感情の分類および定量化に向けた
画像呈示時の脳電位計測および解析
電気・化学専攻 医用工学領域（主査：京相 雅樹 教授

2281235

久保田 結衣副査：桐生 昭吾 教授 , 森 晃 教授）

1. はじめに現代社会はストレス社会ともいわれ,現代人とストレスは密接な関係にある .近年,精神疾患により医療機関にかかっている患者数は大幅に増加しており ,平成 14 年では約258 万人,令和 2 年では約 615 万人となっている.特に,うつ病の患者数は著しく増加している [1].また,9936 名の男女を対象に行った調査によると,ストレスを感じていると答えた人は合わせて 91.3％で,実にほとんどの人が何らかのストレスを抱えているという結果だった [2].また,自 覚 症状がない 場合でも 実 は大きなス トレスを 抱 えていると いうケースもある.ストレスは目に見えない分,厄介な問題でもあると言える.このように,アンケート形式で健康状態を把握する方法が主流となっている .しかし ,アンケートデータはストレス状態を簡略化して把握するため主観評価となり,個々の異なる環境における健康状態の把握には限界がある .そして,過度なストレスはうつ病などの精神疾患のリスクを高めるだけでなく,免疫力を低下させ感染症のリスクを上げる ,循環器系や消化器系に障害を与えるなど様々な疾患の原因となる .
そこで,外的刺激や内的な記憶の想起に伴って生じる生理的な反応である「情動」を計測して,情動の発生に伴う主観的な意識的体験である「感情」を推定する .「感情」によるストレス状態の把握とその軽減策を促がすことで ,従業員が安全・安心に業務推進できる環境づくりの構築繋がる可能性がある.具体的な方法として,個人の「感情」によるストレス状態の把握には脳電池(Electroencephalogram : EEG)を計測し,特定の事象に対し反応を示す事象関連電位(Event Related brain Potential : ERP)を定量化する.ERP 計
測により,時系列データの特徴や異常を自動的に見つけ出し ,客観的なストレスを推定することができるのではないかと考えられる.
本研究では,個々のストレスレスな社会生活を目指し,ERP を用いて「感情」の定量化を行いリアルタイムでのストレス評価手法の確立を最終目標とする .
中間発表では,計測環境,条件,方法の設定の不十分さの解消を目的とした.脳波計測時の使用する電極,計測箇所 ,ストレス解消効果があるといわれる自然の風景画像を刺激画像に選定し,生体反応が理論通りになるか確認を行った.その結果,唾液アミラーゼ,加速度脈波の a-a interval の変動係数の結果では,被験者によって個人差が激しく,1 被験者で見ても値にばらつきが見られた.ERP の結果では側頭葉で計測した ERP の振幅が確認できた.
よって,本報告では続けて計測環境・条件・方法の設定の不十分さの解消を目的とし,快だけでなく不快感情の画像を刺激画像に追加し,生体反応に違いがあるか確認を行った.
2. 理論
2.1.
ストレスによる生体反応 [3]
人体に加えられた様々な刺激は,感覚器で検知され,抹消神経を介して脳(中枢神経)に伝達される .脳ではそれらの刺激が認知され統合される .刺激に対応するために脳から発生した指令は交感神経や内分泌を介して全身に伝達され,各器官の活性化や沈静などの生体反応として現れる.ストレスによる生体反応は唾液アミラーゼの増加,心拍・血圧の増加,大腸の運動促進からの痛みなどが挙げられる.

2.1.1. 唾液 α アミラーゼとストレス
α アミラーゼは唾液や膵臓に含まれる消化酵素の一種で,交感神経系の活性化に伴い唾液中の分泌用は増加する.唾液 α アミラーゼは,心理社会的・身体的ストレスに敏感に反応することが知られており ,試験,スピーチ,暗算などのストレスに上昇するとされている [4].さ らに唾液 α ア ミラーゼ活 性は ,心拍 数やスキン コンダク タ ンスなどの 自律 神経機能と同様に交感神経活動に反映しており,客観的にストレス評価するための指標となると考えられる.表１にストレス度合の唾液 α アミラーゼの数値の目安を示す.
Table1. Estimated stress level (varies by individual)
Salivary α -Amylase Level [ｋU/L]

Stress Guideline

0-30

No stress.

31-45

Slightly less stressful.

46-60

Stress.

61-Much Stressed.

