平成13年度日本学術振興会未来開拓学術研究推進事業研究成果報告書概要



研究推進分野名 高次脳機能
 
研究プロジェクト名 光CTおよび脳磁図を用いた高次脳機能の研究
 
(英文名) Studies on The Brain Functions by Optical Imaging and Magnetoencepharography
 
研究期間 平成9年度 〜 平成13年度

プロジェクト・リーダー名 研究経費 303,335千円
氏名・所属研究機関
所属部局・職名
田村 守 ・北海道大学 ・電子科学研究所 ・教授 内訳 平成  9年度52,916千円
平成 10年度57,406千円
平成 11年度60,013千円
平成 12年度65,000千円
平成 13年度68,000千円

1.研究組織

氏名 所属機関・部局・職 研究プロジェクトでの役割分担
柿木 隆介 岡崎国立共同研究機構・生理学研究所・教授 脳磁計測による高次脳機能の研究
山本  徹 北海道大学・医療技術短期大学部・教授 fMRIによる脳機能計測
星  詳子 東京都精神医学総合研究所・脳機能解析研究部門・部門長 光計測法による高次脳機能の研究

2.研究計画の概要

(1)近赤外を用いた新しい脳機能計測の手法を確立し、人が営む高度な精神活動を解析する。特に光CT
  の開発及び人への応用に重点を置き、従来の画像計測法であるfMRI、PET、脳磁図、脳波等と比較
  検討する。主要テーマとして、人のワーキングメモリーの解析、賦活−血流カップリングの機構、小
  児を対象として非拘束計測等があげられる。さらに、光計測法の持ついくつかの欠点に対する解決法
  を提案する。
(2)脳磁図を用いてヒトの高次脳機能の研究を行なう。脳磁図は時間分解能がミリ秒単位で極めて
  高く、脳内の情報の時間的伝達を詳細に知ることができる。また空間分解能も数mmであり、活
  動部位も知ることができる。主要研究テーマは「言語認知機構の解明」と「顔認知機構の解明」
  の2つである。「言語認知機構の解明」に関しては、日本人には聞き取り困難であるLとRをト
  レーニングによって聞き取り可能となるかどうか、またその時の脳内メカニズム(可塑性)の解
  明を行ないたい。「顔認知機構の解明」に関しては、静止した顔を見るときの脳反応と、動いて
  いる顔、特に目の動きを見るときの脳反応を比較検討したい。

3.研究目的
1.近赤外分光法の人高次機能解明への応用:多チャンネル近赤外分光装置を用いて高次脳機能の解  
 明を行った。
2.光CTシステムの開発と応用:世界最初の光CT装置を完成させ、人のワーキングメモリーなど 
 の働きを解明する。
3.賦活・血流動態のカップリング機構の解明:現行の機能画像計測法の基礎研究。
4.「言語認知機構の解明」:日本語特有の言語認知機構のメカニズムを明らかにする。特に日本人に
 は聞き取り困難なLとRがトレーニングにより聞き取り能力が向上するか否か、また向上した場合
 (可塑性)の脳内メカニズムを明らかにすることを目的とする。
5.「顔認知機構の解明」:静止した顔を見るときの脳反応と、動いている顔、特に目の動きを見ると
 きの脳反応を比較検討する。一般の物体を見るときと顔を見るときの脳活動の相違を明らかにす
 る。

4.研究成果の概要
4−1 研究計画、目的に対する成果
1.多チャンネル近赤外分光装置を試作し、数字記憶などの高次脳機能研究に有効であることが示さ
 れた。本システムは現在市販されている。
2.光CTシステムは完成し、定量的な脳活動の評価を行っている。本システムの簡易型は商品化さ
 れた。
3.脳賦活に伴う血流変動、散乱変化の定量的な解析に成功した。
4.言語認知機構の解明:LとRの聞き分け学習の前後に脳磁図を記録した。聞き分け率が15%以上向上し
 た被験者では、左大脳半球から記録された脳磁場にトレーニング前には出現しなかった成分が出現、右
 半球ではこのような被験者間で一貫した変化は認められず、左半球の優位性が明らかとなった。
5.認知機構の解明:先ず静止顔画像に対しては紡錘状回が重要な役割を果たしており、右半球が左半球
 より優位であることが示唆された。目の動きに対してはやはり右半球優位で側頭葉外側のMT/V5野が重
 要な役割を果たしていることが示唆された。

