JP7266873B2 - Brain activity stimulation system and brain activity stimulation device - Google Patents
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この開示は、脳活動刺激システム、および脳活動刺激装置に関し、より特定的には、脳活動に対して外部から刺激を与える脳活動刺激システム、および脳活動刺激装置に関する。 TECHNICAL FIELD This disclosure relates to a brain activity stimulation system and a brain activity stimulation device, and more particularly to a brain activity stimulation system and a brain activity stimulation device that externally stimulate brain activity.
スポーツや音楽演奏などでは、連続的な動作を必要とする系列運動が行われる。この系列運動において、失敗すると罰(例えば、スポーツにおいて負けるなど)を受ける緊張(ストレス)があると、普段と同じ系列運動を行うことができずにパフォーマンスが低下することが知られる。トップレベルのアスリートや演奏家であっても、大会やコンクールの重要な場面において緊張(ストレス)により、普段の実力を発揮できないことが知られている。 In sports, music performances, and the like, series movements that require continuous motion are performed. It is known that if there is tension (stress) in which failure in this series of exercises results in punishment (for example, losing in a sport), the same series of exercises as usual cannot be performed and performance deteriorates. It is known that even top-level athletes and musicians are unable to demonstrate their usual abilities due to tension (stress) in important scenes of competitions and competitions.
従来、緊張によるパフォーマンスの低下について、非特許文献1では、到達運動や把持力の生成など単純な運動課題が、大きな報酬を予測する線条体の活動であると捉えられている。
Conventionally, regarding performance deterioration due to tension, Non-Patent
しかし、非特許文献1では、到達運動や把持力の生成など単純な運動についての脳活動を研究されているにすぎず、スポーツや音楽演奏などで特徴となる高速の系列運動についての脳活動については研究の対象とそれていない。また、非特許文献1では、運動についての脳活動を捉える研究はなされているが、当該脳活動に対して積極的に刺激を与えるなどの操作は行っていない。
However, Non-Patent
本開示は、上記のような問題を解決するためになされたものであって、ある局面における目的は、失敗すると罰を受ける緊張(ストレス)が付加された状態で系列運動を行う場合に、パフォーマンスの低下を抑える脳活動刺激システム、および脳活動刺激装置を提供することである。 The present disclosure has been made to solve the above-described problems, and the purpose in a certain aspect is to improve the performance of a series exercise when performing a series exercise with added tension (stress) that is punished if it fails. It is an object of the present invention to provide a brain activity stimulating system and a brain activity stimulating device that suppress a decrease in
ある実施形態に従うと、脳活動に対して外部から刺激を与える脳活動刺激システムであって、ストレスが付加された状態で系列運動を行う被験者の脳における前帯状皮質背側部での活動の位置を、機能的核磁気共鳴画像法で特定する脳活動特定部と、被験者の前帯状皮質背側部での活動を低下させるため、脳活動特定部で特定した位置に外部から刺激を与える外部刺激部と、を備える。 According to one embodiment, a brain activity stimulation system for externally stimulating brain activity, wherein the activity is located in the dorsal anterior cingulate cortex in the brain of a subject performing sequence movements under stress. is identified by functional nuclear magnetic resonance imaging, and external stimulation is applied to the location identified by the brain activity identification section to reduce activity in the dorsal area of the anterior cingulate cortex of the subject. and an external stimulator.
好ましくは、脳活動特定部で被験者ごとに特定した脳活動の位置を記憶する記憶部を含む制御部を、さらに備える。 Preferably, the apparatus further includes a control unit including a storage unit that stores the location of brain activity identified for each subject by the brain activity identification unit.
好ましくは、脳活動特定部で特定する位置は、MNI標準座標系での[0,36,36]の位置を少なくとも含む所定の範囲である。 Preferably, the position specified by the brain activity specifying unit is a predetermined range including at least the position [0, 36, 36] in the MNI standard coordinate system.
好ましくは、外部刺激部は、脳活動特定部で特定した位置に、外部から経頭蓋磁気刺激法で磁気刺激を与える。 Preferably, the external stimulator externally applies magnetic stimulation to the location identified by the brain activity identifying unit by transcranial magnetic stimulation.
別の実施形態に従うと、脳活動に対して外部から刺激を与える脳活動刺激装置であって、外部から被験者の脳に刺激を加える印加部と、ストレスが付加された状態で系列運動を行う被験者の脳における前帯状皮質背側部での活動の位置に、被験者の前帯状皮質背側部での活動を低下させるため刺激を加えることができるように印加部を固定する固定部とを、備える。 According to another embodiment, there is provided a brain activity stimulator for externally stimulating brain activity, comprising an applying unit for externally stimulating the subject's brain, and performing series exercise in a stressed state. a fixation portion for fixing the application portion to a location of activity in the dorsal anterior cingulate cortex in the subject 's brain so that stimulation can be applied to reduce activity in the dorsal anterior cingulate cortex of the subject ; Prepare.
