立石科学技術振興財団

助成研究成果集(第31号) 2022

［ 研究助成 (A) ］

ヒトの神経多様性を考慮したニューロフィードバック型
注意訓練システムの開発
Development of neurofeedback- based attention training system
considering individual differences in the human brain2211014

研究代表者

成蹊大学

理工学部理工学科准教授

櫻田武バックすることにより，脳活動を人工的に望ま[研 究 の 目 的]しい状態へ誘導し，その結果として特定の脳機本研究では，注意と呼ばれるヒトの神経系に能を向上させる手法である。従来においても，おける認知機能の向上を目的とした訓練システ

ニューロフィードバックを健常者・脳卒中患者ムの開発，およびその訓練効果の実証を目的となどへ適用することで効果が得られる報告はなした。

されているが，個人間で得られる訓練効果には｢注意」とは，神経系に入力される膨大な感大きな差が生じる問題点も残されている。この

覚情報を取捨選択し，その時々の状況に応じて，ような訓練効果差の問題が生じる原因の一つと感覚情報の一部を優先的に処理できるようにすして，訓練対象であるヒトの神経系における多るフィルターの役割を持つ認知機能である。こ様性が考慮されていないことが挙げられる。つのような注意機能は，外部環境において適切にまり，従来研究では，事前に獲得すべき脳活動行動するための重要な機能であるだけでなく，パターンを画一的なゴールとして設定したうえ

運動学習やリハビリテーション効果を左右するでニューロフィードバック訓練を行うことが一要因でもあることが指摘されている。さらに，般的であるため，そのゴールが適していない訓注意は脳卒中における半側空間無視や学習性不練者にとっては訓練効果が得にくくなってしま使用といった，日常生活に大きな影響をおよぼうリスクがある。このようなニューロフィード

す後遺症にも関連する認知機能であることから，バック訓練における問題を克服するためには，その訓練システム確立は臨床的にもニーズが高ヒトの神経多様性を考慮し，獲得すべき脳活動いといえる。したがって，加齢や脳機能障害にパターンを設定せずに脳機能向上を目指す手法

伴って注意機能が低下した場合には，その機能が有効と考えられる。
以上のような仮説の下，本研究では，ヒトのを再獲得するための訓練環境の提供が重要とな持つ神経特性の多様性を前提とした新しい訓練る。
このような“注意”などの脳機能を向上させ手法を採用することにより，個々の神経特性にるためのアプローチはいくつか存在するが，そ応じて最も獲得しやすい神経回路の賦活が自然の中でも「ニューロフィードバック」と呼ばれと促されるテイラーメードなシステムの提案をる技術が着目されている。本研究で提案する訓目指した。

練システムの基盤でもあるニューロフィード
バックとは，計測した脳活動を本人にフィード― 1 ―立石科学技術振興財団

る。注意に応じた SSSEP あるいは SSVEP の[研究の内容，成果]

変化は，フーリエ変換に基づく周波数解析に1．ニューロフィードバック型注意機能訓練シよって定量化した。最終的に，推定された注意ステムの実装

状態 (指示された対象に向けられる注意の強本研究におけるニューロフィードバック訓練

さ) は，スピーカー音量に変換され訓練者にシステムでは，「① 脳波誘発のための感覚刺激フィードバックされた。

呈示 ② 脳波計測 ③ 注意状態推定のためのリ

ここで，本ニューロフィードバック訓練シス

アルタイム脳波解析 ④ 注意状態のフィード

テムがヒトの神経多様性に対応しうる特徴につバック」に基づく閉ループで構成される (図いて説明する。従来のニューロフィードバック1)。このようなリアルタイム脳情報解析により， 訓練手法に基づけば，注意機能の向上を目指す
訓練者は普段目に見えない自身の注意状態を認場合，その注意制御を担う高次脳領野である前識することが可能となり，「注意を向けたつも頭前野や後頭頂連合野における特定の活動パり」ではなく「正しく注意が向けられている状ターンを獲得すべきゴールとして設定すること態」の獲得が実現すると期待される。となる。一方，本ニューロフィードバック訓練

