立石科学技術振興財団

助成研究成果集(第29号) 2020

[ 研究助成 (A) ]脳波と自律神経機能の 4 次元的相互作用解析によるストレスの定量的診断システムの開発
Development of stress diagnosis system using four- dimentional interactive analysis of
EEG and the autonomic nervous system
2181029

研究代表者

兵庫県立大学大学院
応用情報科学研究科

教 授

水野(松本) 由子

的不調を訴え，心気的となる。脳中枢神経と末[研 究 の 目 的]

梢神経は，生体機能調整における上位と下位の本研究では，人間のストレスを，機械で簡単関係にあり，情動に関連して連動する。しかし，に測定・解析できるストレス診断システムを開生体機能調整の起源となる脳領域の機能が，ど発し，簡便にかつ早期にストレスを発見するこの程度変化することで，末梢機能に影響するかとを，目的とする。それにより，人間をストレなど，定量的関係性については十分に分かってスから解放し，ストレスに起因する心身の疾患いない。
よって，ストレス診断システム開発に向けてや自殺を予防・防止することに寄与する。
厚生労働省の調査では，仕事や職業生活でスの解決に必要な技術的課題は，次の通りとなる。

トレスを感じると回答した労働者は 59.5% を第 1 に，脳機能の時間的空間的変化を捉える非占めている。ストレスが生じると，視床下部が定常解析手法の開発，第 2 に，自律神経機能の反応し自律神経の乱れを引き起こす。その結果，神経活動バランスを捉える非定常解析手法の開循環器疾患等の身体症状や，うつ病等の精神疾発，第 3 に，脳と自律神経機能の相互影響性を患を生じる。よって，ストレスの定量的評価を調べるための関連性解析手法の開発である。第

システム化することにより，職場や家庭などに4 に，これらの開発した解析手法を用いて，精おいて，疾病予測を行うことが可能となり，社

神的ストレス負荷に対する脳機能と自律神経機会的意義が高い。

能の経時的相互作用の特徴抽出を行う。以上に

本研究では，上記で示した目的達成に向けて，より，ストレス診断システム開発の基礎となる

脳機能と自律神経機能に着目し，それらの非定技術的課題の解決，および解析結果の抽出が可常状態と相互作用を捉える解析手法を開発する能となる。

ことを目標とした。
[研究の内容，成果]

脳活動の特徴として，同時に複数の部位が異なった活動を行い，その活動が時々刻々に変化することがあげられる。また，情動反応には，第 1 に，本研究は，従来，「心の問題」とさ動悸，冷感，顔面蒼白などの自律神経反応によれてきたストレスによる精神状態を，脳・自律る身体随伴現象を伴う。言い換えると，ストレ神経機能変化の観点から客観的に定量化するこスにより精神不安定を示す者は，しばしば身体とを可能にする。つまり，家庭や職場でのスト― 1 ―立石科学技術振興財団

レスに関して，本人の意識下にある問題点を明

助成研究成果集(第29号) 2020

(1) 脳波の時間的空間的変化を捉える非定常解
析手法の開発らかにすることが可能となる。カウンセリング
は，自己分析が可能な能力や状態でなければ行脳機能活動の時間的空間的変化を調べるためえないために，精神医学的治療は多くの場合，に，脳波を用いた。脳波による脳機能活動の経対症療法的に対応してきた。しかし，本研究に時的変化および部位間の情報伝播を調べるためより，ストレスによる心のつまずきや抑うつ状に，非定常解析手法を採用した。これは，申請態などの情動変化を早期に捉え，身体疾患や精者が皮質脳波および脳磁図用に開発済みの神疾患を未然に防ぐことが期待できる。

ウェーブレット相互相関解析を応用し，頭皮上第 2 に，本研究は，末梢神経の変化を測定す脳波用に開発した。本手法を用いることで，複ることで，脳機能の状態や精神安定度を推定す数の部位で同時に発生する異なった周波数の時る研究に将来繋がり得るものである。つまり，間変化を抽出することができ，さらに，部位間家庭や職場で，簡便な機器を用いて末梢より自での情報伝播を知ることが可能となった。

