NIRS を用いた運転中におけるドライバーの脳ネットワークのコネクティビティ解析

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.11, pp.211-222, 2017 “車両の運転は,高度な脳機能を必要とする複雑な活動である.本研究では,安静時,単純運転時および車外活動時の脳ネットワークにおける前頭前皮質(PFC),運動関連領域(MA)および視覚関連領域(VA)間の有効接続性(EC)の変化を評価することを目的とした.12 人の若い右利きの成人男性が実際の運転実験に参加した.脳血流信号は,機能的近赤外分光法(fNIRS)装置を用いて連続的に記録した.異なる脳領域間の因果関係を調べることができるデータ駆動方法である条件付きGranger 因果(GC)分析を実施して,EC を評価した.結果は,認知作業負荷の増加に伴って脳血流変化レベルが増加することを示した.PFC,MA およびVA 間の接続強度は,安静状態から単純走行状態にかけて増加した.車追従作業中においては,接続強度は相対的に減少した.EC のPFCは因果関係のターゲットとして現れ,MA とVA は因果関係の発生源として現れた.しかし,MA は車追従のサブタスクで因果関係のターゲットに変わった.これらの知見は,大脳皮質の脳血流変化レベルが認知負荷の増加に伴って直線的に増加することを示している.脳ネットワークのEC は,認知的作業負荷によって強化することが可能であるが,サブタスクを用いた運転などの余分な認知負荷によっても弱めることができる.”

確固とした「コンテキスト・ドライバーアウェア」アクティブ車両安全システムのための情報融合

Information fusion for robust‘ context and driver aware ’active vehicle safety systems
Amardeep Sathyanarayana, Pinar Boyraz, John H L Hansen
Information Fusion, vol.12, pp. 293-303, 2011

“アクティブ・ビークル・セーフティ(AVS)システムは現在重要なものとして開発が行われているが,事故の数,怪我の重大度や死者は減少していない.実際に人的ミス,低性能,眠気および注意散漫は事故原因の大部分を占めている.アクティブ安全システムは道路状況とドライバの状態を把握していないため,これらのシステムではこういった数値を改善することはできない.そこで本研究では,確固とした人間中心のインテリジェントなアクティブセーフティシステムを実現するための第一歩として,「コンテクキト・ドライバーアウェア」(CDA)AVSシステム構造を提案する.このシステムは,ガウス混合モデル(GMM)/ユニバーサルバックグラウンドモデル(UBM)と尤度最大化学習スキーム(バイオメトリックドライバ同定,操作認識,および注意散漫検出)を採用した3 つのサブモジュールを開発,評価,および結合する.結果として得られる複合システムは,3 つの領域に寄与する.(1)強固な識別:堅牢な操作を必要とする運転者の車載状態を識別するための音声モダリティで話者認識システムが開発される.(2)融合のための利用可能な情報空間を狭める:運転者認識システムは,モデルの選択を
刈り取り,新規な伸延検出システムにおける探索スペースをさらに制限するために推定された運転者識別を使用する.(3)応答時間とパフォーマンス:システムは,事故防止/回避のために運転者の注意散漫な行動の予測を迅速に生成する. 統合されたシステムの全体的なシステム性能は,UTDrive Corpus で評価され,狭い時間窓で緊急の緊急事態のケースに対する提案されたシステムの適合性を確認する.”

昼間の単調な運転時における運転者の認知疲労と速度変動との関係

The Relationship Between Drivers’ Cognitive Fatigue and Speed Variability During Monotonous Daytime Driving
Jinfei Ma, Jiaqi Gu, Huibin Jia, Zhuye Yao and Ruosong Chang
Frontiers in psychology, Volume.9, p.459, 2018

認知負荷が不足すると,長時間運転した際の運転者の認知的疲労および警戒の減少につながる可能性がある.本研究では,単調な運転での運転疲労に対する速度変動の影響を調査した.21人の参加者が60分間のシミュレータによる運転課題を実施した.すべての被験者の認知疲労は,心理的および生理学的測定を用いて評価された.結果は全ての被験者間で,車速の変動性は運転タスク中の眠気および警戒の度合いと負の相関があることを示した.さらに,速度変動が大きいグループの運転者は,速度変動が小さいグループの運転者よりも眠気が少なく、疲労が少なく、警戒感が高いことが示された.また,これらのドライバーは3つの異なる周波数帯θ,αおよびβ波のパワースペクトルが小さいことが示された.したがって速度限界内での速度のより大きな変動性が,運転者の認知疲労を抑制することが示唆された.

