特集JVRSJ Vol.9 No.3 September, 2004

匂いと VR

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匂いの脳内情報処理
ー匂いの VR 技術に向けてー
外池光雄
産業技術総合研究所

2．匂いの VR 技術の課題とは？

1．はじめにバーチャルリアリティ (VR) は，現在，視聴覚を中心

匂いのバーチャルリアリティ技術を大別すると，匂いに幅広い分野で研究が進められており，またそれらを応刺激を実験対象者に実際に提示した時に起こる生体側の用した技術開発が種々の分野に展開されている．実際，反応，つまり，我々の鼻で匂いを嗅いで受容する受容変

視覚や聴覚の世界においては，3D 画像や，立体的な音換機構の問題と，匂いを大脳で知覚・認知して，「これはを現在の情報通信システムに載せて遠隔伝送できるし，○○の匂いだ」と認識する脳内情報処理の問題とがある．

また送られてきた伝送情報から，元の画像や音声を極め

ここでは，匂いが脳内でどのように情報処理されているかという脳の中枢情報処理について検討する．て正確に，リアルタイムに再現することも可能となっている．他の感覚系においても，最近では，例えば触覚などの体性感覚に対するバーチャルリアリティ技術が研究

匂い刺激物質されてきており，ロボットの手が物を握った時の圧力，接触，把持の状況を VR 情報に取り込み，例えば手術ロ嗅覚受容ボットへ適用するなどの研究技術開発が行われている．
しかしながら，感覚系の中で嗅覚や味覚の感覚につい匂いの神経ネットワークては，これまで，バーチャルリアリティへの試みがあまり行われてこなかった．この原因の一つには，匂いや味の刺激の主体が化学物質であるため，このような化学感匂いの中枢部覚については，他の感覚系のように物理的な刺激を制御するようには簡単に取り扱うことができなかったことが

図1

匂いの生体情報処理の図あげられる．この問題は，後に述べるように刺激手法の2.1 匂いの刺激法と刺激装置問題や，センサー開発などの技術的な困難性にも関係しバーチャルリアリティに限らず，一般に匂いの研究，ていたように思われる．

匂いの実験における重要な技術上の課題に，匂いの刺激

本報では，このような状況を踏まえ，匂いの脳内情報方法 ( 呈示方法 )，及び匂い刺激装置の問題がある．

処理に関する研究の現状と匂いの VR 技術開発への展望

これまでに幾つかの匂い刺激法 ( 呈示法 ) が試みられを述べる．

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特集

匂いと VRてきたが，ここでは筆者ら [1] が，主に匂いの脳波 (EEG)，なってきた．このような受容機構研究の発展は，匂い脳磁場 (MEG) 計測の実験に用いるために独自に開発しセンサー開発にも大きな影響を与え，事実，これまでてきた匂い刺激法，及び刺激装置の紹介を行う．には存在しなかった新しい原理に基づく匂いセンサーが，近年，工学的に続々と開発されてくるようになっ(1) 呼吸同期式匂い刺激法と受動的匂い刺激装置：

た．これら新型の匂いセンサーの特徴は，昔のものと違って，生体の匂い受容に極めて近いもの，あるいは中には，一部分において生体の感度以上に高感度なセンサーまでも既に開発されるようになってきたことである．つまり，これら最先端技術に支えられた新しい匂いセンサーの実現は，現実に刺激した種々の匂いを，あたかも動物や人間の鼻が匂いを捉えるように匂いの情報を瞬時に捕らえ，且つ，それらの信号を電気信号に変換して伝送する技術が現実に可能となってきたことを意味するものである．

図2

呼吸同期式匂い刺激法（blast 法）

3．脳神経によって伝達・処理される匂いの情報
3.1 アカゲザルの脳における匂いの中枢部位

これは，呼吸用のマスクを改造し，リップ弁部に呼吸を検出する光ファイバセンサーを取り付けたもので，こ一般に人間が感覚器を介して捉らえた種々の感覚情報れにより被験者の呼吸の吸入期に同期して，匂いパルスは神経を通じて人間の脳に伝達・投影され，脳においてを細いテフロンチューブを用いて鼻腔内に注入刺激する．

