル2クラスの運動想起データセットであるデータセットIVaを使用した.雑音除去の目的でマルチスケール主成分分析法を適用した.さらに,特定の機能グループの効果を調べるために,異なる機能セットが形成された.信号分解法のパラメータ選択プロセスも完全に説明された.我々の結果は,ウェーブレットパケット分解サブバンドから抽出されたマルチスケール主成分分析ノンノイズ統計と高次統計フィーチャの組み合わせが,92.8%の最高平均分類精度をもたらしたことを示している.我々の研究は,BCI信号の分類における高次統計と組み合わせた信号分解法の包括的な比較を提供する非常に少数のものの中の一つである.
加えて,Brain Computer Interface Systemsにおける脳波信号の分類作業の改善において,より高い周波数範囲の重要性を強調した.得られた結果は,提案されたモデルが運動想起時の脳波信号の信頼できる分類を得る可能性を有し,したがって車椅子を制御するための実用的なシステムとして使用できることを示している.また,個人が正しい動作を実行すると,適切なフィードバックが配信される現在のリハビリテーションをさらに強化することができます.このようにして,運動リハビリの成果は時間とともに改善されるかもしれない.”

機械学習による瞳孔径を用いた快・不快感情識別

Machine learning to differentiate between positive and negative emotions using pupil diameter
Babiker Areej, Faye Ibrahima, Prehn Kristin, Malik AamirAnke
Frontiers in psychology, Vol.6, 2015
20171122_hwada

瞳孔径は個人の感情状態を識別するための信頼可能なパラメータとして示唆されている.本稿では,正と負の 感情を検出し,識別するための機械学習技術を提案する.30 名の被験者に陽性および陰性の刺激を与え,瞳孔反 応を記録した.結果,正及び負の音刺激の処置中に瞳孔拡張において有意な増加を示し,負の刺激に対してより 大きな増加を示した.さらに,タスク終了時に陽性刺激と比較して陰性の持続的拡張が認められ,正および負の 感情の識別のために精度 96.5%,感度 97.93%,特異度 98%となる機械学習アプローチに利用された.得られた結 果は,異なる研究のために設計された,30 人の参加者が陽性,陰性の感情を伴う単語を処理しながら記録した別 のデータセットを用いて検証された.

自動運転における制御移行のための注意散漫、眠気および認知負荷の目に基づいた運転者状態モニタ

Eye-based driver state monitor of distraction, drowsiness, and cognitive load for transitions of control in automated driving
Christopher Cabrall, Nico Janssen, Joel Goncalves, Alberto Morando, Matthew Sassman, Joost de Winter Systems, Man, and Cybernetics (SMC), 2016 IEEE International Conference on, pp.1981-1982, 2016
171021_snakamura

将来の自動運転車両には,複数のモードと操作レベルが含まれている可能性が高いため,ドライバと機械の間 のさまざまな制御の移行(ToC)が必要とされる.従来の起動デバイス(例:ノブ,スイッチ,ボタンおよびタッ チスクリーン)は,他のシステム設定操作によって混乱させられ、システム稼働時に不適切な影響を受けやすい。 非侵襲的な視線追跡方法は、ドライバの状態(例:気晴らし,眠気および認知過負荷)から手動から自動運転に 切り替え、自動運転から手動運転移行時のドライバの準備状態の確認として役立てることができる。このシンプ ルなシステムをデモンストレーション・ペーパーの範囲内で、統合されたドライバ・ステート・モニターを概説す る.視線位置,視線の変動性,眼瞼の開口部および運転環境からの外部環境の複雑さを組み合わせて,自動運転 への移行を容易にする.ドライバフェーシングカメラと前方カメラの両方がますます普及し,さまざまな自動運 転車両において法的に義務付けられるため,我々の統合システムは,人間とコンピューターの相互作用と運転の 安全性を改善するための関連する将来の研究開発に役立つ.

正負の感情処理は情動的な画像の表示中に解離可能な機能ハブを示す

Positive and negative affective processing exhibit dissociable functional hubs during the viewing of affective pictures
Fekete, Tomer and Beacher, Felix DCC and Cha, Jiook and Rubin, Denis and Mujica-Parodi, Lilianne R
Human brain mapping, Vol.36, pp.415-426, 2015
20171116 sikeda