律神経機能を測定することで，ヒトのストレス状態を定量的に評価することを可能にするもの(2) 自律神経機能データの神経活動バランスを捉える非定常解析手法の開発である。

自律神経機能を捉えるために，心電図，指尖容積脈波を用いた。心電図による体幹中心部の[研 究 の 方 法]

自律神経機能変化，および指尖容積脈波によるストレス診断システムの概要は，図 1 に示す

末梢の自律神経機能変化を評価することで，交通りである。ヒトの生体内で，脳と自律神経間感神経・副交感神経機能活動のバランスを捉えでは情報の相互伝播が存在すると考えられるが，ることが可能である。心電図および脈波は，現外部からは分からない。ストレス診断システム

在開発中の時間周波数解析および波形解析手法の測定パートにおいて，脳から脳波を測定し，を完成し，統合的に自律神経機能変化を捉えた。

自律神経から心電図と脈波を測定した。解析パートにおいて，各々の経時変化を非定常解析(3) 脳機能と自律神経機能の相互影響性を調べるための関連性解析手法の開発で抽出し，それらの結果の相互影響性を関連性解析で求めた。診断パートにおいて，脳と自律上記 (1)，(2) で評価した脳機能の経時的変神経の相互作用の定量的指標よりストレス評価化および空間的情報伝播，自律神経機能変化にを行った。

ついて，関連性解析を行うことで，精神的ストレス状態における脳皮質−体幹中心部−末梢の脳・自律神経機能の経時的相互影響性を求めるための関連性解析手法を開発した。
(4) 精神的ストレス負荷時における生体信号測定
視聴覚刺激を用いた精神的ストレス負荷時の図1

脳・自律神経解析を用いたストレス診断システム

脳波，心電図，指尖容積脈波を，兵庫県立大学に設置済みの測定装置を用いて，健常成人を対象 に 測 定 し た。測 定 し た 生 体 情 報 を，上 記(1)-(3) で開発した解析手法で解析し，ストレス状態における脳機能と自律神経機能の経時的― 2 ―立石科学技術振興財団

助成研究成果集(第29号) 2020相互作用の特徴抽出を行った。
(5) ストレス診断システム開発の検討
解析結果の妥当性を評価して，次のステップであるストレス診断システム装置の開発に向けて課題を抽出・整理した。ストレス診断システ
ム装置は，本申請研究で開発する測定パート，解析パートを含み，新たに開発する診断パートを統合したシステムである。
図3[本研究の結果]予測できる刺激に対する脳と交感神経反応より遅れて反応するが，不快刺激では，脳活動本研究では，「安静刺激」と「不快刺激」を用いて，情動ストレス負荷時の脳波 α1 帯域及が自律神経活動よりも先行して反応した (図3)。

び心電図 LF/HF の経時的相関解析によって，[今後の研究の方向，課題]脳機能と自律神経機能の時間差解析を行った。
被験者は，健常成人 22 名とした。被験者に，情動ストレス負荷として視聴覚刺激を呈示し，本研究により，情動刺激による脳活動と，末刺激直後の想起閉眼時 180 秒間における脳波及

梢の自律神経活動の関連性を直接的に捉えるこび心拍変動を解析した。解析には，高速フーリとが可能となったことが有意義な点である。

エ変換 (FFT) を用いて，パワースペクトル

本研究を発展させることで，脳機能データ，値を経時的に求め，次に，ウェーブレット相互自律神経機能データを含めた全身の生体情報を相関解析を用いて，脳波 α3 帯域 (12-14 Hz 未解析し，生体全体で生じる現象とそれらの関連満) と心電図 LF/HF のスペクトル値変化の時性を同時に捉えることが可能となる。さらに，間差を算出した。

人のストレス度や快適度を，リアルタイムに分

その結果，初めての刺激に対しては，安静刺析し，フィードバックすることで，人の精神の激，不快刺激共に，脳活動が自律神経活動の反健康状態を改善するシステムに発展させる予定

応に先行したが (図 2)，予測できる刺激に対である。

しては，安静刺激では，脳活動が自律神経活動[成果の発表，論文等]
1 ．Yuko Mizuno-Matsumoto, Yuji Inoguchi, Steven
M. A.

