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ABRとASSR
東京大学耳鼻咽喉科
狩野章太郎
聴性誘発反応 Auditory Evoked Potential
他覚的聴力検査
蝸電図 Electrocochleography: ECochG
外耳道深部ないしは中耳腔に電極を置いて、内耳と蝸牛神経由来の電気信号を記録
頭頂部反応 Vertex Response
頭頂部に電極を置いて、脳由来の電気信号を記録
聴性脳幹反応 Auditory Brainstem Response: ABR
周波数追随反応 Frequency Following Response: FFR
中間潜時反応 Middle Latency Response: MLR
頭頂部緩反応 Slow Vertex Response: SVR
等々
聴性定常反応 Auditory Steady-State Response: ASSR
蝸電図
AP: Compound Action Potential は蝸牛神経を構成する数多くの神経線維各々
の活動電位(single unit AP)の重複電位である。
SP: Summating Potential は刺激音の持続に一致して基線の陽・陰性側への変
位として記録される電位である。SPは蝸牛有毛細胞の受容器電位である。
-SP
AP 0.2μV
1ms
蝸電図:外耳道誘導
-SP/AP比0.41以上を異常増大と判定
吉江信夫 1984
外耳道の鼓膜輪付近に関電極と
して銀ボール電極を留置。
同側の乳様突起部に不関電極を、
前額正中部に接地電極を置き、音
刺激には95 dB nHLのクリック音を
使用した。
1000回加算波形
聴覚伝導路の模式図
蝸牛神経核
下丘
内側膝状体
聴覚皮質
橋
中脳
間脳
大脳皮質
外側毛帯
外側上オ
リーブ核
内側上オ
リーブ核
聴覚系が音刺激の時間情報の伝達に優れていることから、誘発電位は聴覚研究の広い範囲
に応用される
波形のピークは多くの神経細胞が同時に発火していることを反映する。
音刺激に応答する多数の活動電位およびシナプス後電位が重畳したものが頭皮上で遠隔電
場電位として記録される。
シナプス後電位と活動電位
活動電位
5
波形のピークは多くの神経細胞が同時に発火し
ていることを反映する
音刺激に応答する多数の活動電位およびシナプ
ス後電位が重畳したものが頭皮上で遠隔電場電
位(電極を少し動かしても得られる波形に本質的
な差がない)として記録される
6
細胞外電極によ
る電位記録の空
間的変化
(Gold 2006)
持続音 短音
波形の
加算平均
波形の
加算平均
時間的加算の効果
空間的加算により強い電位を形成す
るニューロンの配列
ネコ内側上
オリーブ核
(Smith 1995)
7
おおよその潜時 反応の起源 発達
聴性脳幹反応(ABR) 1 – 12 ms 脳幹の聴覚路 在胎24週で基本的な波
形は既にみられる
聴性中間反応(MLR) 12 – 70 ms 脳幹-聴覚皮質 P0-Naは33週頃から
Paは2歳頃から
頭頂部緩反応(SVR) 50 – 300 ms 聴覚皮質 N1は6-9歳
主な聴性誘発反応
(市川ら 1983)
P0
Na
遠隔電場電位として
頭皮から計測した場
合、
大脳皮質からの電位
はμVのオーダーで
あるが、脳幹の電位
は1μVを超えること
はない。
単純な音への反応であるABRであ
れば新生児からも記録することが
でき、髄鞘化が進行すると潜時は
短縮する
ABRの各ピークの起源
Ⅰ波:聴神経遠位端
Ⅱ波:蝸牛神経核
Ⅲ波:上オリーブ核
Ⅳ波:外側毛体核
Ⅴ波:下丘
8
頭皮から計測した脳幹の電位は
1μVを超えることはない。
聴性脳幹反応ガイドブック(舩坂宗太郎)
9
ABRの導出
導出電極=関電極 →頭頂中心部(Cz)
基準電極=不関電極(Referenceの訳語):脳波を拾いにくい場所が選ばれる
→刺激側と同側の耳垂(Ai: A ipsilateral)あるいは乳様突起
接地電極 →鼻根部あるいは前額部(Fz)
Ten-twenty electrode systemによる命名
Ai – Cz 誘導
ABRの誘導
Neuropackでは
Electrode(-) につないだ電極 - Electrode(+) につないだ電極
を計算し、負が上にくるように表示している。
AiをElectrode(-) につなぎ、CzをElectrode(+) につなぐことにより
Ai – Cz 誘導で
負 – 正 = 負で
負になる電位Ⅰ波からⅤ波が上向きになる。
Ai側が負になる反応が上向き
基準電極(不関電極)Ai―導出電極(関電極)Czの極性で計算す
るのは脳波としては異例だが、ABRではAi側が負になる反応が
主なので、これを上向きに見やすくするのが目的
ABRのⅠ波~Ⅴ波では
Aiは負の電位の影響を受けやすい
と覚えてよいだろう。
(市川ら 1983)
Cz側が正の反応が上になるようにまとめて表示すると
