様々なレベルの自動運転におけるfNIRS を用いた脳活動の検討

Assessing Driver Cortical Activity under Varying Levels
of Automation with Functional Near Infrared
Spectroscopy
Intelligent Vehicles Symposium(IV) 2017 IEEE, pp. 1509-1516, 2017
20170821_yfujiwara

運転者の精神状態に関する情報は,高度に自動化された車両のためのインターフェイスの設計に不可欠である.
機能的近赤外分光法(fNIRS)は,参加者の脳活動を研究するために広く普及している神経イメージングツールで
あり,HCI 実験,特にドライビングシミュレータを用いた研究で用いられている.fNIRS のデータ解析は,繰り
返し測定できるような実験設計が要求される.
本稿では,部分的に自動運転が可能な車両と完全に自動運転が可能な車両を運転しているドライバの車線変更
時の脳活動についての研究を提示する.また,fNIRS 測定のニーズを満たす実験設計を採用し,その後の解析を
行った.この研究には28 人が参加し,ドライビングシミュレータで約7 時間運転した.自動運転の各モードで8
回車線変更操作を実施し,ビデオ録画,NASA TLX アンケート,fNIRS データを記録し,解析を行った.自動ま
たは手動で車線変更する間,同様にdorsolateral prefrontal cortex での活性化が見られた.

自閉症スペクトラム障害を有する成人の運転習慣認識課題における注意点の相違

Attentional Differences in a Driving Hazard Perception Task in Adults with Autism Spectrum Disorders
Journal of autism and developmental disorders, vol.47, No.2, p.405, 2017
170704_snakamura

本研究では,運転習慣認知課題に関連して,ASD における社会的および非社会的刺激の注意深い処理を検討し
た.参加者は,目の動きが記録されている間に,道路のシーンのビデオを見て,危険を検出した. ASD を有する
被験者は,運転習慣の危険性を比較的良好に検出したが,危険に適応するのが遅かった.ハザードの発症に先立
つ時間におけるより大きな注意喚起は,より低い言葉のIQ と関連していた.この調査結果は,運転習慣の危険性
を特定する際に,ASD を持つ人が注意を分散して指導することを示唆している.

視覚探索トレーニングにおける後頭頂皮質活性の低減

Reduced posterior parietal cortex activation after training on a visual search task
NeuroImage, vol.135, pp.204-213, 2016
20170213 htanaka

認知課題により経験を得ることは, 行動パフォーマンスを向上させ, 脳活動の効率を高めると考えられている. 脳の活性におけるトレーニング効果に関する文献はすでに発表されているが, 十分に統制された条件下での視覚検索時の注意プロセスに関する研究はほとんど行われていない. トレーニング群と統制群に分けられた36 人の健常な成人は, 文字ベースの視覚探索課題を用いたfMRI 研究を一日で完了した.12 文字を目標刺激として,10 文字を妨害刺激として用いた. トレーニング群はスキャンの間に, 目標刺激の半分を用いたトレーニングセッション(840回の試行) を完了した. トレーニング群と統制群の群間比較や被験者内のトレーニングした場合としていない場合の比較を両方行い, 反復効果を制御することによって, トレーニング効果を行動および脳活動レベルで研究した. トレーニング群の参加者は, トレーニングを行った結果として精度スコアを維持したまま反応時間が31 % 速くなったが, 統制群は変化がほとんど見られなかった. 脳活動結果は, 視覚探索トレーニングに関連する脳活動変化が目標刺激を探索するときに後頭頂皮質(PPC) 活性の低減に限定され, それらは後頭領域下部を含んでいることを明らかにした. 得られた行動および脳活動変化は, 自動的な行動パフォーマンス向上に関連づけて議論されている. また, 得られたトレーニング関連領域における活動の減少は, タスクパフォーマンスに関与する主要な部位の神経活動効率の増加に関連する可能性がある.

