脳科学研究戦略推進プログラム「ブレイン・マシン・インターフェース（ＢＭＩ）の開発」

のこれまでの成果について

ＡＴＲ脳情報研究所

川人光男

資 料 ４

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

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

→コミュニケーション、ＩＣＴ､脳波トイなど民生応用

→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

→コミュニケーション、ＩＣＴ､脳波トイなど民生応用

→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

人工感覚型BMI• 人工内耳 コクレア社

• 人工視覚 ドーベル研究所

• 人工網膜 Argus II

• 人工前庭器官

人工感覚型BMI• 人工内耳 コクレア社

• 人工視覚 ドーベル研究所

• 人工網膜 Argus II

• 人工前庭器官

脳の感覚・中枢・運動機能を電気的人工回路で補綴・再建・増進

感覚中枢

運動

人工内耳

ブレイン・マシン・インターフェース

3

感覚中枢

運動

脳の奥深くを

電気で刺激：

脳深部刺激

ブレイン・マシン・インターフェース

脳の感覚・中枢・運動機能を電気的人工回路で補綴・再建・増進

4

脳の感覚・中枢・運動機能を電気的人工回路で補綴・再建・増進

感覚 運動

• 半導体多重電極（サイバーキネティクス社米国）

• 皮質脳波電極（脳プロの成果）（阪大脳外、東大工、ATR）

• 脳波と近赤外光の組み合わせ（Honda, ATR, 島津製作所）

ブレイン・マシン・インターフェース

5

大脳皮質内に埋め込まれた電極で神経細胞の活動を計測

侵襲型脳内刺入電極によるブレイン・マシン・インターフェース

©米Cyberkinetics社

米国では２００４年から臨床試験；すでに２０人6

日本の強みを活かした体制

• 欧米に１０年遅れていて意味がないという人もいた

• 日本では低侵襲型、非侵襲デコーディング、非侵襲ニューロフィードバック中心

• 米国では霊長類の生理学研究室が中心

• 日本では計算論的神経科学を中心に臨床、技術開発、基礎をバランス

• 米国では刺入型電極を用いた侵襲型中心

• 欧米では機能代償型

• 日本では機能回復（治療型）中心

7

東大工学部横井

東京

大学

（情

報理

工)

鈴木

大阪

大学

吉峰

非侵

襲BM

Iマ

ルチ

電極

慶應

義塾里

宇

リハビ

リテー

ション皮

質脳

波

義手外骨格ロボット

ATR・川人

動物

実験

デー

タ

ベー

ス

動物

実験

デー

タ

ベース

脳神経倫理学

解読と制御

島津

製作

所

井上

東京大学 佐倉機構

(情)

科学自然

研究 南部

機構科学自然

研究 南部

脳科学研究戦略推進プログラム課題Ａの体制

新潟大学医学部長谷川

東京工業大学小池

脳プロ倫理相談窓口課題Ａ 佐倉課題Ｂ 赤林

赤澤ＰＯ

8

脳磁計

近赤外光計測(NIRS)

fMRI

脳波（EEG)

脳を傷つけない４種類の計測法血流変化に関連高空間分解能

電磁場の変化高時間分解能

大型装置身体固定

高価用途限定

小型携帯自由行動

安価一般用途

© 森之宮病院島津製作所

同時計測

9

モジュラーデコーディングとスパース推定(SMLR)によるfMRIからの視覚像再構成

Miyawaki, Uchida, Yamashita, Sato, Tanabe, Sadato, Kamitani, Neuron, 87, 65‐73 (2008)

