腹側内側前頭前野における感情関連脳血流の変化:NIRS研究

Emotion-related cerebral blood flow changes in the ventral medial prefrontal cortex: An NIRS study
Ozawa, Sachiyo and Kanayama, Noriaki and Hiraki, Kazuo Brain and cognition, vol.134, pp.21‾28, 2019

現在の研究で,前腹側内側前頭前野(VMPFC)の脳血流量の変化が,注意散漫作業中の感情の認知制御ではなく,感情刺激に対する反応を表すかどうかを調べた.MPFC領域の機能的な区別は,それらの複数の機能のために時折困難である.負の感情的刺激に対する反応に関連した脳血流量変化の成分を抽出するために、我々は、中立状態で得られた脳血流量変化を負状態のそれらから差し引いた.左前部VMPFCにおける感情関連の脳血流量変化は、注意散漫状態よりも安静時の方が有意に大きかった。これらの知見は、注意散漫課題が不必要な脳活動を減少させ、その結果感情関連の脳血流量変化が減少することを意味している.彼らは我々の以前の知見を支持しており,NIRSを用いて測定された前部VMPFC領域における脳血流量変化が特に感情的刺激に対する反応と関連していることを示している.

動機づけは知覚的意思決定課題における反応バイアスと神経活性化パターンを変化させる

Motivation alters response bias and neural activation patterns in a perceptual decision-making task
Reckless, Greg E and Bolstad, Ingeborg and Nakstad, Per H and Andreassen, Ole A and Jensen, Jimmy
Neuroscience, vol.238, pp.135-147, 2013

動機づけは、経済的意思決定における個人の対応戦略に影響を与えることが実証されているが、動機づけが知覚的意思決定行動またはそれに関連する神経活動にどのように影響するかについてはほとんどわかってない。私たちの行動を形作る上で動機づけが果たす重要な役割を考えると、この関係のより良い理解が必要である。機能的磁気共鳴画像法(fMRI)の間に、参加者が注意散漫の中で動物の写真を検出するように依頼された、ブロックデザイン、連続的なパフォーマンス、知覚的な意思決定タスクが使用された。意思決定の根底にあると考えられる脳の領域内の持続的な活動に対する肯定的および否定的な動機づけの効果は、タスクに関連付けられている通貨の偶然性を変更することによって調べた。さらに、信号検出理論を用いて、検出感度、応答バイアスおよび応答時間に対する動機づけの影響を調べた。正および負の動機の両方が腹側線条体、紡錘状回、左背外側前頭前皮質(DLPFC)および腹内側前頭前皮質における持続的活性化の増加をもたらしたが、負の動機のみがより自由度があり、最適応答バイアスに近い結果となった。この自由寛容な反応バイアスへの移行は、左のDLPFCにおける活性化の増加と相関していたが、改善されたタスクパフォ​​ーマンスをもたらさなかった。今回の調査結果は、動機が知覚的決定が行われる方法の側面を変えることを示唆しています。さらに、この変化した反応挙動は、左DLPFC活性化、知覚決定の計算に関与する領域の変化に反映されている。

協力時の母子ダイアドにおける脳間同期:fNIRSのhyperscanning研究

Inter-brain synchrony in mother-child dyads during cooperation: An fNIRS hyperscanning study
J.G. Miller, P. Vrti{\v{c}}ka, X. Cui, S. Shrestha, S.H. Hosseini, J.M. Baker and A.L. Reiss
Neuropsychologia, vol. 124, pp. 117-124, 2019.

