九州大学学術情報リポジトリ
Kyushu University Institutional Repository
脳磁図の基礎と臨床応用
萩原, 綱一
九州大学大学院医学研究院臨床神経生理学分野
飛松, 省三
九州大学大学院医学研究院臨床神経生理学分野
https://doi.org/10.15017/18473
出版情報：福岡醫學雜誌. 101 (7), pp.135-141, 2010-07-25. Fukuoka Medical Association バージョン：
権利関係：
総 説 脳磁図の基礎と臨床応用
九州大学大学院医学研究院 臨床神経生理学分野
萩 原 綱 一，飛 松 省 三
はじめに
脳磁図（magnetoencephalography：MEG）は大脳皮質ニューロンの神経活動に伴って生じた磁場をミリ 秒単位の精度で記録し，さらに活動の起源を数ミリ単位の精度で推定可能な検査法である．機能的 MRI と同等の空間分解能をもちながら，血流量や酸素代謝率の変化ではなく，脳波と同様に神経活動を記録す ることが可能な点が優れている．このような優れた時間分解能と空間分解能を利用し，臨床的にはてんか んの局在診断に威力を発揮している．また，研究目的には視覚・体性感覚・聴覚・運動などに関する様々 な脳機能解析において応用されている．本稿では，MEG の基礎およびてんかん診療における MEG の役 割とその他の応用例などについて述べたい．
１．脳磁場測定の原理1)~3)
脳波では大脳皮質錐体細胞の樹状突起で生じたシナプス後電位の加重を記録しているが，MEG では ニューロン内に生じた電流に伴う磁場を計測している．電気活動と磁場の間には右ねじの法則でよく知ら れる相互関係があり，電流が生じればその周りに生じた磁場を計測することが可能である．実際にヒトの 頭部外から磁場を計測する場合，MEG のセンサーコイルで捉えることができるのは，頭皮に対して垂直 方向に貫く磁束である．つまり，頭皮に対して接線方向の電流に対応する磁場である．垂直方向の電流が 作る磁場については，磁束がセンサーコイルを貫通しないため，捉えることができない（図 1 B）．錐体細 胞の樹状突起は皮質表面に対して垂直に伸びている．したがって，皮質下からの入力によって樹状突起に 生じたシナプス後電位は，皮質表層に対して垂直方向の電流双極子（dipole，ダイポール）を形成する．こ のことから，MEG で捉えることのできる磁場は，大脳皮質領域の中でも脳溝内の皮質で生じた電位に対 応した磁場をよく反映していると考えられる（図 1 B）．
センサーコイルを磁束が貫くと，それを打ち消す方向の磁束を生じるように超電導電流がコイルに流れ る．超伝導電流はコイルが液体ヘリウム（約−270℃）に漬かっていることによって誘導される仕組みであ る．脳活動が生じる磁場の大きさは地磁気やその他の外部磁気ノイズに比べて極めて小さいため（地磁気 の約１億分の１），このような超電導システムおよび磁気遮断室が測定に必要である．超伝導電流は超伝 導量子干渉素子（superconducting quantum interference device：SQUID）によって電圧変化として外部に 出力され，解析画面上にリアルタイムで脳波波形として表示される．
頭皮上脳波と比較した時の MEG の利点であるが，MEG は脳脊髄液・骨・軟部組織などの容量導体の影 響を受けにくい．電圧変化ではなく磁束を捉えているため，これらの生体組織の電気抵抗によって信号が 減衰しにくく，とくに高周波帯域の減衰が生じにくい．このため，特に研究目的で利用する際など，MEG はガンマ帯域（30Hz 以上の周波数成分）の解析に有利である．また，頭皮上脳波が記録されるためには約 ６平方 cm の皮質領域が同期して活動する必要があるが，MEG では半分の約３平方 cm であり，信号/ノ
Koichi HAGIWARAand Shozo TOBIMATSU
Department of Clinical Neurophysiology, Neurological Institute, Graduate School of Medical Sciences, Kyushu University, Fukuoka, Japan Principles and Clinical Applications of Magnetoencephalography
