191998年3月25日■第21回日本神経心理学会特別講演

新しい無侵襲高次脳機能計測法光トポグラフィー
小泉英明＊
要旨：生体組織内を通りやすい近赤外光を頭の外側から照射し，脳内で散乱・反射してきた光をやはり頭の外側から検出する。この光を用いた分光分析により，大脳皮質内の酸化／還元ヘモグロビンの濃度変化を画像化し，高次脳機能を非侵襲的に計測する新しい方法論を光トポグラフィーと名付けた。微弱な近赤外光を用いるだけであり，また自然な環境下で検査可能であるため完全に非侵襲的である。運動野や視覚・聴覚・体性感覚野などのほか，言語野の賦活も観測できる。書字のように手や腕を活発に動かす課題は，被験者の動きによる偽像や仰臥位の不自然さから，従来のポジトロンCT（PET）や機能的MRIでは計測困難であるが，光トポグラフィーでは計測可能であった。神経心理学や脳神経外科への広範な応用のほか，幼児の認知の発達過程を追うことが可能となるなど新分野への展開が期待される。
Key神経心理学

14；19−25，

1998

Words：光トポグラフィー，非侵襲，近赤外分光，高次脳機能，言語領野
opticaltopography（OT＞，tion，▲anguage

1near

infra−redspectroscopy（NIRS），

higher−orderbrain

fUnc−area

開発され，各種の高次脳機能が計測可能になっはじめにたが，この手法は放射性造影剤を体内に注入す

脳神経科学の領域では，神経活動にともなうるため厳密には非侵襲とは言いがたい。また，

膜電位変化を計測する電気生理学が基調であっ被験者の放射線被曝により繰り返し計測は不可たが，かねてより測定対象系を傷つけずに（非能なため，異なった複数被験者について平均を侵襲的に）計測が可能な方法論の出現が望まれ採るといった統計処理がなされている。現在，ていた。まず，電極に代わるミクロからのアプ空間・時間情報の取得が可能で，かつ，本当にローチとして，光学的多点計測法（opticalrecordingニオプティカルレコーディング）が磁気共鳴描画（fMRI：functional出現した。この手法は，神経細胞を傷つけるこ

onance

無侵襲と言える脳の高次機能計測法は，機能的magneticres−imaging）と脳磁計測（MEG：magne−とはないが，開頭手術が必要であるので一般的toencephalography），そして本稿で詳述するには非侵襲的とは言えない。一方，マクロから光トポグラフィー（OT：opticalのアプローチとして，旧来の脳波の他にポジトがある。本稿では，この新しい高次脳機能イメロンCT（positronー ジング法である光トポグラフィー一の原理と構

computedtomography）がtopograPhy）

1998年2月4日受理〔共同研究者：牧敦＊，山下優一＊，山本剛＊，岩田誠＊＊，吉沢浩志＊＊，渡辺英寿＊＊＊，河内十郎＊＊＊＊〕

ANew Noninvasive Method for Higher−order Brain Function Measurement：Optical Topography＊日立製作所中央研究所，Hideaki Koizumi， Atsushi Maki， Yuichi Yamashita， Tsuyoshi Yamamoto：CentralsearchLaboratory，Hitachi，Re−Ltd．

東京女子医科大学神経内科，Makoto Iwata， Hiroshi Yoshizawa：Department of Neurology， Tokyo Women sMedical College＊＊＊
東京警察病院脳神経外科，Eijyu Watanabe：Department of Neurosurgery， Tokyo Metropolitan Police Hospital＊＊＊＊
東京大学総合文化研究科生命環境科学系，Juro Kawachi：Department of Life Sciences， Graduate School of Arts＊＊