個人間の協調的な脳活動,つまり脳間同期は,協力時に増加し,協力の成功と相関することが示されている.しかし,親子間の脳間同期と,それが親子関係の意味ある側面と関連しているかどうかを調査した研究はほとんどない.ここで,我々は母子ダイアドが協力的な課題と独立した課題に従事している間の彼らの右前頭前皮質(PFC)と側頭皮質における脳間同期を測定した.我々は母子ダイアドの脳間同期が,(1)協力時に増加するか,(2)母-息子ダイアドと母-娘ダイアドで異なるか,(3)協力行動と愛着関係に関連するかどうかを調べた.右半球,とりわけPFCの右背側部および前頭極における脳間同期が全体的に協力時により高かった.母-息子ダイアドは母-娘ダイアドと比較して,独立した課題時により低い脳間同期を示し,協力に応じて同期性が強く増加を示した.最後に,我々は脳間同期と子供の愛着の間の関連について強力な証拠を見つけられなかった.母-息子ダイアドと母-娘ダイアドでは異なるが,母子協力により脳間同期は全体的に増加する可能性がある.母子協力における全体的な脳間同期の潜在的な役割,および脳間同期と愛着との間の潜在的な関連をよりよく理解するためにはさらなる研究が必要である.

作業の複雑さと専門知識の関数としての血行動態反応の変化-ジャグラーにおけるfNIRS 研究

Hemodynamic Response Alteration As a Function of Task Complexity and Expertise? An fNIRS Study in Jugglers
D. Carius, C. Andr¨ a, M. Clau, P. Ragert, M. Bunk and J. Mehnert
Frontiers in human neuroscience, vol. 10, p.126, 2016.

高い運動範囲で複雑な運動課題を実行している間のオンライン脳処理に関する詳細な知識はまだとらえどころのないままである. 本研究の目的は, ジャグリングなどの複雑な視覚運動課題の実行中に, 感覚運動ネットワーク内および視覚運動領域内の血行動態反応を調査することであった. より具体的には, 我々は機能的近赤外分光法(fNIRS)で測定される血行力学的反応が, タスクの複雑さおよびジャグリングの技量のレベルの関数としてどれほど適応するかに興味があった. 2ボールジャグリング, 3ボールジャグリングおよび5ボールジャグリングカスケードなど, さまざまなレベルの複雑さのジャグリングタスクを実行するよう, エキスパートジャグラーに依頼した. 5ボールジャグリングカスケードは, 3ボールジャグリングや2ボールジャグリングパターンなどのそれほど複雑ではないタスクと比較して, 酸素化ヘモグロビンに対する血行動態応答の増強を示したため, ここで我々はエキスパートジャグラーが増加するタスクの複雑さとともに神経血管反応を示すことを示す. さらに, ビデオ分析によって得られた5ボールジャグリングカスケードの間の血行動態反応とジャグリングの技量レベルとの間の相関関係は, 一次運動皮質と有意でない傾向のみを明らかににし, より高いレベルの技量は血行動態反応の低下と関連している可能性がある.

ネットワークにおけるコミュニティ検出のための進化的計算

Evolutionary Computation for Community Detection in Networks: A Review
Pizzuti, Clara IEEE Transactions on Evolutionary Computation, 22(3), 464-483, 2018

今日の世界において,多くのドメイン内のオブジェクト間の相互接続は,オブジェクトを表すノード,それらの間に存在する関係を示すエッジで構成される,ネットワークとしてモデル化されることが多い.複雑ネットワークの主な特徴は,エンティティが集まってコミュニティを形成する傾向があることである.このコミュニティの検出は,研究者から大きな関心を集めている.実際,オブジェクトがどのように構成されるのか,それに関する知識は,ネットワークの理解を深めることを可能にし,ネットワーク全体を考慮した場合には捉えることができない,興味深い特性の,より深い洞察を与える.過去10 年間,進化的計算はこの文脈において重要な貢献をしてきた.本稿の目的は,コミュニティ構造を明らかにするための進化的計算に基づくアプローチを提示することである.特に,それらに適した遺伝的演算子を用いた表現が説明されており,その方法で採用されている最も一般的な適応度関数が議論される.また,符号付き,動的,多次元など,さまざまな種類のネットワークモデルに対して,単一目的または複数目的のいずれかを最適化する最新の提案について説明を行う.