うつ病患者における心身に対する瞑想効果の研究:fMRIを用いたresting-state研究

The effect of body–mind relaxation meditation induction on major depressive disorder :A resting-state fMRI study
Chen, Fangfang and Lv, Xueyu and Fang, Jiliang and Yu, Shan and Sui, Jing and Fan, Lingzhong and Li, Tao and Hong, Yang and Wang, XiaoLing and Wang, Weidong and others
Journal of affective disorders, vol.183, pp. 75–82, 2015

“背景:瞑想は,鬱病の治療のための重要な相補型治療的な道具として,次第に評価されてきた.本研究は,うつ病患者の脳活動に関して体-知性弛緩瞑想導入(BMRMI)の効果を調べて,この複雑な介入のために動きの可能性がある機序を調査するために,安静時中の機能的な磁気共鳴映像法(rs-fMRI)を使用した.

方法:21例の大うつ病性障害患者(MDD)と24の年齢と性がマッチした健常対照者(HCs)は,試験開始時に,そして,体-知性弛緩瞑想を誘導するように設計されたオーディオの選択を聞いた後にrs-fMRIスキャンを受けた. rs-fMRIデータは.全脳へのBOLD信号の低周波変動(ALFF)の振幅を得るためにMatlabツールボックスを用いて分析された.
混合性設計重複測定分散分析法(分散分析)は,どの脳領域がBMRMIに影響を受けたかについて調査するために,全脳で実行された.機能的な連結性分析は,BMRMIの後どんな非定型接続パターンでも同定するために用いられた.

結果:BMRMI経験の後,MDDとHCsは,両側前頭極(BA10)で,減少したALFF数値を示した.
その上,右の背面の内側前頭前皮質(dmPFC)から左の背面の外側前前頭皮質(dlPFC)と左側眼窩前頭皮質(OFC)への上昇した機能的な連結性は,BMRMIの後MDDだけで同定された.

限定:他のイベントの参加者への影響を除外する脳活動(DepressionのためのハミルトンRatingスケール)(HDRS)は,体-知性緩和誘導の後測定されなかった.

結論:我々の研究結果は,体-知性弛緩瞑想導入には前前頭皮質の活動を調整する可能性があって,このように、患者が複数の感情処理システムで脳活動を調整することができる再評価戦略を造るのを援助する可能性があるという仮説を支持する.”

マインドフルネスは身体から始まる:マインドフルネス瞑想における皮質アルファリズムの体性感覚注意とトッ プダウン調節

20180612_Mindfulness starts with the body somatosensory attention and top-down modulation of cortical alpha rhythms in mindfulness meditation
Kerr, Catherine E and Sacchet, Matthew D and Lazar, SaraWand Moore, Christopher I and Jones, Stephanie
Frontiers in human neuroscience, vol.7, pp. 1-15, 2013

マインドフルネス訓練の一般的なセットを使用して行う,マインドフルネスに基づくストレス軽減(MBSR)およびマインドフルネスに基づく認知療法(MBCT)は,慢性疼痛における苦痛を軽減し,うつ病の再発の危険性を減少させることが示されている.これらの標準化されたマインドフルネス(ST-Mindfulness)訓練は,主に呼吸および身体の感覚に従うことを必要とする.ここでは,一次感覚新皮質への入力をフィルタリングする際に重要な役割を果たす7-14 Hzのアルファリズムの注意変調を最適化し,さらに脳内の感覚情報の流れを整理するためのトレーニングの一形態としてST-Mindfulnessの身体的注意の新しい観点を提供する.この枠組みを支持するため,ST-Mindfulnessが一次体性感覚皮質(SI)におけるアルファの注意調節を増強したという以前の知見を説明する.枠組みにより,私たちはいくつかの予測をすることができる.慢性疼痛では,SIのST-Mindfulness “de-biases”アルファにおける身体的注意を予測し,痛みを重視した注意力を解放する.うつ病の再発では,内的に集中した認知プロセス(作業記憶を含む)が感覚入力のアルファフィルタリングに依存しているため,ST-Mindfulnessの身体的注意は内的に集中した反芻と競合することが予測される.本発明者らの計算モデルは,S-MindfulnessがSI視床皮質入力のタイミングおよび有効性における正確な変化を容易にすることによって,アルファのトップダウン変調を高めることを予測する.私たちはそのフレームワークが仏教の教えとどのように調和しているかを考察することによって,マインドフルネスは「身体のマインドフルネス」から始まると考え結論づける.神経生理学にこの理論を翻訳し,私たちはその身体的注意,マインドフルネスでゲインコントロールを強化するSIにおけるトップダウンアルファリズムの変調は,実践者をより感知しやすくなり,心がその身体的注意からさまようとき,実践者を調整すると仮定した.この身体的マインドワンダリングの強化された規制は,認知調節とメタ認知の強化につながるマインドフルネストレーニングの重要な初期段階であるかもしれない.