2.1.2. 加速度脈波とストレス
心臓は交感神経の分析もストレス負荷の状態を知るうえで優れた方法の一つである[5].心臓は交感神経と副交感神経の両方からの影響を受けており ,心拍変動の R-R 間隔時系列の周波数成分をパワースペクトル分析することで ,ストレス状態において心臓の自律神経系のうち交感神経または副交感神経のどちらが優勢であるかを知れる.また,R-R間隔と同様の生体的意義を示す加速度脈波の a-a 間隔の周波数解析が,自律神経評価に用いられている.また ,加速度脈波のカオス解析により得られる指標は生体のホメオダイナミクスの状態を反映し,ストレス状態の評価にも有用である.Fig.1 に加速度脈波のa-a 間隔を示す.

Fig1.a-a interval of acceleration pulse wave
2.2.
感情と脳 [6]
扁桃体は側頭葉の内側に位置しており,大脳辺縁系とよばれる情動に関連する回路の主要な構成要素のひとつである.扁桃体は,「情動」と「感情」の処理や直観力,ストレス反応に重要な役割を果 たしており ,主に,恐怖,不安,緊張,怒りなどネガティブな感情に関わる.そして,前頭前野は脳の前方に位置しており ,記憶,感情,行動の抑制など,高度な神経活動を司っている .通常時,外部から扁桃体で感じたストレスは感情や衝動を抑制している前頭前野で抑制される.前頭前野が鎮静化できないくらい扁桃体が過剰に活動すると,交感神経系に作用し,激しい動悸や過呼吸などの身体症状が引き起こされる.これがパニック発作である.また,慢性的なストレスにさらされると,扁桃体の樹状突起が拡大し.前頭前野の樹状突起は萎縮する.ストレスがなくなれば,前頭前野の樹状突起は再生するが,ストレスが非常に強い場合には回復能力が失われる.前頭前野の萎縮は,過去のストレス体験と関連しているとも言われている.

2.3.
事象関連電位ERP とは,個人に提示された特定の事象や刺激に反応して起こる脳の電気的反応のことである.ERP は,頭皮に装着した電極を通して脳の電気的活動を測定する非侵襲的技術である脳波 を用いて記録される .脳波がとらえた電気信号から ,脳の神経活動やリアルタイムでの情報処理方法に関する情報が得られる.
3. 計測
3.1.
計測環境及び条件
計測時間帯は午前 10 時前後で計測を行った.健常者男性 2 名(年齢平均 24.3 ± 0.829)で実験を行った.計測はノイズを軽減する為にシールドルーム内で行い ,生体信号増幅器で増幅し,A/D 変換機に通し解析用 PC に計測結果を保存した.また,計測波形の計測波
形の割り出しに用いる光トリガは画像呈示用 PC の画面に取り付けた.
脳波の計測箇所については,国際 10-20 法に基づき前頭葉周辺の F3,F4,F7,F8,側頭葉T3,T4 とした.脈波の計測方法については ,指尖容積脈波を計測した .唾液アミラーゼに関しては唾液アミラーゼ検査キットを使用した .計測条件,機器条件,計測環境の詳細はそれぞれ Table2,Table2 ,Fig.2 に示す.刺激画像は死体画像,自然の風景画像,虫の画像を選定し,無刺 激画像を 単灰色の画 像にし,計 測を行った.使用した 画像をそれ ぞれ
Fig.3,4,5,6 に示す.
Table2 Conditions on Subjects &Table3 Measurement system configuration
Environment

Fig.2 Measurement position

Fig.3 Gruesome
image

Fig.4 Nature image

Fig.5 Bug image

Fig.6 Gray image

3.2.
計測方法
プロトコルは唾液 α アミラーゼを計測し,脳波・脈波の計測(刺激画像：死体),2 回目の唾液 α アミラーゼの計測,脳波・脈波の計測（刺激画像：自然の風景） ,3 回目の唾液
α アミラーゼの計測,脳波・脈波の計測(刺激画像：虫),4 回目の唾液 α アミラーゼの計測,脳波・脈波の計測（刺激画像：単灰色の準備画像）,5 回目の唾液 α アミラーゼの計測,そして計測後に被験者に主観評価をしてもらった. 計測後に計測日の睡眠時間,ストレス値の自己評価,ラッセルの円環モデルを基に刺激画像の想起された感情の自己評価のアンケート(X 軸：Valence ,Y 軸：Arousal ,それぞれ-5~5 点で評価)を行った.被験者になるべく負荷をかけないよう ,WEB フォームを使用し簡単にアンケートを行えるようにした.Fig.7 にプロトコルを示す.
脳波・脈波の計測の 1 サイクルとしては,Fig.8 のように感情喚起画像提示前に単灰色の準備画像を 2.0 秒間提示し,その後感情喚起画像を 2.0 秒提示し,再度単灰色の画像を2.0 秒間提示し,最後に 7.0 秒間カウントダウンのアニメーションを提示した.感情喚起
画像提示中の 2.0 秒間および前後の未刺激画像提示中 4.0 秒間は瞬きをしないよう被験者に指示し,その後の 7.0 秒間のカウントダウンが行われている間に瞬きをするよう指示した.感情喚起画像 呈示時間は瞬きを行えない負担や疲労を考慮し ,被験者が負担を感じない程度の時間に設定した.