ある実施形態に従う脳活動刺激システム、および脳活動刺激装置では、失敗すると罰を受ける緊張(ストレス)が付加された状態で系列運動を行う場合に、パフォーマンスの低下を抑えることができる。 A brain activity stimulation system and a brain activity stimulation device according to an embodiment can suppress a decrease in performance when performing a series exercise under the added strain (stress) of being punished for failure.
<実施の形態1>
本実施の形態1について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰返さない。
<
The first embodiment will be described in detail with reference to the drawings. The same or corresponding parts in the drawings are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated.
図1は、実施の形態1における脳活動刺激システム100の構成を示すブロック図である。図1を参照して、脳活動刺激システム100について説明する。脳活動刺激システム100は、脳活動の位置を機能的核磁気共鳴画像法で特定する脳活動特定部10と、脳活動の位置に外部から刺激を与える外部刺激部20と、脳活動特定部10と外部刺激部20とを関連付ける制御部30とを含んでいる。
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of brain
脳活動特定部10は、失敗すると罰を受ける緊張(ストレス)が付加された状態で系列運動を行う被験者の脳活動の位置を、機能的核磁気共鳴画像法で特定している。ここで、機能的核磁気共鳴画像法(fMRI:functional Magnetic Resonance Imaging)は、核磁気共鳴画像法(MRI:Magnetic Resonance Imaging)を利用して、ヒトの脳活動に関連した血流動態反応を視覚化する方法である。特に、機能的核磁気共鳴画像法では、感覚刺激や認知課題遂行による脳活動と安静時や対照課題遂行による脳活動の違いを検出して、関心のある脳機能の構成要素に対応する脳賦活領域を特定することが可能である。
The brain
外部刺激部20は、脳活動特定部10で特定した被験者の脳活動の位置に外部から刺激を与える。外部刺激部20が脳活動に与える刺激は、磁気刺激、電流刺激、超音波刺激など、いずれの刺激であっても、また、複数の刺激を組み合わせたものであってもよい。以下の説明では、外部刺激部20は、経頭蓋磁気刺激法(TMS:Transcranial magnetic stimulation)を用いて脳活動に磁気刺激を与えるものとする。経頭蓋磁気刺激法は、電磁石によって生み出される急激な磁場の変化により、弱い電流を脳の組織内に誘起させることで、脳内のニューロンを刺激する方法である。
The
制御部30は、例えばコンピュータであって、脳活動特定部10で特定した被験者の脳活動の位置を読み出し、当該位置に刺激を与えるように外部刺激部20を制御する。制御部30は、脳活動特定部10および外部刺激部20と通信可能に接続されており、その接続は有線、無線のいずれであってもよい。もちろん、制御部30は、脳活動特定部10と外部刺激部20とを関連付ける構成であればよく、単に脳活動特定部10から特定した被験者の脳活動の位置を読み出し、表示するだけの構成で、使用者が当該表示に従い脳活動特定部10で特定した位置を外部刺激部20で刺激を与えてもよい。さらに、脳活動刺激システム100は、制御部30を設けずに脳活動特定部10,外部刺激部20のみで構成してもよい。つまり、脳活動刺激システム100は、脳活動特定部10で特定した脳活動の位置を、直接または使用者が間接的に外部刺激部20に渡して、当該位置に外部刺激部20で刺激を与えるシステムでもよい。
The
制御部30は、図示していないが記憶部を含んでおり、脳活動特定部10で特定した被験者の脳活動の位置情報を個人ごとに記憶部に記憶することができる。また、制御部30は、個人を識別する情報(例えばID情報)を入力すると、対応する個人の脳活動の位置の情報を記憶部から読み出し、出力することができる。もちろん、脳活動特定部10に記憶部を設け、当該記憶部に脳活動特定部10で特定した被験者の脳活動の位置情報を個人ごとに記憶してもよい。
The
脳活動刺激システム100では、スポーツや音楽演奏などで特徴的な系列運動において失敗すると罰を受ける緊張(ストレス)が付加された状態において、系列運動のパフォーマンス低下の原因となる内側前頭葉(特に、前帯状皮質背側部(dACC:the dorsal anterior cingulate cortex))の活動を脳活動特定部10で個人毎に特定する。これまで、失敗すると罰を受ける緊張(ストレス)が付加された状態で系列運動を行う場合に、系列運動のパフォーマンスが低下する原因について、脳のメカニズムが不明であった。そのため、系列運動のパフォーマンス低下を抑えるために脳活動に対して積極的に刺激を与えるなどの操作を行うことができなかった。脳活動に対して積極的に刺激を与えて系列運動のパフォーマンスを改善する手法として、うつ病や運動障害の対策として経頭蓋磁気刺激法などで脳活動に刺激を与える手法が知られている。
In the brain
脳活動刺激システム100では、系列運動のパフォーマンスが低下する原因として内側前頭葉の脳活動が関与しているとのメカニズムに基づき、脳活動特定部10で当該原因となる内側前頭葉の脳活動の位置を個人毎に特定し、特定した位置に対して外部刺激部20で外部から刺激を与える。脳活動刺激システム100は、外部刺激部20で外部から刺激を与えることで、緊張(ストレス)が付加された状態で系列運動を行う場合にパフォーマンス低下の原因となる内側前頭葉の脳活動が削滅するので、系列運動のパフォーマンス低下を抑えることができる。このような脳活動刺激システム100を効率的に活用することで、スポーツや音楽演奏を行う人のサポート、また、スポーツや音楽演奏のトレーニングのサポートなど幅広い応用が期待される。
In the brain
