JP2020501743A - 脳コンピュータインターフェースシステムおよびその使用方法 - Google Patents

脳コンピュータインターフェースシステムおよびその使用方法 Download PDF

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Abstract

認知能力を調節する脳コンピュータインターフェース（ＢＣＩ）システムである。このシステムは、ユーザの１つまたは複数の皮質領域におけるニューロン電気活動に関連する信号を検知するとともに、１つまたは複数の標的脳領域に刺激信号を与える１つまたは複数の電極セットと、当該１つまたは複数の電極セットと通信する少なくとも１つのプロセッサ／コントローラと、少なくとも１つの電源とを備える。プロセッサ／コントローラは、１つまたは複数の皮質領域において検知された信号を処理して、認知課題を実行する意図、認知課題の提示、および／または認知課題の実行に関連付けられた指標を検出し、当該指標の検出に応じて、１つまたは複数の標的脳領域の刺激を制御し、ユーザの認知能力を調節するようにプログラムされている。標的脳領域は、皮質領域、脳深部構造、およびこれらの組み合わせを含んでもよい。【選択図】 図９

Description

関連出願
本願は、２０１６年１２月１４日に出願された米国特許仮出願第６２／４３３，９４６号明細書および２０１７年３月１４日に出願された米国特許仮出願第６２／４７０，９００号明細書の優先権を主張するものであり、これらのすべての内容が参照により本明細書に組み込まれている。
本発明は、そのいくつかの実施形態において、ユーザの認知能力の拡張、増強、および／または向上を図るシステムに関する。
このようなシステムは、とりわけ、正常なのユーザにおける記憶、ワーキングメモリ（ＷＭ）、学習および集中のを増強または拡張可能であり、認知機能の悪化または低下に関連付けられた神経障害、精神神経障害、および／または精神障害を患う患者の認知能力を向上させるために使用可能である。
脳コンピュータインターフェース（ＢＣＩ）は、脳および多種の神経組織と相互作用して、ニューロン組織の検知および／または記録を実行するとともに、当該組織のニューロンを刺激するのに用いられるデバイスまたはシステムである。このようなＢＣＩは、ニューロン活動に関連する信号（通常、電圧または電流信号等の過渡的な電気信号）を検知／記録するのに使用可能である。現在は、ほとんどのＢＣＩが複数の導電性電極を具備しており、２次元（２Ｄ）または３次元（３Ｄ）電極アレイとして配置されることが多い。このような電極アレイは、適当な電流を電極に流すことによって、ニューロン活動に関連付けられた電気信号の検知および／またはニューロンの刺激を行うのに使用可能である。
ＢＣＩに含まれる一部の電極または電極セットは、たとえば頭蓋外ＥＥＧ電極アレイ等のように非侵襲でもよいし、他の電極または電極セットとしては、皮質表面に載置された可撓性の頭蓋内脳波測定電極アレイ等のように、侵襲的であってもよい。皮質組織には、他の侵襲的な電極アレイが挿入されてもよい（たとえば、通常は皮質表面に載置して、皮質組織の表面から数ミリメートルまで挿入可能なユタ（Ｕｔａｈ）アレイ）。さらに他の電極アレイとしては、ステント上に配設されてもよい。このようなステントは、低侵襲法を用いて血管系に挿入されてもよく、また、関連する脳領域に近い脳血管中に配設されてもよい。
本願のＢＣＩシステムの電極セットにより検知および／または記録される信号としては、とりわけ単一ニューロン細胞外記録活動電位（スパイク）、単一または複数のニューロンからの細胞外記録ニューロン活動電位、単一または複数のニューロンからの局所電場電位（ＬＦＰ）、ニューロンアセンブリの累積活動の結果としての表面記録電場電位、Ｅｃｏｇ信号および頭蓋外記録ＥＥＧ信号が挙げられる。
近年、運動皮質からの神経活動の検知／記録および／または検知／記録のシミュレーションを行うとともに、検知信号を処理して、患者の失われた手足に置き換わるプロテーゼの操作／動作を制御するのに用いられる上記のようなＢＣＩの使用において、大幅な進歩が実現されている。また、四肢まひ患者の運動皮質から記録された信号を用いて、このような患者が電動車椅子を制御したり、このような患者を補助する様々な機能を実行可能なコンピュータ等の他のデバイスを制御したりできるようにする点でも進歩があった。
失明した患者を補助する上記のようなＢＣＩの他の用途では、外部のビデオカメラにより取得されて処理された視野の画像を用いて、視覚皮質の表面に載置された可撓性のＥｃｏｇ電極アレイＢＣＩにより失明患者の一次視覚皮質の電気刺激を制御する。これにより、失明患者による眼内閃光の知覚によって患者の移動、物体識別、および障害物回避を補助することができる。