上記提案システムにおいて，注意状態の推定システムでは，そのような直接注意機能を内在に は，定 常 状 態 体 性 感 覚 誘 発 電 位 (Steady-する領野の活動ではなく，“適切に注意が向けState Somatosensory Evoked Potentials : SSSEP)られているかどうかを反映する低次感覚野の活と定常状態視覚誘発電位 (Steady-State Visual動”に着目しフィードバックした。つまり，こEvoked Potentials : SSVEP) と呼ばれる律動的のようなアウトカムに基づく訓練を行うことで，脳波を利用した。これらの脳波は，一定の周波「適切な注意が向けられている状態を作ること数で感覚刺激を呈示した際，その刺激周波数とさえできれば，脳内で獲得される神経活動パ同じ周波数を持つ波が低次感覚野において観察ターンは問わない」というゴールフリーな学習される脳波である。具体的には，機械振動刺激則が成立する。これにより，訓練者の脳機能特を皮膚に提示すれば SSSEP が体性感覚野から性に左右されず，個々人が最も獲得しやすい神観察され，視覚点滅刺激を提示すれば SSVEP経回路がテイラーメードに賦活されることが期が視覚野から観察される。これらの律動的脳波待される。

は，呈示される感覚刺激に対して能動的に注意を向けると応答が強まる特性を持つことから，2．訓練システムの効果実証
前節で説明したニューロフィードバック訓練

ヒトの注意状態を推定するのに有用なものであ

システム構築後，健常若年者を対象として，本システムの効果実証を試みた。本研究においては，SSSEP あるいは SSVEP を利用して訓練を行うこととしている。この際，どちらの律動的脳波を用いて訓練を行うかについては，訓練対象とする注意機能の種類に応じて切り替えるものとした。具体的には，自身の身体の一部へ注意を向ける“身体性注意”の訓練を目的とする
際には，SSSEP を利用し，一方で外部空間へ注意を向ける“空間的注意”の訓練を目的とす
図1

訓練システム構成

る際には SSVEP を利用した。
― 2 ―Tateisi Science and Technology Foundation

維持された。その一方で，注意を向ける必要の〈SSSEP に基づく身体性注意訓練〉
ニューロフィードバック訓練は 8 日間行われない右手に呈示された機械振動刺激によって誘た。訓練中，訓練者の左手および右手にそれぞ発される左体性感覚野での SSSEP (25 Hz) は，れ 22 Hz・25 Hz の機械振動刺激を提示した上訓練最終日にかけて大きく減弱した。つまり，で，左手に注意を向ける指示を与えた。SSSEP

このような SSSEP 応答の変化から，Real 群にに対するリアルタイム解析の結果，左手に注意割り当てられた参加者は望ましい注意状態を反が強く向けられていると推定された場合には，映する脳活動が獲得できたといえる。Sham 群

訓練者の左側に置かれたスピーカーからの音量においてはこのような望ましい脳活動変化は認が大きくなるものとした。逆に，指示されていめられなかった。

ない右側へ注意が向いてしまったと推定された

つづいて，上記のような脳活動の変化に伴っ場合には，右側に置かれたスピーカーからの音て，実際に身体性注意機能が向上したことを確量が大きくなった。ただし，訓練参加者は，自認するため，Hand-choice 課題を実施した。本身の脳活動に基づいて推定された注意状態が課題はニューロフィードバック訓練の前後におフィードバックされる Real 群と，事前に計測いて実施し，そのパフォーマンスを比較した。

した他人の脳活動に基づいて推定された注意状

Hand-choice 課題では，訓練者を中心に様々な態がダミーとしてフィードバックされる Sham方向にターゲットを提示し，そのターゲットに群にランダムに割り当てられた。

対して左手または右手のどちらを使うか判断し訓練中において計測された脳波に対して周波た う え で リ ー チ ン グ す る こ と を 要 求 し た。

数解析を行った結果，多くの訓練者において体ニューロフィードバック訓練により左手への注性感覚野 (S1) での SSSEP 応答の増幅が確認

意が強くなっていた場合，左手を利用してリーさ れ た。図 2 は 訓 練 初 日 と 最 終 日 に お け る

チングするターゲット領域が広がることが期待

SSSEP 応答変化の典型例である (上段：Realされた。結果，当初の期待通り，Real 群にお群・下段：Sham 群)。提示された機械振動刺いてのみ左手でリーチングを遂行する判断をし激は反対側体性感覚野での SSSEP を誘発する。