また、脳活動刺激システム100では、脳活動特定部10で特定した内側前頭葉の脳活動を被験者に提示することを制御部30で行うことができる。被験者に内側前頭葉の脳活動を提示することで、その活動を減少させるアシストする機能もあり、脳活動刺激システム100は、経頭蓋磁気刺激法などの刺激と併用することで、より高いトレーニング効果を得ることができる。脳活動刺激システム100は、スポーツや音楽演奏を行う人のサポート、また、スポーツや音楽演奏のトレーニングのサポートすることで、スポーツ大会や音楽コンクールの場面で緊張のため実力を発揮できないことを防ぐことができる。
Further, in the brain
以下、緊張(ストレス)が付加された状態で系列運動を行う被験者の脳活動の位置を、脳活動特定部10で特定する処理について具体的に説明する。図2は、実施の形態1における脳活動特定部10の外観を示す概略図である。脳活動特定部10は、図2に示すように機能的核磁気共鳴画像装置(fMRI11)である。fMRI11には、被験者Pの運動を評価できるように表示モニタ12と、操作ボタン13とを設けてある。なお、図2では、作図の関係でfMRI11の内面の横側に表示モニタ12を図示してあるが、実際は仰向けに寝ている被験者Pが見やすい位置に表示モニタ12が設けてある。操作ボタン13は、被験者Pの右手の人差し指、中指、薬指に対応する3つのボタン13a~13cが設けてある。被験者Pは、表示モニタ12の画面上に、順に提示されるボタン操作の指示に従い、操作ボタン13をできるだけ早く、押し間違いがないように操作する。つまり、脳活動特定部10は、ボタン操作の指示に対応して操作ボタン13の操作する運動を被験者Pに行わせ、脳活動を測定している。
Hereinafter, a specific description will be given of the process of identifying the brain activity position of the subject performing series exercise under stress by the brain
具体的に、被験者Pに行わせる運動について説明する。図3は、実施の形態1における脳活動特定部10で被験者Pが行う運動を説明するための概略図である。脳活動特定部10は、被験者Pに対して10回ボタン操作の指示に提示する”長さ10”の運動を繰り返し行わせる。”長さ10”の運動は、図3に示すようにリセット時間(5秒~9秒でランダムに決定)後のシーケンス時間の間に10回ボタン操作の指示に提示され、このリセット時間とシーケンス時間とのセットを20回繰り返す。被験者Pは、”長さ10”の運動中に提示されるボタン操作の指示に従い操作ボタン13の3つのボタン13a~13cから指示されたボタンを選択して押下する。
Specifically, the exercise to be performed by the subject P will be described. 3A and 3B are schematic diagrams for explaining the exercise performed by the subject P in the brain
本実施の形態1では、被験者Pを、”長さ10”の運動を繰り返し行う単純学習者(single-learners)と、”長さ10”の運動を、”長さ6”の運動と”長さ4”の運動とに分けて練習を行った後に”長さ10”の運動を繰り返し行う部分学習者(part-learners)とに分けて系列運動のパフォーマンスを評価している。ここで、”長さ6”の運動は、被験者Pに対してシーケンス時間の間に6回ボタン操作の指示に提示し、”長さ4”の運動は、被験者Pに対してシーケンス時間の間に4回ボタン操作の指示に提示する。”長さ10”の運動を、”長さ6”の運動と”長さ4”の運動とに分けることで、1つ運動を系列運動として被験者Pに練習させることができる。
In the first embodiment, the subject P is a single-learner who repeats the exercise of "
そのため、”長さ10”の運動を系列運動として”長さ6”の運動と”長さ4”の運動とに分けて練習した部分学習者(part-learners)は、単純学習者(single-learners)に比べて操作ボタン13の押し間違いが少なく、系列運動のパフォーマンスが高い。しかし、操作ボタン13を押すのが遅い、押し間違えがある場合に、被験者Pに罰を与えるテストセッションが始まると、部分学習者(part-learners)は、単純学習者(single-learners)に比べて操作ボタン13の押し間違いが多くなり系列運動のパフォーマンスが低下する。ここで、本実施の形態1では、被験者Pに与える罰として、被験者Pが操作ボタン13を押下するのが遅い、押し間違えた場合に左手の腕に装着した電極から電気刺激が与える。与える電気刺激は、被験者Pが連続2回なら我慢でき連続3回だと我慢できないと自己申告した刺激レベルに設定してある。そのため、被験者Pは、テストセッションで失敗すると罰を受ける緊張(ストレス)が付加された状態での運動を行うことになる。
Therefore, the part-learners who practiced the “
テストセッションが始まると、練習において高いパフォーマンスを示していた部分学習者(part-learners)が単純学習者(single-learners)に比べて系列運動のパフォーマンスが低下し、より多くの電気刺激を受けた。図4は、テストセッションでの部分学習者(part-learners)および単純学習者(single-learners)の押し間違いの数を示したグラフである。図4からも分かるように、緊張(ストレス)が付加された状態での運動(テストセッション)では、部分学習者(part-learners)の系列運動のパフォーマンスが低下している。このことは、部分学習者(part-learners)が緊張により系列運動のパフォーマンスを低下させていることを示している。より詳細に検討すると、部分学習者(part-learners)のパフォーマンスの低下は、2つの系列運動の繋ぎ目(”長さ10”の運動の”長さ6”の運動と”長さ4”の運動と繋ぎ目)に限局することが確認されている。