腹側被蓋領域（ＶＴＡ）は、中脳の一部であって、黒質および赤核の近くにある。ここは、ドーパミンニューロンおよびセロトニンニューロンが豊富であり、以下の２つの主要なドーパミン経路の一部である：（１）ＶＴＡを側坐核に接続する中脳辺縁系経路、（２）ＶＴＡを前頭葉の皮質領域に接続する中脳皮質経路。ＶＴＡは、快楽システムまたは報酬回路（動引および行動動機付けの主要な源泉のうちの１つ）の一部と考えられるため、後述する強化学習方法およびシステムに関連し得る。快楽を生み出す活動は、腹側被蓋を活性化する傾向にあり、覚醒剤（コカイン等）はこの領域を直接標的とする。したがって、ＶＴＡは、依存の神経生物学的理論に広く関与する。また、様々な種類の感情および安全動機を処理することが示されており、回避および恐怖条件付けにおいても役割を果たすと考えられる。
前頭前皮質（ＰＦＣ）は、脳の前頭葉の前部であり、運動野および運動前野の前にある。これは、細胞構築学的には、（無顆粒運動前皮質とは対照的に）内顆粒層ＩＶの存在によって規定される。外側野、眼窩前頭野、および内側前頭前野に分割されて、この脳領域は、複雑な認知行動の計画、個性表現、および正しい社会的行動の緩和に関与している。この脳領域の基本的活動は、心内目標に応じた思考および行動の編成と考えられる。前頭前皮質領域が実行する機能を表す最も代表的な神経学用語は、実行機能（Ｅｘｅｃｕｔｉｖｅ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）である。実行機能は、矛盾する思考を区別し、良悪、優良・最良、異同、現在の活動の将来結果を判断し、規定目標に向かって働き掛け、結果を予測し、行動に基づいて予想し、社会的に「制御」する能力（抑制されなかった場合に、社会的に受け入れられない結果または非合法な結果となり得る衝動を抑える能力）に関する。多くの著者が、人間の個性と前頭前皮質の機能との一体的なつながりを示している。
背外側前頭前皮質（ＤＬＰＦＣ）は、成人するまで続く極めて長い成熟期を経験する、ヒトの脳の最も新しく発達した部分のうちの１つである。ＤＬＰＦＣは、解剖学的構造ではなく、機能的構造である。この領域は、人間の中前頭回（すなわち、ブロードマン９野（ＢＡ９）および４６野（ＢＡ４６）の外側部、ならびにマカクザルにおけるこれら領域中）にあり、主溝（すなわち、ウォーカー４６野）の周りにある。他の出典によれば、ＤＬＰＦＣは解剖学的に、ＢＡ９および４６ならびにＢＡ８、９、および１０に由来するものと提案されている。
ＤＬＰＦＣは、眼窩前頭皮質に接続されるとともに、視床、基底核の一部（具体的には、背側尾状核）、海馬、ならびに新皮質の一次および二次連合野（後側頭部、頭頂部、および後頭部を含む）等の、多様な脳領域に接続されている。ＤＬＰＦＣは、刺激との相互作用の仕方を脳に教える背側経路（背側ストリーム）の端点である。また、ＤＬＰＦＣは、運動計画、組織化、および調節に関与する最も高度な皮質領域でもある。
一方、（ＤＬＰＦＣのより下側／腹側に位置付けられた）腹外側前頭前皮質は、刺激の特性に関する情報を伝達する腹側経路（腹側ストリーム）の端点である。ＤＬＰＦＣの重要な機能は、ワーキングメモリ、認知の柔軟性、計画、抑制、および抽象的な推論等の実行機能である。ただし、ＤＬＰＦＣは、実行機能だけを担うわけではない。すべての複雑な精神活動には、ＤＬＰＦＣが接続される別の皮質および皮質下回路を要する。
ＤＬＰＦＣに関する研究においては、Ａ−ｎｏｔ−Ｂ課題、遅延応答課題、および物体検索課題等のいくつかの課題が非常に優れている。ＤＬＰＦＣと最も強くつながる行動課題は、Ａ−ｎｏｔ−Ｂ／遅延応答の組み合わせ課題であり、被験者は、一定の遅延後に隠れた物体を見つけ出す必要がある。この課題では、情報を記憶（ワーキングメモリ）に保存する必要があり、これがＤＬＰＦＣの機能のうちの１つと考えられる。ワーキングメモリに対するＤＬＰＦＣの重要性は、成体マカクザルに対する研究によって高まった。ＤＬＰＦＣを破壊する障害では、Ａ−ｎｏｔ−Ｂ／遅延応答課題に関するマカクザルの能力が阻害される一方、脳の他の部分に対する障害では、この課題に関する能力は損なわれなかった。
ＤＬＰＦＣは、単一項目の記憶には必要とされない。このため、ＤＬＰＦＣの損傷によって、認知記憶が損なわれることはない。それでもやはり、記憶から２つの項目を比較する必要がある場合は、ＤＬＰＦＣの関与が必要となる。ＤＬＰＦＣが損傷を受けた人々は、２つの写真の一方を選択する機会を与えられた場合でも、幾分の時間の経過後には、過去に見た写真を識別することができない。さらに、これらの被験者は、ウィスコンシンカード選別試験（Ｗｉｓｃｏｎｓｉｎ Ｃａｒｄ−Ｓｏｒｔｉｎｇ Ｔｅｓｔ）においても不合格となった。現時点で正しいルールから注意が逸れ、過去に正しかったルールでカードを整理しようとするためである。同様に、ＤＬＰＦＣは、意欲、注意、動機付けの機能不全と最もよく関連する。ＤＬＰＦＣが軽度に損傷した患者は、それぞれの環境に対する無関心を示し、行動のみならず、原語においても自発性が奪われている。また、患者は、既知の人々および事象を見落としがちになる場合がある。人間のこの領域が損傷すると、自分自身および／または他人のために行動する動機付けが欠如することにもなる。
