脳研究の社会還元への道ーブレインマシンインタフェース

を中心に

ＡＴＲ脳情報通信総合研究所・所長

川人光男

資 料 １

システム神経科学（ＢＭＩ）の

３つの社会還元

• 医療と福祉への応用

• イノベーション

• 脳科学の革新的手法

読売新聞 １月８日の１７面

1

ＢＭＩ研究：２つの貢献

→医療福祉

• 脳外科領域：低侵襲ＢＭＩ、脳深部刺激

• リハビリテーション領域：非侵襲、高精度、高機能

• 眼科、精神科領域、神経内科：人工網膜、ニューロフィードバック

→イノベーション： インタフェース、ロボット操作、マーケティング、各種訓練、アミューズメントなど民生応用

→医療福祉

• 脳外科領域：低侵襲ＢＭＩ、脳深部刺激

• リハビリテーション領域：非侵襲、高精度、高機能

• 眼科、精神科領域、神経内科：人工網膜、ニューロフィードバック

→イノベーション： インタフェース、ロボット操作、マーケティング、各種訓練、アミューズメントなど民生応用

→操作性ニューロフィードバック、神経符号の制御・新規治療法の開発

→定量性予測、デコーディング

→大規模性データベース、インフォマティクス

・１回性の脳科学（気づき、創造性）

→操作性ニューロフィードバック、神経符号の制御・新規治療法の開発

→定量性予測、デコーディング

→大規模性データベース、インフォマティクス

・１回性の脳科学（気づき、創造性）

社会への貢献総合的人間科学の構築

（脳機能の理解）

2

自動車と脳：機械・化学・電気

機械化学

電気

電気自動車

機械化学電気

現代の自動車

機械化学電気

昔の自動車機械

解剖学脳外科：腫瘍、てんかん

化学生化学・分子生物学・薬学神経内科、精神科：薬品

電気システム神経科学・計算論従来：ECT, DBS, ECS, TMS, tDCS未來：BMI、ニューロフィードバック

3

ＢＭＩの医療と福祉への応用

• 失われた機能の回復と治療

– 脳深部刺激

– 脳卒中ＢＭＩリハビリテーション

• 失われた機能の代償

– 人工感覚器

– 脳波による家電等の制御

– 運動・コミュニケーション能力の（ＢＭＩやＢＣＩによる）機能代償

• 精神疾患・神経疾患のシステム神経科学的治療

– 中枢性慢性疼痛のfMRIニューロフィードバック治療

– デコーディッドニューロフィードバックに基づく治療4

低侵襲型皮質脳波BMI（阪大脳外、東大工、ATR）１２人

脳プロの成果

手・肘の同時制御 初回の設定を用いて4日後も制御可能

物の把握・把握解除

Yanagisawa T, Hirata M, Saitoh Y, Kishima H, Matsushita K, Goto T, Fukuma R, Yokoi H, Kamitani Y, Yoshimine T: Electrocorticographic control of a prosthetic arm in paralyzed patients. Ann Neurol. doi: 10.1002/ana.22613 (2011).  5

慶応医工連携： ６６歳女性、脳卒中左片麻痺（中大脳動脈梗塞）のケース発症後５年経過。随意的な手指伸展動作は不能。陽極 t‐DCS ＋ BMI神経リハビリテーション (60 min/d, 5 d/wk for 2wks)を施行。

慶応医工連携： ６６歳女性、脳卒中左片麻痺（中大脳動脈梗塞）のケース発症後５年経過。随意的な手指伸展動作は不能。陽極 t‐DCS ＋ BMI神経リハビリテーション (60 min/d, 5 d/wk for 2wks)を施行。

BM

I識別

率（%

）

BMI識別率の経時的改善

Cz-C2

n=27

-7.5 -5 -2.5 0 2.5 5 -7.5

10

20

30

40

50Cz-C2

n=27

-7.5 -5 -2.5 0 2.5 5 -7.5

10

20

30

40

50

0

0

1

1

2

初 回

著明な運動関連脳波および随意筋活動が発現

筋活

動電

位[μ

V]

最 終 回

Shindo K, Kawashima K, Ushiba J, Ota N, Ito M. Ota T, Kimura A, Liu M: Journal of Rehabilitation Medicine, 43, 951‐957 (2011)

