脳の近赤外分光における光の伝播

Light Propagation in NIR Spectroscopy of the Human
Brain
IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics,vol. 20,no. 2,pp.289-298,2014
170908 syokoyama
脳の研究において,大脳皮質の酸素濃度の変化は、オキシヘモグロビンおよびデオキシヘモグロビンの濃度が 血行動態の皮質神経活動への結合に起因して変化するため,非常に重要である.多くの研究では,光源と検出器 の距離を伸ばすことにより,照射光が脳組織に深く浸透することを示している.本稿では,組織模倣ファントム測 定,額生体内測定およびモンテカルロ(MC)シミュレーションを使用して,大脳皮質の感知を可能とする脳内の 光伝播および最小の光源と検出器の距離を推定する.我々は,人間の額を模擬した多層のファントム内の異なる深 さに位置する血管内の脈動する水性脂質懸濁液の光学的感知を示す.実験結果をファントムの光学特性を考慮した MC シミュレーションと比較する.異なる組織層の厚さおよび形態は,被験者の頭部の解剖学的磁気共鳴画像から 得た.これら3 つの方法の結果は互いに相関し,NIRS に基づく光学的方法で脳皮質を感知できることを示した.

同時近赤外分光法により測定された協調作業中の2 人のprefrontal cortices の同期活動

Synchronous activity of two people ’s prefrontal cortices during a cooperative task measured by simultaneous near-infrared spectroscopy
Journal of biomedical optics, vol.16, no.7, pp. 077011, 2011
20170902 mmizuno
社会過程の一つである協力中の脳活動を検討した.我々は,複数の参加者の同時に起きる脳活動とその協調作 業のパフォーマンスとの関係を調査した.2 人の参加者の脳活動を同時に測定するために,wearable near-infrared spectroscopy (NIRS) システムが用いられた.参加者の各ペアは協調作業を行い,NIRS システムにより脳血流量 の相対的変化を測定するする.タスクとして,聴覚的な合図の後,参加者は心の中で10 秒を数え,ボタンを押す よう指示された.また,ボタンを押すタイミングを調整してできるだけ同期させるように指示された.各参加者の 2 つのボタンプレスと参加者のどちらが速いかの情報,すなわち「intertime interval」は,各試行後にビープ音に よって参加者にフィードバックされる. 各参加者のprefrontal cortices の活性パターン間の時空間共分散が高い場合,それらのボタンプレス時間の間の 時間間隔はより短かった. この結果は,2 人の参加者の脳の同期化された活性パターンが,協調作業において相互作用するときのパフォー マンスと関連していることを示唆している.

調整可能な光学特性を有する液体ファントムを用いた組織の酸素測定機器の比較

Comparison of tissue oximeters on a liquid phantom
with adjustable optical properties
European Conference on Biomedical Optics,vol. 7,no. 8,pp.2973-2992,2016
170620 syokoyama

SafeBoosC 試験は,脳酸素測定と治療ガイドラインを組み合わせることで,新生児の低酸素負荷を50 [%] 削減することができることを示した.しかし,1 つの酸素測定機器による脳酸素測定に基づく指標は,他の酸素測定機器によって直接使用することはできない.新生児頭部をシミュレートした血中脂質ファントムを作製し,異なる酸素測定機器によって得られた酸素値の関係を決定した.1 つの酸素測定機器から他の酸素測定機器に簡単に変換できる係数を計算した.さらに,ヘモグロビン量を25 [M] から70 [M] まで変化させた場合の不確かさを9.2 [%]まで測定した対応するSafeBoosC 介入閾値を決定した。結論として,この論文では,異なる酸素測定機器によって得られた絶対値の比較ができる.