ワーキングメモリは、複数の一時的情報を記憶の中に能動的に保存するシステムであり、記憶の中で情報を操作可能である。ＤＬＰＦＣは、ワーキングメモリにとって重要である。ＤＬＰＦＣの活動の低下は、ワーキングメモリの課題能力低下に相関する。ただし、脳の他の領域も同様に、ワーキングメモリに関与する。
現下、ＤＬＰＦＣがある種のワーキングメモリ、すなわち、一般的事項を監視して操作する演算メカニズムに特化しているのか、または、空間領域内の座標を記憶の中で表せるようにするための、より具体的な部分集合の事項（すなわち、視空間情報）を扱うことにより特化されているかが議論されており、未だ明確にはなっていない。
青斑（ｌｏｃｕｓ ｃｅｒｕｌｅｕｓ）（ＬＣ）は、他にｌｏｃｕｓ ｃａｅｒｕｌｅｕｓまたはｌｏｃｕｓ ｃｏｅｒｕｌｅｕｓ（「ｂｌｕｅ ｓｐｏｔ」のラテン語）とも綴られるものであり、ストレスおよびパニックに対する生理学的応答を担う脳幹の核である。青斑（または「ＬＣ」）は、第４脳室に囲まれた尾側中脳おける小脳の下側で、橋上部の背側壁上に存在する。この核は、脳内の主要なノルエピネフリン源のうちの１つであり、主に中サイズのニューロンで構成されている。ＬＣの内側のメラニン顆粒がその青色に寄与しているため、「橋核の高度色素沈着部」を意味する「色素性橋核」としても知られている。神経メラニンは、ノルエピネフリンの重合により形成され、黒質中の黒ドーパミンベースの神経メラニンに類似する。この核の突起は、遠くまで広がって、脊髄、脳幹、小脳、視床下部、視床中継核、扁桃、基底終脳、および皮質を刺激する。ＬＣからのノルエピネフリンは、脳の大部分に対して興奮効果を有し、覚醒を仲介するとともに、脳のニューロンを刺激によって活性化させる。１つのノルアドレナリン作用性ニューロンがその枝を介して大脳皮質全体を刺激すると言われている。
海馬は、側頭葉の内側に位置付けられた脳の一部である（人間は、脳の両側に１つずつ、２つの海馬を有する）。海馬は、辺縁系の一部を構成し、記憶および移動においての役割を果たす。この名称は、海馬（ギリシャ語で「ｈｉｐｐｏｋａｍｐｏｓ」）に幾分似た脳の冠状断面の湾曲形状に由来する。アルツハイマー病においては、最初に損傷を受ける脳の領域のうちの１つが海馬であり、初発症状の中で記憶障害および見当識障害が見られる。海馬の損傷は、酸素欠乏（無酸素）および脳炎によっても引き起こされる。動物の生体構造において、海馬は、系統発生学的に脳の最古部分の１つである。古皮質からの海馬の出現は、霊長類およびクジラ目の海洋哺乳類において最も顕著である。それにも関わらず、霊長類、特に最も新しい種（特に、人間）においては、大脳皮質と比べて、海馬は終脳をほとんど占有していない。霊長類における海馬体積の大幅な発達は、新皮質の発達よりも脳質量の全体的な増加と相関する。
海馬および隣接する皮質を表す用語に関する合意が欠如しているものの、海馬体という用語は、一般的に、歯状回、フィールドＣＡ１〜ＣＡ３（または、ＣＡ４（門と称することが多く、歯状回の一部と考えられる））、および鉤状回も含む。ＣＡ１フィールドおよびＣＡ３フィールドは、固有海馬を構成する。
海馬を通る情報の流れは、歯状回からＣＡ３、ＣＡ１、鉤状回へと進み、各段階には別の入力情報を伴い、２つの最終段階にはそれぞれ出力がある。ＣＡ２は、海馬のごく小さな部分のみを表し、その存在は、海馬の機能においては無視されることが多いものの、てんかん等の大量の細胞損傷を通例引き起こす状態に対して、この小さな領域が常識を越えた耐性を有するように見えることは注目に値する。
主として内嗅皮質から（ただし、とりわけ鼻周囲皮質からも）情報を運ぶ有孔経路は、一般的に、海馬への主要な入力源と考えられる。内嗅皮質（ＥＣ）のレイヤＩＩが歯状回およびフィールドＣＡ３に入力をもたらす一方、ＥＣのレイヤＩＩＩがフィールドＣＡ１および鉤状回に入力をもたらす。海馬の主要な出力経路が有孔経路、帯状束、および房状へり／脳弓であり、これらはすべて、フィールドＣＡ１および鉤状回から生じる。
ＥＣレイヤＩＩからの有効経路入力は、歯状回に入り、領域ＣＡ３に中継される（また、歯状回の門に位置付けられた苔状細胞に中継された後、サイクルが繰り返された場合、歯状回の遠位部に情報が送られる）。領域ＣＡ３は、この入力をＥＣレイヤＩＩからの信号と組み合わせて、領域内の拡張接続を送るとともに、シャッファー側枝と称する一組の繊維細胞を通じて接続を領域ＣＡ１に送る。領域ＣＡ１は、領域ＣＡ３およびＥＣレイヤＩＩＩからの入力を受け取った後、それを鉤状回に伝えるほか、前述の海馬の出力経路に沿って情報を送る。鉤状回は、この経路の最終段階であり、ＣＡ１突起およびＥＣレイヤＩＩＩからの情報を組み合わせ、海馬の出力経路に沿って情報を送る。海馬の情報処理において、これらの領域がそれぞれ一意の機能的役割を有するものの、今日まで、各領域の具体的な寄与が十分に理解されていないことは広く受け入れられている。