知覚・認識されている．もちろん匂いも例外ではなく，嗅覚神経によって匂いの情報が大脳に送られ，匂いの中(2) 匂いスニッフィング法と能動的匂い刺激装置：枢部位において情報処理されていることは間違いない．
図 4 に示すように人間に近いアカゲザルにおける神経生
理学的研究によって匂いの脳内神経路と大脳内における二つの匂い中枢部位が明らかにされたが，人間における匂いの中枢部位の研究は遅れていた．人間の匂いの神経経路や匂いの中枢部位が研究されるようになったのは，ごく最近のことである．
高木ら [2] によって研究された無麻酔のアカゲザルの匂い刺激に応答する脳細胞のユニットレコーディングに

図3

眼窩前頭皮質中央後部(CPOF)

匂いのスニッフィング法（能動的匂い刺激法）

脳梁

これは，マスクにぶら下げて取り付けた匂いボトル容

視床

器内の綿に含ませた匂いを，自分自身の鼻でスニッフィングした時にのみ，1 方向弁を用いて鼻腔内に送って能動的に匂い刺激する．
視床下部
嗅球

2.2 匂いセンサー開発の著しい進展

嗅上皮

匂いが生体に受容される受容変換機構の研究につい

眼窩前頭皮質外側後部(LPOF)ては，本報で倉橋が詳細に述べているように，最近，画期的な進展があった．これによって従来，未知であっ

図4

た匂いの受容機構の全容がいよいよ解明されるように

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アカゲザルの嗅覚神経経路と二つの匂い中枢部位（Takagagi SF より引用、一部改変）

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関する膨大な神経生理学研究によって，嗅球以降の嗅覚カゲザルの生理学実験によって得られている図 4 に示

神経路は視床下部を経由して前頭眼窩外側後部 (LPOF)した応答部位と，極めて良く類似した部位となった．

部位に投射する神経路 ( 図中の破線 ) と，視床の背内側核匂いの知覚機能に関する中枢情報処理，つまり，匂いを経由して前頭眼窩皮質中央後部 (CPOF) 部位に投射すの識別に関する知覚の情報処理機構はこのように明らる神経路 ( 図中の実線 ) の二つの経路が存在することが明かになったが，さらに匂いの認知機能を調べるため，らかとなった．この研究の結果から，サルの大脳前頭葉以下のような実験を行った．の深い部位 ( 眼窩野 ) には，2 箇所に嗅覚中枢が存在する
4.2 匂いの認知に関する脳内の情報処理ことが証明され，LPOF の中枢部位では，匂いの識別処

次に我々は [3]，2 種類の匂い ( 例えば快い匂いと不快理が行われており，一方，CPOF の中枢部位では，匂いな匂いの 2 種類 ) を用いて匂いの認知に関する MEG 実の統合処理が行われている可能性が示唆されている．

験と解析の研究を実施した．これは，一般にオドボール実験課題 (odd ball task) といわれている実験課題である

3.2 脳磁図による人間の脳の匂い中枢部位特定
アカゲザルの脳内の匂い神経路，匂い中枢部位は前述

が，異なる 2 種類の匂い刺激は，被験者にランダム提示のように明らかになったが，人間の脳における嗅覚神経されるが，呈示確率が異なり，稀に刺激される匂い (rare路，及び匂いの中枢部位は，依然，未解明であった．そ刺激 ) と頻繁に刺激される匂い (frequent 刺激 ) とが用いこで，我々は [1]，脳磁図 (magnetoencephalography: MEG)

られる．今回はこの呈示比率は 1:3 とした．

を用いて人間に対する匂いの研究を推進し，図 5 に示す

被験者には稀に来る匂いを target 刺激として注目さように人間の匂いの中枢部位の特定を行った．

せ，その呈示回数の数を数えるように指示した．このようなオドボール実験課題では，一般に認知応答 (cognitive

4．匂いの知覚と認知の脳内情報処理response) として，P300m の事象関連応答が記録されて4.1 匂いの知覚機能に関する脳内の情報処理いる．今回の我々の実験の結果，稀な匂いの target 刺激