10

デコーディング（脳情報解読）

• 従来は符号化（エンコーディング）の研究

• 定量的に、予測、再構成、解読

• 情報技術（機械学習）の応用

• 多次元の脳活動データから多変量非線形解析

• 世界的な研究ブーム

• ＡＴＲ神経情報学研究室が世界のパイオニア

fMRI & Decodingで検索した総論文数（縦棒）うち神谷研究室の論文を引用した論文の割合（折れ線）

11

侵襲性の低い方法で高い方法を上回る侵襲型 低侵襲 非侵襲 非侵襲（刺入電極） （皮質脳波） （重厚超大） （可搬携帯）

侵襲型 低侵襲 非侵襲重厚超大

非侵襲可搬携帯

安定性 ×× ◎(藤井,吉峰）

○ △

解読性能

＞＜

長谷川生理研・ATR

＜ATR

≈ATR

その方法は

★逆問題を解く（VBMEG）

★スパース推定

★超高密度化

＞ ＞

12

超高密度皮質脳波電極： パリレン柔軟（東大情報理工 鈴木 ー 新潟大、生理研）

• 電極間隔100μm～（保険適用の電極では１cm～）

• 柔軟網状構造→ 脳表にフィット。刺入電極と同時使用も。

生理研南部G（サル運動野）皮質脳波 32ch+刺入型64ch同時

• 新潟大長谷川G（課題Ｂ）と連携 （サル脳溝内にも）

• 皮質脳波から脳活動が推定可能（生理研、ＡＴＲ、東大）

サル用128ch 皮質脳波電極

・50μm四方・白金黒処理

1mm

13

サル脳活動による義手制御（生理研・東大・東工大）

Watanabe H, Sato M, Suzuki T, Nambu A, Nishimura Y, Kawato M, Isa T: Reconstruction of movement‐related intracortical activity from micro‐electrocorticogram array signals in monkey primary motor cortex. Journal of Neural Engineering, submitted (2011)

皮質脳波情報→脳内活動推定→筋活動推定→義手制御へ

ＡＴＲー生理研 東工大（小池） 東大

14

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).  15

19.4m

m

28.5mm128ch 集積化アンプ

ワイヤレス完全埋込装置のプロトタイプ開発

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

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) 16

装置概観

自由行動下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

17

BMI神経リハビリテーションによる随意筋活動の誘導（慶應義塾大学）

トレーニング・プロトコル

•画面の指示にしたがい、5秒ごとに「運動企図」「安静」を反復。•1日50〜100回、週1〜2日を4〜7週間（計20日間）。•入院患者に対する週5日（2週間）の集中トレーニングも実施。

皮質下が障害された脳卒中片麻痺患者さんを対象。

BMIがユーザーの運動関連脳波をモニタリング。健常パターンに類似した脳波変化が認められた場合にのみ電動装具が駆動し、麻痺手の伸展動作が他動的に介助される。

頭皮脳波運動関連脳波の検出

検出状態のフィードバック

電動装具による介助

Shindo K, Kawashima K, Ushiba J, Ota N, Ito M. Ota T, Kimura A, Liu M: Journal of Rehabilitation Medicine,43, 951‐957 (2011) 18

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

[μV

]

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

19

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

20

過去10～20試行分のEEGを運動開始でそろえて電流を計算

逆フィルター

推定電流の表示

EEG計測 自発運動検出

MRI構造画像

事前準備

EEG 100試行分

NIRS事前情報

階層変分ベイズ

逆フィルター

臨床応用に向けたNIRS-EEG高精度脳活動ダイナミクス実時間ニューロフィードバックシステム

リハビリ現場からの期待： 脳活動をフィードバックすることで不必要な活動を抑制（過度な筋緊張の抑制を期待）、望ましい活動を誘導し、重度患者への訓練結果のフィードバック（手が動かなくても脳は活動していることを示す）

Aihara T,  Takeda Y, Takeda K, Yasuda W, Sato T, Otaka Y, Hanakawa T, Honda M, Liu M, Kawato M, Sato M, OsuR: Cortical current source estimation from electroencephalography in combination with near‐infrared spectroscopy as a hierarchical prior, NeuroImage, in press (2011) 21

Behaviors of the exoskeleton robot

Interface to control the exoskeleton robot

リハビリテーション用外骨格ロボット

空圧駆動と電動モータの複合機 22

DecNef法により低次視覚野に脳活動パターンを繰り返して知覚学習を引き起こす

視覚意識（トップダウン信号）なし視覚刺激なし

低次視覚皮質における空間活動パターンの繰り返し

訓練前 訓練後

視覚

課題

成績

知覚学習

23Shibata K, Watanabe T, Sasaki Y, Kawato M: Perceptual learning incepted by decoded fMRIneurofeedback without stimulus presentation. Science, 334 1413‐1415 (2011)

DecNefの枠組みまとめ

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/学習を起こす• 神経符号（脳）から行動（心）への因果性の研究

24

(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

25

DecNefと臨床応用の可能性

• Decoded Neurofeedback: DecNef 解読した脳情報の実時間帰還法

• 認知行動療法と何が違うか： 無意識、脳活動が対象、意識的方略やタスクに頼らなくてすむ

• デコーディング、強化学習、限定した脳領域、神経科学の知識

• オペラント条件付け（道具的条件付け）と何が違うか： 自発的行動ではなく自発的脳活動を強化⇒ゆらぎが本質的

26

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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課題Ａのシステム神経科学への貢献

• ＮＩＲＳ＋ＥＥＧに階層ベイズ推定を組み合わせ、患者、健常者で簡易に（特に無線携帯型）、大脳皮質上で、高精度の非侵襲脳活動計測が行える

• 完全埋め込み型システムと超高密度電極の組み合わせにより、患者もしくはサルで、運動を拘束しない条件で、例えば意識やコミュニケーションに関連する脳活動が､半永久的に記録できるようになる（ユニット活動記録に対応する埋め込みシステムも）