長期シミュレート運転中の健常者におけるfNIRS を用いた機能的接続解析

Functional connectivity analysis using fNIRS in healthy
subjects during prolonged simulated driving
Neuroscience Letters, vol.640, pp.21-28, 2017
20170531_yfujiwara

長時間運転時の脳活動と関連した運転疲労を非侵襲的に正確に評価することは,交通安全と事故防止に貢献す
ることができる.この研究では,機能的な接続性であるfunctional connectivity を用いて評価した.半没入型バー
チャルリアリティ技術とfNIRS を組み合わせた新しいシミュレータにより,異なる脳領域における相乗的メカニ
ズムを発見した.各被験者は精神的計算と関連した運転課題を完了するよう指示された.ウェーブレットコヒー
レンス(WCO)およびウェーブレット位相コヒーレンス(WPCO)を計算し,(I)0.6~2 および(II)0.145~
0.6Hz,(III)0.052~0.145,(IV)0.021~0.052,(V)0.0095~0.021 および(VI)0.005~0.0095Hz の周波数間隔で
測定される.WCO とWPCO は脳の接続性の強さと同期化を明らかにした.運転タスク終了時に,WCO レベル
がprefrontal cortex においてインターバルI およびIII,およびmotor cortex におけるIV で有意に低い結果が得
られた.さらに,prefrontal cortex ではインターバルI およびIII で,motor cortex ではインターバルIV で有意
に低いWPCO が見出された.prefrontal cortex とmotor cortex との協調メカニズムにより,精神疲労が認知機
能に悪影響を及ぼすことが示唆された.

長期シミュレート運転中の健常者におけるfNIRS を用いた機能的接続性解析

Functional connectivity analysis using fNIRS in healthy
subjects during prolonged simulated driving
Neuroscience Letters, Vol. 640, pp.21-28, 2017170510_snakamura

長時間運転中の脳活動と関連した運転疲労の非侵襲的かつ正確な評価は,交通安全および事故防止に寄与する
ことができる.この研究では,関連する脳領域における機能的結合性を評価した.セミ没入型バーチャルリアリ
ティ技術と機能的近赤外分光法を組み合わせた新しいシミュレータにより,異なる脳領域における相乗的メカニズ
ムが検出された.各被験者は,精神計算タスクと相まって運転課題を完了するよう指示された. (I)0.6-2 Hz お
よび(II)0.145-0.6 Hz で、ウェーブレットコヒーレンスおよびウェーブレット位相コヒーレンスを計算し,評価
した. (III)0.052~0.145 Hz、(IV)0.021~0.052 Hz、(V)0.0095~0.021 Hz および(VI)0.005~0.0095 Hz
では機能的結合性を評価した. ウェーブレットコヒーレンスとウェーブレット位相コヒーレンスは,それぞれ脳
の接続性の強さと同期を明らかにした.運転前の最後に,前頭前皮質(PFC)および運動皮質(MC)のIV にお
いて有意に低いウェーブレットコヒーレンスレベルが区間I およびIII で見出された.さらに,前頭前皮質では区
間I およびIII で,運動皮質では区間IV で有意に低いウェーブレット位相コヒーレンスが見出された.実験的知
見は,進行性の精神疲労が前頭前皮質における認知機能および前頭前皮質と運動皮質との間の協調メカニズムに
悪影響を与えることを示唆した。

機能的刺激中の視覚および運動皮質におけるオキシヘモグロビンおよびデオキシヘモグロビン濃度変化の異な る時間進化:近赤外分光法の研究

Different Time Evolution of Oxyhemoglobin and Deoxyhemoglobin Concentration Changes in the Visual and Motor Cortices during Functional Stimulation :A Near-Infrared Spectroscopy Study
NeuroImage, vol.16, No.3, Part A, pp.704–712, 2002