心理学者および神経科学者は、海馬の厳密な役割を議論しているものの、一般的には、経験した事象に関する新たな記憶（エピソード記憶または自伝的記憶）の形成において本質的な役割を有することに合意している。一部の研究者は、一般的な宣言的記憶（明示的に言語化可能な記憶（たとえば、エピソード記憶のほか、事実に対する記憶を含む））を担うより大きな内側側頭葉記憶システムの一部として海馬を考えることを好む。
これらの形態の記憶が生涯にわたって続くことが多いものの、海馬は、固定期間後の記憶の保持において、重要な役割を果たさなくなるという考えが、いくつかの証拠によって裏付けられている。海馬の損傷によって通例、新たな記憶を形成するのが非常に難しくなり（前向性健忘症）、通常は、損傷前の記憶へのアクセスにも影響が及ぶ（逆行性健忘症）。逆行性の影響は通常、脳損傷前の数年に及ぶが、場合により古い記憶が残る。この古い記憶の保持によって、経時的な固定には、海馬から脳の他の部分への記憶の移動を伴うという考えに到達する。ただし、古い記憶の保持をテストする実験は困難であり、逆行性健忘症の場合には、海馬の損傷が発生する数十年前に形成された記憶の保持に影響するものと思われるので、これらの古い記憶を維持するその役割は、議論の余地がある。
海馬の損傷は、新たなスキル（たとえば、楽器の演奏）を学習する能力等、記憶の一部側面には影響を及ぼさないため、このような能力が異なる種類の記憶（手続き記憶）および異なる脳領域によって決まることが示唆される。さらに、（てんかんの治療として内側側頭葉が両方除去された）患者のＨＭが新たな意味記憶を形成可能であることを示唆する証拠も存在する。
いくつかの証拠は、海馬が空間情報を格納・処理していることを暗示している。ラットの研究から、海馬のニューロンが空間的発火場を有することが示されている。これらの細胞は、場所細胞と称する。一部の細胞は、動物が進む方向に関わらず、特定の場所にいることを自身で気付いた場合に発火する一方、ほとんどの細胞は、頭部の方向および進行方向の影響を少なくとも部分的に受ける。ラットの場合、スプリッター細胞と称する一部の細胞は、動物の最近の過去（回顧的）または予想される未来（予測的）に応じてそれぞれの発火を変更する。異なる細胞は異なる場所で発火するため、細胞単独の発火をみることにより、動物の居場所を判別することができる。今や、場所細胞は、仮想現実都市でそれぞれの道を探し回ることに関与する人間にも見られる。これらの知見は、重度のてんかんの外科治療の診断部分として電極が脳に埋め込まれた個人での研究で得られたものである。
場所細胞の発見により、海馬が認知地図（環境のレイアウトの神経表現）として作用し得るという考えが導かれている。最近の証拠はこの見方に疑問を投げかけており、移動におけるより基本的な処理にとって海馬が重要となり得ることを示している。それにも関わらず、動物を用いた研究から、単純な空間的記憶課題（たとえば、隠れたゴールに戻る道の探索）には、損傷を受けてない海馬が必要であることが示されている。
人間は、十分に機能する海馬なしに、訪れた場所および向かっている場所への行き方を上手く思い出すことはできない。研究者らは、馴染みがある場所間の近道および新たな経路を探索するのに海馬が特に重要な役割を果たすものと考える。一部の人々は、この種の移動にとりわけ優れたスキルを発揮し、脳撮像によって、これらの個人が移動時により能動的な海馬を有することが示されている。
扁桃（ラテン語で「ｃｏｒｐｕｓ ａｍｙｇｄａｌｏｉｄｅｕｍ」）は、脳の内側側頭葉の深くに位置付けられたアーモンド形状の一組のニューロンである。感情の処理において重要な役割を果たすことが示されている扁桃は、辺縁系の一部を構成する。人間および他の動物において、この皮質下脳構造は、恐怖応答および快楽の両者とつながっている。扁桃のサイズは、種全体の攻撃的行動と正の相関がある。人間の場合は、主として性的二型性の脳構造であり、去勢によって、雄の３０％超で収縮する。不安症、自閉症、抑鬱症、心的外傷後ストレス障害、および恐怖症等の病態は、損傷、発達障害、または神経伝達物質の不均衡による扁桃の異常機能とつながっている疑いがある。扁桃は、実際に、解剖学者が核の相互近接性によってグループ化する、複数の別個に機能する核である。これらの核の中で重要なものは、基底外側複合体、視床中心核、および皮質核である。
基底外側複合体は、外側、基底、および副基底核へとさらに細分可能である。基底外側複合体のその他および視床中心核の両者に対して求心性の外側扁桃は、感覚系からの入力を受けるものであって、ラットの恐怖条件付けに必要である。視床中心核は、基底外側複合体に対する主要な出力であり、ラットおよびネコの感情喚起に関与する。扁桃は、出力を視床下部に送って、交感神経系、反射向上のための網様核、恐怖の表情のための三叉神経および顔面神経の核、ならびにドーパミン、ノルエピネフリン、およびエピネフリンの活性化のための腹側被蓋領域、青斑、および背外側被蓋核を活性化する。皮質核は、嗅覚およびフェロモン処理に関与する。皮質核は、嗅球および嗅覚皮質から入力を受ける。