早期胃癌に対する拡大内視鏡単純診断アルゴリズム(MESDA-G)

Magnifying endoscopy simple diagnostic algorithm for early gastric cancer (MESDA-G)
Manabu Muto, Kenshi Yao, Mitsuru Kaise, Mototsugu Kato, Noriya Uedo, Kazuyoshi Yagi and Hisao Tajiri Digestive Endoscopy 2016, 28, pp. 379-393, 2016

“胃がんは,世界中でがんによる死亡の 3 番目に多い原因である.早期胃がん患者の原因別生存率は 95 %を超え ると報告されているが,死亡率を低下させるためには,粘膜癌の早期発見と正確な診断が望ましい.内視鏡検査 は早期がんを発見するための機能的な方法である.ただし,従来の白色光観察を使用する場合,この手順は決定 的なものではない.対照的に,新規の内視鏡技術である拡大狭帯域光観察(M-NBI)は,微小血管構造と微小表 面構造を視覚化できるため,胃粘膜病変を特徴付けるための強力なツールである.これまでにも,日本で行われ た多施設前向き無作為試験を含む,M-NBI による早期胃がんの診断に関する多くの報告が査読付き国際ジャーナ ルで発表されている.これらの公表されたデータに基づいて,我々は診断のプロセスを単純化しそして正確さを 改善するために M-NBI を使用して胃粘膜癌のための診断体系を考案した.そこで本稿では,拡大内視鏡検査を用 いた早期胃がんの診断アルゴリズムについて述べる.

BLI-brightとLCIを用いたピロリ菌感染のAI診断:一施設が見込んだ研究

Artificial intelligence diagnosis of Helicobacter pylori infection using blue laser imaging-bright and linked color imaging: a single-center prospective study
Hirotaka Nakashimaa, Hiroshi Kawahirab, Hiroshi Kawachic, Nobuhiro Sakakia
Annals of gastroenterology, vol.31(4), pp462-468, 2018

Deep learningは脳のニューラルネットを真似た人工知能の一種である.我々は,BLI-brightとLCIを用いて,ピロリ菌感染を診断するためのAIを生み出した.この社会実験の目的は,内視鏡検査の正答率や生産性を向上させる内視鏡画像を用いて,ピロリ菌感染状態の予測をするAI診断システムの構築であった.計222の被験者(105 はピロリ菌陽性)が上部消化菅内視鏡検査およびピロリ菌IgG抗体の検査が施行された.上部消化菅内視鏡検査中に置いて,内視鏡医はWLI,BLI-bright,LCIを用いて胃の小彎部から3枚の画像を順番に撮影した.EG-L580NW内視鏡装置(富士フィルム)がこの研究では使用された.AIの仕様は次の通りである.OSはLinux,ニューラルネットワークはGoogLeNet,フレームワークはCaffe,GPUはGeforce GTX TITAN X (NVIDIA Co., USA) である.受信者操作特性解析における曲線下面積(AUC)はWLIでは0.66であった.一方で,BLI-brightとLCIのAUCはそれぞれ0.96,0.95であった.BLIとLCIから得られたAUCはかなりWLIより大きかった(P<0,01).結果は,構築したAIはBLI-brightとLCIを用いてピロリ菌感染診断において優秀な能力があることを立証した.画像増強内視鏡を用いたAI技術は有用な画像診断手段となる可能性が高い.

認知状態と負荷に対するfNIRSの感受性

Sensitivity of fNIRS to cognitive state and load
Frank A. Fishburn, Megan E. Norr, Andrei V. Medvedev and Chandan J. Vaidya
Frontiers in Human Neuroscience, 8, 76, 2014