• スパース推定、VBMEG、ＣＣＡなどＢＭＩ関連の統計・学習・デコーティング手法を開発し、それを用いてデータ駆動で、分散型脳情報表現を発見し、脳情報を操作して因果律を直接検証できるシステム神経科学

28

共同研究成果：複数機関共著論文（16／２０が2011年）ATR、慶應義塾 (3件）Aihara T, Takeda Y, Takeda K, Yasuda W, Sato T, Otaka Y, Hanakwa T, Honda M, Liu M, Kawato M, Sato M, Osu R:Cortical current source estimation from electroencephalography in combination with near-infrared spectroscopy as a hierarchical prior, NeuroImage, in pressATR、東京大学（1件）川人光男・佐倉統：ブレイン・マシン・インタフェースBMI倫理4原則の提案、現代化学、 471、 21-25 （2010）生理学研究所、ATR（3件）Watanabe H, Sato M, Suzuki T, Nambu A, Nishimura Y, Kawato M, Isa T: Reconstruction of movement-related intracortical activity from micro-electrocorticogram array signals in monkey primary motor cortex, Neuron, under review (2011)大阪大学、ATR（1件）Yanagisawa T, Hirata M, Saitoh Y, Kato A, Shibuya D, Kamitani Y, Yoshimine T：Neural decoding using gyral and intrasulcal electrocorticograms, NeuroImage, 45, 1099-1106 (2009).大阪大学、東京大学、ATR（5件）Yanagisawa T, Hirata, M, Saitoh Y, Goto T, Kishima H, Fukuma R, Yokoi H, Kamitani Y, Yoshimine T：Electrocorticographic control of a prosthetic arm in paralyzed patients. Annals of Neurology, doi: 10.1002/ana.22613 (2011).東京大学、生理学研究所(2件)Yokoi H, Sato K, Morishita S, Nakamura T, Kato R, Umeda T, Watanabe H, Nishimura Y, Isa T, Ikoma K, Miyamoto T, Yamamura O: An fMRI analysis of prosthetic hand rehabilitation using a brain.machine interface. Distributed Diagnosis and Home Healthcare, in press東京大学、大阪大学（1件）Yoshida T, Sueishi K, Iwata A, Matsushita K, Hirata M, Suzuki T: A high-linearity low-noise amplifier with variable bandwidth for neural recoding systems. Japanese Journal of Applied Physics, 50, 04DE07-1-4 (2011).東京工業大学、ATR（1件）Yoshimura N, DaSalla CS, Hanakawa T, Sato M, Koike Y: Reconstruction of flexor and extensor muscle activities from electroencephalography cortical currents, NeuroImage, in press新潟大学、東京大学、ATR（1件）Toda H, Suzuki T, Sawahata H, Majima K, Kamitani Y, Hasegawa I：Simultaneous recording of ECoG and intracortical neuronal activity using a flexible multichannel electrode-mesh in visual cortex, NeuroImage, 54, 203-212 (2011).新潟大学、東京大学（2件）Matsuo T, Kawasaki T, Osada T, Sawahata H, Suzuki T, Shibata M, Miyakawa N, Nakahara K, Iijima A, Sato N, KawaiK, Saito N, Hasegawa I : Intrasulcal electrocorticography in macaque monkeys with minimally invasive neurosurgical protocols, Frontiers in systems neuroscience, in press 29

ATR 慶應義塾大学

大阪大学

東京大学

島津製作所

生理学研究所

新潟大学

東京工業大学

特許申請

8(5)

4(1)

4(4)

9(6)

15(0)

0(0)

2(2)

0(0)