デフォルトのネットワークと背中の注意ネットワークとの間の相互作用は、デフォルトのサブシステム、時間、 および認知状態によって異なる

Interactions between the default network and dorsal attention network vary across default subsystems, time, and cognitive states
NeuroImage, vol.147,pp.632-649,2017
20170213_mnishizawa

デフォルトネットワーク(DN)と背部注意ネットワーク(DAN)との間の相関関係は,競合する機能を反映する機能的脳組織の本質的な側面であると考えられている.しかしながら,DNとDANとの間の機能的接続性(FC)の効果サイズはまだ確立されていない.さらに,異なるDNサブシステム,異なるコンテキスト,および時間にわたる相関関係の安定性は,未だに未知のままである.研究1では,20の研究からのDN-DAN FCの効果サイズを要約し,研究2では,新しいデータセットにおける6つの異なる認知状態にわたるDN-DAN相互作用の変動性を調べる. (i) DNおよびDANは、グローバルな信号回帰を使用しない場合 (研究全体にわたるメジアン効果の大きさ:r = – 06; 95%CI:-.13から.08),相互相関関係ではなくむしろ相関しない関係を有する. (ii)DANは、DNコアサブシステムで弱い負のFCを示すが,背中前の前頭前野および内頭頂葉サブシステムと無相関である. (iii)DN-DAN相互作用は、異なる認知状態にわたって著しく変化する; (iv)DN-DAN FCは、反相関の期間と正の相関の期間との間で時間的に変動する. (v) DN-DANカップリングの強さの経時変化は、前頭前頭制御ネットワーク (FPCN)を含む相互作用と調和する.全体として、DN-DANの反相関に関連する観察された弱い効果の大きさは,これらのネットワーク間の相互作用の性質を再概念化する必要性を示唆している.さらに,我々の発見は,DN-DAN相互作用が安定ではなく,むしろ時間および文脈に沿って実質的な変動性を示し,FPCNを含むより広範なネットワークダイナミックスと調整されることを示している.

Default network, Dorsal attention network, Anticorrelation, Frontoparietal control network, Attention,Dynamic functional connectivity

感情的写真による選択的注意捕捉の眼球運動評価

Eye Movement Assessment of Selective Attentional Capture by Emotional Pictures
Emotion, Vol.6, No.2, pp.257-268, 2006
20160626 wada

アイトラッキングを感情的かつ視覚的な場面での注意の配向と関与を評価するために用いた.実験 1 で不快,中 性,または快適なターゲットの画像を画像の快の度合いを比較するための周辺視野における中性制御画像と同時 に提示した.感情画像における最初の凝視とその後の凝視の周波数の確率は中性の画像よりも大きかった.実験 2 では,被験者に感情画像を見ることを避けるように指示したが,中性写真よりも初めに凝視する割合が大きくな り,最初の凝視時の見る時間が長くなった.低いレベルの視覚的な特徴では結果を説明することができない.明白 な視覚的な特徴は快・不快の感情的なコンテンツによって表わされることが結論づけれた

事象関連fMRI データの古典的解析における特定の領域のHRF の関係

The role of early visual cortex in visual short-term memory and visual attention
Vision Research Vol.49, no.10, pp.1352-1362, 2009.
20151124 taki

短期記憶と視覚的注意における低次視覚野の関係を徹底調査するためにfMRIで皮質活動の計測を行った.4つの実験タスクにおいて,可変的にずらされた2つの視覚刺激を被験者は見た.それらのタスクでは短期記憶と注意が要求されるが,ずらされた視覚刺激が出るまで刺激は同一である.被験者が注意と大変なタスクをしている時,低次視覚野は継続的な反応を示したが,被験者が短期記憶を必要としたタスクを行った時,遅らせた視覚刺激が提示されている間の活動はゼロと識別できなかった.この分離は2つの処理の基礎をなしている計算メカニズムを明らかにする.

割り込み型の探索は,年齢に関与する視覚探索の上達と無関係である

Rapidresumptionofinterruptedsearchisindependentofage-relatedimprovementsinvisualsearch

Journal of Experimental Child Psychology, Vol.109, Issue 1, 2011, pp.58-72

20150817 htanaka

本研究では,7-19歳の被験者が2つの実験において割り込み型の探索課題を行った.私たちの質問は,ほんの数秒ディスプレイを見た後に500ミリ秒以内に刺激に反応する傾向が,全体の効率的な探索と同様に年齢によってみられるかどうかであった.結果は,年齢層(7,9,11および19歳)でも個々の被験者でも,迅速な反応と探索速度との相関は示さなかった.また,目標刺激を無作為に再配置することは,年齢と同様に,迅速な探索速度を減少させた.これらの結果は,探索時の暗黙的な知覚予測が,年齢に関わらず不変であり,刺激の特徴統合や空間的注意の制御のような重要なプロセスとは区別されることを示す.