Cz側が負の反応が上になるようにまとめて表示したMLR
P0
Na
MLR, SVRの誘導
Neuropackでは
Electrode(-) につないだ電極 - Electrode(+) につないだ電極
を計算し、負が上にくるように表示している。
CzをElectrode(-) につなぎ、AiをElectrode(+) につなぐことにより
Cz – Ai 誘導で
負 – 正 = 負で
負になる電位No, Na, Nbが上向きになるようにしている。
Cz側が負になる反応が上向き=Ai側が正になる反応が下向き
導出電極(関電極)Cz―基準電極(不関電極)Aiの極性で計算するの
は脳波として普通。
Cz – Ai 誘導
(市川ら 1983)
MLR, SVRの誘導
Neuropackでは
Electrode(-) につないだ電極 - Electrode(+) につないだ電極
を計算し、負が上にくるように表示している。
CzをElectrode(-) につなぎ、AiをElectrode(+) につなぐことにより
Cz – Ai 誘導で
負 – 正 = 負で
負になる電位No, Na, Nbが上向きになるようにしている。
Cz側が負になる反応が上向き=Ai側が正になる反応が下向き
導出電極(関電極)Cz―基準電極(不関電極)Aiの極性で計算する
のは脳波として普通。
ABRの誘導
Neuropackでは
Electrode(-) につないだ電極 - Electrode(+) につないだ電極
を計算し、負が上にくるように表示している。
AiをElectrode(-) につなぎ、CzをElectrode(+) につなぐことにより
Ai – Cz 誘導で
負 – 正 = 負で
負になる電位Ⅰ波からⅤ波が上向きになる。
Ai側が負になる反応が上向き=Cz側が正になる反応が上向き
基準電極(不関電極)Ai―導出電極(関電極)Czの極性で計算す
るのは脳波としては異例だが、ABRではAi側が負になる反応が
主なので、これを上向きに見やすくするのが目的
Ai – Cz 誘導
Cz – Ai 誘導
Cz側が正の反応が上になるようにまとめて表示すると
P0
Na
ABRのような遠隔電場電位はCz positiveを上向きに
大脳皮質由来のEEGのような近接電場電位はCz negativeを
上向きに
表示するという習慣が一般的
聴性誘発反応の刺激音
クリック
Click durationが2s-0.3sでは閾値は変
わらなかった。
Click durationが0.3s-0.1sでは閾値が
2.5dB大きくなった。
RarefactionとCondensationでは閾値に
差がなかった。
(Stapells 1982 JASA)
刺激間隔 (ISI)・頻度
クリックを使って刺激頻度を5Hzから
80Hzまで増加させていくと、頻度が10
倍になると閾値が4.5dB小さくなった。
(Stapells 1982 JASA)
トーンバースト
Rise/Fall time
Plateau
Duration
周波数
トーンピップ
クリック音によるABR閾値は、会話音域
の聴力レベルを反映するものではない。
Duration
Plateau
Rise Fall
Decay
音圧の較正、ヘッドホンについて
ABR測定に用いるヘッドホンも、オージオメータの場合
と同様に較正が必要で、刺激装置+ヘッドホンの組み
合わせで販売しているメーカーで較正している。
人工耳
イヤホンを校正するための装置。音圧を測定するため
の校正されたマイクロホンと,ある周波数帯域内にお
いて全音響インピーダンスを正常な人間の耳に類似さ
せた音響カプラとからなる。
計測例:A社製ヘッドホンとB社製ヘッドホンの周波数
特性を比較すると厳密には一致しないことが分かる。
→自施設における正常値を決めておく。
90
95
100
105
110
115
120
125
130
135
100 1000 10000
吉江信夫 1984
dBnHL
ABRの潜時に影響する因子
被験者
聴力像
蝸牛・中枢聴覚路の障害
性差、頭の大きさ、体温、年齢
刺激音
音圧、Rise/Fall time
周波数、刺激頻度、マスキング
薬剤
麻酔薬
動物実験ではイソフルランで潜時延長の
報告があるが、脳外科の術中モニタリング
ABRでは吸入麻酔薬セボフルランも静脈麻
酔薬プロポフォールも維持投与量では影
響しないという報告。
中枢神経系薬剤(抗てんかん薬フェニトイ
ンやカルバマゼピン)
記録系
フィルタ
→自施設における正常値を決めておく。
(市川ら 1983)
MLR, SVRの誘導
Neuropackでは
Electrode(-) につないだ電極 - Electrode(+) につないだ電極
を計算し、負が上にくるように表示している。
CzをElectrode(-) につなぎ、AiをElectrode(+) につなぐことにより
Cz – Ai 誘導で
負 – 正 = 負で
負になる電位No, Na, Nbが上向きになるようにしている。
Cz側が負になる反応が上向き=Ai側が正になる反応が下向き