Carpels,

Ayumi

Muramatsu,

YusukeYamamoto. Cerebral cortex and autonomic nervous
systemresponses

duringemotional

memoryprocessing. PLOS ONE, pp. 1-15, DOI.org/10.1371/
journal.pone.0229890, Mar. 5, 2020
2 ．Steven

MACarpels,

YujiInoguchi,

Shohei

Kobayashi, Ayumi Muramatsu, Yusuke Yamamoto,
Masato Ito, Yuko Mizuno-Matsumoto. Comparing
the features of the diffuse alpha pattern with thenormal alpha pattern using wavelet-crosscorre図2

lation analysis. International Journal of Affective

初めての刺激に対する脳と交感神経反応― 3 ―立石科学技術振興財団

Engineering (IJAE), vol. 19, no. 1, pp. 21-30, DOI.
org/10.5057/ijae.IJAE-D-18-00034, Jan. 31, 2020
StevenM. A.

Carpels,

6 ．藤後栄一，新田幸子，水野(松本)由子，石垣恭子．
精神疾患患者のための在宅療養支援システムの開発．

3 ．Yuko Mizuno-Matsumoto, Yuji Inoguchi, Shohei
Kobayashi,

助成研究成果集(第29号) 2020

Ayumi

Muramatsu. How do the Parasympathetic Nervous

日本感性工学会論文誌，vol. 18, no. 4, pp. 331-341,
doi : 10.5057/jjske.TJSKE-D-18-00066，8 月 30 日，
2019

System and EEG Respond to Emotional Memory

7 ．村松 歩，小林昌平，水野(松本)由子．スマート

Recall? IEEJ Transactions on Electrical and Elec-

フォンを用いた情動刺激による脳波の複雑ネット

tronic Engineering, vol. 14, pp. 1082-1090, DOI.org/ワーク解析．日本感性工学会論文誌，vol. 18, no. 4,

10.1002/tee.22903, Mar. 14, 2019

pp. 263-271, https : //doi.org/10.5057/jjske.TJSKE-

4 ．Shinichi Tamura, Yoshi Nishitani, Chie Hosokawa,

D-18-00080，8 月 30 日，2019

Yuko Mizuno-Matsumoto. Asynchronous multiplex

8 ．猪口祐次，小林昌平，カーペルス M. A. スティー

communication channels in 2D neural network with

ブン，水野(松本)由子．情動刺激直後の脳波と心拍fluctuating characteristics, IEEE Transactions on変動の時間差解析．電子情報通信学会和文論文誌，Neural Networks and Learning Systems, Vol. 30, No.
8, pp. 2336-2345, DOI. org/10. 1109/TNNLS. 2018.
2880565, Dec. 14, 2018, Aug. 1, 2019

大豪，水野(松本)由子．地域在住の精神障害者に対5 ． Yoshihiro Tsuji, Naoki Suzuki, Yusuke Sakai,
Yasumasa

Hitomi,Toshiko

Tokoro,Vol. J102-D, No. 4, pp. 350-358, Apr. 1, 20199 ．奥谷研，丸野美佐，濱崎光弘，安福ひとみ，山田する作業療法プログラムの介入方法の違いが精神機Masato

能や自律神経機能に与える変化．日本作業療法研究

Nishmura, Yuko Mizuno-Matsumoto. Relationship

学会雑誌，Vol. 21, No. 2, pp. 1-7，12 月 1 日，2018

between dream anxiety in recurrent nightmare and10．山 口 梢，猪 口 祐 次，佐 久 間 俊，Steven M. A.

indefinite complaints in patients undergoing main-CARPELS, 水野(松本)由子．てんかん性異常波のtenance hemodialysis : a cross-sectional study.

持続時間の違いにおけるウェーブレット相互相関解

International Journal of Affective Engineering

析を用いた脳波の部位間関連性及び情報伝播の可視(IJAE), Vol. 17, No. 3, pp. 213-220, DOI. org/10.

化．電気学会論文誌 C, Vol. 138, No. 8, pp. 1045-1053，

5057/ijae.IJAE-D-18-00004, Jun 29, 20188 月 1 日，2018― 4 ―