た領域が広がることが確認された (図 3)。

Real 群においては，注意を向けることが指示以上の結果より，SSSEP を用いたニューロ

された左手への機械振動刺激によって誘発されフィードバック訓練は体性感覚野の応答を変調る右体性感覚野 SSSEP 応答 (22 Hz) が，強くさせ，それに伴って身体性注意機能の向上に寄与する可能性が示された。

(Pre：訓練前，Post：訓練後)

図2

ニューロフィードバック訓練中における SSSEP応答の変化

図3

― 3 ―

Hand-choice 課題において左手を利用する領域の広さ

立石科学技術振興財団〈SSVEP に基づく空間的注意訓練〉
ニューロフィードバック訓練のプロトコルはSSSEP に基づくものと同一とした。訓練者の正面にはディスプレイが置かれ，左視野および右視野にそれぞれ 14.4 Hz・12 Hz の点滅刺激を呈示したうえで，左視野に注意を向ける指示を与えた。SSVEP 応答を周波数解析により定量化し，注意が強く向いていると推定された視野側のスピーカー音量が大きくなるものとした。

図5

訓 練 の 結 果，視 覚 野 (V1) で の 望 ま し い

線分二等分課題において訓練者が回答した中点位置の変化量

SSVEP 変調が Real 群において確認された。具
体的には，注意を向けることが指示された左視左方向へ回答位置がずれたことを意味し，逆に野 で の 視 覚 刺 激 に 誘 発 さ れ た 14.4 Hz の正値は右方向へ回答位置がずれたことを意味し

SSVEP 応答が増幅した。このような応答変化ている。この図に示す通り，Real 群においては Real 群においてのみ確認された (図 4)。

のみ左方向へ中点回答位置がずれる傾向を示し

つ づ い て，上 記 の よ う な SSVEP の 変 調 に伴って，実際に空間的注意機能が向上したことた。Sham 群においてはこのような訓練前後における大きな変化は認められなかった。

を確認するため，線分二等分課題を実施した。

以上の結果より，SSVEP を用いたニューロ

本課題はニューロフィードバック訓練の前後にフィードバック訓練においても視覚野の応答をおいて実施し，そのパフォーマンスを比較した。

変調させ，それに伴って空間的注意機能の向上

この課題では，訓練者の正面に一本の水平な線に寄与する可能性があることが確認された。

分を提示し，その線分の中点と認識される場所を回答してもらうものであり，外部空間におけ[今後の研究の方向，課題]る注意の偏りを評価するのに用いられることが多い。具体的には，注意が強く向けられている

本研究により，低次感覚野応答に着目した空間方向へ中点の位置がずれることとなる。図ニューロフィードバック訓練系が構築され，5 は訓練前後で比較した中点回答位置の変化量

SSSEP および SSVEP を用いてそれぞれ身体性を示している。負値は訓練前に対して訓練後に注意・空間的注意の異なる注意機能向上が可能である結果を得た。今後はより効率的に訓練効果が得られるよう，訓練内容を最適化していく必要がある。例えば，訓練者の負担軽減のためには，訓練日数をできる限り少なくすることが望ましい。本研究においては 8 日間の訓練日数を設定したが，何日目において訓練効果が得られるのか，より細かい解析を実施していくことで必要最低限の訓練日数を見積もることができる。
また，本ニューロフィードバック訓練により，

図4

図 3 ニューロフィードバック訓練中におけるSSVEP 応答の変化

注意機能を直接担う前頭前野・後頭頂連合野の活動パターンがどのように最適化されたか，さ― 4 ―Tateisi Science and Technology Foundation

らにはその活動パターンの多様性を確かめていく必要がある。

[成果の発表，論文等]
検討中

最後に，本研究期間においては新型コロナウ
イルス感染拡大の影響により，ヒトを対象としたデータ計測が長期間に渡り難しい状況が続いた。以上を踏まえ，今後も継続して実験を進めていく予定である。

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