【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、脳機能計測システムに関し、特に、刺激を与えることにより観測される神経活動を計測する脳機能計測システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、生物学的アプローチにより脳のメカニズムを解明する研究が行われている。 たとえば、
「情動をつかさどる脳」（池本圭子，“わかる脳と神経”pp．29-37，羊土社）では、化学物質と情動との関連が述べられている。

【０００３】ところで、刺激によって生じる脳の現象（情動、認知、記憶等）を定量的に評価するためには、
人に刺激を提示して、刺激に関連した脳の機能を高い時空間分解能で直接計測することが必要である。

【０００４】従来は、このような脳活動を計測するために、計測者それぞれが個別に刺激を用意し、計測手段として、中枢神経系の影響を受けて変化する血圧、心拍などを計測する生理指標、脳活動によって生じる頭皮上の電位差を計測する脳波、脳活動によって変化する局所的な脳血流量や神経伝達物質の代謝量の変化を計測するＰ
ＥＴ（positron emission tomography：陽子射出断層撮影法）、ｆＭＲＩ（ＭＲＩ：magnetic resonance imagi
ng：核磁気共鳴像）等を使用していた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の手法によると、計測者がそれぞれ個別に刺激を使用するため、各計測間で結果を比較することが困難であった。

【０００６】また、上述した計測手段のそれぞれに関しては、以下に示す問題点がある。 まず、血圧などの生理指標は、脳活動を間接的に反映しているので、情動等を司る機能を精確に計測することはできない。 また、脳波は、脳活動を直接計測できるが、頭部を構成する組織の電気伝導率が各組織によって異なるので脳内の活動部位の情報が歪められ、かつ活動している脳内部位を数ｍｍ
のオーダで精確に特定することは困難である。 さらに、
ＰＥＴまたはｆＭＲＩは、神経活動による局所的な脳内の血流量の変化や神経伝達物質の代謝量の変化を測定するために使用されるが、血管系の時定数が数百ミリ秒から数秒であることから、ミリ秒単位で活動する脳内部位を特定することはできてもそれらの時系列的な活動を特定することはできない。

【０００７】そこで、本発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、その目的は、高い時空間分解能で脳活動を定量的に計測することができる脳機能計測システムを提供することにある。

【０００８】また、本発明のさらなる目的は、脳活動を定量的に解析することにより、情動の発現、認知過程を判定することができる脳機能計測システムを提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明による脳機能計測システムは、刺激を呈示するための刺激呈示手段と、
刺激呈示手段により与えられる刺激を受ける被験者の脳の神経活動によって生じる脳磁界を計測する計測手段と、計測手段から出力される磁界データに基づき、神経活動の広がりを解析するデータ処理手段とを備える。

【００１０】好ましくは、刺激呈示手段は、被験者に対して情動を発現させる標準化された刺激を呈示し、データ処理手段は、磁気データに基づき、神経活動の広がりを示す電流密度分布を算出する算出手段と、電流密度分布に基づき、被験者の感じる情動を判定する判定手段とを含む。 または、刺激呈示手段は、被験者に対して情動を発現させる標準化された刺激を呈示し、データ処理手段は、磁気データに基づき、神経活動の有無を示す電流双極子の分布を算出する算出と、電流双極子の分布に基づき、被験者の感じる情動を判定する判定手段とを含む。 そして、好ましくは、情動の一種である快・不快を判定する。

【００１１】好ましくは、刺激呈示手段は、被験者に対して認知過程を生じさせる標準化された刺激を呈示し、
データ処理手段は、磁気データに基づき、神経活動の広がりを示す電流密度分布を算出する算出手段と、電流密度分布に基づき、被験者の刺激に対する認知過程を判定する判定手段とを含む。 または、刺激呈示手段は、被験者に対して認知過程を生じさせる標準化された刺激を呈示し、データ処理手段は、磁気データに基づき、神経活動の有無を示す電流双極子の分布を算出する算出手段と、電流双極子の分布に基づき、被験者の刺激に対する認知過程を判定する判定手段とを含む。

【００１２】そして、好ましくは、判定手段は、電流密度分布と予め撮影された被験者の脳断層像とに基づき、
判定を実行する。 または、電流双極子の分布と予め撮影された被験者の脳断層像とに基づき、判定を実行する。
好ましくは、刺激呈示手段は、外部からの指定により、
刺激を繰返し呈示する。