人間の匂いの知覚に関する研究では，我々は前述のに注目させることによって，匂いの認知に関わる脳磁界

呼吸同期式匂い刺激法 (blast 法 ) を用いて，匂いを被験応答として P300m の応答を初めて記録することに成功

者の呼吸に同期させて鼻腔内に注入刺激し，その匂いした．この応答部位は，上側頭部，あるいは側頭部深部

知覚応答を脳磁図 (MEG) 計測によって記録し・解析しの島皮質 (insula) 部位周辺に求められ，応答時間は刺激た．その結果，図 5 に示したように，大脳の左右両側後，約 500 ms の潜時で，第 3 番目の応答ピークとしての前頭眼窩野近辺の部位から応答活動が記録され，そ観測された ( 図 6 参照 )．

れらの信号源推定によって，主に刺激鼻腔側と同側の

以 上 の 結 果 は， こ れ ま で， 単 独 の 匂 い 刺激による大脳半球が優位 ( 同側優位 ) ながら，両側に応答が見ら

blast 法の実験の応答で得られていた両側の大脳前頭眼

れ，これらの結果，求められた嗅覚中枢部位は既にア

窩野部に求められた匂い知覚に関する中枢部位と比較し�������

�������
深さ 10mm

深さ 18mm

水平断脳画像約約30mm55mm

耳の穴から匂い刺激と同側

�����

匂い刺激と対側
約10 mm03055mm

約18 mm

耳の穴から耳��������������

図5�
匂い認知応答

垂直断脳画像(488 ms)

匂いの MEG 実験によって求められた人間の嗅覚中枢部位の特定

図615

匂いの MEG オドボール実験によって得られた匂いの認知応答結果

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匂いと VRて，神経活動の場所も，応答潜時も異なっているので，そこで，我々も図 3 のようなスニッフィング法による匂い知覚の応答 ( 約 350 〜 400 ms) 処理が行われた後に，能動的匂い刺激装置を試作して，被験者が自ら能動的に「匂いの知覚」→「匂いの認知」へ処理の移行が行われ，匂いを嗅ぐ実験を行い，この時の応答を MEG で計測す

その後に，引き続いて匂いの認知処理が ( 約 500 ms の期る研究を実施した．

間に ) 実施されたものと推察できる．

我々が行った匂いのスニッフィングによる MEG 実験

これは，匂いの知覚と認知に関する匂いの脳内の情報の結果，図 7 に示すような大きな MEG 応答波形の変化処理機構が初めて客観的に明らかになった実験と解析のが観測された．ところが，無臭空気によるスニッフィ実例 [3] であろう．

ング時にも同様の大きな MEG 応答波形が観測され，且つ，この応答波形変化が，実は既に刺激を行う前から開5．能動的嗅覚実験による匂いの認識応答始されていることが明らかになった．そこでこの大きな次に我々が実施した研究は，図 2 に示したような能動MEG 応答波形を詳細に分析したところ，この応答は被的嗅覚に関する研究である．従来の匂い研究では，動物験者がスニッフィングを行う時の呼吸に伴って出現する実験も含めて，全て受動的な匂い刺激による実験研究が運動準備活動に関する応答であることがわかった．そこほとんどであり，能動的研究の例はまだ極めて少ない．

で，図 7 に示すようにスニッフィングの運動準備活動に我々も，今まで行ってきた人間に関する匂いの実験関わる成分を引き去れば，残った成分が純粋に匂いのス

では，図 1 に示したような呼吸同期式匂い刺激法では，ニッフィングのみによって活性化された匂い応答成分で被験者の呼吸に同期させて，外から強制的に匂いを吹あると考えられる．

き付ける方法 (blast 法 ) を用いていた．他の研究者も手図 7 の sniffing original wave から，無臭空気に対する法は異なっても，ほとんどの匂い刺激は受動的匂い刺スニッフィングで得られた応答の other factor (projection)

激法であった．

を引き去れば，true response(complement) として，匂いこれに対して，Sobel N. ら [4] は，初めて被験者自ら刺激 ( 破線部分 ) 後の応答が，潜時，約 350 〜 400 ms にが匂いを自分の意志で積極的に嗅ぐスニッフィング法

応答ピークが認められた ( 実線部分 )．この解析には主成(sniffing 法 ) を用いる実験を行い，その脳活動の応答

分分析法 (principal com,ponent analysis: PCA) を適用した．

を fMRI を用いた脳血流で計測する実験を行った．こまた，このようにしてスニッフィングによる匂い刺の Sobel N. らの研究結果では，スニッフィング法によっ激で求めた応答の信号源部位の推定を行った結果，3て無臭空気を吸う段階で，既に梨状葉の部位の活動が人の被験者ともに，図 8 に示すように右側の前頭眼窩活性化されるとともに，さらに匂い刺激によって大脳野部にのみ信号源が推定され，明らかに右側優位の応右側の前頭眼窩野部が特に強く活性化された結果を報答結果となった．これは Zatorre ら [7] の PET による結告している [5][6]．

