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.

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.

近赤外分光法を用いた実際の運転中の運転者の脳内ネットワークのEffective Connectivity 解析

Effective Connectivity Analysis of the Brain Network in Drivers during Actual Driving Using Near-Infrared Spectroscopy
Zhian Liu, Ming Zhang, Gongcheng Xu, Congcong Huo, Qitao Tan, Zengyong Li ,and Quan Yuan Frontiers in Behavioral Neuroscience Vol.31 October 2017

自動車の運転は高度な脳機能を必要とする複雑な活動である.本研究は,安静時,単純運転時,自動車追従時の脳ネットワークにおける前頭前野(PFC)、運動関連領域(MA)、および視覚関連領域(VA)の間のEffective Connectivity(EC)の変化を評価することを目的とした.実車実験に参加するために,12 人の若い男性右利き成人が募集された.機能的近赤外分光法(fNIRS)機器を用いることで,酸化ヘモグロビンの信号を連続的に記録した.EC を評価するために,条件付きGranger 因果関係(GC)分析(異なる脳領域間の因果的相互作用を調査することができるデータ駆動型の方法)を実施した.解析の結果は,脳の血行動態活動レベルが認知作業負荷の増加とともに増加することを実証した.PFC,MA,VA 間の接続強度は静止状態から単純運転状態へと移行した際に増加したが,一方で自動車追従作業中に移行した際に相対的に接続強度は減少した.EC においては,PFC が,MA とVA からの因果関係を持つことが示された.しかしながら,左のMA はcar-follow のタスクにおいて因果関係を受ける側になった.これらの知見は,大脳皮質の血行動態活性レベルが認知作業負荷の増加とともに直線的に増加することを示唆している.脳ネットワークのEC は,認知作業負荷によって強化され得るが,タスクの一部で運転することのような過剰な認知作業負荷によっては弱められ可能性がある.

高齢被験者におけるNIRSを用いたウェーブレットベースのコヒーレンス解析により明らかにされた脳機能の接続性に及ぼす睡眠不足の影響

Effects of poor sleep quality on brain functional connectivity revealed by wavelet-based coherence analysis using NIRS methods in elderly subjects
L. Bu, D. Wang, C. Huo, G. Xu, Z. Li and J. Li
Neuroscience letters, vol. 668, pp. 108-114, 2018.

【目的】認知コントロールの障害に典型的に関連する睡眠不足が高齢者の間で増えている.しかしながら,睡眠と高齢者の行動に関連する脳機能のメカニズムは明らかにされていない.本研究は,NIRSにより計測されたオキシヘモグロビン濃度変化($\Delta$[HbO2])のウェーブレット位相コヒーレンス(WPCO)とウェーブレット振幅(WA)に基づいて,低周波神経振動が睡眠不足に及ぼす影響を評価することを目的とする.【方法】主観的睡眠の質は,ピッツバーグ睡眠質問票(PSQI)によって測定した.15人の睡眠不足の高齢者(PSQ群)と14人の健康な高齢者(対照群)の休息状態および作業状態のprefrontal cortex,sensorimotor cortical,occipital lobesのNIRS信号を連続的に記録した.WPCOおよびWA値は,低周波(0.01-0.08Hz)において算出された.ピアソン相関分析は,bilateral prefrontal lobes の WPCO,left prefrontal cortex (LPFC) のWA,right prefrontal cortex (RPFC)のWA、F1およびPSQIスコアの間の相関の程度を評価するために使用した.【結果】PSQ群のWPCO値は,対照群より有意に低かった(p$<$0.05).対照群と比較して,WAはPSQ群で有意に高く,休止状態においてタスク状態より有意に高かった.1-back課題を実行する際のF1のスコアは,PSQ群で有意に低かった.PSQ群における相関分析の結果,PSQIスコアとWPCO値の負の相関を示した.LPFCとRFFCのWA値は,PSQIスコアと正の相関を示した.【結論】まとめると,これらの結果は,睡眠不足は位相同期を低下させることを示唆し,これは試料集団の間の認知機能の低下に寄与する可能性があることを示している.

