Neurotech(ニューロテック)の基礎

Neurotech(ニューロテック)
の基礎
編集者 Hayato Waki

目次
イントロ
Neurotech 全体像
01
02
Neurotech 基礎知識
ユースケース
03
04

自己紹介
和木勇人(Hayato Waki)
(https://wakkihaya.com)
NeurotechJP 編集者
Ex: 日本と米国のスタートアップにて共同創業者・エンジニア
https://facebook.com/waki.hayato.1 https://linkedin.com/in/wakkihaya/ https://github.com/wakkihaya
Neurotech分野の世界最先端
で活躍する先人へのインタビ
ューやトレンド、コラムなど
を発信
https://neurotechjp.com

Neurotech 市場
$25b+
投資総額
450+ 社
650+
投資家
Source: analytics.neurotech.com

世界中のNeurotech企業

使われるNeurotech技術

国ごとのプロジェクト
EU
“Human Brain
Project” (2013)
中国 🇨🇳
“China Brain Project”
(2016)
アメリカ 🇺🇸
“Brain Initiative”
(2013)
日本 🇯🇵
“Brain/Minds”
(2014)

‘Decade of the Brain’(U.S.),
脳の最先端研究計画始動
イーロンマスクが、
超広帯域BCIを開発する
Neuralinkを創業
1990年代 2017
2004
脳を使ってリアルタイムで、
ロボットアームを動かす研究
(Wessberg J, Nicolelis MAL)
90年代以降のブレイクスルー

Neurotechとは？
Neurotechは、
「技術的な装置と神経系との間の直接的な接続を可能
にする一連の方法および装置」
と定義されている。
(Fuentes, Hidalgo, & Yuste, 2019).
Neurotechは、右図のように分解することができる。
ブレイン
コンピュータ
インターフェイス
認知機能
アセスメント
遺伝子治療
神経義肢
ニューロ
フィードバック
神経情報学
ニューロ
モデュレーション
脳機能
モニタリング/
イメージング
神経薬理学
脳神経外科
Neurotechのマインドマップ

ニューロモデュレーション (Neuromodulation) は、
刺激を与えて神経活動を変化させる技術である。
電気刺激や化学物質などの刺激を体内の特定の神経部位に与えるこ
とで、神経活動を変化させることができる。
その刺激にはいくつかの種類があり、それぞれが異なる特性と用途
を持っている。
 脳深部刺激療法 (Deep brain stimulation)
 仙骨神経刺激 (Sacral nerve stimulation)
 脊髄刺激療法 (Spinal cord stimulation)
 迷走神経刺激療法 (Vagus nerve stimulation)
 経頭蓋磁気刺激法 (Transcranial magnetic stimulation)
 薬理学的刺激 (Pharmacological stimulation using drugs)
ニューロモデュレーション
侵襲型ニューロモデュレーション
非侵襲型ニューロモデュレーション

脳機能イメージング (Neuroimaging) とは、
様々な技術を用いて、神経系の構造、機能などを直接的
または間接的に画像化する技術である。
脳機能イメージング/モニタリング
MRI スキャン
磁界と電波を使用
PET スキャン
“トレーサー”という
放射生物質を使用
CT スキャン
X線を使用
脳機能モニタリング (Neuromonitoring) は、
脳、脳幹、脊髄、末梢神経、脳神経の機能を検査する
ために使用される。
EEG(Electroencephalography)
脳の表面で発生する
電気信号を測定
MEG(Magnetoencephalography)
電気信号によって発生する
磁場変化をとらえ
脳の機能を解析

認知機能アセスメント (Cognitive assessment) とは、脳や認知
機能の発達、社会的認知機能の向上、職業能力の向上などを目
的とした活動である。
精神疾患を持たない健康な人を対象に、新しい神経技術を用い
て、認知能力や情動能力を評価・改善する。
認知機能アセスメント

ニューロフィードバック (Neurofeedback) は、記憶力、注意力、処理速度、実行機能
などの心理的な認知機能の改善を目的とした技術である。
患者は、脳波の活動をリアルタイムで可視化し、訓練によって脳波を変化させる。ニ
ューロフィードバック療法は、ADHDなどの様々な神経症状の治療に使用されている。
ニューロフィードバック

ブレイン・コンピュータ・インターフェース (Brain-Computer Interface)は、
脳と機械とのコミュニケーションを可能にするシステムである。
脳の信号を収集・処理し、受け取った脳の信号に応じて機械に命令を伝える、
という3つのステップで動作する。
ブレイン・コンピュータ・インターフェイス
非侵襲
センサーを頭皮に設置し、
EEGやMEGで発生する
活動を測定。
半侵襲
脳の表面に直接
電極を設置。(ECoG)
侵襲
半侵襲よりも深い位置の
大脳皮質にマイクロ電極を
設置し、一つ一つの
ニューロンの活動を測定。