4−2 研究計画、目的外の成果
(1)近赤外分光法による脳機能計測はfMRISと呼ばれ、外国等でも広く認知されるようになり、世界
  で使われている市販の装置はすべて日本で作られたものである。本邦で生まれた数少ない脳機能解明
  用のツールとして評価されている。最近新しい産業として認知されつつある“光診断”の基礎となっ
  た。
(2)言語認知に関しては予想以上にトレーニング効果が高かったため、生粋の米国人、バイリンガルの
  人、米国在住の日系二世なども対象としてカリフォルニア大学サンフランシスコ校と共同研究を行な
  っている。日本人の英語教育、特に幼少時からの英語教育の方法や開始時期などに参考となるような
  研究成果が得られつつある。

4−3 研究成果の展望
(1)光、特に近赤外分光を用いた脳機能計測法はプロジェクトリーダーのグループによって世界に
  先駆けて行われ、その後光CTの開発とその人への応用が試みられた。本手法は従来の機能画像
  法(fMRI,PET等)に比べ多くの利点を持ち、現在では脳機能解明の新しいツールとして確立
  しようとしている。本プロジェクトで完成した光イメージング装置は脳活動に伴う血流変動を絶
  対値で画像化でき、例えば数字記憶におけるワーキングメモリーの局在等は高い評価を受けた。
  また、fMRIの信号に対する新しい解釈を生み出すきっかけとなり、今後ポータブルCTへと発
  展しつつある。
(2)脳磁図によって、高次脳機能に関する脳活動、特に「一番初めに活動する部位の活動(初期反応)」
  がどのような時間経過によってさらに高次な部位(2次反応)へ情報伝達されるか、をミリ秒単位で
  詳細に解析することができた。このような研究は、機能的磁気共鳴画像(fMRI)やポジトロン断層撮
  影(PET)では不可能なものである。言語認知に関しては、予想以上にLとRの聞き分けトレーニン
  グ効果が高いことより、日本人の英語教育、特に幼少時からの英語教育の方法や開始時期などに参考
  となるような研究成果が得られる可能性がある。顔認知に関して現在最も高い注目をあびているのは、
  「Theory of Mind(心の理論)」に代表されるように、社会生活における「他者の目の動きや視線を
  認知し情報処理する過程」の重要性である。脳磁図でこれに関与する脳内部位の同定と情報処理過程
  の初期段階が明らかになったことは、今後のさらなる研究の発展とその重要性が示唆されるものであ
  る。

4−4 本事業の趣旨に鑑み、果たした役割
(1)脳局所の賦活に伴う局所脳血流の変動は、現在の機能画像計測の基本であり、我々が開発した
  光CTもこの原理に基づく。しかし、従来のfMRIやPETと異なり、装置が小型で特別な施設
  に基づく。しかし従来のfMRIやPETと異なり、装置が小型で特別な施設がいらず、血流動態
  の定量評価が可能である。このため、人高次脳機能計測で新しいツールとなりえる本システムを
  用いたワーキングメモリーの研究は高く評価され、また、fMRIの信号の解釈に新しい考えを導
  入した。本研究から現在ウェアブルCTの考えが生まれ小児や老人などの脳活動の自然状態での
  解析の道を開いた。
(2)人間の脳機能、特に高次脳機能と称される「言語認知」、「顔認知」、「記憶」などの情報処理過程の
  メカニズムの解明は、神経科学領域の中でも最も重要かつ高い興味が寄せられている分野の1つであ
  る。10年程前までは的確な計測方法が無く研究もほとんどなされてなかったが、近年の科学技術の長
  足の進歩により脳磁図をはじめとする各種計測法がようやく可能となってきた。いわば「未来」にお
  ける研究の進歩が最も期待されている分野である。言語認知における「聞き分けのトレーニング効果」
  は、脳の可塑性を明確に示すものであり、外国語習得方法に関する重要な手がかりとなりうる。この
  ような学習効果の研究により、語学教育を何歳くらいから開始すればより効率的か、個人差はどうか、
  男女差はどうか、といった重要な問題を解決する事を期待している。「顔認知」、特に「他者の目の動
  きや視線を認知し情報処理する過程」の研究は、「対面恐怖症」、「ひきこもり」等に代表される現代精
  神疾患の要因として、社会的に極めて重要であり、今後ますますその重要性が増してくると思われ、
  その解明の一助となりうる研究成果が得られたと考えている。

