脳酸素交換量COEと脳血液量CBVを同時計測できるベクトル法fNIRS

脳を科学的に研究する方法

脳を科学的に研究するには、脳の計測法を用いなければなりません。
動物ではなく、人の脳を科学的に探究するには、人体に悪影響を与えない計測方法が
必要なのです。
上図に示すように、人の脳は、脳の構造を見るMRI、脳の電気活動を計測する脳波（EEG）や脳磁図（MEG）、脳を血液や代謝産物など生化学的な側面から計測するfMRI、MRスペクトロスコピー（MRS）、ポジトロン断層法（PET）、単一光子放射断層撮影（SPECT）、機能的NIRS(fNIRS)などがあります。

これらの脳計測法の中で、汎用性がある手法として、MRIは、脳病変の検出のために、医学臨床応用され診断、治療に用いられています。脳波は、てんかんなどの異常波の検出や睡眠障害の診断において用いられています。

fMRIは、開発当初、爆発的に研究されましたが期待以上に問題点がクローズアップされてきました。特に、人間があおむけになったまま動かずに脳計測しなければならず、実際の社会生活とかけ離れるため、制約が大きく、研究レベルにとどまっています。脳の血液の脱酸化ヘモグロビン（Deoxyhemoglobin）の低下を検出するBOLD法では、酸化ヘモグロビン(Oxyhemoglobin)の変化を計測できないことと、脳表の血管反応が強調されすぎて、実際に神経活動に近い毛細血管反応の感度が悪いことがネックとなってきました。

fNIRSは、画像化という点で、fMRIよりも明らかに精度が劣っていたため、fMRIよりも少し早い時期1991年、加藤俊徳医師によって、人体に害を与えずに近赤外光を使って脳のはたらきを画像化できる方法が発見されたにもかかわらず、その進歩と発展はゆっくりでした。

fNIRSで計測した脳活動を画像化したもの

ところが、2000年代に入り、実際の社会生活を脳科学的に探究し、脳科学の知見を実社会に応用しようとする社会脳科学（Social Neuroscience）の分野が活発になり、fNIRSを使った計測が注目をあびるようになりました。

fNIRSは、ハンドフリーな状態で、ダンス中にも、車の運転中にもその脳活動を計測できることから、社会脳科学の研究分野には不可欠な手法となってきたのです。 例えば、母子関係など人と人のコミュニケーション中の脳活動、赤ちゃんの脳活動など、fNIRSは、安価であることからも、先進諸国だけでなく開発途上地域でも用いられ、赤ちゃんの栄養状態の違いが脳発達にも影響することが解き明かされてきました。

従来型fNIRSからベクトル法fNIRSへ

fNIRSは、安価で、ハンドフリーの状態で脳計測ができる点は、ｆMRIにはない利点がありました。しかし、脱酸化ヘモグロビン（Deoxyhemoglobin）と酸化ヘモグロビン(Oxyhemoglobin)の変化を別々に計測できるというfMRIには不可能な計測であるfNIRSの利点を生かすことができていませんでした。

その為、従来のfNIRSは、脳の血液の脱酸化ヘモグロビン（Deoxyhemoglobin）、酸化ヘモグロビン(Oxyhemoglobin)、総ヘモグロビン（Total hemoglobin）の3つの指標を計測ができたものの、これだけの内容では、脳活動を解析するには不十分という訳でした。

2002年、この問題点を解消したのが、脳酸素交換量COEと脳血液量CBVを同時計測できるベクトル法fNIRSです。

Figure1に示すように、２次元平面を用いることで、脱酸化ヘモグロビン（Deoxyhemoglobin）、酸化ヘモグロビン(Oxyhemoglobin)、総ヘモグロビン（Total hemoglobin）の3つの指標だけでなく、COEを計測し、ベクトルの大きさL値、位相ｋを新しい指標として生み出したのです。

特に位相kは、定量的に脳機能を計測できる指標です。
加藤俊徳医師の発見と研究により、脳の働きを酸素で見る「酸素脳イメージング」が完成しました。

COEを計測することで、静脈の影響を強く受けるfMRIや酸化ヘモグロビン(Oxyhemoglobin)だけを解析しているfNIRSの結果は、本来の脳活動を歪んで計測していることが分かってきました。

ヘモグロビンには、「酸素と結合しているもの」と「酸素を持っていないもの」が ありますが、ベクトル法fNIRSは、それらを区別して、同時に捉えることが出来ます。

脳の酸素交換現象におけるFORCE（Fast Oxygen Response in Capillary
Event）効果とWatering効果の仕組み

（図説明）脳にはたくさんの血管があり、血液が運ばれています。血液の中には、赤血球という成分があり、酸素と結合したヘモグロビンを抱えています。運ばれた酸素は、酸素が必要な組織に受け渡されます。 心臓から出た血管は、動脈 → 細動脈 → 毛細血管 → 細静脈 → 静脈となり、再び心臓へ戻っていきます。様々な太さの血管がある中で、組織と酸素交換をするのは、「毛細血管」だけで、動脈、静脈などは酸素交換を行わない血管なのです。脳の神経細胞は、活動するために酸素を使う必要があります。つまり、毛細血管で起きる酸素交換を捉えることが、正しい脳の活動を知ることに繋がるのです。

例えば、あなたが漢字を書いているとします。漢字を書くときに働く場所には酸素が必要ですので、酸素が細胞に移動します。これをFORCE（Fast Oxygen Response in Capillary Event）効果と呼んでいます。
酸素がなくなった血液は使用済みの汚い血となって、下流の静脈へ流れていくことになります。脳が働けば、きれいな血（未使用の血）が汚い血（使用済みの血）に変わるわけです。酸素が、血液中のヘモグロビンとの結合から離れて、神経細胞に移動するからです。脳を使うと酸素が必要になるのです。しかし、漢字を書くときに働かなかった場所もあります。その場所には酸素は必要ありませんから、そこを通る酸素は受け渡されることなく、未使用のまま、きれいな血として通り過ぎることになります。
これをWatering効果（素通り効果）といいます。