andSciences，TheUniversity〔別刷請求先：〒185−OO14ofTokyo

東京都国分寺市東恋ヶ窪1−280
一 ユ9一（株）日立製作所中央研究所小泉英明〕

20

神経心理学

第14巻第1号て，光による非侵襲イメージングに成功した。

1000

PET

これはラットの脳虚血部位をヘモグロビンの光SPECT吸収によって非侵襲的に画像化したものであ］00

る。Benaron（1993）らも小動物の脳の光断層ω︶c︒亘︒8匡予且§ト（像を発表した。また，田村（1987−91）らも光亥瀦］O

CTについて総合的な基礎研究を行っている。

念難該

光による生体イメージングのもう一つのアプ
1ローチは，散乱・反射光を用いて表面付近のト∈⇒

ポグラム（地図上にパラメータ値を書き入れた

診OpticalTopogra

O．ihy

巖竣

O．OIもの）を得るものである。光を用いたトポグラ

フィーは，脳の機能地図を作成する目的でMaki

Optical
Recording（1995）とYamashita（1996）らによって開発され，光トポグラフィー（OT：optical。。。，〔EXt・・ns・c〕

topogra−phy）と名付けられた（Koizumi，1996）。これ
0．01

0．1

Spatialは，いくつかの研究施設から報告された近赤外101

光による脳の機能計測（Kato，1993；Hoshi，1993；

Resolution（mm）Villringer，1993；Chance，1993）を，新しい手Nθuron

図1

ColumnFunctional法の開発により初めて画像化することに成功しAreaたものである。この方法は主として頭部表層の各種の高次脳機能計測法と空間／時間分解能大脳皮質の機能計測に限られるが，高次脳機能造について紹介し，さらに，光トポグラフィーという言葉が歴史的には主として大脳皮質でによる高次脳機能イメージングの実例と，今後司られる脳の機能の医学・生理学・認知科学分野への応用展開にうに，人間の高次脳機能の計測方法論として広ついて述べる。図1に上記の脳機能計測方法論についておよその空間分解能と時間分解能を示い応用分野が期待される。

班した。

Eと解剖学的に定義されたよ

神経系と代謝系の結合

脳における情報処理の本質は結合回路網によ光による非侵襲イメージングの歴史

る並列分散処理にあり，組織の構造は一見均質（1883）が多波長光分光法を生体計測に適用し的で基本単位も単純である。図2に脳を構成するひとつの基本単位，すなわち脳の血管系と神たのが最初と考えられる。その後，Chance経系との生化学的な関係を示す。基本単位は神（1962）らは近赤外分光分析法（near

経細胞，グリア細胞，そして血管から構成され生体への分光分析の応用の歴史は古い。MMikan

infra−redvivoる。情報の伝達系は上述の，神経細胞に沿って計測に適用して種々の新しい知見を得た。さらの脱分極の伝搬と，シナプス間隙における伝達に，Jobsis（1977）らは，近赤外分光分析法を物質の受け渡しによる。一方，情報伝達に必要適用した脳の酸素モニタを開発した。

なエネルギー供給の機構は次のようなものであ

spectroscopy：NIRS）を，生体代謝のin光による生体のイメージングには二つのアプる。グリア細胞は神経・血管を保持する構造体ローチがある。その一つは小泉（1980）らによの役割も担う一方で，代謝においても神経・血って提示された分光学的光断層撮像法（光CT）管の問に介在して重要な働きをしている。特のアプローチである。Kawaguchi（1991），
Shinohara（1991）らは，ピコ秒レーザーの近細1血管に巻きつきまた一方で神経細胞に結合す

赤外超短パルス光による時間分解測光を用いることによって，図2に示した代謝物質の交換に，星状グリア細胞は一つの細胞が，一方で毛一 20一21

1998年3月25日

NeuronCaρ∫〃arySignal］nln02（Hemg］obin）

GlucoseCO2
Lactate一一一一一一一一02

一一一1

G｜ucoseCO2

H20

H20／K＋Na＋1｝ぐ

Bloodl

Lactate←Na←

BloodOut●Signal

図2Out

神経系と代謝系との結合を行っている。例えば，酸素は動脈血中をヘモイーは，酸化ヘモグロビン濃度変化，還元ヘモグロビンに結合して供給される。赤血球がそのグロビン濃度変化，局所血液量変化，そして血直径（7．6μm）より細い毛細血管内を変形して液の酸化状態変化などをパラメータとして，ヘ流れるときに，脂溶性である酸素は毛細血管壁