導出電極(関電極)Cz―基準電極(不関電極)Aiの極性で計算する
のは脳波として普通。
ABRの誘導
Neuropackでは
Electrode(-) につないだ電極 - Electrode(+) につないだ電極
を計算し、負が上にくるように表示している。
AiをElectrode(-) につなぎ、CzをElectrode(+) につなぐことにより
Ai – Cz 誘導で
負 – 正 = 負で
負になる電位Ⅰ波からⅤ波が上向きになる。
Ai側が負になる反応が上向き=Cz側が正になる反応が上向き
基準電極(不関電極)Ai―導出電極(関電極)Czの極性で計算す
るのは脳波としては異例だが、ABRではAi側が負になる反応が
主なので、これを上向きに見やすくするのが目的
Ai – Cz 誘導
Cz – Ai 誘導
Cz側が正の反応が上になるようにまとめて表示すると
P0
Na
ABRのフィルター
100Hz - 3000Hz
10ms – 0.33ms
MLRのフィルター
20Hz - 1000Hz
50ms – 1ms
単純な音への反応であるABRであれば新生児からも記録することができ、髄鞘化が進行すると潜時は
短縮する
Ⅰ波は新生児期から既に成人と同じ値を示す。Ⅴ波の潜時は2-3歳までに成人と同じになる
先天性難聴で1歳以降に人工内耳を挿入した子供では、その後Electrically evoked ABRのⅤ波の潜時
は健聴児の0-2歳と同様の短縮過程を示した(Thai-Van 2007) →聴覚路の成熟が”Frozen”
未熟児のABR波形の継時的変化
(Krumholz 1985)
30週
32週
34週
36週
38週
40週
0.1μV
1ms
Ⅰ Ⅲ Ⅴ
出生後のピーク潜時の継時的変化
(Zimmerman 1987)
11.1クリック
/s
18
単純な音への反応であるABRであれば新生児からも記録することができ、髄鞘化が進行すると潜時は
短縮する
Ⅰ波は新生児期から既に成人と同じ値を示す。Ⅴ波の潜時は2-3歳までに成人と同じになる。
市川 聴覚検査の実際
音圧を小さくするとABRのⅠ波以降の成分も遅れる
De Boer 2003 JASAのモデル
蝸牛基底板の進行波
頂回転
低周波
基底回転
高周波
低周波成分ほど遅れる
蝸牛基底板の進行波
頂回転
低周波
基底回転
高周波
4kHzのトーンバーストの場合
ちょうど4kHzの部位だけでなく前後の部位も振動する
蝸牛基底板の進行波
時間
1kHzで持続時間4msのトーンバーストの場合
音圧が小さい場合は1kHz担当の付
近のみ振動し神経も発火
音圧を大きくすると、特に基底回
転側(高周波担当)の部分も振動
し神経も発火
早く反応する成分が加わる
蝸牛基底板の進行波
時間
臨床的には、CE-Chirp®音により、より大きな振幅波形が得られ、
より容易に閾値の特定が可能となった。
より大きいABRの振幅(通常従来の2倍)によって低入力に対す
る閾値をより迅速で簡単に検出
ASSR測定でも迅速かつ信頼性の高い閾値付近の検出
新生児聴覚スクリーニングにおける迅速な自動ABR検出
Clickは広い範囲の周波数成分を
含む。
音圧を大きくすると高周波成分に
反応する基底回転側がより動員
される。
しかし低周波成分に反応した神経
発火ほど遅れるので重なりにくい。
Dau 2003 JASA
Chirpは低周波成分ほど早く始ま
るように合成されているので
重なりやすい。
反対側の耳にマスキングをかける。純音聴力検査と同様に、約50-55dBの減衰で検耳への刺激音が、反対側の耳に
伝わって、偽のABRを出すことがある(陰影反応:shadow response)
ABRの刺激音はクリックが普通であり、至適マスキング量の決定が難しいが、一般的には
検耳に90dBnHLのクリックを使うと、反対側に50dBnHL (90-40=50)のマスキング(スピーチノイズ)が入るプログラムが
よく使われている。
聴性誘発反応の臨床応用
ヘッドホンやイヤホンを正確に装着する。
電気抵抗を極力小さくおさえる。
反対側の耳にマスキングをかける。
他覚的聴力検査
(ABRとASSRでは睡眠の影響が異なるので注意)
聴性誘発反応による他覚的聴力検査
新生児聴覚スクリーニング、乳幼児の聴力検査
詐聴・機能性難聴の診断
伝音難聴と感音難聴の鑑別
補充現象、後迷路性難聴の診断
自動ABR
市販されているALGO® 3i®
(Natus Medical Incorporated)
乳幼児の難聴の1-3-6ルール
現在では生後1カ月で聴覚スクリーニング検査終了
生後3カ月までに精密検査で難聴の診断確定
6カ月までに補聴器を使った療育訓練開始
が望ましいと考えられている。
早期発見された児は、遅れて発見された児に比べて、言語能力に有意に高い。
Pediatrics. 1998 Nov;102(5):1161-71.
Language of early- and later-identified children with hearing loss.