5.キーワード

(1)近赤外、(2)光CT、(3)高次脳機能
(4)fNIRS 、(5)脳磁図、(6)言語認知
(7)顔認知

6.研究成果発表状況

A.学術雑誌論文(Journal Papers)
全著者名 論文名
Tran TD, Inui K, Hoshiyama M, Lam K and Kakigi R Conduction velocity of the spinothalamic tract following CO2 laser stimulation of C-fibers in humans
学術雑誌名 ページ 発行年
Pain 95 1 125-131 2002

全著者名 論文名
Inui K, Tran TD, Hoshiyama M and Kakigi R Pain-related magnetic fields evoked by intra-epidermal stimulation in humans
学術雑誌名 ページ 発行年
Clin. Neurophysiol. 113 2 298-304 2002

全著者名 論文名
Y Hoshi, I Oda, Y Wada, Y Ito, Y Yamashita, M Oda, K Ohta, and M Tamura Visuospatial imagery is a fruitful strategy for the digit span backword task: a study with near-infrared optical tomography
学術雑誌名 ページ 発行年
Cognitive Brain Res. 9 3 339-342 2000

全著者名 論文名
H Eda, I Oda, Y Ito, Y Wada, Y Oikawa, Y Tsunazawa, M Takada, Y Tsuchiya, Y Yamshita, M Oda, A Sassaroli, Y Yamada, and M Tamura Multichannel time-resolved optical tomographic imaging system
学術雑誌名 ページ 発行年
Rev. Sci. Instrum. 70 9 3595-3602 1999

全著者名 論文名
M Nemoto, Y Nomura, C Sato, M Tamura, I Koyanagi, K Houkin, and H Abe Analysis of optical signals evoked by peripheral nerve stimulation in rat somatosensory cortex: Dynamic changes in local hemoglobin concentration and oxygenation
学術雑誌名 ページ 発行年
J. Cereb. Blood Flow Metabol. 19 3 246-259 1999

B.国際会議発表論文(International Conferences)
全著者名 論文名
Kakigi R, Yamasaki S, Watanabe S and Hoshiyama M Stimulus methods for recording pain-related SEF
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発行年
Proceedings of BIOMAG2000 Helsinki Institute ??? 228-231 2001

全著者名 論文名
M.Tamura Optical Imaging of Human Brain Activity
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発行年
Human Brain Mapping Albuquerque, U.S.A. ??? ??? 2000

全著者名 論文名
M. Tamura Functional Near-Infrared Optical Brain Mapping and Cognitive Processes
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発行年
Latest Advances in Neuroimaging Madrid, Spain ??? ??? 1999

全著者名 論文名
M. Tamura An Optical CT: The Total System and Its Performance
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発行年
Optical Society of America (OSA) -Biomedical Optics Munich, Germany ??? ??? 1999

C.著書(Books)
全著者名 書名
田村 守,星 詳子 近赤外光の医療への応用(シリーズ光が拓く生命科学、光による医学診断)
出版者名 出版場所 ISBN番号 ページ 発行年
共立出版 東京 ISBN4-320-05537-3 98-107 1999  

全著者名 書名
Kakigi R Somatosensory evoked magnetic fields in humans: "Somatosensory Processing: From single Neuron to Brain Imaging" (Eds. Rowe M and Iwamura Y)
出版者名 出版場所 ISBN番号 ページ 発行年
Gordon and Breach Science Publishers North Ride, Austral ISBN 9057023849 141-162 1999


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