【００１３】したがって、上述した脳機能計測システムによると、刺激により生じる脳磁界を高い時空間分解能で計測し、これにより神経活動の広がりを解析することができる。 この結果、脳を破損することなく、刺激に対応して反応する脳の機能を精確に、時系列的に特定することができる。 したがって、たとえば、情動、認知を司る脳の機能を解明することが可能となる。

【００１４】特に、神経活動の広がりを示す電流密度分布に基づき、刺激による情動の発現や、認知過程を精確に判定することが可能となる。 または、神経活動の有無を示す電流双極子の分布に応じて、刺激による情動の発現や、認知過程を精確に判定することが可能となる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図を参照して説明する。 なお、図中同一または相当部分には、同一符号を付してその説明を繰返さない。

【００１６】本発明の実施の形態による脳機能計測システムについて、図１を用いて説明する。 図１は、本発明の実施の形態による脳機能計測システムの概要を示す図である。 図１に示す脳機能計測システムは、標準化された刺激を呈示する刺激呈示装置１０、被験者１の脳の神経活動により生じる磁界（脳磁界）を計測する磁気計測装置２０、磁気計測装置２０から出力される磁界データを解析するデータ処理装置３０、およびデータ処理装置３０での解析により得られる解析データを表示するデータ表示装置４０を備える。 以下の説明では、情動の１つである快・不快を代表例として説明する。

【００１７】刺激呈示装置１０により、快・不快に関した刺激が呈示されると、被験者１の脳内では当該快・不快に関連した神経活動が生じる。 神経細胞が活動する時、細胞内に電流が流れ、細胞の周りに磁界が生じる。
したがって、快・不快刺激によって、快・不快に関連した神経活動による脳磁界が発生する。

【００１８】快・不快刺激に関連した脳磁界は、磁気計測装置２０により計測される。 神経の電気的な活動は脳磁界に反映されるので、磁気計測装置２０により、ミリ秒単位で変化する快・不快に関連した神経活動を計測する。

【００１９】頭部を構成する組織の透磁率はほぼ一定でありかつ空気とほぼ同じ値であるため、脳磁界は、脳波のように頭部組織の性質や形状による影響は受けない。
したがって、脳磁界を計測することにより、より高い空間分解能で快・不快に関連した脳内の活動を求めることが可能となる。

【００２０】磁気計測装置２０は、刺激呈示装置１０の出力する刺激の呈示時間をトリガとして、脳磁界を計測する。 したがって、刺激が呈示されているときの脳磁界と呈示されていないときの脳磁界の区別が可能となる。
これにより、刺激と脳磁界とを関連付けることが可能となる。

【００２１】データ処理装置３０は、計測により得られた磁界データを解析し、快・不快を判定する。 より具体的には、快・不快に関連した脳磁界データから、脳の神経活動の広がりを求める。 これにより、快・不快に関連した脳内部位の活動を求めることが可能となる。 そして、特定の部位（快・不快に関連した部位）が、快または不快に特徴的な活動を示したか否かにより被験者１が感じている快または不快を判定する。

【００２２】解析結果は、データ表示装置４０によって表示される。 これにより、被験者１が感じている快・不快に関連した脳内部位の活動を容易に観測することが可能となる。

【００２３】図１に示す脳機能計測システムの具体例について、図２を用いて説明する。 図２は、本発明の実施の形態による視覚刺激を呈示する脳機能計測システム１
０００の構成例を示す図である。 図２に示す脳機能計測システム１０００は、視覚的に快・不快刺激を呈示し、
視覚刺激により生じる被験者１の脳磁界を計測することにより被験者１が感じる快・不快を判定する。

【００２４】刺激呈示装置１０は、視覚刺激を呈示するためのコンピュータ１２、刺激を表示するスクリーン１
４、およびコンピュータ１２から出力される刺激をスクリーン１４に表示するためのプロジェクタ１６を含む。

【００２５】コンピュータ１２は、標準化された刺激（たとえば、心理学的なアプローチにより確立された標準化された快・不快の刺激）を出力する。 コンピュータ１２は、外部からの指示により標準化された刺激を生成する。 あるいは、コンピュータ１２は、標準化された刺激を蓄積するデータベースを含み、当該データベースから指定した刺激を読出して出力する。

【００２６】刺激呈示装置１０により、快・不快の視覚刺激がスクリーン１４を介して、被験者１に呈示される。 コンピュータ１２に対する設定により、刺激は、所定回数、繰返し呈示することが可能である。 なお、コンピュータ１２は、刺激の出力とともにトリガ（刺激呈示時間）を出力する。