Yoshinaga-Itano, Sedey AL, Coulter DK, Mehl AL.
生後6か月までに聴力を推定できる方法はABRなど聴性誘発反応に限られる。
聴性定常反応
ASSR: Auditory Steady-State Response
反応波形の主たる成分の周波数と一致する頻度で刺激音を呈示すると、
各反応波形が干渉しあい、一定の振幅の正弦波状の波形が得られる。
クリックを用いたMLR
クリックは1秒間に10回提示していて、100msの範囲の反応を加算平均
している。
ⅤはABRのⅤ波を示す。
解析区間を100msにしたまま、クリックを1秒間に40回の頻度に増やす
と25msの区間の反応が重なってしまうが、もともとPa、Pbの波形の間隔
が25msであるために、40Hzのピークは残る。
(Galambos 1981)
→40 Hz ASSRの起源はMLR
(市川ら 1983)P0
Na
25ms
記録電極
ABRと同様の脳波用電極
片耳刺激の場合はABRに準ずる
両耳同時刺激の場合は関電極を前額部(Fz)、不関電極を後頸部正中(C7)、接地電極は眉間あるいは鎖骨上が推奨
されている。
極性:波形の形状から極性はどちらでもよい。
記録用フィルタ:1-3000 Hz
市販されているAudera® (Interacoustics A/S) 市販されているNavigator® Pro MASTER II
(Natus Medical Incorporated)
音刺激
トーンピップや、正弦波的振幅変調音(SAM: Sinusoidally Amplitude-Modulated tone)
搬送周波数(CF: Carrier Frequency)を、「聴力検査の周波数」として用いる。
一般的に500, 1000, 2000, 4000 Hzが用いられる。
刺激頻度はSAMなどの場合、変調周波数(MF: Modulation Frequency)にあたる。反応波
形のうち、この周波数の成分を判定することになる。
覚醒時検査には40Hz
睡眠時検査には80-100Hz
が使われる。
MASTER: Multiple Auditory STEady-state Response
4つのCF(500, 1000, 2000, 4000 Hz)を各々異なるMFで変調した4種のSAMをミックスした
複合SAMを用いて、左右同時に各々4周波数の検査を行う。
正弦波的振幅変調音(SAM: Sinusoidally Amplitude-Modulated tone)
搬送周波数CF (Carrier Frequency) = 1000 Hz
変調周波数MF (Modulation Frequency) = 40 Hz
周波数のピークは
1000-40 (Hz), 1000 (Hz), 1000+40 (Hz)
AMを2重にかける(Navigator Proで採用)と立ち上がりが急になって反応が出やすくなるが、周波数特異性は悪くなる
AMの1周期は1000ms/40=25ms
正弦波的振幅変調音(SAM: Sinusoidally Amplitude-Modulated tone)
搬送周波数CF (Carrier Frequency) = 1000 Hz
変調周波数MF (Modulation Frequency) = 83 Hz
周波数のピークは
1000-83 (Hz), 1000 (Hz), 1000+83 (Hz)
MF=40Hzの場合より周波数特異性は悪い
AMを2重にかける(Navigator Proで採用)と立ち上がりが急になって反応が出やすくなるが、周波数特異性は悪くなる
AMの1周期は1000ms/83=12ms
Picton 2003
AuderaはMixed Modulationを採用
ここでは100%AM and 25%FM
Navigator ProはSAMを重ねている
AMを2重、3重にかけることによって、envelopeの立ち上がりが急峻になる。
→反応の振幅は大きくなり、潜時は短くなるが、周波数特異性は低くなる=スペクトルが
拡がる。
Navigator ProではN=2が使われている。
クリックも、反応の振幅は大きくなり、潜時は短くなるが、周波数特異性は低くなる=スペ
クトルが拡がる、ことを思い出す。
John 2002
刺激音の位相と反応
波形の位相がそろっ
ている(Phase Lock)
刺激音の位相と反応
波形の位相がそろっ
ていない(Random)
周波数別に閾値を推定
CSM: Component Synchrony Measure
反応の各周波成分が
MF: Modulation Frequencyに対して
位相固定しているかを表す
(Aoyagi 1993)
完全に位相固定だと1
位相がランダムになると0に近づく。
覚醒時の成人だと
MF=40Hzに対して
位相固定しやすい
睡眠時の成人だと
MF=40Hz, 80-100Hzに対して
位相固定しやすい
睡眠時の幼児(2-4歳)だと
MF=80-100Hzに対して
位相固定しやすい
覚醒時の成人だとMF=40Hzに対して位相
固定しやすい。
ノイズレベルより振幅が大きいのは40Hz
だけ。
睡眠時の成人だとMF=40Hz, 80-100Hz
に対して位相固定しやすい。