モグmビンの分光学的性質を利用して脳の高次を通過して，さらにグリア細胞の膜の中を拡散機能を画像化する。

し最終的にはミトコンドリアへと達し，やはりN

k液から供給されたグルコースを酸化してATPを生産する。このATPの燐酸結合が神経活動のエネルギー源である。

光トポグラフィーの原理と装置

図3に，我々の研究室で試作した光トポグラフィー装置を被験者にセットした状態を示す。

信号の伝達はエネルギL−一一の供給をもって初めこのように比較的シンプルなインターフェイスて可能となるので，信号伝達系はエネルギー供にて実際の計測が可能である。この例は12チャンネルのシステムであるが，現在，24チャ給系と密接にリンクしている。このリンクの詳細機序はまだ十分に明らかになってはいない。

ンネルの同時計測システムも測定に使用していほぼ確実に言えるのは，酸素が潤沢に供給される。このシステムの基本原理は次のとおりであている際には，ATP生産効率の高い好気的なる。

代謝系が働いているであろうこと，そして，代人間の頭部は外側から内側に向けて，頭皮謝が進んで二酸化炭素が増えてpHが低下する（毛髪を含む），頭蓋骨，硬膜・軟膜，脳脊髄液と，細動脈の周囲にある平滑筋が弛緩して血管層，大脳皮質（灰白質），白質の順で層状構造が拡張し，酸素を潤沢に含んださらに多くの動を成す。電灯に手をかざすと光が透けて見える脈血を供給する調整機構が働くことである。すように，頭皮などはかなり光を通す。頭蓋骨になわち神経活動に伴い神経近傍の組織について

ついては，波長700−800nmの近赤外領域で血流量・血液量が増大し，また，血液の酸化状0．1％程度の光が透過することが実験的に判明態（酸化ヘモグロビンと還元ヘモグWビンの比率）が変化する。本稿で紹介する光トポグラフ

した。さらに，この波長帯で硬膜・軟膜，脳脊髄液層は比較的透明である。したがって，頭皮

一 21一

22

神経心理学

第14巻第1号を行うと，酸化ヘモグロビンの顕著な増加と還の外から直径1mmの光ファイバーで，近赤外光を照射すると，一部の光は30mm程度の深元ヘモグロビンの減少が観測された。また，血部まで到達し，自質や灰自質（大脳皮質）で反液量としても顕著な増加が認められた。この計射して再び頭皮の外まで戻ってくる。これを同測において，ポイントスプレッド関数で評価しじく直径！mmの光ファイバーで検出すると，た空間分解能は約2cmであり，これらの画像大脳皮質の状態を分光計測できる。被検者の安上で運動野と体性感覚野は分離されていない。

全性を保証するために，太陽光より微弱な出力一 方，同側の左手指のタッピング時にはこれらlmW以下の半導体レー一一ザを光源として用いのパラメータについて大きな変化は認められなている。酸化型ヘモグロビンと還元型ヘモグmかった。この結果はfMRIによる観測結果と全ビンは近赤外領域の吸収スペクトルが異なるた面的に一致した。さらに，対側手指のタッピンめに，多波長多点計測によりそれぞれの濃度空グ時に還元ヘモグロビンが減少するのは，fMRI間分布を知ることができる。ただし，強い光散の計測原理とも一致する。

乱のために光路長が特定できない場合が多く，fMRIで観測できるのは，還元ヘモグロビン実際には濃度変化を観測する。逐次計測法あるの濃度変化のみであるが，光トポグラフィーでいは周波数変調の同時計測法を用いて，チャンは血液量変化と血液の酸化状態変化を併せ観測