Fig.7 Measurement Protocol

Fig.8 1 cycle of EEG and pulse wave measurements
4. 解析方法
4.1.
脳波
得られた脳波に対しノイズ除去,LPF は 30Hz,HPF は 0.08Hz でフィルタリングを行い,カウントダウン部分の切り取りを行った.切り出した 30 回分の刺激を同期加算した.
4.2.
加速度脈波
計測した 390[s]の脈波に対し,2 回微分,a を検出するためピーク検出,ピーク間を求め
その後,ピーク間 aaI の変動係数を求めた.

5. 結果5.1.
唾液アミラーゼ
2 人の被験者の加算平均した唾液アミラーゼの結果を Fig.9 に示す(①：計測前の唾液
アミラーゼ値,②：死体画像での刺激後の唾液アミラーゼ値,③：自然の風景画像での刺激後の唾液アミラーゼ値,④：虫の画像刺激後の唾液アミラーゼ値,⑤：グレー画像刺激後の唾液アミラーゼ値).Table4 に唾液アミラーゼの標準偏差を示す.

Fig.9 Ave. salivary amylase
Table4 Standard deviation of salivary amylase

5.2.
aaI の変動係数算出された aaI の変動係数を Fig.10,11 に示す.

Fig.10 aaI variation(Sub.A)

Fig.11 aaI variation (Sub.B)

5.3.
事象関連電位
Fig.12 に計測箇所 T3,T4,刺激画像,計測した 2 人の脳波を同期加算した結果をごとに示す.Fig.13 に F3 で計測した脳波を同期加算した結果を示す.(グレーで塗られている時間はグレー画像を呈示しており,白塗りは刺激画像を呈示している)■T3 ■T4(a)Grusome(b)Nature(c)Bug(d)Gray
Fig.12 ERP measured at T3 & T4(a)Grusome(b)Nature(c)Bug(d)Gray
Fig.13 ERP measured at F3

5.4.
刺激画像に対する感情の自己評価
Fig.30 に刺激画像に対する感情の自己評価を平均した結果を被験者ごとに示す.
■Gruesome ■Nature ■Bug ■Gray(a)Subject A(b)Subject B

Fig.14 Ave. of questionnaires for stimulus image
6. 考察
6.1．
唾液アミラーゼFig.9 から計測前の唾液アミラーゼ値（①）と,異なる刺激条件下での唾液アミラーゼ値（②：死体画像,③：自然の風景画像,④：虫の画像,⑤：グレー画像）を比較した結果,死体画像での刺激（②）においてアミラーゼ値が著しく高くなったことがわかる .死体
画像が強烈な不快感やショックを引き起こし,これが被験者のストレス反応を増強した可能性がある.このことから不快感情が強い刺激の方が生体反応を引き起こしやすいと考えられる.
Table4 から計測前の唾液アミラーゼ値（①）と,異なる刺激条件下での唾液アミラー
ゼ値を比較した結果,③の自然の風景画像での刺激後の唾液アミラーゼ値が他の条件よりも標準偏差が高い結果が得られた.この高い標準偏差の要因は複数考えらる.
まず,自然の風景画像は被験者の主観的な差異に大きく影響される要素を含むため ,感性や個人の好みにより異なる反応が生じやすいことが挙げられる .また,個人差や生理学的な変動も考慮すべき要因であり,被験者間でのストレスレベルや生理学的な状態の差が反応に影響を与えた可能性がある.
さらに,前の②(死体画像での刺激)による影響により③(自然の風景画像での刺激)においてデータのばらつきが起こってしまった可能性が考えられる .死体画像は強烈で不快な印象を与え,被験者がこの刺激に対して強い感情を抱く場合 ,その影響が自然の風景画像での刺激にも及び,感情の変動が見られたのではないかと考えられる.
これらの要因より自然の風景画像での刺激後の唾液アミラーゼ値の標準偏差が高かったと考えられる.
6.2．
aaI の変動係数
Fig.10,11,Fig.14 の結果から得られた情報に基づいて,以下のことが考えられる.
まず,中間までの結果では Arousal が高いほど aaI の変動係数が小さくなる事が示唆されていた.本実験では,刺激画像が死体画像の際 Arousal が高いほど aaI の変動係数が小さくなり,中間までの同様な結果が出たが,被験者 A の刺激画像が虫の画像の際,被験者 B の刺激画像が自然の風景画像,グレー画像の際に当てはまらないことが分かった.
これから,Arousal が高い場合のみ aaI の変動係数が小さくなることが示唆された.