人間を含む複雑な脊椎動物の扁桃の重要な機能は、感情的な事象の記憶の形成および格納である。扁桃が損傷すると、パブロフの恐怖条件付け（情緒応答の古典的条件付けの一形態）の取得および表現の両者が損なわれる可能性がある。多くの研究によって、恐怖条件付けの間は、感覚刺激が基底外側複合体（特に、扁桃の外側核）に達し関連付けられることが示されている。刺激とそれが予測する嫌悪の事象との関連付けは、長期の相乗作用（長続きするシナプス可塑性の一形態）により仲介され得る。外側核シナプスに格納された感情体験の記憶は、扁桃の中心核（麻痺（強直）、頻脈（頻拍）、呼吸の増加、およびストレスホルモンの放出等、多くの恐怖応答の発生に関与する中心）との接続によって恐怖行動を引き起こす。
また、扁桃は、欲求（正の）条件付けにおいても役割を果たす。異なるニューロンが正負の刺激に応答すると思われるが、これら異なるニューロンの明確な解剖学的核へのクラスタリングは存在しない。人間の場合、学習した恐怖応答の抑制は、心的外傷後ストレス障害および恐怖症等の恐怖および不安の障害に対する治療的介入の重要な目標である。扁桃が恐怖条件付けのみならず、恐怖応答の消去にも関与することが証拠により示唆されている。恐怖信号が単独で複数回提示された場合に発生する消去は、これらの信号に対する恐怖応答の低下を生じる。消去トレーニングによって恐怖記憶が取り除かれることはないが、元の恐怖を抑制する新たな学習が生じる。興味深いことに、（少なくとも恐怖応答に対する）消去学習には、扁桃のシナプス可塑性も必要となり得る。系統的脱感作は、消去学習に依拠する不安症に対する一種の行動療法である。
また、扁桃は、記憶固定の調節においても重要な役割を果たす。如何なる学習事象の後であれ、当該事象の長期記憶は、瞬時には形成されない。むしろ、当該事象に関する情報は、時間をかけてゆっくりと長期記憶域に収めされる。これは記憶固定と称するプロセスであり、比較的永続的な状態に達するまで続く。固定期間中は、記憶を調節可能である。特に、学習事象に続く感情喚起がその事象の後続記憶の強度に影響することが明らかである。学習事象に続く感情喚起が大きいほど、その事象に関する人間の記憶力は増強される。個人が何かを学習した直後のストレスホルモンの管理によって、２週間後にテストした場合の記憶力が増強されることが実験により示されている。
Ｊａｍｅｓ ＭｃＧａｕｇｈの研究グループを含む多くの研究グループが示すように、扁桃、特に基底外側扁桃は、感情喚起が事象の記憶の強度に及ぼす影響を仲介するのに重要な役割を果たす。これらの研究グループでは、多様な学習課題について動物をトレーニングし、トレーニング後に扁桃に注入した薬剤が動物のその後のワーキングメモリ力に影響を及ぼすことを見出した。これらの課題としては、（弱い足部ショックを装置の特定部分に関連付けるようにラットが学習する場合の）抑制回避等の基本パブロフ課題および（高台まで泳いで水から逃れるようにラットが学習する場合の）空間または手掛かり水迷路等のより複雑な課題が挙げられる。扁桃を活性化する薬剤が扁桃に注入された場合、動物は、課題のトレーニングに対する記憶が良好となる。扁桃を不活化する薬剤が扁桃に注入された場合、動物は、課題の記憶を損なう。ただし、記憶固定の調節における扁桃の重要性にも関わらず、学習は扁桃なしでも実行可能であるが、このような学習は、扁桃損傷後の恐怖条件付けの障害と同様に、損なわれるものと思われる。
人間に関する研究による証拠によっても、扁桃が同様の役割を果たすことが示される。情報の符号化時の扁桃の活動は、当該情報に対する記憶力と相関する。ただし、この相関は、情報の相対的な「感情性」によって決まる。感情をより喚起する情報は、扁桃の活動も大きくなり、当該活動が記憶力と相関する。
また、ラットに関する実験によって、乱用薬物の消費に関する様々なきっかけに関する学習に扁桃が関与することが示唆されている。薬物中毒の主要な問題の１つとして、個人が薬物を長期にわたって摂取していなくても、薬物関連のきっかけによって個人に大きな欲求が生じることがよく知られている。基底外側扁桃は、きっかけと予測される報酬との関連の最初の学習において、重要な役割を果たすように思われる。また、基底外側扁桃の不活化によって、ラットにおける薬物自己投与パラダイムにおける、きっかけによって誘引される復元が妨げられる。
特に定義しない限り、本明細書で使用する全ての技術および／または科学用語は、本発明が属する技術分野の当業者により通常理解されるものと同じ意味を有する。本明細書に記載のものと同様のまたは等価な方法および材料を、本発明の実施形態の実践または試験に使用することができるが、例示的な方法および／または材料を下記に記載する。矛盾する場合、定義を含む特許明細書が優先する。加えて、材料、方法、および実施例は単なる例示であり、必ずしも限定を意図するものではない。