ネル毎のクロストークを避けた多点計測を行うできる点で優iれている。前述の神経系の賦活とことにより，大脳皮質におけるヘモグロビン分局所血行動態のリンクからすれば，神経活動に子種のマップを作成できる。図3に示すように，より還元ヘモグロビンの減少が必ずしも保証さ

光トポグラフィーは特殊な測定室を必要としなれないことが示唆される。光トポグラフィーにいoより，酸化／還元ヘモグロビンの独立した挙動，すなわち血液の量と酸化状態を併せ観測するこV光トポグラフィによる高次脳機能計測とは，高次脳機能解明のために極めて重要であ

1．運動野／体性感覚野の対側性の観測る。に計測しているかの確認には，fMRIを用いて

2．書字による言語野の観測
光トポグラフィーの応用の一つとして，書字すでに確認した運動野の対側性の観察を実施し（文字・言葉を書くこと）による言語野の活性た。運動野を賦活させる課題として，Roland化を実測した。言語に関する脳機能障害の中で，（1980）のパラダイムを用いた。手の各指の先書字に関する障害は病態の比較的初期あるいは端を順次，親指の先に触れさせるタッピングタ

軽度なケースにも現われることが多いとされスクである。大脳の中心溝を挟んで前頭葉側にる。書字の際の脳機能を計測することは臨床・運動野が位置し，頭頂葉側に体性感覚野が位置

光トポグラフィーによって高次脳機能を確実している。超高速fMRIで観測すると，左右の基礎の両面から必要とされるが，従来のfMRIやPETなどによる非侵襲的高次脳機能計測法

手指のタッピングタスクにて，対側の運動野おを用いて観測することは困難であった。その理よび体性感覚野の両領野が賦活されることを観由は，まず，書字によって言語野を賦活させる測したが，光トポグラフィーを用いても同様のには，書字課題を次々に与えてそれを筆記せね結果が観測された。図4に，大脳左半球の運動野／体性感覚野について，酸化／還元ヘモグロばならないが，この際に腕を活発に運動させるビンおよび両者の和（血液量）を画像化（視野：ちろん，発話課題の際にもロ腔周辺の筋肉が動ため，一緒に頭も動いてしまうからである。も6Cln×6cm）したものを示す。点線で示す中くので，同様の問題がが生じる。特に，fMRI