6.3．
事象関連電位
Fig.12 より被験者が死体画像を見た際に T3 と T4 の領域で陽性の振幅の脳波反応があった.本実験では耳栓を使用していることから聴覚野に由来するものではなく ,他の生体反応に関連している可能性が高く,恐怖の情動または記憶処理する過程の陽性電位と示唆された.
また,Fig.13 より F3 の頭皮上の位置で,死体の画像の ERP と他の刺激画像の ERP を比較すると,死体の画像が提示された約 0.5 秒後に陽性電位が見られた.この脳波の反応には複数の考えられる要因がある.まず,F3 が前頭葉の領域に対応していることから,この陽性電位は注意や認知の反応を示唆している可能性がある.死体の画像は注意を引く要因であるため,これらの頭皮領域での反応が注意や認知の機能 に関連している可能性が考えられる.さらに,死体の画像は不快な感情を引き起こす可能性が高い.この陽性電位は情動処理と関連しており,扁桃体などの領域が影響を与えている可能性がある .
一方で刺激画像が虫 ,自然の風景の際,同じ時間帯に 死体画像に比べて電位は低いが陽性電位が見られた.死体画像ほどの嫌悪感や恐怖感を引き起こさないため ,注意の焦点として働いた可能性が考えられる .または ,画像を脳が処理する過程で陽性電位が生じた可能性も考えられる.
このような脳波反応の差異から,不快度が高く,Arousal が高い感情を区別できる可能性が示唆された.ただし,感情は主観的で個人差が大きいため,計測回数,被験者数を増やし再現性を確認する必要がある.
7. まとめ計測環境・条件の設定の不十分さの解消を目的とし ,刺激画像を快だけでなく不快感情の画像を追加し,生体反応に違いがあるか確認を行った.
結果,被験者が死体画像を見た際に T3 と T4 の領域で陽性の脳波反応が観測され,聴覚刺激 では なく恐 怖の 情動や 記憶 処理に 関連 してい る可 能性が 高い と考え られ る .また,F3 の頭皮上では,死体の画像提示後約 0.5 秒で陽性電位が観測され,注意や認知の反応を示唆している可能性がある.さらに,死体の画像は不快感を引き起こすため,情動処理にも関連している可能性がある .一方で,虫や自然の風景の画像でも同様の時間帯に低い電位が見られたが ,これは死体画像ほどの恐怖感がないため ,注意の焦点として働く可能性がある.また,画像処理による陽性電位も考えられる.これらの脳波反応の差異から,不快度や興奮度の高い感情を区別できる可能性が示唆されているが ,感情は主観的で個人差があるため,再現性を確認するためにはさらなる研究が必要だ.
参考文献[1] 厚生労働省,” 第 13 回 地域で安心して暮らせる精神保健医療福祉体制の実現に向けた検討会参考資料 1”,p2, 2022/06/09[2] マ イ ボ イ ス コ ム 株 式 会 社 ,” ス ト レ ス に 関 す る ア ン ケ ー ト 調 査 （ 第 8 回 ） ”,
https://myel.myvoice.jp/products/detail.php?product_id=28811 ,閲覧日：2024/01/31[3] 田中喜秀,”ストレスと疲労のバイオマーカー”, 日薬理誌 137,pp185-188,2011[4] 萩野谷浩美,”ストレス評価における唾液αアミラーゼ活性の有用性”日本看護技術学会誌 9,pp40-44,2010[5] 林 博 史 ,” 心 拍 変 動 の 臨 床 応 用 - 生 理 的 意 義 , 病 態 評 価 , 予 後 予 測 -“, 医 学 書 院 ,pp3152,1999.
[6] Yi-Yuan Tang, ” The neuroscience of mindfulness meditation ” ,Nature Reviews
Neuroscience,pp1-13,2015.