高度にサンプリングされた個人の脳の機能システムと領域構成

Functional System and Areal Organization of a Highly Sampled Individual Human Brain
Laumann, Timothy O and Gordon, Evan M and Adeyemo, Babatunde and Snyder, Abraham Z and Joo, Sung Jun and Chen, Mei-Yen and Gilmore, Adrian W and McDermott, Kathleen B and Nelson, Steven M and Dosenbach, Nico UF and others
Neuron, vol.87, no.3, pp.657-670, 2015.

安静時の機能的MRI(fMRI)は,複数の空間スケールでグループレベルの機能的脳組織の記述を可能にした.しかし,被験者間の平均化は,各個体に特有の脳組織のパターンを不明瞭にする可能性がある.ここでは,1年以上にわたって繰り返し測定された単一の個人の脳組織を特徴付けました.被験者固有のタスクアクティベーションに対応する,再現可能で内部的に有効な被験者固有のエリアレベルのパーセル化を報告する.充分なデータが集められれば,高度に収束した相関ネットワークの推定値が得られる.注目すべきことに,セッション内の被験者内の相関の変動性は,被験者間変動のパターンとは異なり,視覚および体動運動領域に集中した皮質を横切る不均質な分布を示した.さらに,個人のシステムレベルの組織は,グループに概ね類似しているが,明確なトポロジカルな特徴を示している.これらの結果は,特に特別なまたは稀な個人のために,皮質の組織化および機能における個人差の研究の基礎を提供する.

マインドフルネス瞑想の脳波変動対αニューロフィードバック:偽制御研究脳神経の瞑想とアルファの神経 フィードバック:偽制御研究

EEG Dynamics of Mindfulness Meditation Versus Alpha Neurofeedback: a Sham-Controlled Study
Chow, Theodore and Javan, Tanaz and Ros, Tomas and Frewen, Paul
Mindfulness, Vol.8 No.3, pp572-584, 2017

“マインドフルネス瞑想(MM)と脳波アルファニューロフィードバック(NFB)は両方とも,注意パフォーマンスを向上させ,8-12Hz におけるα波の全振幅を増加させることが示されているが,α波または注意制御の調節に対する効果におけるMMとNFB を比較した研究はない.61 名の大学生をランダム化して15 分間の単一セッションMM(n = 24),NFB(n = 17),または偽-NFB(SHAM; n = 20)介入を行い,Stroop 試験の実行中はもちろん,5 回介入するの3 分間のエポック介入も15 分間の単一セッションのどちらも完了するまでα波のフルバンドおよびサブバンドの振幅において比較された.MM およびNFB 参加者は,最終介入期の間にSHAM 参加者と比較してより高い全体的なフルバンドアルファ振幅を示したが,サブバンド振幅についてはグループの差異は観察されなかった.運動能力に群間差がない場合,MM参加者は,Stroop 課題における刺激後200 400ms の前頭皮質内の上部アルファバンドのERD がより低く,介入中に示された上部アルファ振幅と相関する効果を示した.今後の研究の方向性が議論される.”

脳の接続性:性別は違いを生む

Brain connectivity: genter makes a difference
Gaolang Gong,Yong He,Alan C. Evans
The Neuroscientist, Vol.17, No.5, 575-591, 2011.