イズ比が良い．当然，直接皮質から記録した脳波の方が感度はよいが，MEG は非侵襲的な検査であるこ とのみならず高い空間分解能を有している．加えて，MEG の測定の場合は基準電極を必要としないのも 特徴である．脳波においては記録電極と基準電極の間の電位差を検出して示しているため，あるセンサー で記録された波形（電位）は必ず相対的なものである．基準電極の電位がゼロではなく，例えば耳朶に置 いた基準電極では側頭部の活動が波及していることがあることに注意が必要である．一方，MEG ではこ のような基準電極を設置する必要がなく，記録される波形はコイル面に対する磁場の向きおよび信号源と コイルの間の距離（距離の二乗に比例して減衰）に依存している．
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A B
C D
E
図１ 脳磁図測定の原理と解析の流れ．（A）306 チャネル全頭型 MEG（Vector- view, ELEKTA Neuromag, Helsinki）．（B）磁場測定の原理．脳溝に面して いる皮質の錐体細胞（図中１）は頭皮に対して水平方向の電流双極子（ダイ ポール）を形成し，それに伴う磁束はコイルを貫く．一方，脳表に面してい る錐体細胞（図中２）は頭皮に対して垂直方向のダイポールを形成するため，
それに伴う磁束はコイルを貫かず，測定することができない．Neuromag システムのコイルにはマグネトメーターと平面型グラジオメーターの２つ のタイプのコイルがある（コイルの特性については本文参照）．（C）測定さ れた磁場反応の一例（図はてんかん患者の棘波で，左側頭部のセンサーに よって記録されている）．（D）（C）から求められた頭皮上の磁場の分布．赤 線は頭皮に対して湧き出し方向の磁束が作り出す磁場の分布．青線は頭皮 に対して吸い込み方向の磁束がつくる磁場の分布．矢印は右ねじの法則に よって求められたダイポール．（E）MRI 上に重畳したダイポール．図 1 B
は文献1)~3)より改変．
当院で使用している Elekta 社製 Neuromag システムの 306 チャネル全頭型 MEG（図 1 A）では，マグ ネトメーター１つとグラジオメーター２つの３つのチャネルが組になったセンサーユニットが 102 個配列 されている（図 1 B,C）．前者は１つのコイルで磁場を計測しており，後者は２つのコイルが組み合わさっ て１つのセンサーを成している．グラジオメーターでは２つのコイルを貫く磁束の差分をとることにより，
外部からの磁場ノイズを拾わないようにしている．生体外からの磁場ノイズは遠方から生じているために，
２つのコイルを貫く磁束の大きさがほぼ等しくなっている．一方で，脳活動による磁場はより近傍で生じ ているため，信号源とコイルの間の距離・位置関係によって磁束の減衰率が大きく異なってくる．した がって，差分をとれば，外部ノイズ信号はほぼゼロになり，生体信号のみが検出されることになる．ただ し，脳深部由来の磁場については外部ノイズと同様に２つのコイルの位置間で磁場の減衰率の差が小さく なるために検出されにくくなる．一方，マグネトメーターでは差分をとらないためにノイズの影響を受け やすいが，このような脳深部由来の信号を比較的検出しやすいという特徴がある．ただ，実際には脳深部 の活動を解析するのは難しく，頭皮上ではかなり広がりをもった分布を呈するために信号源推定が困難で あることも多く，MEG ではもっぱら大脳皮質活動の解析が中心になっている．実際の臨床や研究の現場 ではグラジオメーターで記録されたデータを中心に解析する傾向にある．
測定された磁場の分布から電流源を逆算して推定することを逆問題（inverse problem）という．観測さ れた分布の磁場を生じさせるような１個のダイポールを仮定して求める解析方法を単一ダイポール法とい い（図 1 D,E），てんかんの棘波や各種感覚刺激に伴う誘発磁界反応の電流源の局在を求める方法として一 般的に広く用いられている．これは，頭皮に対して湧き出し方向の（センサーに向かってくる方向の磁束 が作る）磁場と吸い込み方向の（センサーから離れていく方向の磁束が作る）磁場の分布から上述の右ね じの法則を用いてダイポールの向き・大きさ・位置を逆算して求める方法である．このような逆問題を解 く必要があるということは，推定誤差が生じる可能性を考慮する必要があり，適合度検定（goodness of fit）を行う．通常は 80〜90％以上のデータを採用（100％に高いほど正確）し，より確からしいダイポール を推定する．
２．てんかん診療と
MEG
臨床検査として MEG を用いる場合，外科治療を予定しているてんかん患者の術前検査として保険適応 が認められている．外科治療の対象となるのは局在関連てんかんの場合であるが，MEG では MRI 画像上 において棘波の電流源を推定して視覚化できるため，切除部位の検討に際して有用な情報を得ることがで きる（図２）．ルーチン検査として行っている頭皮上脳波では設置できる電極の数が限られているために，