本発明の実施形態の方法および／またはシステムの実施は、手動、自動、またはこれらの組み合わせによる選択課題の実行または完了を伴い得る。さらに、本発明の方法および／またはシステムの実施形態の実際の計装および機器によれば、ハードウェア、ソフトウェア、もしくはファームウェア、またはオペレーティングシステムを用いたこれらの組み合わせによって、複数の選択課題を実装することも可能である。
たとえば、本発明の実施形態に係る選択課題を実行するハードウェアは、チップまたは回路として実施することも可能である。ソフトウェアとして、本発明の実施形態に係る選択課題は、任意の適当なオペレーティングシステムを使用するコンピュータにより実行される複数のソフトウェア命令として実施することも可能である。本発明の例示的な一実施形態においては、複数の命令を実行するコンピュータプラットフォーム等のデータプロセッサによって、本明細書に記載の方法および／またはシステムの例示的な実施形態に係る１つまたは複数の課題が実行される。任意選択で、データプロセッサは、命令および／またはデータを格納する揮発性メモリ、ならびに／あるいは命令および／またはデータを格納する不揮発性ストレージ（たとえば、磁気ハードディスクおよび／または取り外し可能な媒体）を具備する。任意選択では、ネットワーク接続が同様に提供される。また、任意選択で、ディスプレイおよび／またはユーザ入力装置（キーボードもしくはマウス等）が同様に提供される。
したがって、本願のいくつかの実施形態によれば、ユーザの認知能力の拡張、補助、および／または向上を図る脳コンピュータインターフェース（ＢＣＩ）システムが提供される。このシステムは、ユーザの１つまたは複数の皮質領域におけるニューロン電気活動に関連する信号を検知するとともに、１つまたは複数の標的脳領域に刺激信号を与える１つまたは複数の電極セットを備える。また、このシステムは、１つまたは複数の電極セットと通信する少なくとも１つのプロセッサ／コントローラを備える。少なくとも１つのプロセッサ／コントローラは、１つまたは複数の皮質領域において検知された信号を処理して、認知課題を実行する意図、認知課題の提示、および／または認知課題の実行に関連付けられた指標を検出すること、ならびにユーザの認知能力の拡張、補助、および／または向上のために、指標の検出に応じて、１つまたは複数の標的脳領域に与える刺激を制御することを実施するようにプログラムされている。また、このシステムは、当該ＢＣＩシステムに給電する少なくとも１つの電源を備える。
これらシステムのいくつかの実施形態によれば、１つまたは複数の標的脳領域は、ユーザの１つまたは複数の脳深部構造、ユーザの１つまたは複数の皮質領域、および１つまたは複数の皮質領域と１つまたは複数の脳深部構造との組み合わせからなる群から選択される。
これらシステムのいくつかの実施形態によれば、１つまたは複数の皮質領域は、前頭前皮質（ＰＦＣ）、ＰＦＣの一部、背外側前頭前皮質（ＤＬＰＦＣ）、ＤＬＰＦＣの一部、側頭頭頂皮質（ＴＰＣ）、ＴＰＣの一部、下前頭回（ＩＦＧ）、ＩＦＧの一部、側頭頭頂接合部（ＴＰＪ）、ＴＰＪの一部、およびこれらの任意の組み合わせのうちの１つまたは複数を含む。
これらシステムのいくつかの実施形態によれば、１つまたは複数の脳深部構造は、腹側被蓋領域（ＶＴＡ）、線条体、尾状核、果核、側坐核（ＮＡ）、青斑、海馬、扁桃、中脳辺縁系の脳深部構造、学習、記憶、および集中の増強および／または促進に機能的に関与する脳深部構造、脳の皮質下領域、黒質、背側線条体、中脳皮質系内の辺縁構造の一部、黒質線条体系の一部、隆起漏斗系の一部、脳弓、マイネルト基底核（ＮＢＭ）、前部尾状核、背側線条体、視床前核、視床中心、外側視床下部、帯状膝下領域（ＢＡ２５）、嗅内皮質、有孔経路、内側前頭葉、視床下核、およびこれらの任意の組み合わせから選択される。
これらシステムのいくつかの実施形態によれば、認知能力は、集中力、記憶力、短期記憶力、学習力、記憶検索力、作業記憶力、およびこれらの任意の組み合わせのうちの１つまたは複数を含む。
これらシステムのいくつかの実施形態によれば、認知課題は、集中課題、注意持続課題、暗記課題、短期記憶要求課題、学習課題、記憶検索課題、およびこれらの任意の組み合わせから選択される。
これらシステムのいくつかの実施形態によれば、先行請求項のいずれか一項に記載のシステムにおいて、ユーザは、正常なユーザならびに神経障害、精神障害、もしくは神経精神障害を患うユーザから選択される。
これらシステムのいくつかの実施形態によれば、神経障害、精神障害、または神経精神障害は、ＡＤＨＤ、ＡＤＤ、学習障害、注意関連障害または機能不全、健忘症、記憶関連機能不全、不安症、抑鬱症、外傷性脳損傷、脳卒中、認知症、神経変性障害、およびこれらの任意の組み合わせから選択される。