グラフ理論の指標を用いた最近のレスティングステイトにおける機能磁気共鳴イメージング(fMRI)研究は, 人間の脳機能ネットワークは,スモールワールドの特徴を有し,いくつかの機能的なハブ領域を含むことを明ら かにした.しかし,感情情報の処理中に感情的脳機能ネットワークが脳内でどのように組織されているかは不明 である.本研究では,健康な大学生 25 名から fMRI データを収集し,合計 81 の陽性,中立,陰性の画像を観察 した.結果は、感情的機能ネットワークは局所的効率がより高い弱いスモールワールドの特性を示し,それは感 情的な映像を見ている間に局所的接続が増加することを意味する.さらに,ポジティブおよびネガティブな感情 処理は,主にポジティブタスク領域に出現する解離可能な機能ハブを示す.これらの機能ハブは,情報処理の中心 であり,ネットワークの平均の重心より少なくとも 1.5 倍大きいノード間の重心値を有する.快の感情ネットワー クにおけるポジティブな影響スコアは,右眼窩前頭皮質と右被殻の間の値と相関を示し,不快情動ネットワーク におけるネガティブな影響スコアは,左眼窩前頭皮質と左扁桃の間の値と相関した.左上頭頂葉および下頭頂葉 における局所効率は,その後の陽性および陰性画像の覚醒評価とそれぞれ相関を示した.これらの結果は,感情 情報の処理中における人間の脳機能結合の組織原理の重要な証拠を提供する.

Measuring different oxygenation levels in a blood perfusion model simulating the human head using NIRS NIRSを用いたヒト頭部をシミュレートする血液灌流モデルにおける異なる酸素化レベルの測定
K. Rackebrandt,H. Gehring
Current Directions in Biomedical Engineering,vol. 1,no. 1,pp.371-375,2015
2017115 rhagiwara

両半球で分断された脳の酸素化,灌流および代謝は,大脳遠心性血管の静脈血の酸素化およびヘモグロビンレベルから推定することができる.再現性のあるシミュレートされた標的の血管(測定セル)の内部で異なる酸素供給速度を提供するために,血流力学的灌流回路に接続された解剖学的標的領域をシミュレートするためのファントムベースのモデルを提示する.これらの異なる飽和レベルを検出するために,三波長(770,808および850 [nm])の多距離NIRSセンサ(6つのフォトダイオードが線状に配置され,それぞれ6 [mm]離された)が使用された.これらの最初の結果に基づいて,反射された光の量を血液の実際の酸素飽和度と相関させる一連の測定が導入された.

レスティングステイトの脳ネットワークの機能的統合は,ワーキングメモリパフォーマンスの特定されていな いバイオマーカーであるか?

Is functional integration of resting state brain networks an unspecic biomarker for working memory performance?
M. Alavash, P. Doebler, H. Holling, C.M. Thiel and C. Gieing Neuroimage, Vol.108, 182-193, 2015
2017115 rhagiwara

“私たちの認知能力が利益をもたらす機能的な脳ネットワークの最適なトポロジーはあるか?以前の研究は,レスティングステイトの脳ネットワークの機能的統合は,認知能力のための重要なバイオマーカーであることを示唆している.しかしながら,より高いネットワーク統合が,良好な認知能力のための特異的な予測因子であるか,あるいはレスト中の特定のネットワーク構成が特定の認知能力のみを予測するかどうかは未だに不明である.
ここでは,安静時のネットワーク統合と認知能力との関係を,ワーキングメモリの異なる側面を測定した2 つのタスクを用いて調査した.1 つのタスクは視覚空間,他は数値ワーキングメモリを評価した.ネットワーククラスタリング,モジュール性,および効率性を,ネットワーク構成の様々なレベルでネットワーク統合を取得し,各ワーキングメモリテストでのパフォーマンスとの相関を統計的に比較するために計算した.
結果は,各ワーキングメモリの局面が異なるレスティングステイトのトポロジーから利益を得ていることを示し,テストはネットワーク統合の各測定値と著しく異なる相関を示した.グローバルなネットワーク統合とモジュール性が高いほど視覚空間ワーキングメモリのパフォーマンスが大幅に向上すると予測されていたが,両方の測定値が数値ワーキングメモリのパフォーマンスと有意な相関を示さなかった.対照的に,数値ワーキングメモリは,クラスタリングされた脳ネットワークを有する被験者,主としてワーキングメモリネットワークの核心領域である頭頂間溝で優れていた.
我々の発見は,レスティングステイトの脳ネットワークの局所的機能統合と全体的機能統合との間の特定のバランスが,認知能力の特別な側面を容易にすることを示唆している.ワーキングメモリのコンテキストでは,視覚的空間性は,グローバルに統合された機能的レスティングステイトの脳ネットワークによって促進されるが,数値ワーキングメモリは,特にワーキングメモリ性能に関与する脳領域における局所処理能力の増加から利益を得る.”