20170108 syoshitake

神経血管結合は,脳代謝速度(CMRO2),脳血流,および脳活動に関連する脳血流量の変化の総称である. こ の論文の目的は,周波数領域近赤外分光法を用いた視覚および運動皮質における神経血管結合の効果をよりよく 理解することである.視覚および運動皮質のオキシヘモグロビン,デオキシヘモグロビン,および総ヘモグロビ ンの濃度変化の地図は,逆チェッカーボードスクリーンおよびスクイージングを用いて刺激中にそれぞれ生成され た.18~37 歳の 7 人の健全なボランティアが含まれていた.視覚野では,オキシヘモグロビンとデオキシヘモグ ロビンのパターンは強く直線的に相関していた(計 24 箇所中 13 箇所で r2>0.8).20 箇所においてオキシヘモグ ロビンの変化は 0.25 μ M より大きかった.オキシヘモグロビンとデオキシヘモグロビンとの間の線形回帰の平 均傾きは,-3.93 ± 0.31(SE)であった.運動皮質上のオキシヘモグロビンおよびデオキシヘモグロビントレース のパターンは異なって見えた.オキシヘモグロビンは,デオキシヘモグロビンが最小に達する数秒前に最大変化 に達した.これは,線形回帰分析によって確認された(40 カ所のうち r2>0.8).20 箇所においてオキシヘモグロ ビンの変化は 0.25 μ M より大きかった.回帰直線の平均勾配は-1.76 ± 0.20 であり,運動皮質のそれより有意に 高かった(P< 0.0000001).オキシヘモグロビンとデオキシヘモグロビンのパターンは皮質領域によって異なる. これは,視覚野の灌流の調節が運動野のそれとは異なることを意味する.視覚皮質において CMRO2 が実質的に 増加するという証拠があるが,これは運動皮質については当てはまらない.

表層および表層組織におけるヘモグロビン変化を模擬するための2つのステージ駆動吸収装置を備えた動的ファ ントム

Dynamic phantom with two stage-driven absorbers for mimicking hemoglobin changes in superficial and deep tissues
Journal of biomedical optics,vol. 17,no. 4,pp.047001,2012
161219_syokoyama

脳活動と脳機能の連結性を監視するための近赤外分光法(NIRS)では,NIRS 信号に対する表面組織の影響を 考慮する必要がある.頭皮と脳の影響を判定するいくつかの方法が提案されているが,実際の吸収変化を知るこ とができないため,方法の直接の検証は困難であった.この問題に対して,私たちは表層と深層組織におけるヘ モグロビンの変化を模擬する動的ファントムを開発し,その方法を実験的に検証することができた.2 つの吸収体 層は,2 つの 1 軸自動ステージが独立して駆動される.ファントムを使用し,吸収変化の任意のタイプの波形(例 えば,脳活動または全身変動)を設計することができ,その波形は再現可能に測定された.ファントムの有効性 を判定するために,複数の光源検出器の距離測定に使用した.近距離回帰を用いた減算法の性能についても検討 した.最短距離チャネルを使用した場合、最も正確な下位層の変化が得られた.さらに,同じデータに対して独 立成分分析を適用した場合,抽出された成分は実際の信号とよく一致した.これらの結果は,提案されたファン トムが表層組織の効果を識別する方法を評価するために使用できることを示した.

機能的近赤外イメージングに対する標準解析にむけて

Towards a standard analysis for functional near-infrared imaging
NeuroImage, Vol. 21, No. 1, pp.283–290, 2004
20161212 syoshitake

機能的近赤外分光法(fNIRS)は,オキシヘモグロビンおよびデオキシヘモグロビンの濃度の変化を測定する ことにより,脳の活性化をモニターすることが可能である.現在まで,fNIRS データ分析のための標準アプロー チは確立されていないが,これは将来の適用のための前提条件とみなされなければならない.そこで,我々は確 立された一般線形モデルを光イメージングデータに適用した.さらに,fNIRS データを周波数領域で解析を行っ た.1 次視覚野と 2 次視覚野を活性化させるチェッカーボードパラダイムと運動領域 V5 を追加で含む運動色彩刺 激(’L’ の回転)からなるパラダイムの 2 つの視覚課題を光イメージング法で調べた.一般線形モデルを用いた解 析は,第 1 のパラダイムの間に 1 次および 2 次の視覚野における活性化に焦点を置き,検出した.第 2 のパラダ イムでは,V5 を表す可能性が最も高い第 2 の側面に位置する活性化脳領域が見出された.空間解析でのスペクト ル分析では,同じそれぞれの脳領域におけるパワースペクトル密度およびコヒーレンスの最大値を示すことによっ て結果を確認した.さらに,運動領域における血行動態応答の遅延を示した.よって,本研究は,一般線形モデ ルおよび空間分解スペクトル分析が,光イメージングデータの標準的な統計的アプローチとして使用できること を示唆している.