At the beginning of the test session, part-learners who had performed well in practice had lower sequence motor performance and received more electrical stimulation than did single-learners. . FIG. 4 is a graph showing the number of press errors for part-learners and single-learners in a test session. As can be seen from FIG. 4, the performance of the part-learners' sequential movements decreased in the exercise under stress (test session). This indicates that part-learners reduce the performance of sequential movements due to tension. Investigating in more detail, the decline in performance of part-learners is due to the linking of two sequences of movements (movement of
図5は、テストセッションでの部分学習者(part-learners)の脳活動を示すMRI画像である。図5(a)は、立位の被験者Pを水平方向の断面画像であり、軸位断である。図5(b)は、立位の被験者Pを垂直方向の断面画像であり、矢状断である。テストセッションを20回行った場合に、2つの系列運動の繋ぎ目において被験者Pの操作ボタン13の操作時間の遅延することと相関する脳活動をfMRI11で探索すると、図5において白い部分で示す内側前頭葉の脳活動が操作ボタン13の操作時間の遅延と相関することが分かった。特に、内側前頭葉の脳活動は、前帯状皮質背側部(dACC)での活動であり、MNI(Montreal Numerological Institute)標準座標系での[0,36,36]の位置を少なくとも含む所定の範囲での活動であることが分かった。
FIG. 5 is an MRI image showing brain activity of part-learners during a test session. FIG. 5(a) is a horizontal cross-sectional image of the subject P in the standing position, which is an axial cross-section. FIG. 5(b) is a cross-sectional image of the subject P in the standing position in the vertical direction, which is a sagittal section. When the test session is performed 20 times,
図6は、電気刺激の数と図5で特定した内側前頭葉の脳活動との相関を示すグラフである。図6の横軸は内側前頭葉の脳活動を示し、縦軸は電気刺激の数を示している。図6に示す丸印は、部分学習者(part-learners)の一人を示している。図6のグラフから分かるように、図5で特定した内側前頭葉の脳活動が高いほど電気刺激の数が多くなる正の相関を示している。この結果から、失敗すると罰を受ける緊張(ストレス)が付加された状態で被験者Pが系列運動を行った場合にパフォーマンスを低下させている原因として、内側前頭葉の脳活動が高くなることが示唆されている。また、脳活動特定部10は、上記で説明したように、緊張(ストレス)が付加された状態で系列運動を行う被験者Pの脳活動の位置を特定することで、系列運動のパフォーマンス低下の原因となる内側前頭葉の脳活動の位置を個別に同定できる。なお、脳活動特定部10は、系列運動のパフォーマンス低下の原因となる内側前頭葉の脳活動の位置を特定するために行った上記の運動は一例であって、他の運動を行って系列運動のパフォーマンス低下の原因となる内側前頭葉の脳活動の位置を特定してもよい。
FIG. 6 is a graph showing the correlation between the number of electrical stimulations and brain activity in the medial frontal lobe identified in FIG. The horizontal axis of FIG. 6 indicates brain activity in the medial frontal lobe, and the vertical axis indicates the number of electrical stimulations. The circle shown in FIG. 6 indicates one of the part-learners. As can be seen from the graph in FIG. 6, the higher the brain activity in the medial frontal lobe identified in FIG. 5, the greater the number of electrical stimulations, indicating a positive correlation. This result suggests that the increase in brain activity in the medial frontal lobe is the cause of the decrease in performance when subject P performs a series of exercises under the added stress of being punished for failing. ing. In addition, as described above, the brain
次に、脳活動特定部10で特定した被験者Pの脳活動の位置に、外部刺激部20で外部から刺激を与える処理について具体的に説明する。外部刺激部20は、脳活動に対して外部から刺激を与える脳活動刺激装置であり、特に、実施の形態1では脳活動に対して外部から磁気刺激を与える経頭蓋磁気刺激装置であるとして以下説明する。もちろん、外部刺激部20は、脳活動に対して外部から電流刺激や超音波刺激などを与える脳活動刺激装置であってもよい。