【００２７】磁気計測装置２０は、刺激を呈示したときに被験者の脳の神経活動により生じる磁界を計測するＳ
ＱＵＩＤ磁束計２２（ＳＱＵＩＤ：superconducting qu
antum interference device）と、ＳＱＵＩＤ磁束計２
２から出力される磁界データを受けるデータ収集装置２
４とを含む。

【００２８】ＳＱＵＩＤ磁束計２２は、超伝導体をジョゼフソン結合することにより形成されるリング（図示せず）を含み、当該リングを貫く磁界（または磁束）の変化を電圧の変化で捉えることにより微小電流を高感度で計測する。 計測したい信号源から磁界を取出すセンサ（磁界計測機器：図示せず）は、被験者１の頭部に配置する。 データ収集装置２４は、コンピュータ１２から受けるトリガに応答して、ＳＱＵＩＤ磁束計２２から出力される磁界データを収集する。

【００２９】データ処理装置３０は、コンピュータ３２
を含む。 コンピュータ３２は、データ収集装置２４から計測データを読出して、解析を行なう。 この際、コンピュータ３２は、被験者１の頭部ＭＲデータ（脳断層像）
を取込む。 脳断層像は、解析したデータと比較して脳内の活動部位を求めるために使用する。

【００３０】コンピュータ３２は、図１１に示されるように電流密度分布算出部３４と判定部３６とを含む。 電流密度分布算出部３４は、データ収集装置２４から読出した計測データに基づき、神経活動の広がりを表わす電流密度分布を算出する。 判定部３６は、算出した電流密度分布と予め撮影した被験者の脳断層像（頭部ＭＲデータ）とに基づき脳の活動部位を求めて、刺激に対する快・不快を判定する。

【００３１】図２を参照して、データ表示装置４０に含まれる表示用のＣＲＴ４２は、データ処理装置３０での解析結果を表示する。 具体的には、脳断層像と解析により得られる電流密度分布（または、後述する電流双極子の分布）とを重ね合わせて表示し、快・不快の判定結果を表示する。

【００３２】図１に示す脳機能計測システム１０００の処理の流れの一例を、図３を用いて説明する。 図３は、
図２に示す脳機能計測システム１０００の処理の流れの一例を説明するためのフローチャートである。 図３を参照して、ステップＳ１において、刺激呈示装置１０により被験者１に、視覚刺激が呈示される。 刺激呈示装置１
０は、刺激の呈示にともない、磁気計測装置２０にトリガである刺激呈示時間を出力する。 視覚刺激の一例としては、図４（Ａ）、図４（Ｂ）に示す画像が呈示される。 なお、図４（Ａ）は、快刺激に、図４（Ｂ）は、不快刺激にそれぞれ対応している。

【００３３】図３のステップＳ１を参照して、磁気計測装置２０は、刺激呈示装置１０の出力するトリガ（刺激呈示時間）を受けて、被験者１の脳磁界を計測し、磁界データを収集する。

【００３４】ステップＳ２では、被験者の脳断層像（頭部ＭＲ画像）を撮影する。 ステップＳ１およびＳ２が終了するとステップＳ３に移る。 ステップＳ３では、データ処理装置３０により、快・不快に関連した脳磁界データの解析を行う。 図５は、頭部に配置された６４個のセンサのそれぞれにより得られた脳磁界波形の一例を示す図である。 図５において、時刻０は、視覚刺激を呈示した時刻を示している。 時刻０での刺激呈示後、６４個のセンサのうちの複数のセンサにおいて、脳磁界波形のピークが見られる。 図６は、図５における所定時刻での頭皮上の脳磁界分布を表わした図である。 図６では、頭頂部を中心に、磁界の強度を等高線で表わしている。 刺激呈示により生じる脳の神経活動により、脳内に磁界分布が発生することが分かる。

【００３５】図３のステップＳ３を参照して、このようにして得られた計測データ（磁界データ）を解析して脳内の活動部位を求めることにより、快・不快に関連した部位の活動データが得られる。 活動部位を求めるにあたり、電流密度分布算出部３４において、脳内に広がった神経活動を表現する指標となる電流密度分布を求める。
電流密度分布の算出処理により、電流密度分布の位置と電流密度分布の大きさとが得られる。