しかし睡眠時には40Hzの反応の振幅が
小さくなってノイズレベルに隠れてしまう。
80-100Hzでは睡眠時にはノイズレベル
が小さくなってASSRが見やすくなる。
睡眠時の幼児(2-4歳)だとMF=80-100Hz
に対して位相固定しやすい。
睡眠時には40Hzの反応の振幅が小さく
なってノイズレベルに隠れてしまう。
80-200Hzでは睡眠時にはノイズレベルが
小さくなってASSRが見やすくなる。
覚醒時の成人だとMF=40Hzに対して位相
固定しやすい。
ノイズレベルより振幅が大きいのは40Hz
だけ。
睡眠時の成人だとMF=40Hz, 80-100Hz
に対して位相固定しやすい。
しかし睡眠時には40Hzの反応の振幅が
小さくなってノイズレベルに隠れてしまう。
80-100Hzでは睡眠時にはノイズレベル
が小さくなってASSRが見やすくなる。
睡眠時の幼児(2-4歳)だとMF=80-100Hz
に対して位相固定しやすい。
睡眠時には40Hzの反応の振幅が小さく
なってノイズレベルに隠れてしまう。
80-200Hzでは睡眠時にはノイズレベルが
小さくなってASSRが見やすくなる。
MF=40HzのASSR
覚醒時の検査
睡眠時には振幅が減少する
MF=80Hz-100HzのASSR
睡眠時にも振幅が変わらない
睡眠時にはノイズが小さくなるので
反応が出やすくなる。
MF=80-100Hzの範囲でも、MFが小さ
い方が周波数特異性が高くなるの
で
幼児聴力検査では
80Hz ASSRが適している。
80Hz ASSRでの推定閾値●と純音聴力検査での閾値の比較(3-15歳)
ASSR閾値と聴力レベルの差は、軽度難聴ほど大きく、高度難聴では小さい。
(Aoyagi 1999)
1000Hz-4000HzではASSRの閾値と聴力レベルの差は5-10dB程度だが、500Hzではその差
が大きいという報告が多い。
(Vander Werff 2005)
乳幼児のASSRでの閾値(dBnHL)
CFが0.5, 1, 2 and 4 kHz
MFが95, 98, 101 and 105 Hz
ABRを用いた場合と同様に、ASSRで推定される聴覚閾値は生後に小さくなる。
(Savio 2001)
左右の耳で4-5周波数のASSR閾値を求めるためには長時間を要す。1-2時間かか
ることもある。
MASTER: Multiple Auditory STEady-state Response
4つのCF:搬送周波数(500, 1000, 2000, 4000 Hz)を
各々異なるMF:変調周波数で変調した4種のSAMをミックスした複合SAMを用いて、左
右同時に各々4周波数の検査を行う。
MASTERの模式図(青柳2012)
MASTERの模式図(青柳2012)
MASTERの模式図(青柳2012)
複合SAM音
4種類のCFの近傍にスペクトル
MASTERの模式図(青柳2012)
MASTERによる閾値推定の例
(Herdman 2003)
左右4種類の周波数あわせて8種類の
周波数における反応を測定できるが、お
音圧は変化させて測定しなければなら
ない。
CF=500Hz
MF=77Hz
CF=1000Hz
MF=85Hz
CF=2000Hz
MF=93Hz
CF=4000Hz
MF=101Hz
ASSRのまとめ(青柳2012)
聴性誘発反応の臨床応用
神経学的診断
脳性麻痺、水頭症、自閉症、ダウン症など
小脳橋角部腫瘍、脳幹腫瘍、脳血管障害、脊髄小脳変性症など
意識障害、脳死判定
術中モニタリング
クリック音によるABR閾値は、会話音
域の聴力レベルを反映するものではな
い。
クリック音によるABRは2k-4kHzの高音
部の聴力を反映する。
低周波の音をきかせた場合も、基底回
転側にある高周波の特徴周波数を持
つ蝸牛神経も発火する。
逆は成り立たない。高周波の音をきか
せた場合は、頂回転側にある低周波
の特徴周波数を持つ蝸牛神経には進
行波が届かないので発火しない。
→クリック音には高周波成分も低周波
成分も含まれるが、いずれに対しても
高周波の特徴周波数を持つ蝸牛神経
は発火しやすい。
⇔高周波の特徴周波数を持つ蝸牛神
経が発火するかどうかがABRに反映さ
れやすい。
ABR audiometry
伝音難聴と感音難聴
I/O curveを示す。
補充現象にも触れる。
ated responses for click
left panel! and
l
responses for one
bject ~right panel!, taken
al. ~2000! ~their Fig. 2, p.
imulation level was in
m 46 to 96 dB SPL, in
B. As for the data, the
hows two independent
or each level condition.
hows the stimulus.
FIG. 4. Same as in Fig. 3 but
for the chirp stimulus. In this
case, the level
ranged from 43 to 93 dB SPL.
The data were also taken from
Dau et al.
~2000!.