心溝の位置は，各被験者について脳外科手術用ではわずかな頭の動きでも顕著なモーションアのニューロナビゲーターを使用して確定した

ー ティファクトが生じるので，実際の観測は困（Watanabe，1996）。対側の右手指のタッピング

難iである。光トポグラフィーが，fMRI，

一 22一

PET

23

1998年3月25日

図3

光トポグラフィーのインターフェイス部
（左上）

図4

運動野／体性感覚野の対側性の観測（大脳左半球中心溝付近）（中）

図5

書字における言語野（Broca領野）の活性化（下）

60△C［mM・mm

官40＞20αα0α00xy−Hb￡

言工﹀LeftFinger

68官工﹀官40e、。

官40

total．Hb且＞20030201002040XImm］

600／／
四「、璽曜璽零゜働・遍；簿匙
罰、

04・・固一 23一2040X【mm160000000Ω壌

言E＞

68

胴02000や㊤d・。xy−HbLu8060402

RightFinger

24

神経心理学

ならびにMEGと方法論として根本的に異なる

第14巻第1号

一 般的な知識からは安全に関して全く問題ない

点の一つは，フレキシブルな光ファイバーを被と考えられる。紫外域より短波長の光子エネル

験者の頭にセットすることにより被験者の頭自ギーが高い電磁波は，生体物質を電離したり化体に座標軸が固定されるので，動きが束縛され学結合を切るような害が生じ，一方，1．3μmないことである。また，fMRIをはじめとする従来の非侵襲的高次脳機能計測法で書字の計測以上の水吸収の大きな波長帯では熱発生の可能性があるが，近赤外域の光は原理的にそのようが困難であった理由は，日常的な書字姿勢ではな恐れがない。これら二つの特徴から，光トポない仰臥位で計測を行わねばならず，心理学的グラフィーは乳児・幼児に適用可能な現在唯一一にも極めて不自然なテストとなることであっの高次脳機能イメージングの方法論である。乳た。そのために，従来の非侵襲的高次脳機能計

児・幼児についての無侵襲高次脳機能計測は今

測法では，書字や発話の課題を避けて黙話（サまで未開拓の領域であり，今後，認知の発達過イレントスピーチ）の課題が用いられてきた。

程の研究は教育・言語学・認知科学にとって新しかし，この黙話の課題は，被験者が想い浮かしい分野となると予想される。

べた内容を第3者が客観的に確認することができないというサイエンスとしての基本的な問題岐にわたる。脳神経外科領域では，優位半球のがあった。

同定，機能領野の術前・術中・術後評価，てん光トポグラフィーを用いた書字のテストにはさらに，光トポグラフィーの応用可能性は多かんの焦点決定などがある。神経内科領域では，次のような課題を使用した。被験者に対象物をリハビリテーションの方針決定・効果の評価，表わす絵を次々と見せて，その名前を言葉にし失語症・言語障害などがある。精神科領域では，て即座に記述させる。対象物を示した絵は2秒精神病，睡眠，投薬評価などがある。また，基毎に差し替えられ，被験者が集中して課題を実

礎的な脳神経科学への応用は，大脳皮質表面に行せねばならない状況を作っている。また，無関係する高次脳機能の計測，特に言語系のほか，意味図形を模写することによりリファレンス状前頭前野に関係深い注意・抑止，一時記憶，報態を作っている。書字の際に，手と腕を動かす償系などがある。そのほかストレスや痛みの計ので前頭葉の運動野も同時に賦活されるが，こ測，覚醒度の計測，機器の制御のためのインタのレファレンス状態ではやはり手と腕を同じよー フェイスなど今後多くの応用が考えられる。