これらシステムのいくつかの実施形態によれば、１つまたは複数の電極セットは、ユーザの１つまたは複数の別の皮質領域において、ニューロン電気活動の検知および／またはニューロンの刺激を行うように構成されており、別の皮質領域は、視覚皮質領域、一次視覚皮質（Ｖ１）の領域、視覚皮質の内側側頭葉、運動皮質の領域、運動前皮質の領域、体性感覚皮質の領域、聴覚皮質の領域、右後頭葉皮質の右心面、連合皮質、一次視覚皮質、視覚皮質、聴覚皮質、運動皮質の他の領域、ＢＡ１７、ＢＡ１８、ＢＡ１９、ＢＡ７、ＢＡ６、ＢＡ５、ＢＡ４、およびこれらの任意の組み合わせから選択される。
これらシステムのいくつかの実施形態によれば、１つまたは複数の電極セットは、非侵襲電極セット、侵襲的電極セット、およびこれらの任意の組み合わせから選択される。
これらシステムのいくつかの実施形態によれば、１つまたは複数の電極セットは、下記電極セットから選択される。
１）１つまたは複数の皮質領域において検知を実行するとともに、標的脳領域のうちの１つまたは複数を刺激するように構成された、少なくとも１つの検知・刺激電極セット、
２）１つまたは複数の皮質領域において検知を実行するように構成された少なくとも１つの検知電極セットと、標的脳領域のうちの１つまたは複数を刺激する少なくとも１つの刺激電極セット、
３）１つまたは複数の皮質領域において検知を実行するとともに、１つまたは複数の皮質領域のうちの少なくとも１つの皮質領域を刺激するように構成された少なくとも１つの電極セット、および
４）ＤＬＰＦＣにおいて検知を行うとともに、ＤＬＰＦＣを刺激するように構成された少なくとも１つの電極セット。
これらシステムのいくつかの実施形態によれば、１つまたは複数の電極セットは、下記電極セットから選択される。
１）１つまたは複数の皮質領域におけるニューロン電気活動に関連する信号を検知するように構成された少なくとも１つの電極セットと、時間干渉（ＴＩ）電界を用いて１つまたは複数の脳深部構造を刺激するように構成された少なくとも１つの電極セット、および
２）１つまたは複数の皮質領域におけるニューロン電気活動に関連する信号を検知するとともに、時間干渉（ＴＩ）電界を用いて１つまたは複数の脳深部構造を刺激するように構成された少なくとも１つの電極セット。
これらシステムのいくつかの実施形態によれば、１つまたは複数の電極セットは、２つ以上の電極を備えた電極アセンブリ、多電極アレイ、埋め込み型電極アレイ、注入型メッシュ電極アレイ、多重型電極アレイ、可撓性電極アレイ、皮質表面に適用されるように適合された可撓性電極アレイ、線形電極アレイ、Ｅｃｏｇ表面電極アレイ、μＥｃｏｇ電極アレイ、皮質内埋め込み型電極アレイ、ステント電極、ステント電極アレイ、神経塵検知デバイス、ＥＥＧ電極、頭皮の下側に埋め込まれた２つ以上の電極を含む電極セット、非侵襲経頭蓋周波数干渉刺激（ＮＴＩＳ）を実行するように構成された電極セット、頭蓋内周波数干渉刺激（ＩＣＴＩＳ）を実行するように構成された電極セット、およびこれらの任意の組み合わせから選択される。
これらシステムのいくつかの実施形態によれば、ニューロン電気活動に関連する信号が、細胞外記録単一ニューロン活動電位、細胞外記録電界電位、およびこれらの任意の組み合わせから選択される。
これらシステムのいくつかの実施形態によれば、このシステムは、外部テレメトリユニットと無線通信するための、少なくとも１つのプロセッサ／コントローラと通信するテレメトリユニットをさらに備える。
これらシステムのいくつかの実施形態によれば、指標は、１つまたは複数の周波数帯における検知信号の位相変化、１つまたは複数の周波数帯における検知信号の演算スペクトルパワーの変化、およびこれらの任意の組み合わせから選択される。
これらシステムのいくつかの実施形態によれば、周波数帯は、デルタ帯、シータ帯、ミュー帯、アルファ帯、ベータ帯、ガンマ帯、およびこれらの任意の組み合わせから選択される。
これらシステムのいくつかの実施形態によれば、少なくとも１つのプロセッサ／コントローラは、ユーザの頭蓋の外部の少なくとも１つのプロセッサ／コントローラ、少なくとも１つの頭蓋内プロセッサ／コントローラ、少なくとも１つのウェアラブルプロセッサコントローラ、少なくとも１つのリモートプロセッサ／コントローラ、少なくとも１つのデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）、少なくとも１つのグラフィック処理ユニット（ＧＰＵ）、少なくとも１つの量子コンピューティングデバイス（ＱＣＤ）、量子コンピュータ、およびこれらの任意の組み合わせから選択される。
これらシステムのいくつかの実施形態によれば、指標は、ベータ周波数帯における演算加重位相遅延指数（ｗＰＬＩ）の変化、ガンマ周波数帯における演算スペクトルパワー（Ｐγ）の変化、ベータ周波数帯で１つまたは複数の電極対により検知された皮質電気活動のベータ周波数帯における演算ｗＰＬＩの変化、およびガンマ周波数帯でのスペクトルパワーの変化から選択される。