果に類似する．

図7

図8
能動的嗅覚実験の脳応答結果

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スニッフィング法の能動的匂い刺激で得られた右側前頭眼窩野優位応答

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以上のように，スニッフィングに伴う呼吸の運動準備

えて言えばこれまでにも興味ある映画で話題になった活動の成分を除去した匂い応答成分に対する MEG 脳応「Internet」や，「Six senses」，「Matrix」のような世界にお答の部位は，Sobel N. らによる匂いのニッフィングによいてさえもまだ体験されなかったような新しい VR 技術

る fMRI の実験結果と極めて類似する結果となった．

が，近い将来可能になって，私達に極めて有益な精神的以上のように匂いのスニッフィング法による能動的匂世界と，これまでには実現が不可能とさえ思われていた

い刺激の MEG 実験から [1]，右側の前頭眼窩野部が優位

全く新しい分野にも VR 技術の応用が開花する時代が間に活性化される結果を得た．しかし，このようなスニッ近に来ているように思われる．

フィングによる匂い応答の結果が，呼吸同期式 blast 法

本報告が，まだ極めて未熟な段階ながら，今後の匂いなどの受動的匂い応答結果や，オドボール課題によるの VR 技術開発に対して何らかの議論の端緒になれば，匂いの認知活動応答などとは異なっている意味が，今の筆者の存外の喜びである．

ところ明瞭に説明できる状態ではない．恐らく，受動的な匂い刺激による被験者の意識や注意の状態が，スニッ

参考文献

フィングによる能動的匂い刺激時による被験者の意識や[1] Tonoike M & et al.: Proc. of 12th Biomag, pp.288-291 (2000)

注意状態と異なるために，脳の活性化状態，特に右側[2] Takagi FS: “Human Olfaction”, University of Tokyo
Presss (1989)

前頭部の活性化の状態が異なっている可能性が考えられる．これらの可能性とこの実験の追試，解析等について[3] Tonoike M & et al.: Journal Temp.,Design,3,pp.43-53 (2004)

は今後も引き続き研究を実施していく予定である．

[4] Sobel N & et al.: Nature 392, pp.282-286 (1998)[5] Sobel N & et al.: J. Neurophysiol. 83, pp.537-551 (2000)[6] Sobel N & et al.: Chem. Senses, 25,pp.1-8 (2000)

6．匂いの VR 技術開発への展望[7] Zatorre AJ & et al.: Nature 360, pp.339-340 (1992)

最近，VR 関係者の方々の強い問題意識の高揚によって，匂いのバーチャルリアリティへの可能性が，ようやく議論できる状態になってきたことは大変重要なこと【略歴】

であると考えられる．なぜなら，従来，手つかずであっ外池光雄（TONOIKE Mitsuo）

た匂いや味のような化学感覚の VR 技術が付加されるこ

独立行政法人とによって，真に五感の総ての感覚がバーチャルリアリ究部門

ティによって表現される時代に入ってきたことを示すか

1967 年静岡大学文理学部理学科物理学専攻卒業，同年らである．五感の総てが VR によって表現され，遠隔伝通商産業省工業技術院電気試験所入所．1975 年京都大達され，変換・処理されて，また元の状態に再現された

学霊長類研究所神経生理部門招聘研究員，1985 年大阪時，我々が実際如何なる現実感とリアリティの意識を持

大学より工学博士．電子技術総合研究所企画室企画班長，つかについては，恐らく，現在の VR 技術では想像でき研究室長，産業技術総合研究所副研究ラボ長等を経て現なかった世界がそこに実現されることであろう．映画の職．専門は生体医工学．著書『匂いの応用工学』( 朝倉アナロジーでこのことを論ずる気はさらさらないが，例書店 )，『匂いと脳・行動』( ﾌﾚｸﾞﾗﾝｽ・ｼﾞｬｰﾅﾙ社 ) など．

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産業技術総合研究所

くらし情報工学グループ

人間福祉医工学研主任研究員