脳の酸素消費を見れば、本人の申告なしで言葉を理解しているか分かる

ベクトルfNIRS法を用いて、脳の酸素消費を計測することで、ヒトが言葉を聞いた際に、（本人が理解したかどうかを意思表示しなくても）本人が理解しているかどうかを判定できることを確認しました。

この成果は、これまで検出が難しいと考えられてきた「Initial dip（イニシャル・ディップ）」と呼ばれる生体反応の存在を明確にするものであり、脳機能イメージング研究の進展に大きく寄与することが期待されます。

研究論文は、2012年9月に英国科学誌「NeuroReport」のオンライン速報版で公開されており、2012年11月14日付の同誌面上で出版されます。

日本語の解説文

「人が言葉を理解したかどうかを、何も言わずに判定する脳科学技術」が実現

『ベクトル法 fNIRS』を用いて、脳の酸素消費を計測することで、ヒトが言葉を聞いた際に、（本人が理解したかどうかを意思表示しなくても）本人が理解しているかどうかを1.5秒で判定できることを確認しました。

この成果は、これまで検出が難しいと考えられてきた Initial dip（イニシャル・ディップ） と呼ばれる大脳生理反応の実在を明確にするものであり、脳機能イメージング研究の進展に大きく寄与することが期待されます。

研究の背景と概要

脳の働きを非侵襲に計測する方法として近赤外分光法（fNIRS）があります。この脳機能 fNIRS計測法は、脳の学校代表を務める加藤俊徳医師が 1991 年に原理を発見し、1993年に論文発表した技術です。同手法は、脳血流などの血液動態のダイナミックな変化を観察する手法として注目されてきました。しかしながら、実際の神経活動と比べて、血液量の変化は非常にゆっくりとしていることや広範囲で生じることが問題視されてきました。これが、脳がいつ、どこで活動したのかを、血流をみるだけでは正確に判断することが難しい理由でした。

そこで加藤医師は1993年以降、自らこの問題解決に乗りだし、2001年米国において、血流動態の位相に着目することで脳細胞の酸素消費の時間と場所を特定する方法「COE 解析法（別名ベクトル法 fNIRS）」を開発し、国際特許化しました。この手法をさらに拡大して、臨床応用する研究に着手してきました。

本論文では、言語理解を司るウェルニッケ野という脳部位において、ヒトが単語を聞いたときに、本人の意思に関わらず、自動的に微弱な酸素消費が生じることを発見しました。

この微弱な酸素消費は、長年、脳科学界でも検出が難しいとされてきた Initial dip（イニシ ャル・ディップ）という生理反応（脳が活動したことを示す微弱反応）と酷似しています。この研究によって初めて、従来の脳血流では検出できない程のわずかな酸素消費を用いて、ヒトの高次脳機能に関わる脳反応を頭皮上から検出することに成功しました。単語の意味を知らなければ、ウェルニッケ野では酸素消費は生じませんが、単語の意味を学習すると、 学習直後から単語を聞くだけで酸素消費が起きるようになります。 つまり、単語を受動的に聞いている 1.5秒間に、酸素消費が生じたかどうかを判定することで、本人が何も意思表示をしなくても単語の意味を知っているかどうかが分かります。

これより、ベクトル法 fNIRSは、微弱かつ高速で生じる酸素消費をこれまでよりも高確率で検出し、言語処理などの高次脳機能の検査法として活用できることが示唆されました。これまでリハビリや教育分野で、脳疾患や発達障害によって意思表出が難しい人にも適用できる精度の高い脳機能診断法の確立に取り組んできました。この技術は脳機能の高速性に対応する新しい技術として、脳機能イメージング研究の進展に大きく 寄与することが期待されます。

【加藤俊徳医師による解説】

脳は、人の経験を蓄積できる臓器と考えられます。未経験な細胞が、学習をして成熟していきます。「脳がどのように経験を蓄積するのか？」をテーマに私たちは探求してきました。 言葉を聞く経験に、意味の理解を伴うと酸素消費が増加していました。一方、意味理解が伴わないと、脳血流が増加するだけで、酸素消費は増加しにくいようです。ベクトル fNIRS法（COE 解析法）と呼ばれる従 来のいかなる脳計測でも観察できていなかった脳機能の新しい指標を使っています。

さらに、イニシャルディップ(Initial Dip)問題として、脳機能計測分野では、約20年間、その存在と意義について議論されてきたテーマでもあります。特に、fMRIを使った手法では、Initial Dip の観察が、BOLD 法の正しさや超高磁場のMRIを用いて脳機能計測する理 由の一つに挙げられていました。

今回、このIllusive DIPとまで言われてきた Initial Dip を、ベクトル法fNIRSで分類して観察できただけでなく、脳機能の獲得（学習効果）に伴ってNonDipがDip化すること を証明しました。fMRIなど脳血流を用いた脳機能計測では、課題開始から5秒以内では脳 血流が増加せず、計測が困難でした。しかしベクトルfNIRS法を用いることで、課題時間の1.5秒間で nitial Dipの反応タイプを統計的に分類できるようになりました。この事実は、fMRI が全く不可能であった脳機能のメカニズムを可視化できることを示しています。

脳機能fNIRS計測法は、fMRIに比べて簡便で、かつ、人間の生活に近い状態の観察が可 能でしたが、今回の研究で、さらに新しい可能性が広がっています。

【論文ハイライト】

健常成人に1.5s間の単語をつ1ずつ受動聴取させた後、意味を理解できる単語（図中 Comprehended words）と意味を知らない単語（図中 Unknown words）に分けると、図(a) のように、ベクトルの方向が約180度異なりました。意味を知らない単語の意味を教えた 直後、再度受動聴取させた単語（図中 Learnt words）は、理解語のベクトル方向に変化しました。この反応を捉えることで、本人が障害などによって意思表示できない場合でも、言葉に対して反応しているかどうかを判定することができると考えられます。

単語聴取中の反応(a)と単語聴取後(b)の反応。酸素消費の違いは、通常の脳科学研究に用いられている単語聴取後の遅延反応にはなかった。

●原著論文はこちらに掲載されております
“Vector-based phase classification of initial dips during word listening
using near-infrared spectroscopy”
Neuroreport:14 November 2012 - Volume 23 - Issue 16 - p 947–951
(Cognitive Neuroscience and Neuropsychology)