FIG. 5. Auditory-nerve rate fu
click ~left panels! and chirp st
panels!. Two level conditions
panels
Dau 2003
反対側の耳へのマスキングの必要性
片耳刺激で
左右2チャンネルの波形を示す。
聴性誘発反応の刺激音
クリック音
Stapells 1982 JASA
Click durationが2s-0.3sでは閾値は変わらなかった。
Click durationが0.3s-0.1sでは閾値が2.5dB大きくなった。
RarefactionとCondensationでは閾値に差がなかった。
トーンピップ
トーンバースト
Rise/Fall time
Duration
周波数
刺激間隔 (ISI)・頻度
Stapells 1982 JASA
クリックを使って刺激頻度を5Hzから80Hzまで増加させていくと、頻度が10倍
になると閾値が4.5dB小さくなった。
音圧の較正、ヘッドホンについて
聴性誘発反応の刺激音
-60
-50
-40
-30
-20
10 100 1000
1ms click 周波数特性 (L
言語音の処理過程を誘発電位に反映させるには、複数の刺激音への反応の差を見る
事象関連電位(ERP)という手法が必要になる
聴覚による言語理解に関連したERP
ERPの名称 おおよその潜時
聴覚による言語理解のどの過
程を反映しているか
Mismatch negativity (MMN) 100-250ms 音の弁別、音韻の弁別
N400 ~400ms
語彙の弁別、意味の弁別(語
のレベル、文のレベル)
Early left anterior negativity
(ELAN)
150-300ms
統語の判断
(主語と動詞の性・数一致など)
P600 ~600ms
統語の修正
(「太郎が リンゴに 食べた」)
Closure Positive Shift (CPS) 句の境界から~0.5ms 句の境界を同定
より単純な過程を反映する電位がより潜時が短いとは限らない
記録波形の時間分解能は高いが、加算平均した波形で議論するときはそうは言えない
53
言語音の処理過程を誘発電位に反映させるには、複数の刺激音への反応を比較する
事象関連電位(ERP)という手法が必要になる。
ERPの名称 おおよその潜時
聴覚による言語理解のどの
過程を反映しているか
Mismatch negativity (MMN) 100-250ms 音の弁別、音韻の弁別
刺激の種類 音の周波数の弁別 音圧の弁別 音韻の弁別
Standard (頻回に提示される音) 例 1500Hz 例 75dBSPL 例 /ka/
Deviant (稀に提示される音) 例 3000Hz 例 90dBSPL 例 /ga/
54
またMMNは人工内耳を使用している小児においても、音の物理的な特性の違い、音
韻の違いを弁別しているかの評価に利用できる
4-12歳の小児
スピーカーから音刺激を提示(Kileny 1997)
1500Hz vs 3000Hz 75dBSPL vs 90dBSPL /heed/vs/who’d/
55
事象関連電位(ERP)の発達
階層構造の各段階を担当する脳の機能が、誘発電位の潜時の異なる各反応に対応する。
言語の階層構造
形態素(名詞、動詞など)、句(主要な形態素+副次的な形態素)、文(名詞句+動詞句)という階層
構造が言語に普遍的に存在する。
言語の習得
発達に伴い、階層構造にほぼ沿うかたちで単純な音韻から複雑な文の理解へと継時的にできるよ
うになる。
56
言語の習得は、各言語に特有な音韻のセットを同定することから始まるが、音韻の違いに対する
反応をMismatch Negativity (MMN)で検出すれば、この過程を裏付けられる
1歳までに母音の長短の違い、ストレスの違い、音韻と音韻の接続が適切かといった母国語の特
徴を判別できることをMMNが示している
57
母音の長短に対するMMN(2ヶ月児と成人) Friedrich (2004)
さらに語の意味の弁別が必要となるN400は1歳半までに記録される
14ヶ月児
物のイラストを見せながら単語を提示(Friedrich 2005)
例:
家のイラストのとき”Haus”ならcongruous word
家のイラストのとき”Apfel”ならIncongruous word
単語の使用頻度などで説明できる可能性も残る
58
誘発電位の限界
機能局在を説明できるほど空間分解能が高くない。
記録波形の時間分解能は高いが、加算平均した波形で議論するときはそうは言えない。
電位が大きいことと、言語の理解との対応関係が不明瞭
Neural correlateとは何?