性別は人間の脳の解剖学および機能ならびに人間の行動に重要な役割を果たすことがよく知られている. 最近の
脳神経イメージング研究では脳の局所領域だけでなく領域間のつながりにも性別の影響が示されている. 具体的な
例として構造的MRI および拡散MRI データは白質に基づく解剖学的接続性における実質的な性差を示している.
構造的MRI データは脳領域間の形態学的相関によって明らかにされた結合性における性差を示した. 機能的な神
経イメージング(例えば機能的MRI およびPET)データから得られる機能的連結性も性別によって左右される.
さらに男性の脳と女性の脳はネットワークトポロジーの違いを示し,それぞれ異なった脳全体の脳の接続性の組
織パターンを表しています. 本稿では現代の神経画像技術から得られた大規模なデータセットに焦点を当て性別と
のマルチモーダルな脳の接続性/ネットワーク研究における最近の知見を要約している. 文献はおそらく性別に関
連した認知能力の差異の根底にある人間の脳内の脳の接続における実質的な性差についての証拠を提供する. した
がって実験を設計したり健康や病気における脳の接続性/ネットワークの結果を解釈する際には性別による差異を
考慮する必要がある. 性別に関連した脳の接続性/ネットワークと脳疾患の性別特有の性質との相互依存性を探る
とともに,正常な脳におけるマルチモーダルな脳の接続性/ネットワークの性別関連の特性を調べるための今後の
研究が行われることが予想される.

社会的リスクのある意思決定はTPJ における男女差を明らかにする:fNIRS を用いたハイパースキャンイング の研究

Social risky decision-making reveals gender differences in the TPJ A hyperscanning study using functional near-infrared spectroscopy
Zhang, M., Liu, T., Pelowski, M., Jia, H., and Yu, D.
Brain and cognition, vol. 119, pp. 54-63, 2017

これまでの神経科学研究では,擬似社会的(主に非対面)の文脈における単一脳のフレームにおけるリスクのある意思決定の神経相関が調査されてきた.より自然な社会的相互作用における行動リスクのある意思決定を完全に理解するため,本研究ではfNIRS ハイパースキャニング技術を使用して,対面式のギャンブルカードゲームにおける参加者ペアの前頭-側頭の活動を同時に測定した.脳内の結果は,男性と女性ともに,mPFC および前頭極領域の下位部分ならびに側頭頭頂接合部(TPJ)において,低いリスクに対して高いリスクの場合により高い活性を示した.これは,意思決定タスクにおけるメンタライジングネットワークの重要性を示唆する以前の知見と一致している.脳間神経同期(INS)のfNIRS の結果は,男性および女性がmPFC およびdlPFC における脳間コヒーレンスの増加することも示唆した.女性に限り左のTPJ において脳間コヒーレンスが増加したことを示した.このINS の結果は,社会的相互作用において危険な決定をするとき,男性は非社会的認知能力に主に依存し,女性は社会的および非社会的認知能力の両方を使用することを示唆している.人間の相互作用と2 者の神経科学の一般的なトピックスについても同様に議論している.

fNIRSを用いたハイパースキャニングにより明らかにされた協力時の神経と行動特性における性差

Sex differences in neural and behavioral signatures of cooperation revealed by fNIRS hyperscanning
J.M. Baker, N. Liu, X. Cui, P. Vrticka, M. Saggar, S.H. Hosseini and A.L. Reiss
Scientific reports, vol. 6, Article 26492, 2016

複数の分野の研究者は性別がどのようにして人間の社会的行動を適度なものにしているのかを理解をしようと努めてきた.50年以上の研究が男性と女性の協力的な行動における違いを明らかにした一方で,これらの性別の違いの根本にある神経的関係は説明されていない.この謎の欠如した基本的な要素は,相互作用する二者の性別の構成が協力時の脳と行動にどのように影響を与えているのかについて理解することである.同性および異性の111組のペアにfNIRSに基づいたハイパースキャニングを用いることで,私たちはコンピュータベースの協力作業に関わる,行動と神経の性別に関連する有意な差異を特定した.少なくとも1人の男性を含むペアは,女性同士のペアよりも有意に高い行動成績を示した.個々の男性と女性は右前頭極と右下前頭皮質において有意な活性を示した.ただし,この活性は男性と比較して女性においてより大きかった.女性同士のペアは右側頭皮質で有意な脳間コヒーレンスを示した一方,男性同士のペアにおける有意なコヒーレンスは右下前頭前皮質で生じた.有意なコヒーレンスは異性のペアではみられなかった.最後に,同性のペアでのみで,タスク関連の脳間コヒーレンスが協力タスクの行動成績と正の相関を示した.私たちの結果は,神経と行動の協力時の同時的特性に関して複数の重要かつ以前見つかっていなかった性別の影響を強調する.