Next, the process of externally applying a stimulus to the location of the brain activity of the subject P identified by the brain
図7は、実施の形態1における外部刺激部20の外観を示す概略図である。外部刺激部20は、外部から被験者Pの脳に磁気刺激を加えるための励磁コイル21(印加部)と、励磁コイル21を固定する固定部22とを含んでいる。なお、励磁コイル21には、被験者Pの脳の深い部分を刺激できる双円錐型コイル(double-cone coil)を用いてもよい。
FIG. 7 is a schematic diagram showing the appearance of the
励磁コイル21は、ケーブルを介して電気的にコイル駆動電源21aと接続されている。コイル駆動電源21aは外部電源等と接続し、励磁コイル21に電力を供給する機能を有している。被験者Pは、椅子に着座し固定部22から伸びるガイド部材22bで頭部を固定されている。脳活動特定部10で特定した位置(具体的には、内側前頭葉の位置)に磁気刺激を与えられるように、ガイド部材22bで固定された被験者Pの頭皮表面の所定位置に励磁コイル21を配置する。外部刺激部20は、この所定位置に配置された励磁コイル21から、被験者Pの脳内神経に所定強度の磁気刺激を加えることで、系列運動のパフォーマンス低下の原因となる内側前頭葉の脳活動を抑制する。
The
コイル駆動電源21aは、励磁コイル21への電流パルスの供給を制御するもので、既存の種々のタイプのものを用いることができる。コイル駆動電源21aのオン/オフ(ON/OFF)操作や、磁気刺激の強度やサイクルを決定付ける電流パルスの強度やパルス波形の設定等は、操作者によって行うことができる。
The coil driving
本実施の形態1では、外部刺激部20により1Hzの繰り返し(例えば、300パルス)の磁気刺激を内側前頭葉に与えることで、内側前頭葉の脳活動を低下させ、系列運動のパフォーマンス低下を抑えることができる。外部刺激部20は、前帯状皮質背側部(dACC)、特に、MNI標準座標系での[0,36,36]の位置を少なくとも含む所定の範囲に1Hzの繰り返し(例えば、300パルス)の磁気刺激を与える。なお、本実施の形態1では、図7に示すように外部刺激部20で内側前頭葉に磁気刺激を与えた被験者Pに対して運動を評価できるように表示モニタ23と、操作ボタン24とを設けてある。操作ボタン24は、被験者Pの右手の人差し指、中指、薬指に対応する3つのボタン24a~24cが設けてある。被験者Pは、表示モニタ23の画面上に、順に提示されるボタン操作の指示に従い、操作ボタン24をできるだけ早く、押し間違いがないように操作する。
In the first embodiment, the
具体的に、被験者Pに行わせる運動について説明する。図8は、実施の形態1における外部刺激部20で被験者Pが行う運動を説明するための概略図である。実施の形態1では、被験者Pに対して、”長さ10”の運動を系列運動として”長さ6”の運動と”長さ4”の運動とに分けた練習を複数回行った後に、”長さ10”の運動を繰り返し行わせる。”長さ10”の運動は、図3で示した内容と同じで、リセット時間(5秒~9秒でランダムに決定)後のシーケンス時間の間に10回ボタン操作の指示に提示され、このリセット時間とシーケンス時間とのセットを20回繰り返す。被験者Pは、”長さ10”の運動中に提示されるボタン操作の指示に従い操作ボタン24の3つのボタン24a~24cから指示されたボタンを選択して押下する。
Specifically, the exercise to be performed by the subject P will be described. FIG. 8 is a schematic diagram for explaining the exercise performed by the subject P using the
本実施の形態1では、被験者Pを、テストセッションを行う前に脳活動に対して外部から磁気刺激を与える部分学習者(TMS part-learners)と、テストセッションを行う前に脳活動に対して外部から磁気刺激を与えない部分学習者(SHAM part-learners)とに分けて系列運動のパフォーマンスを評価している。ここで、磁気刺激を与えない部分学習者(SHAM part-learners)は、磁気刺激を与える部分学習者(TMS part-learners)と磁気刺激を与えない点以外では同じ条件となるように、図7で示したガイド部材22bで頭部を固定し所定位置に励磁コイル21を配置する。
In the first embodiment, the subject P is divided into TMS part-learners (TMS part-learners) who externally receive magnetic stimulation for brain activity before the test session, and They are divided into SHAM part-learners, who do not receive external magnetic stimulation, and the performance of serial movements is evaluated. Here, the partial learners (SHAM part-learners) who do not give magnetic stimulation are the same conditions as the partial learners (TMS part-learners) who give magnetic stimulation (TMS part-learners) except that they do not give magnetic stimulation. The head is fixed by the
操作ボタン24を押すのが遅い、押し間違えがある場合に、被験者Pに罰を与えるテストセッションが始まると、磁気刺激を与える部分学習者(TMS part-learners)は、磁気刺激を与えない部分学習者(SHAM part-learners)に比べて操作ボタン24の押し間違いが少なくなり系列運動のパフォーマンス低下を抑えることができる。