例えば発火頻度と判断の正答率が相関する(Newsome)ほどの緻密さは見えてこない。
まだ言語の生物学的基礎を示していない。
59
症例
聴神経腫瘍
脳幹梗塞
など
Auditory Neuropathyの例
OAEも示す。
Q1 なぜ小児期に難聴を
発見する必要があるのか
「アヴェロンの野生児」って? Wikipediaより引用:
アヴェロンの野生児(アヴェロンのやせいじ)とは、1797年頃に南フランスで発見され、捕獲され
た少年(野生児)。捕獲当時11から12歳程度だったとされる。発見当時は完全に人間らしさを
失っており、軍医だったジャン・イタール (Jean Itard) によって正常な人間に戻すための教育が
行われた。5年間にわたる教育の結果、感覚機能の回復などいくつかの改善はみられたものの、
完全に回復することはできなかった。言語については、アルファベットを順序立てて並べること
に成功したが、「牛乳」(レ、lait)という言葉をなんとか発声した程度で会話は不可能のままだっ
た。これは神経言語学で言われる「言語獲得の臨界期」を過ぎてしまったためであると考えられ
ている。
言語獲得のCritical Ageは
中途失聴後の言語の崩壊
4歳~5歳
蝸電図
APとは蝸牛神経を構成する数多くの神経線維各々の活動電位(single unit AP)の重複電位である。
SPは刺激音の持続に一致して基線の陽・陰性側への変位として記録される電位である。-SPは内有毛細胞に、+SPは外有毛細胞に起因し、観察され
るSPはその総和と考えられている。SPは蝸牛有毛細胞の受容器電位で、基底板の非線形性を反映している。
SP/APの増大はSP振幅自体の増大によるというのが大方の意見である。
DNSPの有無は聴力レベルの変化や罹病期間と無関係といわれている。
DNSPの発生機序として、内リンパ圧の上昇や内リンパ液の変化などが報告されているが、まだ不明な点が多い。
外耳道の鼓膜輪付近に留置した銀ボール電極を用いて蝸電図を測定した。同側の乳様突起部に不関電極を、前額正中部に接地電極を置き、音刺
激には95 dB nHLのクリック音を使用した。1000回加算波形から加重電位(summating potential (SP))と蝸牛神経複合活動電位(compound action
potential (AP))を測定した。
-SP
AP 0.2μV
1ms
蝸電図:外耳道誘導
-SP/AP比0.41以上を異常増大と判定
蝸牛神経
蝸牛神経核
下丘
内側膝状体
聴覚皮質
聴覚伝導路の解剖(背面から見たところ)
EPSP
Far Field Potential
Near Field Potential
平均加算法
67
ABRの導出
導出電極=関電極 →頭頂中心部(Cz)
基準電極=不関電極(Referenceの訳語):脳波を拾いにくい場所が選ばれる
→刺激側と同側の耳垂(Ai: A ipsilateral)あるいは乳様突起
接地電極 →鼻根部あるいは前額部(Fz)
上図のV1-V2を出力する差動増幅器を使えば
Cz – Ai 誘導(Cz – Ai を計算する)では、Czが正の電位が上にくるように設定してあるので
正 – 負 = 正のピーク(下向き)が観察されている。
逆に
Ai – Cz 誘導( Ai – Cz を計算する)では、負の電位が上にくるように設定してあるので
負 – 正 = 負のピーク(上向き)が観察されるはず。
→ABR装置の通常使用では、Ⅰ波~Ⅴ波が、負のピーク(上向き)として表示されるように
AiをV1につなぎ、CzをV2につなぐ。

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新人研修 ABR ASSR 2017

Editor's Notes

  1. 誘発電位は時間分解能に優れていること、また聴覚系自体が音刺激の時間情報の伝達に優れていることから、誘発電位は聴覚研究の広い範囲に応用される。
  2. Thirty rats (350-450 g) of the Sprague-Dawley strain (Hilltop Labs, Scottsdale, PA) were anesthetized with urethan (1.5 g/kg; Sigma) and placed in a stereotaxic apparatus. The body temperature of the rat was kept constant by a small animal thermoregulation device. The scalp was removed, and a small (1.2 × 1.2 mm) bone window was drilled above the hippocampus (centered at AP = 3.5 and L = 2.5 mm from bregma) for extra- and intracellular recordings. A pair of stimulating electrodes (100 µm each, with 0.5-mm tip separation) were inserted into the left fimbria-fornix (AP = 1.3, L = 1.0, V = 3.95) to stimulate the commissural inputs. Extracellular and intracellular electrodes were mounted on two separate manipulators on opposite sides of a Kopf stereotaxic apparatus. The horizontal axes of the two manipulators were parallel. The manipulator of the extracellular electrode was mounted at a 10° angle from vertical to permit the subsequent placement of the intracellular electrode. The optimal distance between the electrodes at the brain surface to cause the tips to arrive at the same point at the level of the hippocampus (2 mm deep) was calculated to be ~370 µm. The extracellular electrode was lowered into the cell body layer of CA1 by monitoring for the presence of unit activity and evoked field potentials. Once the intracellular and extracellular electrode tips were placed in the brain, the bone window was covered by a mixture of paraffin (50%) and paraffin oil (50%) to prevent drying of the brain and decrease pulsation. The intracellular micropipette was then advanced into the region near the extracellular electrode, and an intracellular recording from a CA1 pyramidal cell was obtained. If no extracellular and intracellular pairs were encountered after advancing the micropipette through the CA1 pyramidal layer and stratum radiatum, the intracellular electrode was withdrawn, and a new intracellular electrode track was made from the cortical surface.