棘波の局在については葉や半球の単位でしか断定できないが，MEG では数ミリ単位の精度で局在を示す ことが可能である．棘波のダイポールの向きによっては，実際の棘波の局在よりも前方または後方の頭皮 上に最大電位がシフトして記録されることも頭皮上脳波の解釈を難しくしているが，MEG を用いて検討 すれば局在診断の大きな助けとなる．ただし，MEG では主に発作間欠期の棘波について解析しているこ とに注意する必要がある．てんかん診療に関わるものにとっては，発作間欠期の棘波の局在と発作波の開 始部位が異なることはしばしば経験されることである．MEG 記録中は安静臥位を保つ必要があり，頭皮 上脳波のように長時間のモニタリングには適さず，よほど発作が頻回でない限りは発作時脳波が記録され ることは稀である．また，MEG だけでなく頭皮上脳波にも共通することだが，内側側頭葉てんかんの場 合は発作起始部位が比較的深部にあるため，てんかん性放電が外側に波及しかつ電位が増した時の活動を 捉えていると考えられる．つまり，MEG においても海馬に近いてんかん性放電の起始部の局在を示すこ とが難しいことも知っておく必要がある4)．総じて，MEG のみでは臨床発作焦点の評価としては不十分 であり，頭皮上脳波の発作起始部位や臨床症状の特徴と必ず照らし合わせて検討し，必要に応じて慢性硬 膜下電極や深部電極などの侵襲的脳波記録を追加することを考慮すべきである．
棘波の中には MEG で記録されるが脳波では棘波として認められないもの（例えば，背景脳波と区別で きる活動が見えない，あるいはシータ波やデルタ波などの徐波にしか見えない場合）があり，また，その
逆の場合もありうる（図３)5)．この理由としては，MEG 測定の原 理のところでも述べたが，棘波のダイポールの向きと MEG のセン サーの位置関係が考えられる．同一患者の記録においてもこのよう な MEG 陽性/EEG 陰性と MEG 陰性/EEG 陽性な棘波の両者を認 めることは稀ではない．したがって，頭皮上脳波では明確な棘波が 乏しく局在性の判断が困難な症例においても MEG を行ってみる価 値がある．
棘波の電流源を推定する解析方法としては，通常は単一ダイポー ル法が用いられ，これまで述べてきたように，磁場の分布から１個 のダイポールを仮定し，３次元座標軸上の１点として示される．単 一ダイポール法では，推定された１点が局在そのものを示すのでは なく，あくまで活動領域の中心を示しているにすぎないことを念頭 に置いて結果を解釈する必要がある．つまり，実際には１点で表せ るような焦点はなく，ある程度の広がりをもった領域からてんかん 性放電が出ている．単一ダイポール法では測定中に記録された複数 の棘波について同方法を適応することによってダイポールの集積し た領域を提示し，それによって可能な限り焦点領域の分布を表現で きるように結果を示している．一方，最近の解析方法の一つである 最小ノルム法（minimum norm estimates：MNE)6)は活動領域・分 布を示すのに優れた解析方法である（図４）．この解析法では，脳領 域全体で 10 万個の電流要素を仮定し，それらの強度分布によって 萩 原 綱 一 ・ 飛 松 省 三
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A
B
図３ MEG と同時記録脳波の 比較．MEG では背景活 動から棘波が明瞭に区 別されるが（A），同時記 録の頭皮上脳波では明 確な棘波を認めず，右半 球性に徐波の混入を認 める（B）．
A B D
C
図２ 側頭葉てんかん患者の MEG 所見．症例は 20 歳女性．12 歳頃より数分間の 意識減損と動作停止を伴う発作あり．明らかな前兆なし．発作間欠期の脳 波所見では右前頭側頭部に頻発する棘徐波を認め，発作時脳波では右半球 起始の発作波が確認されていた．頭部 MRI では明らかな器質的病変なし．
カルバマゼピン 800mg，クロバザム 10mg，フェノバルビタール 60mg など 内服するも発作が週に数回認められたために外科治療を検討されるに至っ た．発作間欠期の MEG でも同様に右側頭部のセンサーにおいて棘波が頻 回に捕捉された（A, B）．右側頭部に棘波のダイポールが推定され（C），
MRI に重畳すると右側頭葉の中側頭回に集積していた（D）．