When the test session in which the subject P is punished for slow or erroneous pressing of the
図9は、テストセッションでの磁気刺激の有無による押し間違いの数を示したグラフである。図9からも分かるように、失敗すると罰を受ける緊張(ストレス)が付加された状態での運動(テストセッション)において、磁気刺激を与える部分学習者(TMS part-learners)は、磁気刺激を与えない部分学習者(SHAM part-learners)に比べて系列運動のパフォーマンス低下が抑えられている。このことは、テストセッションを行う前に脳活動に対して外部から被験者Pに磁気刺激を与えることで、被験者Pの系列運動のパフォーマンスを低下させないことが可能であることを示している。より詳細に検討すると、磁気刺激を与える部分学習者(TMS part-learners)は、2つの系列運動の繋ぎ目(”長さ10”の運動の”長さ6”の運動と”長さ4”の運動と繋ぎ目)で生じる内側前頭葉の脳活動を低下させることができ、系列運動のパフォーマンス低下を抑えることができている。つまり、外部刺激部20は、被験者Pの内側前頭葉の位置に磁気刺激を与えることで、内側前頭葉の脳活動を低下させ、被験者Pの系列運動のパフォーマンス低下を抑えることができる。
FIG. 9 is a graph showing the number of mispresses with and without magnetic stimulation during a test session. As can be seen from Fig. 9, the TMS part-learners who gave the magnetic stimulus during the exercise (test session) in which tension (stress) was added in which they were punished if they failed Compared to SHAM part-learners, the decline in performance of sequential movements is suppressed. This indicates that external magnetic stimulation to the brain activity of the subject P prior to the test session does not impair the performance of the subject's P sequence movements. When examined in more detail, TMS part-learners given magnetic stimuli performed two sequences of movements (movement of
脳活動刺激システム100では、脳活動特定部10で個人毎に特定した内側前頭葉の脳活動の位置を、制御部30の記憶部または脳活動特定部10の記憶部に記憶させておき、外部刺激部20で特定した内側前頭葉の脳活動の位置に刺激(例えば、磁気刺激など)を与える。これにより、脳活動刺激システム100は、失敗すると罰を受ける緊張(ストレス)が付加された状態でも、系列運動のパフォーマンス低下を抑えることができる。さらに、脳活動刺激システム100では、脳活動特定部10で特定した内側前頭葉の脳活動の状態(fMRI11からの出力信号)、被験者Pに提示しながら系列運動を行うことで、緊張(ストレス)が付加された状態での内側前頭葉の脳活動を制御することができるようになる。
In the brain
以上のように、本実施の形態1に係る脳活動刺激システム100では、ストレスが付加された状態で系列運動を行う被験者Pの脳活動の位置を、機能的核磁気共鳴画像法で特定する脳活動特定部10と、脳活動特定部10で特定した被験者Pの脳活動の位置に外部から刺激を与える外部刺激部20と、を備える。これにより、本実施の形態1に係る脳活動刺激システム100では、外部から刺激を与えることで特定した被験者Pの脳活動を低下させ、緊張(ストレス)が付加された状態で系列運動を行う場合でも、パフォーマンスの低下を抑えることができる。
As described above, in the brain
脳活動刺激システム100は、脳活動特定部10で被験者Pごとに特定した脳活動の位置を記憶する記憶部を含む制御部30を、さらに備えてもよい。これにより、脳活動刺激システム100では、より多くの被験者Pに対して脳活動特定部10で特定した被験者Pの脳活動の位置に外部から刺激を与えることができる。
The brain
なお、脳活動特定部10で特定した被験者Pの脳活動の位置は、被験者Pの内側前頭葉の特定位置である。特に、内側前頭葉の特定位置は、MNI標準座標系での[0,36,36]の位置を少なくとも含む所定の範囲である。
The position of the brain activity of the subject P identified by the brain
また、外部刺激部20は、脳活動特定部10で特定した被験者Pの脳活動の位置に、外部から経頭蓋磁気刺激法で磁気刺激を与えることが好ましい。特に、外部刺激部20は、励磁コイル21に双円錐型コイル(double-cone coil)を用いて磁気刺激を、脳活動特定部10で特定した被験者Pの脳活動の位置に与えることが好ましい。
Moreover, it is preferable that the
また、脳活動に対して外部から刺激を与える脳活動刺激方法であって、脳活動特定部10でストレスが付加された状態で系列運動を行う被験者Pの脳活動の位置を、機能的核磁気共鳴画像法で特定するステップと、特定した被験者Pの脳活動の位置に外部刺激部20で外部から刺激を与えるステップと、を含む。これにより、脳活動刺激方法では、外部から刺激を与えることで特定した被験者Pの脳活動を低下させ、緊張(ストレス)が付加された状態で系列運動を行う場合でも、パフォーマンスの低下を抑えることができる。
<実施の形態2>