【００３６】図７は、ある時刻での電流密度分布を求めるための処理の流れを示すフローチャートである。 図７
を参照して、ステップＳ１０では、電流密度分布を求める範囲を設定する。 たとえば、脳全体を指定する。 ステップＳ１１では、設定範囲内の任意の位置（対象位置と記す）にのみ電流が存在すると仮定する（対象位置以外の位置には電流は存在しないとする）。 ステップＳ１２
では、計測データから空間フィルタ係数を算出する。 ステップＳ１３では、算出した空間フィルタ係数から対象位置での電流密度分布を求める。 ステップＳ１４では、
設定した全範囲で電流密度分布を求めたか否かを判定する。 設定範囲でまだ対象となっていない位置がある場合には、ステップＳ１１に移り、上述した処理を行なう。
設定した全範囲について電流密度分布が求まった時点で処理が終了する。

【００３７】なお、電流密度分布の算出は、上記した方法に限定されない。 たとえば、磁界の計測位置と電流の流れる方向とを表わす電流双極子を用いる方法もある。
電流双極子に基づき電流密度分布を求める処理の流れを図８を用いて説明する。 ステップＳ２０では、求める電流双極子の数を設定する。 ステップＳ２１では、電流双極子の算定を行なうための空間を設定する。 この際、当該空間は被験者１の脳を含むものとし、当該空間内にのみ電流が存在すると仮定する（当該空間以外には電流が存在しないとする）。 ステップＳ２２では、計測データから電流双極子を算定する。 ステップＳ２３では、設定した空間を任意の大きさで分割する。 これにより、電流密度分布を求める対象となる複数の領域（Ｖｏｘｅｌ）
が設定される。 ステップＳ２４では、各領域Ｖｏｘｅｌ
内にある電流双極子の総和を算出し、これを領域Ｖｏｘ
ｅｌの大きさで規格する。 この結果、各領域における電流密度分布が算出されることになる。

【００３８】なお、コンピュータ３２の構成は、図１１
に示されるものに限らず、図１２に示す構成であってもよい。 図１２に示されるコンピュータ３２は、電流双極子分布算出部３８と判定部３６とを含む。 電流双極子分布算出部３８は、データ収集装置２４から読出した計測データに基づき、神経活動の有無を示す電流双極子を算定し、電流双極子の分布を算出する。 図１２に示す判定部３６は、算出した電流双極子の分布と予め撮影した被験者の脳断層像（頭部ＭＲデータ）とに基づき脳の活動部位を求めて、刺激に対する快・不快を判定する。 たとえば、電流双極子の分布する領域は、活動部位であるとする。

【００３９】電流密度分布（または、電流双極子の分布）の算出の後、図１１（または図１２）に示される判定部３６は、電流密度分布（または、電流双極子の分布）を被験者の脳断層像に重ね合わせることにより、脳内の活動位置を求める。

【００４０】脳断層像との重ね合わせにより、たとえば図９に示すように、快・不快に関連した脳内部位（帯状回）における電流密度分布Ｒ１、Ｒ２を得ることができる。 または、図９に示すように、電流双極子Ｂの分布Ｒ
３を得ることができる。 なお、電流双極子Ｂは、電流の流れる方向を示す矢印で表わされている。

【００４１】こうして、どの部位（位置に対応）においてどの程度の活動（電流密度分布の大きさや電流双極子の分布状態に対応）が行なわれているかが精確に時系列的に解析されることになる。

【００４２】図３を参照して、ステップＳ４では、ステップＳ３で得られた解析データに基づき、被験者１が感じる快・不快の判定が行なわれる。 判定手法としては、
脳内の特定部位（たとえば、帯状回）での電流密度分布の大きさが所定値以上であるか否かを調べ、当該所定値以上であれば“快”と判定する。 または、当該システムに蓄積される快（または不快）の状態における電流密度分布を雛形として、これと同様の特徴的な分布を示した場合には快（または不快）と判定する。 なお、時系列的な電流密度分布の変化を考慮に入れることも可能である。

【００４３】また、電流双極子の分布により判定する場合には、たとえば、脳内の特定部位に電流双極子の分布が存在するか否か、または、当該特定部位に分布する電流双極子の数が所定値以上であるか否かを調べ、当該所定値以上であれば“快”と判定する。 または、当該システムに蓄積される快（または不快）の状態における電流双極子の分布を雛形として、これと同様の特徴的な分布を示した場合には快（または不快）と判定する。

【００４４】ステップＳ５では、解析結果をＣＲＴ４２
に表示する。 具体的には、ステップＳ３で求めた電流密度分布（または、電流双極子の分布）を被験者１の脳断層像上に表示し、またステップＳ４における快・不快の判定を表示する。