神経活動の空間的分布を示している．MNE は解析にかなりの時間を要することと，活動の深さ方向の広 がりについては表現するのが難しいという制約はあるが，大脳皮質円蓋部におけるてんかん性放電の電流 分布および伝播様式を表現するのに有用な解析方法である．皮質表面における広がりだけでなく深さ方向 の分布についてもある程度表現できる方法としては，空間フィルターを用いた Beamformer 法がよく知ら れている．ただ，MNE や Beamformer 法についてはまだ新しい解析方法であり，現段階では臨床との相 関を検証していく段階にある．
３．機能局在診断における
MEG
MEG の利点はこれまでに述べてきたように，測定された脳活動の起源を MRI 上で正確に示すことが可 能なことである．fMRI では脳血流量や酸素代謝率の変化から脳活動部位を特定しており，それらの変化 は神経活動に比較すれば遅いために，時間分解能は数秒単位である．fMRI と MEG はほぼ同等の空間分 解能を有しているが，MEG では神経活動に直結した反応をミリ秒単位で分析可能であり，神経活動をよ く反映しているという利点がある．このようなことから，てんかんの棘波解析以外にも，さまざまな脳機 能に関する研究が MEG を用いて行われており，fMRI をはじめとした神経機能評価法の一つに加わるも のあるいはそれらを補完するものとして活用されている．
棘波の解析以外の簡単な活用例の一つとしては，誘発磁場の測定があげられる．当院ではてんかん患者 において体性感覚誘発磁場（somatosensory evoked magnetic field：SEF）の測定をルーチン検査として施 行している．測定方法は，一般的な体性感覚誘発電位（somatosensory evoked potential：SEP）と同様に，
一側の正中神経について手関節部位で電気刺激を行って測定している．刺激後 20 ミリ秒前後に一次体性 感覚野（primary somatosensory area：S Ⅰ）の反応である N20m という波形成分（SEP の N20 に相当）が 記録され，単一ダイポール法によりダイポールを求めると中心後回（ブロードマン 3b 野）にあるペン フィールドの手の領域に相当する部位に推定される（図 5 A）．こうした正常な機能解剖がきちんと示せ ることが，棘波の局在の推定精度を保証する意味で重要である．また，てんかんのみならず他の疾患の外 科治療を検討する際にも，切除範囲の検討のために重要な情報となりうる．特に病変の存在によって機能 局在が正常部位よりシフトしていることが考えられる場合には必ず施行する必要がある．例えば局在関連 てんかんにおいて皮質形成異常は比較的よくみられる原因の一つであり，このような場合では体性感覚野 が正常とは大きく異なる皮質領域に同定されることもありうる7)．また，脳腫瘍などによって正常な解剖
図４ 最小ノルム法で解析した棘波の電流分布．単一ダイ ポール法では表現できない活動の広がりを示すこと ができる．
学的構造が損なわれている場合にも，術中 SEP を施行する前に非襲侵的に機能マッピングが可能である．
また，体性感覚情報処理に関する研究について言えば，MEG の存在によって二次体性感覚野（secon- dary somatosensory area：S Ⅱ）の機能解析が容易になったことが電気生理学的に大きな進歩であるとい える．S Ⅱは頭頂葉の弁蓋部のブロードマン 40 野に位置し，感覚情報への注意のメカニズムや，感覚運動 連関，痛覚と非痛覚の統合的情報処理，身体の統一的イメージなど，S Ⅰより高次の様々な感覚情報処理 に関わっていることが示唆されている8)．上記の如く，S Ⅱは比較的深部に位置するために頭皮上脳波で は活動を捉えにくい．ところが，S Ⅱの活動を単一ダイポールで解析した場合，ダイポールの向きは頭皮 に対してほぼ接線方向に向いており，それに伴う磁場が MEG のコイルで捉えやすい方向に向いている
（図 5 B）．また，頭皮上脳波のように頭皮・頭蓋骨・脳脊髄液などの容量導体の影響を受けないことも反応 が捉えやすい理由である．高次の感覚情報処理についてはまだ不明な点も多く，MEG を用いた研究に よってさらに発展が期待されるものと考えられる．
まとめ
現時点において MEG は外科手術治療目的のてんかんについてのみ適応が認められているが，高次脳機 能の研究においても大変有用なツールである．今後の研究の進歩によって，さまざまな感覚情報処理に関 する機能局在の解明や，将来的には認知症や高次脳機能障害の検査として活用されることが望まれる．
萩 原 綱 一 ・ 飛 松 省 三 140
A B