実施の形態1では、脳活動特定部10で機能的核磁気共鳴画像法を使って、ストレスが付加された状態で系列運動を行う脳活動の位置を被験者Pの個人毎に特定していた。しかし、機能的核磁気共鳴画像法を使って脳活動の位置を特定するためには、時間とコストが必要となる。そこで、本実施の形態2では、本実施の形態1で得た知見を活かし、被験者Pの個人毎に機能的核磁気共鳴画像法を使って、ストレスが付加された状態で系列運動を行う脳活動の位置を特定することなく、既に特定された内側前頭葉の位置に外部から刺激を与える脳活動刺激装置について説明する。
Further, in the brain activity stimulation method for externally stimulating brain activity, the position of the brain activity of a subject P who performs a sequence exercise under stress in the brain
<Embodiment 2>
In the first embodiment, the brain
具体的に、実施の形態1では、緊張(ストレス)が付加された状態で系列運動を行う被験者Pの内側前頭葉に刺激(例えば、磁気刺激)を与えて、当該内側前頭葉の活動を低下させることで、系列運動のパフォーマンス低下を抑えることができるとの知見を得た。前帯状皮質背側部(dACC)、特に、MNI標準座標系での[0,36,36]の位置を少なくとも含む所定の範囲に刺激を与えることで、内側前頭葉の活動を低下させ、系列運動のパフォーマンス低下を抑えることができる。 Specifically, in the first embodiment, stimulation (for example, magnetic stimulation) is applied to the medial frontal lobe of the subject P who performs series exercise in a stressed state to reduce the activity of the medial frontal lobe. In this way, we obtained the knowledge that it is possible to suppress the performance deterioration of series exercise. By stimulating the dorsal anterior cingulate cortex (dACC), in particular, a predetermined range including at least the position [0, 36, 36] in the MNI standard coordinate system, the activity of the medial frontal lobe is reduced, and the sequence movement is reduced. performance degradation can be suppressed.
本実施の形態2に係る脳活動刺激装置は、前帯状皮質背側部(dACC)、特に、MNI標準座標系での[0,36,36]の位置に刺激を与えることができる装置である。図10は、実施の形態2における脳活動刺激装置20Aの外観を示す概略図である。なお、脳活動刺激装置20Aが脳活動に与える刺激は、磁気刺激、電流刺激、超音波刺激など、いずれの刺激であっても、また、複数の刺激を組み合わせたものであってもよい。以下の説明では、脳活動刺激装置20Aは、経頭蓋磁気刺激法(TMS)を用いて脳活動に刺激を与えるものとする。また、脳活動刺激装置20Aは、図7に示す外部刺激部20と対応する装置であり、同じ構成について同じ符号を付して説明する。
The brain activity stimulation device according to Embodiment 2 is a device capable of stimulating the dorsal anterior cingulate cortex (dACC), particularly the position [0, 36, 36] in the MNI standard coordinate system. . FIG. 10 is a schematic diagram showing the appearance of a brain
脳活動刺激装置20Aは、外部から被験者Pの脳に磁気刺激を加えるための励磁コイル21(印加部)と、励磁コイル21を固定する固定部22とを含んでいる。なお、励磁コイル21には、被験者Pの脳の深い部分を刺激できる双円錐型コイル(double-cone coil)を用いてもよい。
The brain
励磁コイル21は、ケーブルを介して電気的にコイル駆動電源21aと接続されている。コイル駆動電源21aは外部電源等と接続し、励磁コイル21に電力を供給する機能を有している。被験者Pは、椅子に着座し固定部22から伸びるガイド部材22bで頭部を固定される。被験者Pの頭部におけるMNI標準座標系での[0,36,36]の位置に磁気刺激を与えることができるように、ガイド部材22bで固定された被験者Pの頭皮表面の所定位置に励磁コイル21を配置する。ここで、被験者Pの頭部におけるMNI標準座標系での[0,36,36]の位置は、例えば、被験者Pが過去撮影したMRI画像などから被験者Pの頭部での座標系とMNI標準座標系とを対応させることで特定する。つまり、MNI標準座標から被験者Pの頭部での実際の位置を特定する。
The
脳活動刺激装置20Aは、この所定位置に配置された励磁コイル21から、被験者Pの脳内神経に所定強度の磁気刺激を加えることで、系列運動のパフォーマンス低下の原因となる内側前頭葉の脳活動を抑制させる。
The brain
脳活動刺激装置20Aは、個人毎に機能的核磁気共鳴画像法を使って、ストレスが付加された状態で系列運動を行う脳活動の位置を特定する方が高い精度で内側前頭葉の責任部位(MNI標準座標系での[0,36,36]の位置)に磁気刺激を与えることができる。しかし、高い精度を求めなければ、既知の情報から内側前頭葉の責任部位(MNI標準座標系での[0,36,36]の位置)を特定し、脳活動刺激装置20Aで、機能的核磁気共鳴画像法を使うことなく内側前頭葉の責任部位に磁気刺激を与えてもよい。なお、固定部22は、図10に示すような励磁コイル21を支える柱ではなく、励磁コイル21を内側に取り付けたキャップでもよい。当該キャップを被験者Pが正しく被ることで、内側前頭葉の責任部位に磁気刺激を与えることができる位置に励磁コイル21を自動的に配置することができる。