機能的近赤外分光法による視覚的作業記憶容量の初期開発の調査

Probing the early development of visual working memory capacity with functional near-infrared spectroscopy
Aaron T. Buss, Nicholas Fox, David A. Boas, John P. Spencer
NeuroImage, vol.85, pp.314-325, 2014

ビジュアルワーキングメモリ(VWM)は、非常に限られた容量を有するコア認知システムである。現在の研究 は、機能的な神経イメージングを用いた初期の発達における VWM の容量限界を調べる研究である。 3~4 歳の 患者が短時間の遅れで物体の形状の変化を検出した変化検出タスクを完了している間に、光学的な神経画像デー タを記録した。近赤外線源および検出器は、左前頭皮質の F3 および F5、右前頭皮質の F4 および F6、左頭頂皮 質の P3 および P5、右頭頂皮質の P4 および P6 の 10-20 の位置に配置した。最初の疑問は、成人の fMRI 文献で 同定された前頭部ネットワークの頑強なタスク特有の活性化が見られるかどうかであった。これは事実であった.3 つの左正面チャネルおよび 12 の頭頂壁細胞チャネルのうち 11 つが、試料アレイの提示後の酸素化酸素と脱酸素 化ヘモグロビンの濃度の間に統計的に有意な差を示した。さらに、P3、P5、および F5 付近の左半球の 4 つのチャ ネルは、作業記憶負荷が 1 から 3 の項目に増加するにつれて、有意な増加を示した。特に、血行力学的応答は、成 人の fMRI の先行研究から予想されたように、1-2 項目で漸近的に漸増しなかった。最後に、4 歳児は、3 歳児に対 してより堅牢な頭頂壁反応を示し、記憶負荷操作に対する感受性が高まった。これらの結果は、fNIRS が、VWM 能力の初期開発の根底にある神経プロセスを研究するための有効なツールであることを示している。

機能的近赤外分光法におけるモーションアーチファクトの検出と補正:スプライン補間法とSavitzky-Golayフィルタリングに基づく新しい混成法

Motion artifact detection and correction in functional near-infrared spectroscopy: a new hybrid method based on spline interpolation method and Savitzky-Golay filtering
Sahar Jahani, Seyed K. Setarehdan, David A. Boas, and Meryem A. Yucel
Neurophotonics. 5(1), 2018

近赤外分光法(NIRS)データにおけるモーションアーチファクトは, 実生活に適用するNIRSの可能性を完全に実現する上で重要な課題となっている. 様々な運動補正アルゴリズムは, 血行力学的応答関数の推定にモーションアーチファクトの影響を緩和するために使用されてきた. ウェーブレットフィルタリングなどのスムージング手法は, 動きに起因する鋭いスパイクの除去に優れているが, 信号のベースラインシフトはこのタイプのフィルタリング後も残る. 一方, スプライン補間法などの方法は, ベースラインシフトを適切に補正することが可能である. ただし, 高周波スパイクは残ったままである. 我々は, 異なる補正アルゴリズムを利用する混成法を提案する. この方法では, 最初にベースラインシフトを特定し, スプライン補間法または対象主成分分析を使用して補正する. 一方, 残りのスパイクは, Savitzky-Golay(SG)フィルタリングまたはロバストな局所加重回帰および平滑化の平滑化手法によって補正される. 平均誤差(meanquared error), ピーク間誤差(Peak-to-Peak Error:Ep), ピアソン相関(Pearson’s correlation:R2), およびレシーブオペレータ特性曲線の下の面積を用いて, 血行力学的応答関数推定の条件から, 既存の補間アルゴリズムと新しい手法を比較した. 我々は, スプラインSG混成法が, 比較的短い計算時間で, これらの計測基準すべてにおいて合理的な改善を提供することを見出した. 本研究で使用されたデータセットとコードは, 興味を持ったすべての研究者の使用のためにオンラインで入手可能である.

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.