神経薬理学 (Neuropharmacology) は、神経系に影響を与える薬物
についての学問分野である。
神経疾患や精神疾患に苦しむ人々に役立つ治療開発するだけでな
く、気分をより良くすることを目的としたドラッグ開発もこの分
野に該当する。
この分野の研究では、神経系のバランスを整える新薬の開発だけ
でなく、臨床使用における安全性と有効性のレベル評価も重要と
なってくる。
神経薬理学

遺伝子治療 (Gene therapy) は、病気の治療や予防のために遺伝子を利用する技術である。
将来的には、医師による薬や手術治療の代わりに患者の細胞に遺伝子を注入することで、
病気を治すことができるかもしれない。
遺伝子治療
遺伝子治療には、様々な方法がある。
● 疾患の原因となる遺伝子を健康な遺伝子と置き換える
● 正常に機能していない病気の原因となる遺伝子を不活性化
する
● 病気を治療するために、新しい遺伝子や改変された遺伝子
を体内に注入する

神経義肢 (Neural prostheses) とは、怪我や病気によって損
なわれた運動機能、感覚機能、認知機能を代替する一連の
装具のことである。
半身不随の患者のために、運動機能の回復だけでなく、リ
ハビリテーションを目的とした神経義肢も開発されている。
ブレイン・コンピュータ・インターフェースの技術を用い
て、測定した脳からの信号を義肢に伝達している。
神経義肢

脳神経外科 (Neurosurgery) は、脳、脊髄、末梢神経、
脊椎、脳血管系などの障害に関して、予防、診断、
外科的治療、およびリハビリテーションをおこなう
臨床医学の1つの分野である。
脳神経外科

神経情報学 (Neuroinformatics) とは、実験データの共有、統合、分析、および神経
系の機能に関する理論の発展のために、神経科学のデータや、計算モデル、分析ツ
ールを開発する研究分野である。
神経情報学

ニューロサイエンス
(神経科学)
ソフトウェアハードウェア
Neurotechの3つの要素

ニューロサイエンスとは、
神経系がどのような発達、構造、活動をしているのか
を研究する学問である。

脳の構造(大脳辺縁系)
前頭葉 (Frontal lobe)
前頭葉は、
一般的に、感情調整、計画、推論、
問題解決などの高次の実行機能
を司る。
側頭葉 (Temporal lobe)
側頭葉は、
聴覚、言語の認識、記憶の形成に重
要な感覚的な情報の処理を司る。
頭頂葉 (Parietal lobe)
頭頂葉は、
触覚、温度、圧力、痛みなどの
感覚情報の統合を司る。
後頭葉 (Occipital lobe)
後頭葉は、
脳内の主要な視覚処理を司る。
一次視覚野は、V1とも呼ばれ、
目からの視覚情報を受け取る。

脳の構造(続)
脳幹 (Brainstem)
脳幹は、
心臓の鼓動や呼吸など、
生命維持に関わる重要な働きをする。
また、知覚情報や運動命令を
中継する役割もする。
小脳 (Cerebellum)
小脳は、
運動制御を司る。
運動の力の大きさのコントロールや
姿勢の維持、運動学習など
運動調節機能に関わる。
脳幹小脳

神経系
中枢神経系 (CNS)
脳と脊髄から成る。
全身から集まる情報を処理し、
指令を発信する。
末梢神経系 (PNS)
中枢神経系と体の各部間の
情報や指令のやり取り
を行う。

神経細胞
遺伝情報の伝達、
細胞の構造の維持、
エネルギーの供給を行う。
細胞体(Cell body)
軸索や他の細胞から
信号を受け取り、
処理を行う。
樹状突起(Dendrite)
長い尾のような構造をする。
軸索小丘という特殊な接合部
で細胞体と結合する。
軸索(Axon)

ソフトウェア
特に機械学習、深層学習などのデータサイエンス技術。
脳波を解析したり細胞の活動を特定するのに
重要である。

脳波の種類
デルタ波
熟睡中
~ 4Hz
シータ波
浅い睡眠
4 ~ 8Hz
アルファ波
リラックス
8 ~ 14Hz
ベータ波
緊張、不安
14 ~ 23Hz
ガンマ波
怒り、興奮
23 ~ Hz