特許出願数（2011年11月まで、赤字が複数機関共同出願）

共同出願ATR、慶應義塾他武田湖太郎、北佳保里、大高洋平、牛場潤一、大須理英子：感覚フィードバック装置、感覚フィードバック方法（特願2010-185916、2010年8月23日）武田湖太郎、大高洋平、大須理英子、西井淳、末永宏康、橋爪善光：歩行信号生成装置および歩行信号生成システム（特願2011-110314、2011年5月27日）安田恒、北佳保里、大高洋平、近藤国嗣、大須理英子：車椅子および車椅子のための停止状態の告知装置（特願2011-229235、2011年10月18日）大阪大学、ATR、東京大学平田雅之、柳澤琢史、神谷之康、横井浩史、吉峰俊樹、後藤哲、福間良平、加藤龍：機器制御装置、機器システム、機器制御方法、機器制御プログラム、および記録媒体（特開2011-186667、2011年9月22日）大阪大学、東京大学平田雅之、吉峰俊樹、松下光次郎、後藤哲、柳澤琢史、鈴木隆文、吉村眞一：体内埋込装置のケーシングと体内埋込装置、および体内埋込装置のケーシングの製造方法. （特願2010–250464、2010年11月9日、PCT/JP/2011/001402、2011年3月10日）平田雅之、吉峰俊樹、松下光次郎、後藤哲、柳澤琢史、鈴木隆文、吉村眞一：開頭スペースを利用し、個人の頭蓋骨形状にもとづいた頭部ケーシング. （2010年11月、 PCT出願）新潟大学、東京大学もしくはATR長谷川功、鈴木隆文：網状生体電極アレイ（特開2011-030678(P2011-030678A) 、2011年2月17日）長谷川功、神谷之康：意思伝達支援装置 （特願2009-1084678、2009年4月27日） 30

アウトリーチのうちの報道発表、マスメディア活動（国民との科学・技術対話の義務化：総合科学技術会議）

2008年12月 ヒト脳活動パターンから見ている画像を再構成(ATR) : Neuron新聞：朝日、読売の1面他 20誌以上テレビ：NHKおはよう日本、とくダネ！、FOX News他10本雑誌：日経トレンディ、ビジネスアスキー他その他、Web、ブログは300件以上2009年8月〜2010年7月 読売新聞にて「脳科学の最先端」連載ほぼ全参画研究機関が報道された2009年9月 サイエンスZERO 脳と機械をつなぐ新技術2010年1月 クローズアップ現代 脳波が暮らしを変える2011年10月 皮質脳波によるロボット制御に成功(阪大,ATR,東大) Annals of Neurology

新聞：朝日、読売、産経(1面) 24誌テレビ：NHKおはよう日本 他2本メディア等から引き続き取材多数2011年11月 リハビリテーションに応用可能な脳ダイナミクス推定技術の開発に成功 (ATR, 慶應) NeuroImage日経産業新聞、日経ニュース、Yahooニュース他Web、ブログ 35件以上（１１月２５日）日刊工業新聞、Asahi.com（１１月２８日）2011年12月 新たに開発したデコーディッドニューロフィードバック法を用いて、ヒト大脳皮質視覚野に、 空間的な活動パターンを引き起こし、意識や視覚刺激を伴わずに、 視覚知覚学習を生じさせることに成功(ATR)：Science新聞：日経産業新聞、日刊工業新聞（１２月９日）

31

基礎研究・革新技術開発・臨床応用の緊密な連携で産まれたトピックス

（Ａ） 基礎研究1. 非侵襲デコーディング研究の世界的流れを作る2. DecNef法の開発；因果関係の研究を可能に3. 侵襲＞低侵襲＞非侵襲（重厚）＞携帯型への挑戦

32

（Ｂ） 革新技術開発1. 高性能非侵襲脳活動計測装置（NIRS＋EEG）2. スパース推定、逆問題解法（VBMEG）3. 超高密度皮質脳波電極、完全埋め込みシステム

（Ｃ） 臨床応用1. 低侵襲型ＢＭＩによるロボット制御で世界をリード

（ＡＬＳ患者等に対する厚生労働科研費）1. ＢＭＩリハビリテーションの世界初の成功；多施設大規

模臨床研究の準備にまで至る2. 安価で使い勝手の良いリハシステムの製品化

脳プロ他課題との連携• 課題Ｄ､定籐先生にＶＢＭＥＧ特に、fMRIとEEGの統

合技術を提供する予定

• 課題Ｆ、山脇先生に、ニューロフィードバック技術を提供し、特にデコーディッドニューロフィードバックでうつ病の治療法の共同研究を検討

• 課題Ｄ、田中沙織先生とデコーディッドニューロフィードバック共同研究の検討

• 課題Ｆ、尾崎先生にＶＢＭＥＧ特に、NIRSとEEGの統合技術、およびニューロフィードバック技術を提供する予定

• 課題Ｃ等に、完全埋め込み記録システム、超高密度皮質脳波電極を提供したい

33

今後も革新技術開発を中心に

• 科研費等ボットムアップ型基礎研究費

• 厚生労働科研費：臨床研究

• 経産省、総務省プロジェクト：応用研究

• ＪＳＴ戦略的基礎研究

• 以上の制度と比べて脳プロの特徴は？

– 中核拠点と参画機関で作る研究ネットワーク

– あるサイズでリスク覚悟で

– 基礎と応用の双方向の連携

– 革新技術開発を中心に基礎と応用を緊密に連結

34