うに動かすので，課題とレファレンス状態の差文引をすることによって除かれる。また，視覚・眼球系機能領野の賦活による信号も除かれる。

1）Benaron

日ight

anddia．

Science2）Chance

B，この書字課題による賦活機能領野のイメージン

グ結果を図5に示す。前頭葉の左半球の顕著なDA，活性化が観測されているが，Broca言語領野とIarほぼ一致する。

献

Stevenson

absorbance

DK：Opticalimaging◎ftime−of−・biologic

Me−259；1463−1466，1993

CohenP，

Jobsisoxidation−reduction

Fetstates

al：Intracellu−

invivo．137；

499−508，1962
3）ChanceV［光トポグラフィーの重要性と今後の展開
光トポグラフィー一という方法論が他の脳機能B，Zhuang

Z，

activated

low−frequency

abs◎rption

inhuman

イメージングと本質的に異なる点は，計測時の空間座標軸が被験者自身に固定されるという点

4）HoshiY，

Tamurachangeincerebralとも一部可能となる。また，1mW以下といman．
5）

う微弱な近赤外光しか使用しないので，現状の一 24一

etal：Cognition−

Proc

toNatl

light

Acad

Sci

90；3770−3774，1993

neuronal

検査を受けることができ，しかも，動き廻るこC

modulation

brain．

USAである。したがって，被験者は自然な環境下でUnAhfunction

Neurosci

JobsisLett

M：DetectionofOxygenatiOn

COupleSduringmentaldynamictO

works

in

monitoringofl50；5−8，1993

FF：Non−invasiveinfrared1998年3月25El25cerebral
andandmyocardial

circulatory

oxygenparameters．

sufficiency

Science198；

function

duringof12）Shinohara

1264−1267，1977

6）KatoT：Human

photicvisualcorticalstimu▲ationnear−infrared
FlowMetab

7）Kawaguchi

spectroscopy．

Yamashita

infrared

optical

Biol

CompEng

monitoringbyJ

means

Cereb

CTY，

Blo◎dof

Y

et

rat

al：Nearbrain．

Maki

topography：anewconceptmapping．

OISO

Mapping．

ISBM

Smith−Gordon，A

et11（S2）；S−459，1991

for

human

brain

pp．31−35，

Ito，Y

eta▲：Spatial

temporalanalysisof

human

motor

activity

topography．

andbininvivo；TheonmuscleinstantaneOus

A

newalights，

whichthroughandbrain．

We

hemoglobin

lightscould

higher−order

brain

ca1．

Topography

usedWesinceforcouldWe

on▲yweakmeasurement
observethefunction

E，

etal：Nearin−

too▲toduring

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inadults．

Neurosci

humanT，

Manakacomputed

A，

topographicum．

absorbers

RevS

etal：

tomography−

Surg

KoizumiNeurol27；

H：Near−infra−

measurement

localized

Sci

Instrum

methodforhigher−order

brain

ina

system：Imag−
scattering

medi−

67；730−732，1996

Researchweak

Topography

Koizumi＊Laboratory，Hitachi，Ltd．

cortexcerebralthendetected

scatteredareas

withbackfrom

such

as

insideofthemotor，

ofoxy／deoxy−

paradigm

changesbythetionnew

methodmeasurement

scatted
forof

cause

arrn

as

Opti−

psychologically．

nonin−

e．9，，thestudy

tions，

beinfrared

lightsundernaturalconditions．

of▲anguage

area

Journalofarecanwriting

theAwideof

一 25一severenotrange

expected・25，1998）

with

as

use

of

this

wellsomatosensory

conventi皿alrequiresisparadigm

andnotdevelopment

method．
14；19

Theinbedof
Neuropsychology

writing

acoustic

couldresulting

incompletely

near

fMRI

becauseana

method．

andwritingwithvisual，

this

PET

images（JapaneseCchangesWatanabeY，｝vlakiof

theactivation

Hocksurgery．

asisJ，

stereotaxicthe

Inethod

Planckguidednear

functionThis（連載），1987−1991

digitizer（neur◎navigator）

measurement：Opticalwith

this

rat

Bloodforpenetrate

named

Cereb

equipment

partially

theconcentration

re且ected▲ights．

vasivecomingobtainhead

canbiologica｝tissues，

reflected

and

human

image◎fJ：New

redhemoglo−noninvas輌ve＊Central

irradiatedal：Three−dirnensional

Phys

HideakiWeetmeasurement

function

infrared

123；154；101−104，1993

16）Yamashita

us−Medbrain

ing

GA：Experiments

B543−547，1987

22；1997−2005，1995

11）Millikan

light．

F

spectroscopy（NIRS）：Anew

15）Watanabe

inY，

NIR

infraredhemodynamic

Lett

96；25，1996（Brain

London，

EA，

study

al：Optical

Yamashita

non−invasiveoxygen−saturation

Metabfrared

A，

ing

Soc．

Kawagichi

F▲ow14）Villringer

preSS）

10）MakiM，nearofY，

Hida

using

29（S2）；959，1991

Yamashlta

Y，

一．OplusMed1980

H，Roybrain

8）小泉英明：分光学の未来．化学と工業33；49，
9）KoizumiProc13）田村守：光を使った生体計測一光CTへの道

Ito

image

metabo王ism．

Hernoglobinof

13；516−520，1993

F，muscle218−243，1883

methods

thistype

significantof

mo−artifacts．

Alsoa

condition

natural

newof

be−

applications，cognitive

optica｝

func−

topography