  3. Ⅰ波:聴神経遠位端の活動電位 Ⅱ波:蝸牛神経核のシナプス後電位 Ⅲ波:上オリーブ核 Ⅳ波:外側毛体核 Ⅴ波:下丘
  4. 27-29週からABR 在胎24週で基本的な波形は既にみられる。 未熟児では28-34週にかけて急速に潜時が短縮する。 下部脳幹由来のピーク潜時の短縮は小さく、上部脳幹由来のピーク潜時の短縮は大きい。 1歳以降の後天性難聴では難聴になる前にmaturationが既におきており、その後は5波の短縮は少なかった。
  5. Figure 8. Stimuli used to evoke auditory steady-state responses. This figure shows various types of stimuli that have been used to evoke the auditory steady-state responses. The stimulus waveforms are plotted in the time domain on the left, and the spectra of the stimuli (based on a much longer time sample) are shown on the right. These data were obtained by calculation; electric and acoustic waveforms would be basically similar, with some filtering effects during passage through the signal generators and transducers. The TONES represent brief tone-bursts of 1000 Hz with the commonly used 2-1-2 envelope, with rise and fall times of two cycles (2 ms) and a plateau of 1 cycle (1 ms). The spectrum shows a broad splatter of energy into frequencies far removed from the nominal frequency of the tone. The BEATS were obtained by adding together continuous tones of 958 and 1042 Hz. The sinusoidally amplitude-modulated (SAM) tone used a carrier of 1000 Hz and a modulation frequency of 84 Hz. There are spectral peaks at the carrier frequency and at one sideband above and below the carrier, separated from it by the modulation frequency. The SIN³ tone used a modulation envelope based on the third power of the usual sinusoidal envelope (John et al, 2002a). The spectrum contains three sidebands on either side of the carrier. The FM tone is sinusoidally modulated with a depth of modulation of 25%. The MM tone has mixed modulation (100% AM and 25% FM), with both modulations occurring at 84 Hz. The bottom set of data represent independent amplitude and frequency modulation or IAFM, with 50% amplitude modulation at 84 Hz and 25% frequency modulation at 98 Hz. The spectrum shows a complex set of peak but all the energy remains concentrated around 1000 Hz. All the time waveforms are plotted so that they have the same peak amplitude. The spectra are plotted logarithmically over a range of 50 dB relative to the maximum peak in the spectrum.
  6. Figure 1. Exponential envelopes. The left column of the figure shows the exponential envelopes used in this study. The middle column shows the slope of the envelope and the third column shows the acceleration of the envelope. The maxima for both slope and acceleration occur at a later latency as the power of the exponential envelope increases (indicated by the arrowheads). The right column shows the spectrum of the envelope signal (left column), plotted using a linear scale, at twice the size of the time signal in the left column. The amplitude at 0 Hz, which indicates the offset of the signal, increases with increasing N. In addition the amplitudes at the harmonics of fm increase with N > 1.
  7. MMN: 聴覚野 意識レベル低下してもでる attentionかけるとはっきりする。 N400: 聴覚野、頭頂葉 N400の発生源は海馬傍回,上側頭回,前部紡錘状回,下前頭回などに推定されている 中心部・頭頂葉優勢 太郎が 冷蔵庫を 食べた の食べたから400ms後 文法エラーに関係した部分は左脳の前頭部を中心に出ることからLANといわれる。LAN とは、刺激呈示後約300~500 ミリ秒の潜時帯で左前頭部に現れる陰性 波(left anterior negativity)のことであり、形態・統語的な処理を反映していると言われている。 句構造逸脱(単語の違反)や形態統語的逸脱(主語と動詞の性・数の一致違反) 刺激呈示後約500~800 ミリ秒の潜時帯で中心~頭頂部の広い範囲に現れる陽性波P600 は、統語処理および、および文処理における「統合」の役割を反映しているといわれている。Perisylvian 太郎が リンゴを 食べた が文法的に正しい文だと思うことを文の再解釈とよびそれを反映しているのがP600
  8. 無視条件下(inattend condition)のオッドボール課題で低頻度偏奇刺激に対するERPs から標準刺激(standard stimulus)に対するERPs を引算した際に、潜時100~ 200 ms に出現する陰性電位です。1978 年にNäätänen らによって発見されました。注意に関連しない感覚情報自動処理関連電位と考えられています。
  9. 脳内感覚情報処理の仮説として、入力された感覚情報処理は注意を必要としない自動処理過程と注意処理過程が時間的に並行して行われていると考えられていますが、その中でも自動的処理過程が先行してその後必要な場合は注意的な処理過程に進むという二段階仮説(two stage theory)があります。自動的な処理過程では入力情報は以前の記憶と比較照合され、変化があればミスマッチとされます。その反応が注意シフトのきっかけ(cue)となれば情報は注意処理過程へと進みます。この仮説は膨大な情報が外界から入力されてくるなかで、大脳に必要以上に負荷をかけることなく情報を迅速かつ効率よく処理し、行動決定するシステムをうまく説明しています
  10. 音韻的にpseudowordではN400出るが、音韻的に正しくないpseudowordではN400出ない。前者は単語の候補としてincongruousとみなされている。N400 は文ばかり ではなく単語リストを刺激として用いても出現しますが、その場合潜時は文を用いた 場合よりも短くなります