【００４５】脳断層像と電流密度分布とを重ね合わせた画像の一例を図１０を用いて説明する。 図１０では、脳断層像上に、記号Ａで囲まれた領域（領域Ａと記す）内の電流密度分布が濃淡で表示されている。 領域Ａ内の各部位において、濃淡が薄い（表示色が白い）ほど、電流密度分布が高い部位（高い活動部位）であることを示している。 なお、図１０においては、参考のため、従来型の電流双極子Ｂを併せて表示している。 電流双極子Ｂ
は、電界を計測した部位を示す丸印の部分と当該部分から電流の流れる方向に引かれる線の部分とで構成される。

【００４６】図１０に示されるように、局所的な電流双極子と比較して、電流密度分布を用いることにより２次元での神経活動の広がりが明らかになる。 したがって、
刺激に関連する脳の機能が精確に解析されることになる。 また、このような画像をＣＲＴ４２に表示することにより、ユーザは、神経活動の広がりを容易に観測できることが分かる。

【００４７】図示しないが、電流双極子の分布を用いた場合であっても、図１０に示す電流双極子に比べて、２
次元での神経活動の広がりが明らかになる。

【００４８】このように、本発明による脳機能計測システムによると、標準化された快・不快の刺激により生じる脳磁界を定量的に高い時空間分解能で計測でき、さらに計測結果に基づき脳の神経活動の広がりを解析することにより、快・不快を判定することが可能となる。 また、脳断層像に電流密度分布または電流双極子の分布を重ねて表示することで、被験者の脳内部位の活動を容易に観測することが可能となる。

【００４９】なお、本システムは、刺激に対して起こり得る情動（喜怒哀楽、快・不快）や、認知を司る脳の機能の解析に適用できる。 認知を司る機能を解析する際には、認知を行なわせる刺激を呈示する。 この場合、刺激により生じる脳磁界に基づき電流密度分布を算出することより、認知の過程が判定される。

【００５０】今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。 本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【００５１】

【発明の効果】以上のように、本発明に係る脳機能計測システムによれば、標準化された刺激を呈示する機能を有するため、各計測における結果を精確に比較することができる。

【００５２】また、本発明に係る脳機能計測システムによれば、刺激によって生じる脳磁界を高い時空間分解能で計測することができる。 したがって、たとえば、情動を司る機能、認知を司る機能を精確に解明することが可能となる。

【００５３】また、本発明に係る脳機能計測システムによれば、刺激により生じる脳磁界に基づき算出した電流密度分布または電流双極子の分布により、被験者の感じる情動の発現や認知の過程を判定することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態による脳機能計測システムの概要を示す図である。

【図２】 本発明の実施の形態による視覚刺激を呈示する脳機能計測システム１０００の構成例を示す図である。

【図３】 図２に示す脳機能計測システム１０００の処理の流れを説明するためのフローチャートである。

【図４】 スクリーン１４に表示した視覚刺激の画像の一例について説明するための図である。

【図５】 頭部に配置された６４個のセンサのそれぞれにより得られた脳磁界波形の一例を示す図である。

【図６】 図５における所定時刻での頭皮上の脳磁界分布を表わした図である。

【図７】 電流密度分布を求めるための処理の概要を示すフローチャートである。

【図８】 電流双極子に基づき電流密度分布を求める処理の概要を示すフローチャートである。

【図９】 電流密度分布について説明するための図である。

【図１０】 電流密度分布および電流双極子を脳断層像上に重ねた画像の一例について説明するための図である。

【図１１】 コンピュータ３２の内部構成の一例について説明するための図である。

【図１２】 コンピュータ３２の内部構成の他の一例について説明するための図である。

【符号の説明】

１０ 刺激呈示装置、１２，３２ コンピュータ、１４
スクリーン、１６プロジェクタ、２０ 磁気計測装置、２２ ＳＱＵＩＤ磁束計、２４ データ収集装置、
３０ データ処理装置、３４ 電流密度分布算出部、３
６ 判定部、３８ 電流双極子分布算出部、４０ データ表示装置、４２ ＣＲＴ、１０００脳機能計測システム。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田村 逸朗 大阪市中央区平野町４丁目１番２号 株式 会社関西新技術研究所内 Ｆターム(参考） 4C027 AA10 BB05 DD01 GG15 HH03 HH13 KK03