機能的近赤外分光法(fNIRS)は、皮質血流を測定する新興の低コストの非侵襲の脳神経画像技術です。 fNIRSが臨床および小児集団での使用のためのfMRIの潜在的な代替物として関心を集めている一方で、fNIRSがfMRIの代替として役立つために必要な感度を有するかどうかは不明のままである。本研究は、fNIRSが認知負荷に応じた活性化および機能的結合性の線形変化、ならびにタスクフリーの安静状態からタスクへの移行時の機能的結合性変化を検出する感度を有するかどうかを検討することを目的とした。 10分間の安静時スキャンの間に16人の若年成人被験者をfNIRSでスキャンし、続いて3回の負荷条件で文字提示のn-backタスクを行った。 5つの光学プローブを、左右の背外側PFC(dlPFC)、両側の腹側外側PFC(vlPFC)、前側極皮質(FP)、および両側側頭頂皮質をカバーする、前頭皮質および頭頂皮質上に配置した。活性化は、両側の前頭前皮質におけるワーキングメモリ負荷と線形的に比例することが見出された。前頭頭頂、半球間dlPFC、およびローカル接続では、nバック荷重の増加に伴って機能的接続性が増加した。機能的連結性は、安静時スキャンとn-backスキャンの間で異なり、前頭頭頂連結性はn-backの間に大きく、半球間vlPFC連結性は安静時の間に大きかった。これらの結果は、fNIRSが認知負荷と状態の両方に感度を有することを実証しており、fNIRSはニューロイメージング研究の問題を満たした要素を探索するのに非常に適しており、fMRIの実行可能な代替として役立つことを示唆する。
fNIRS, RestingState, WorkingMemory, N-back

共同力発揮時のオンライン協調の神経相関

Neural correlates of online cooperation during joint force production
M.O. Abe, T. Koike, S. Okazaki, S.K. Sugawara, K. Takahashi, K. Watanabe and N. Sadato NeuroImage, vol. 191, pp. 150-161, 2019.

共同作業間では,2人以上の人が目標を達成するためにお互いに依存する.この相互再帰,つまり循環依存は協力の特徴の一つである.協調の神経基盤を評価するために,我々はハイパースキャニングによる機能的MRI研究を実施し,19組のダイアドが共同力発揮課題を行なった.この課題の目的は,30秒にわたる視覚的フィードバックを通し,握力の平均値を指定の値(最大握力の20%)に合わせることであった.課題では,自己生成した力をリアルタイムで調整するために他者が生成した力を考慮することが必要であり,協調を意味した.ダイアドによる握力の時系列データを記録し,パートナーからの影響尺度であるノイズ寄与率(NCR)を多変量自己回帰モデルを使用して計算し,各参加者の握力がパートナーの握力によりどの程度説明されるか,つまり協調の程度を特定した.単独の力発揮課題と比較して,共同課題はNCRを高め,内側前頭前野,楔前部,そして側頭頭頂接合部(TPJ)の両側後部を含むメンタライジングシステムを活性化した.加えて,右TPJ前部の特有な活性が共同課題時の参加者間のNCRと有意かつ正に相関した.参加者が握力を調整したとき,TPJ前部から後部への実効的結合が強まった.最後に,共同課題は右TPJ前部の脳間の機能的結合を強め,パートナーの運動出力の時間的パターンに対する共同注意を示した.TPJ後部は知覚されたエージェントの意図を追跡するためのメンタライジングシステムの一部であるので,我々の発見は協調,すなわちパートナーの運動出力に依存する個々の運動出力の調節の程度が,右TPJの相互接続された一部により仲介されるということを示す.

負の感情は心の理論の間に外側前頭前野皮質活性化に影響を与える:fNIRS研究

Negative emotions impact lateral prefrontal cortex activation during theory of mind: An fNIRS study
Himichi, Toshiyuki and Fujita, Hiroyo and Nomura, Michio
Social neuroscience, vol.10, pp.605‾615, 2015
外側前頭前野(lPFC)は,自己透視情報を抑制するのに重要な役割を果たす.これは,心の理論(ToM)処理に必要である.加えて,以前の研究は,否定的な感情が実行タスク中のIPFC活性化を妨害することを示した.この研究では,負の感情がToM課題の間にlPFC活性化を阻害するであろうという仮説を立てた.女性の参加者は感情的な映画(ニュートラル/ネガティブ/ポジティブ)の観察に従ってタスクを実行しましたが,彼らの前頭前血行動態活性は近赤外分光法を使用して測定された.ニュートラル映画を見た後,両側のlPFC活性は,対照条件と比較してToMプロセスの間に有意に増強された.対照的に,ネガティブ映画を見た後では,ToMプロセスの間の残余のIPFC活性は著しく損なわれた.これらの結果は,ネガティブ感情がlPFCの不活性化を介して自己視点情報の抑制を妨げるという考えを支持すると解釈された.