The brain
以上のように、本実施の形態2に係る脳活動刺激装置20Aでは、外部から被験者Pの脳に刺激を加える励磁コイル21と、ストレスが付加された状態で系列運動を行う被験者Pの脳活動の位置に、刺激を加えることができるように励磁コイル21を固定する固定部22とを、備える。これにより、本実施の形態2に係る脳活動刺激装置20Aでは、外部から刺激を与えることで特定した被験者Pの脳活動を低下させ、緊張(ストレス)が付加された状態で系列運動を行う場合でも、パフォーマンスの低下を抑えることができる。
As described above, in the brain
なお、被験者Pの脳活動の位置は、被験者Pの内側前頭葉の特定位置である。特に、内側前頭葉の特定位置は、MNI標準座標系での[0,36,36]の位置を少なくとも含む所定の範囲である。 In addition, the position of the subject's P brain activity is a specific position of the subject's P medial frontal lobe. In particular, the specific position of the medial frontal lobe is a predetermined range including at least the position [0, 36, 36] in the MNI standard coordinate system.
また、励磁コイル21は、被験者Pの脳活動の位置に、外部から経頭蓋磁気刺激法で磁気刺激を与えることが好ましい。特に、励磁コイル21は、双円錐型コイルを用いて磁気刺激を被験者Pの脳活動の位置に与えることが好ましい。
Moreover, it is preferable that the
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 It should be considered that the embodiments disclosed this time are illustrative in all respects and not restrictive. The scope of the present invention is indicated by the scope of the claims rather than the above description, and is intended to include all modifications within the meaning and range of equivalents of the scope of the claims.
10 脳活動特定部、12,23 表示モニタ、13,24 操作ボタン、20 外部刺激部、20A 脳活動刺激装置、21 励磁コイル、21a コイル駆動電源、22 固定部、22b ガイド部材、30 制御部、100 脳活動刺激システム。
10 Brain
Claims (5)
ストレスが付加された状態で系列運動を行う被験者の脳における前帯状皮質背側部での活動の位置を、機能的核磁気共鳴画像法で特定する脳活動特定部と、
前記被験者の前記前帯状皮質背側部での活動を低下させるため、前記脳活動特定部で特定した位置に外部から刺激を与える外部刺激部と、を備える、脳活動刺激システム。 A brain activity stimulation system for externally stimulating brain activity,
a brain activity identifying unit that identifies, by functional nuclear magnetic resonance imaging, the location of activity in the dorsal anterior cingulate cortex in the brain of a subject performing sequence exercise under stress;
a brain activity stimulation system, comprising: an external stimulator for externally stimulating the position identified by the brain activity identifying section in order to reduce activity in the dorsal region of the anterior cingulate cortex of the subject .
外部から被験者の脳に刺激を加える印加部と、
ストレスが付加された状態で系列運動を行う前記被験者の脳における前帯状皮質背側部での位置に、前記被験者の前記前帯状皮質背側部での活動を低下させるため刺激を加えることができるように前記印加部を固定する固定部とを、備える、脳活動刺激装置。 A brain activity stimulation device for externally stimulating brain activity,
an applying unit that applies stimulation to the subject's brain from the outside;
A location in the dorsal anterior cingulate cortex in the brain of the subject performing sequence movement under stress can be stimulated to reduce activity in the dorsal anterior cingulate cortex of the subject. and a fixing section that fixes the applying section in a manner such that the brain activity stimulator is provided with a fixing section.
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