図５ 右正中神経電気刺激による体性感覚誘発磁場．左頭頂部に S Ⅰ，両側側頭部のセンサーに S Ⅱ（刺 激対側を cS Ⅱ，同側を iS Ⅱとする）の活動を示す誘発波形が認められる（A）．単一ダイポール法 による解析により，S Ⅰのダイポールは中心後回，cS Ⅱ･ iS Ⅱはそれぞれ刺激対側・同側の頭頂葉 弁蓋部に推定される（B）．文献9)より改変．
参 考 文 献
1) 飛松省三：臨床神経生理学への誘い１．症例を究める，臨床脳波 48：493-504，2006．
2) 飛松省三：認知神経科学と神経学，神経医工学 オーム社，pp：211-258，2009．
3) Tobimatsu S : Visual evoked magnetic fields and magnetic stimulation of visual cortex. In : Celesia GG (ed) , Disorders of Visual Processing, Handbook of Clinical Neurophysiology, Vol 5, Elsevier, pp : 143-166, 2005.
4) 重藤寛史，加藤元博，森岡隆人，山本智矢：脳磁図によるてんかん焦点の検討 脳磁図による棘波の解析，臨 床脳波 38：217-221，1996．
5) 重藤寛史，飛松省三：てんかんに対するルーチン検査としての脳磁図の有用性と限界，臨床脳波 51：
626-631，2009．
6) Tanaka N, Hämäläinen MS, Ahlfors SP, Liu H, Madsen JR, Bourgeois BF, Lee JW, Dworetzky BA, Belliveau JW and Stufflebeam SM : Propagation of epileptic spikes reconstructed from spatiotemporal magnetoencepha- lographic and electroencephalographic source analysis. Neuroimage. 50 : 217-222, 2010.
7) Gondo K, Kira H, Tokunaga Y, Harashima C, Tobimatsu S, Yamamoto T and Hara T : Reorganization of the primary somatosensory area in epilepsy associated with focal cortical dysplasia. Dev Med Child Neurol. 42 : 839-842, 2000.
8) Lin YY and Forss N : Functional characterization of human second somatosensory cortex by magne- toencephalography. Behav Brain Res. 135 : 141-145, 2002.
9) Hagiwara K, Okamoto T, Shigeto H, Ogata K, Somehara Y, Matsushita T, Kira J and Tobimatsu S : Oscillatory gamma synchronization binds the primary and secondary somatosensory areas in humans. Neuroimage. 51 : 412-420, 2010.
萩原 綱一（はぎわら こういち）
九州大学助教（大学院医学研究院 基礎医学部門臨床神経生理学分野） 医博
◆略歴：1977 年生まれ．2001 年九州大学医学部卒業．神戸市立中央市民病院研修医を経て 2003 年 九州大学医学部付属病院脳研神経内科医員．2004 年松山赤十字病院神経内科レジデント（２年間）．
2010 年九州大学大学院医学系学府機能制御医学専攻博士課程修了．同年より現職．
◆研究テーマ：脳磁図を用いた体性感覚情報処理機構の解析．
プロフィール
飛松 省三（とびまつ しょうぞう）
九州大学教授（大学院医学研究院 基礎医学部門臨床神経生理学分野） 医博
◆略歴：1955 年生まれ．1979 年九州大学医学部卒業．九州大学医学部附属病院研修医を経て 1983 年九州大学医学部脳研神経内科助手．1985 年医学博士（九州大学）．同年シカゴ・ロヨラ大学医学部 神経内科客員研究員．1987 年九州大学医学部脳研生理助手．1991 年脳研臨床神経生理講師．1999 年九州大学大学院医学系研究科脳研臨床神経生理教授．2000 年より現職．
◆研究テーマ：非侵襲的脳機能計測法を用いたヒトの感覚・運動情報処理機構の解析および高次脳 機能の脳内基盤の解明．