明るい照明が持続的注意課題時における頭頂部のEEG のα波の活性を減少

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Bright illumination reduces parietal EEG alpha activity
during a sustained attention task

Brain Research Vol.538 (2013) pp.83-92

照明条件の認知パフォーマンスへの影響は,特にオフィスで働く現代生活においてより重要であると考えられ
る.しかしながら,特定の照明条件における神経生理学的変化とその認知的解釈は未だに解明されていない.そ
こで本研究では,EEG のウェーブレット解析を用いて同一の認知機能において異なる照明条件の影響を調査した.
より照度の高い照明環境下で,持続的注意課題遂行時に著しく低いα波をもたらし,反応時間が長くなることが
分かった.先行研究ではEEG のより低い前置刺激のα波の活動がより高い課題成績と関連することが示されてい
るが,α波の減少が本研究における反応時間の遅延と関連していることが分かった.持続的注意課題を遂行する
際に,脳での注意の処理過程において照明が明るすぎたため,被験者が注意散漫になったことが示唆された.明
るい照明条件下では,このような刺激の特徴によるボトムアップ効果のものを前置刺激によるトップダウン効果
を制圧させたと考えられる.この結果より,前置刺激のトップダウンと後刺激のボトムアップ刺激の過程の関係性
に動的競合をもたらしたことが示唆された.我々の知見は,照明条件が注意の処理過程に著しく影響を与えるこ
とを証明した.照明条件のパラメータの調整と更なる認知変調が認知能力の促進のために必要になるだろう.

fNIRS による注意状態のモニタリング

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Monitoring attentional state with fNIRS
Front Hum Neurosci, Volume 7, Article 861, 2013.

セーフティクリティカルな操作課題中のパフォーマンスの減少を検出し,防止するために,現実世界での課題
への関与度合い(task engagement) の高低レベルを識別する能力は重要である.従って,ポータブルな脳神経画像
技術である機能的近赤外線分光学(fNIRS) がtask engagement の高低を識別しうるかどうかを調査した.我々が
fNIRS によって2 つの脳地域から脳活動を記録する間,被験者グループはMSIT(multi-source interference task)
課題を行った.1 つは課題陽性“ task-positive ”ネットワークの鍵となる領域で,そこはtask engagement のレベ
ルが高いときと比較的に高い相関を示す.2 つ目は課題陰性“ task-negative ”ネットワークの鍵となる領域で,そ
こはtask engagement のレベルが低いときと比較的に高い相関を示す(例えば,安静状態や課題を行わないとき).
多変量パターン選別器へのインプットとしてこれらの領域の活動を使い,我々は被験者がMSIT を実行することに
従事していたか,あるいは休んでいたかを期待値以上に予測することができた.また我々は,課題パフォーマンス
における課題陽性・課題陰性の領域の脳活動が負の相関であることを示している機能的磁気共鳴診断装置(fMRI)
による先行研究を再現することができた.最後に,仲間のfNMRI 研究データによって,fNIRS 実験における脳活
動源についての仮定を確認し,課題の識別精度の上限を証明した.まとめると,我々の発見は,fNIRS が実世界
環境において認知状態をモニタリングするのに非常に有益であると証明しうることを示唆している.

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Variations of response time in a selective attention task
are linked to variations of functional connectivity in the
attentional network
NeuroImage, Volume 54, Issue 1, January 2011, Pages 541-549

一般的に,特定の実験条件内での応答時間(RT)変化は無視されるが,それらは認知および神経プロセスの効
率の重要な変化を反映することがある.本研究では,クロスモーダル選択的注意タスクにおける応答時間(RT)
のtrial-by-trial な変化が,注意基盤と考えられている脳領域間の機能的結合の変化と関連しているかどうかを調
べた.機能的磁気共鳴画像(fMRI)を用いて,健康な若年成人16 名が無関係の聴覚刺激を無視,関係する視覚刺
激に注意する視聴覚選択的注意課題を行う際の脳活動を記録する.予測に沿って,RT の変動は,右背外側前頭前
皮質や後部両側頭頂皮質のような注意制御の基盤に位置する様々な脳部位と前帯状皮質の間の機能的結合の変化
と関連していた.それらはまた,関連モダリティである視覚皮質において,解剖学的に初期の領域と解剖学的に
高次の領域の間の機能的結合の変動に関連し,その伝達は注意制御処理により調節されると考えられる.選択的
注意課題におけるRT の変動は注意ネットワークにおける機能的結合の変動に関連することを明らかにすること
により,本調査結果は注意の変動が行動パフォーマンスのtrial-by-trial の変動に寄与する可能性を示唆している.