４０人

6

5年、10年後のＢＭＩ医療と福祉• 失われた機能の代償

– 人工網膜の実用化（5年後）と高機能化（10年後）

– 100チャンネル埋め込み皮質脳波システムによりコミュニケーション機能代償実用化（5年後）、10000チャンネルシステムにより運動機能代償実用化（10年後）

• 失われた機能の回復と治療

– 脳卒中ＢＭＩリハビリテーション実用化（5年後）

– 機能代償と回復の両用ロボットシステム（10年後）

– 認知機能の回復と治療の足がかり（10年後）

• 精神疾患・神経疾患のＢＭＩ的治療

– 中枢性慢性疼痛のデコーディッドニューロフィードバック治療開始（5年後）

– 精神疾患のデコーディッドニューロフィードバック治療開始（10年後）

7

日本が強みとできるイノベーション

• リハビリテーションＢＭＩシステム

• 脳活動計測装置・脳活動推定技術

• 完全埋め込み機能代償型ＢＭＩシステム

• 民生応用（例：応用脳科学コンソーシアム）

– ヒューマンマシンインタフェース（含む脳波トイ）

– 各種トレーニング

– ニューロマーケティング

– ロボット操作

• 次世代デコーディング技術

2012年1月15日 日本経済新聞

8

NIRSとEEGを組み合わせた高精度可搬型シ

ステムと携帯型システム（島津製作所）

２００点以上の測定チャンネル従来装置の４倍、世界最高

高精度可搬型NIRS-EEGシステム

携帯型NIRS-EEGシステム

BMIリハビリでの実使用簡単測定、経時変化追跡

装置本体と高密度プローブの試作

最適化携帯型プローブ

携帯型本体ユニット

9

19.4m

m

28.5mm128ch 集積化アンプ

皮質脳波ワイヤレス完全埋込装置

ワイヤレス通信

３次元高密度脳表電極(国内特許出願、米国特許取得）

頭蓋骨にフィットする頭部ケーシング(日米特許出願）

非接触充電電源

フッ素ポリマー腹部ケーシング

装置概観

埋込時イメージモデル

Hirata M, Matsushita K, Suzuki T, Yoshida T, Sato F, Morris S, Yanagisawa T, Goto T, Kawato M, Yoshimine T:  A fully‐implantable wireless system for human brain‐machine interfaces using brain surface electrodes: w‐herbs. IEICE Transactions on Electronics, 94(B), 2448‐2453 (2011)

自由行動下での皮質脳波無線記録に成功ー１回性の現象（創造性）の研究が可能に

10

ロボットの自律制御技術を基盤とした機能代償から機能回復へのシームレスなアシスト制御の実現．

機能代償

機能回復

全体重支持性能をいかした機能代償（アクティブ義足）への応用も可能．

ＢＭＩ制御外骨格ロボット

iPS細胞の脊髄注入等

との組み合わせ

11

5年、10年後のイノベーション

• さまざまな民生応用の実用化（5年）

• 携帯型で、超高機能な非侵襲脳活動計測装置、ミリ秒、ミリメートルの時空間精度（5年）

• 皮質脳波の完全埋め込みシステムによる機能代償型ＢＭＩの実用システム完成（5年）

• リハビリテーションＢＭＩ実用システム完成（5年）

• 次世代デコーディング技術（テーラーメイドＢＭＩ，脳モデルベース、データベース駆動ＢＭＩ，自発脳活動、イメージなどなど）（5から10年）

12

デコーディッドニューロフィードバックの仕組み

デコーダーによる脳情報の解読

被験者が目標とする脳活動パターンを生成できるように誘導

フィードバックターゲット部位

目標パターン

‐ 視覚‐ 聴覚‐ 報酬‐ 脳刺激 etc 

• 脳活動パターンを目標の状態に誘導する• 目標パターンを誘起/繰り返すことで認知/行動/学習を起こす• 神経符号（脳）から行動（心）への因果性の研究

Shibata K, Watanabe T, Sasaki Y, Kawato M: Perceptual learning incepted by decoded fMRI neurofeedback without stimulus presentation. Science, 334 1413‐1415 (2011) 13

DecNefの超解像度

• ある領野が重要な情報を表現し、自発脳活動がそれを反映した低自由度である限り、DecNefで、

超解像度で脳活動制御が行える

• デコーディングの超解像度(Kamitani & Tong)

• 自発脳活動は、単なる無相関のノイズではなく、皮質内結合、経験、に基づくダイナミクスの現れで、ベイズ推定の先見知識に対応

• 従って自発脳活動は低自由度の多様体

• 従って強化学習の次元の呪いから逃れる

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(1) 相関 (fMRI, 神経細胞活動)

(2) 破壊実験 (患者、薬物、電気、TMS､経路選択的破壊)

物理的もしくは心的変数（ある仮説）

機能の破壊もしくは低下

(3) DecNef

デコーダーデコーダー

解読した脳情報

解読した脳情報

刺激、報酬、電気、磁気、光

ある特定の神経符号を誘起することで、特定の認知・行動・学習を､結果として、生じさせる

局所的破壊

• 高々必要条件• 神経符号は調べられない

∝

Kawato M: From “understanding the brain by creating the brain” toward manipulative neuroscience.  Philosophical Transactions of the Royal Society B,  363, 2201‐2214 (2008)

システム神経科学の方法：相関 対 因果関係

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ＢＭＩはシステム神経科学をどのように変革するか

システム神経科学システム神経科学

操作性

神経符号の時空間パターンを実験的に操作

因果律、新治療法

操作性

神経符号の時空間パターンを実験的に操作

因果律、新治療法

大規模性

多次元のデータを長時間計測可

能：ニューロインフォマティクスの

必要性

１回性の現象（気づき､創造性）

大規模性

多次元のデータを長時間計測可

能：ニューロインフォマティクスの

必要性

１回性の現象（気づき､創造性）

定量性

脳活動や行動を定量的に予測

病態の予測など

定量性

脳活動や行動を定量的に予測

病態の予測など

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脳プロ課題Aで開発された核となる技術とその応用および課題間連携

*ヒューマンインタフェース*ニューロマーケティング*ニューロマーケティング*ロボット制御*脳-脳コミュニケーション*各種訓練*アミューズメント

*長時間・日常計測*発達の観測*一回性の現象*高精度脳ダイナミクス*因果関係の証明

*広い範囲のリハ*発達性障害*正確な診断*高機能・認知リハ*精神・神経疾患の治療*神経経済学

*ヒトでの精密な研究*定量性・予測性*因果関係の証明*超大規模データの取得D

FF C, D, E, F, G

C, D, F

C, E, G

FD

非侵襲高精度脳活動推定法(VBMEG等)

非侵襲高精度脳活動推定法(VBMEG等)

高性能デコーディング

技術

高性能デコーディング

技術

デコーディッドニューロフィードバック技術

デコーディッドニューロフィードバック技術

侵襲‐低侵襲完

全埋め込み型脳活動記録・刺激システム

侵襲‐低侵襲完

全埋め込み型脳活動記録・刺激システム

民生応用民生応用 認知科学・心理学認知科学・心理学 医療医療 神経科学神経科学

携帯無線NRS‐EEG計測装置

携帯無線NRS‐EEG計測装置

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