安静状態の結合は半球の非対称があるか?NIRS 研究

Does the resting state connectivity have hemispheric asymmetry? A near-infrared spectroscopy study
NeuroImage, vol.85, pp.400-407, 2014
20161101 katayama

近赤外分光法(NIRS)は,実質的にすべての被験者と患者での使用に適した低価格の非侵襲脳機能イメージン グの新しい技術である.fMRI と最近の NIRS で使われている脳機能的結合の多数の研究は,課題処理能力や安 静状態中の認知機能の評価をするために新しい手段を主張している.我々は,NIRS 装置 CW5 を使用して安静時 (4-8 分)の 13 人の右利き,2 人の左利きの健康な被験者の前頭前野の低い周波数(0.01-0.1Hz)で光学的信号の コヒーレンスを計測した機能的結合とありうる半球の非対称を解析した.2 つの光学的プローブは,国際 10-20 シ ステムの解剖学的位置を使用して,下前頭回(IFG),中前頭回(MFG)の上に両側的に配置された.結果とし て,28 の光学的チャンネル(各半球 14)は,オキシヘモグロビン,デオキシヘモグロビンの変化が記録された. 全体的な生理学的な信号(呼吸や心拍)は,主成分分析,独立成分分析を用いて除去された.オキシヘモグロビ ンとデオキシヘモグロビンのチャンネル内のコヒーレンスは,相関係数にそってウェーブレットを使って計算さ れた.相関係数行列は,同じ半球内の IFG と MFG よりも,各解剖学的領域内(IFG と MFG)と半球間(例え ば左 IFG と右 IFG)でより高いという結合の特異的パターンを示している.左右差の指標は,各被験者のチャン ネルの領域のグループ内で左>右の内因的結合の比較として t 値より計算された.利き手に関係なく,グループの 平均左右差の指標は,多数の右利き被験者と 2 人の左利き被験者の右半球で有意に高い結合を表すようにマイナ スであった.半球間でのグレンジャーの因果関係解析は,安静状態中に右半球の重要な役割を示す右半球から左 半球へ情報の流れがより大きいこととも示している.これらのデータは,NIRS の結合性のさらなる調査と脳の機 能的構造内の半球の関連の解析への適用を奨励している.

n-back 課題時の精神的作業負荷 – fNIRS 装置を使用して前頭前野の定量化

Mental workload during n-back task ―quantified in the prefrontal cortex using fNIRS
frontiers in HUMAN NEUROSCIENCE, Volume 7, pp.1-9, 2014
20160116khanawa

技術システムと対話するとき,ユーザーは精神的な作業の負荷を経験する.特に,マルチタスクのシナリオ(例 えば,運転中のカーナビゲーションシステムと対話する)で,ユーザーは主要に行っているタスクから注意をそら さないことが望まれる.そのような目的のために,ヒューマンマシンインターフェース(HCIs)が連続的にユー ザの作業負荷を監視し,動的に計測された作業負荷にインターフェースの振る舞いを適合させることが望ましい. 記憶課題は複数の試行に渡って平均化する時,脳内の血流動態反応を誘発することが示されているが,単一試行 の分類では,そのユーザーの作業負荷に HCIs を動的に適応させる目的のために重要な前提条件である.前頭前野 (PFC)は,記憶の処理と関連した作業負荷に重要な役割を果たす.10 人の被験者のこの研究において,私たちは PFC の作業負荷の活性をサンプリングする機能的赤外分光法 (NIRS) である非侵襲的画像診断法を使用した.結 果は作業負荷の 3 つのレベルの単一試行を識別するために 78%の精度を示した.私たちは急速に変化するアイテ ムの現在から 1, 2, 3 番目を連続的に記憶することを強いる作業負荷のレベルが異なる(n = 1, 2, 3 ) n-back を使 用した.私たちの研究の結果は PFC の血流動態反応を計測する fNIRS 装置は精神的作業負荷を定量的及び分類 するために使用することができることを示している.単一試行の解析はまだ一般的な規格の不足に苦しんでいる 分野である.fNIRS の方法と結果の比較を向上させるために,この研究のためのデータの資料はオンラインで利 用可能である.