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 1ＢＭＩ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
3ＢＭＩ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:
z 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 z 発症後５年経過。随意的な手指伸展動作は不能。 z 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。 z 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 z 発症後５年経過。随意的な手指伸展動作は不能。 z 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。 BMI 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 50 Cz-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
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 8NIRS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 919.4m m 28.5mm 128ch 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
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 115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)
13DecNef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
14(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)