EEG BCIの使われ方
刺激誘発電位
誘発電位(EP)は、聴覚、視覚、体性感覚など
の特定の種類の刺激が被験者に提示された
ときに、誘発して発生する典型的な電気信
号である。
緩皮質電位(SCPs)
緩皮質電位は、300ミリ秒から
数秒続く、正と負の電気信号
である。
律動様小波(OP)と事象関連脱同期(ERD)
動きをイメージした時に、
mu領域(8~12Hz)の脳波が
減少する反応(ERD)。
運動関連電位(MRPs)
運動関連電位は、運動開始の1〜2秒前
から徐々に増加する負の電気信号
である。
EEG BCIs
(非侵襲)

刺激誘発電位
P300 電位
P300 とは、刺激を受けてから
およそ300ミリ秒後に発生する
事象関連電位である。
聴覚誘発電位(AEP)
AEPとは、音響刺激によって頭皮上
や鼓室、外耳道から記録される
誘発電位である。
定常状態視覚誘発電位
(SSVEP)
SSVEPとは、定期的な視覚刺激を
与えることで視覚野に生じる
視覚誘発電位である。

ハードウェア
非侵襲的BCIでは
ノイズの少ないクリーンなデータを取得するため、
侵襲的BCIでは
脳に障害を与えないことが重要であるため、
高いハードウェアの技術が求められる。

10-20 システム
脳波の動きをとらえる電極をチャンネルと呼ぶ。
一般的なEEGシステムでは、1つのチャンネルから256のチャ
ンネルを持つことができ、頭部でのチャンネル配置は10-20シ
ステムと呼ばれる。
10-20システムは、頭皮のチャンネルの位置を説明するために
公式に認められた方法である。

” コンピュータの知能が向上する今、人間の脳とコンピュータが
結合することで何が可能になるでしょうか。恐ろしいことのよ
うに聞こえるかもしれませんが、脳とコンピュータをつなげた
インターフェースは、脳障害の治療や脊髄損傷の修復など、数
え切れないほどの用途に役立ちます。”
Bill Maris, founder/CEO of Google Ventures

 感覚機能の回復
 運動機能の回復
 コミュニケーション
 脳で動かす車椅子
 Webブラウジング
 教育と学習
 セキュリティと認証
 ゲーム・エンターテインメント
 アート
 瞑想・集中・睡眠
医療目的
アプリケーション
非医療目的
アプリケーション
BCIを用いたアプリケーション
More…
More…

感覚機能の回復
例：
聴覚障害者のための人工内耳
医療目的アプリケーション
運動機能の回復
例：
手足が切断された人や
麻痺している人のための義肢
コミュニケーション
手足不自由な人が、BCIを用い
てカーソルやキーボード
の操作が可能
脳で動かす車椅子
ハイレベルのコマンド
(例「キッチンにいく」)を
脳波で選択することで操作可能

非医療目的アプリケーション
BCIを用いて
Google Earchを探索
「スクロール」、「セレクト」、「バック」
のいずれかのコマンドを念じて選択
BCIを用いて
学生の集中力・成績向上
Neurosky社の機器を用いて、
運動中の学生の注意力を向上
BCIを生体認証などのセキュリティ問
題に適用
EEG信号から得られる特徴的なα波を、
本人確認のための生体署名として利用
BCIを用いて
ゲームやエンタメを実行
動作を念じて、
ゲーム「テトリス」を行う
脳で操るアート
“The Ascent”: 脳波計とハーネスに繋がれた人が、
集中度に応じて空中に吊り上げ/下げられる。
脳波に基づく瞑想
脳波を測定し、
脳が落ち着いているか・活動しているかを分析

課題(Challenges)
倫理
特に医療目的以外の目的でNeurotechを利用する場合、
ユーザーの脳波情報を取得するにあたり、
プライバシー保護が重要視される。
データ収集時のノイズ
主信号に含まれる不要な信号は、瞬きなどの少しの反応
で発生し、ノイズ、アーティファクトなどと呼ばれる。
そのためEEGベースのBCIでは、
ノイズが最大の課題である。
感覚情報が最終的にどこに出力されるのか、
運動情報はどこから入力されているのか、
予測不可能な伝達ルートがある高次学習系(記憶など)では
入力と出力の関係をどう定義するのか。
ユーザー体験
Neurotechは、人間とコンピュータのインタラクションを
向上させる大きな可能性を秘めている一方、
ユーザーに対してどのような適応戦略を展開するか、
また、どのようなユーザー体験を提供するかによって、
受け入れ方が大きく異なる。

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