これらシステムのいくつかの実施形態によれば、少なくとも１つの電源は、ユーザの頭蓋の外部の少なくとも１つの電源、少なくとも１つの頭蓋内電源、少なくとも１つのウェアラブル電源、頭蓋外電源から電力を無線受電する少なくとも１つの頭蓋内受電機、頭蓋外電源から電力を無線受電して蓄電する少なくとも１つの頭蓋内受電機、頭蓋外に配設された誘導コイルから電力を受電するように適合された少なくとも１つの頭蓋内埋め込み型誘導コイル、およびこれらの任意の組み合わせから選択される。
また、本願の方法のいくつかの実施形態によれば、ユーザの認知能力の拡張、補助、および／または向上を図る方法が提供される。この方法は、１つまたは複数の皮質領域におけるニューロン活動に関連する信号の検知を行うステップと、信号を処理して、認知課題を実行する意図、認知課題の提示、および／または認知課題の実行に関連付けられた指標を検出するステップと、ユーザの認知能力の増強、向上、および／または補助のために、指標の検出に応じてユーザの１つまたは複数の標的脳領域を刺激するステップと、を含む。
これら方法のいくつかの実施形態によれば、１つまたは複数の標的脳領域は、１つまたは複数の脳深部構造、１つまたは複数の皮質領域、および１つまたは複数の脳深部構造と１つまたは複数の皮質領域との組み合わせから選択される。
この方法のいくつかの実施形態によれば、ユーザは、正常なユーザ、ならびに神経障害、精神障害、および／または神経精神障害を患うユーザから選択される。
この方法のいくつかの実施形態によれば、ユーザは、神経障害、精神障害、および／または神経精神障害を患うユーザであり、刺激を行うステップは、刺激を行うステップが実行しない場合のユーザの認知能力と比較して、ユーザの認知能力を向上させる。
この方法のいくつかの実施形態によれば、神経障害、精神障害、および／または神経精神障害は、ＡＤＨＤ、ＡＤＤ、ＯＣＤ、不安症、抑鬱症、学習障害、注意関連障害または機能不全、健忘症、記憶機能不全、外傷性脳損傷、脳卒中、認知症、神経変性障害、およびこれらの任意の組み合わせから選択される。
この方法のいくつかの実施形態によれば、ユーザは、正常なユーザであり、刺激を行うステップは、刺激を行うステップが実行しない場合のユーザの認知能力と比較して、ユーザの認知能力を拡張させる。
この方法のいくつかの実施形態によれば、１つまたは複数の皮質領域は、前頭前皮質（ＰＦＣ）、ＰＦＣの一部、背外側前頭前皮質（ＤＬＰＦＣ）、ＤＬＰＦＣの一部、側頭頭頂皮質（ＴＰＣ）、ＴＰＣの一部、下前頭回（ＩＦＧ）、ＩＦＧの一部、側頭頭頂接合部（ＴＰＪ）、ＴＰＪの一部、およびこれらの任意の組み合わせのうちの１つまたは複数を含む。
この方法のいくつかの実施形態によれば、検知を行うステップは、視覚皮質領域、一次視覚皮質（Ｖ１）の領域、視覚皮質の内側側頭葉、運動皮質の領域、運動前皮質の領域、体性感覚皮質の領域、聴覚皮質の領域、右後頭葉皮質の右心面、連合皮質、視覚皮質、聴覚皮質、運動皮質の他の領域、ＢＡ１７、ＢＡ１８、ＢＡ１９、ＢＡ７、ＢＡ６、ＢＡ５、ＢＡ４、およびこれらの任意の組み合わせから選択される１つまたは複数の別の皮質領域において、ニューロン活動に関連する信号を検知することをさらに含み、
処理を行うステップは、上記別の皮質領域において検知された信号を処理して、認知課題を実行する意図、認知課題の提示、および／または認知課題の実行に関連付けられた指標を検出することをさらに含む。
この方法のいくつかの実施形態によれば、１つまたは複数の脳深部構造は、腹側被蓋領域（ＶＴＡ）、線条体、尾状核、果核、側坐核（ＮＡ）、青斑、海馬、扁桃、中脳辺縁系の脳深部構造、学習、記憶、および集中の増強および／または促進に機能的に関与する脳深部構造、脳の皮質下領域、黒質、背側線条体、中脳皮質系内の辺縁構造の一部、黒質線条体系の一部、隆起漏斗系の一部、脳弓、マイネルト基底核（ＮＢＭ）、前部尾状核、背側線条体、視床前核、視床中心、外側視床下部、帯状膝下領域（ＢＡ２５）、嗅内皮質、有孔経路、内側前頭葉、視床下核、およびこれらの任意の組み合わせから選択される。
この方法のいくつかの実施形態によれば、刺激を行うステップは、下記刺激から選択される。前記ユーザの認知能力を増強するための、１つまたは複数の脳深部構造に対する刺激、前記ユーザの認知能力を増強するための、１つまたは複数の脳深部構造および１つまたは複数の皮質領域に対する刺激、および前記ユーザの認知能力を増強するための、１つまたは複数の皮質領域に対する刺激。
この方法のいくつかの実施形態によれば、刺激を行うステップは、ユーザの認知能力の増強、拡張、および／または向上のために、前頭前皮質（ＰＦＣ）、ＰＦＣの一部、背外側前頭前皮質（ＤＬＰＦＣ）、ＤＬＰＦＣの一部、側頭頭頂皮質（ＴＰＣ）、ＴＰＣの一部、下前頭回（ＩＦＧ）、ＩＦＧの一部、側頭頭頂接合部（ＴＰＪ）、ＴＰＪの一部、およびこれらの任意の組み合わせから選択される１つまたは複数の皮質領域を刺激することを含む。
この方法のいくつかの実施形態によれば、検知を行うステップ、処理を行うステップ、および刺激を行うステップは、自動的に実行される。
この方法のいくつかの実施形態によれば、検知を行うステップ、処理を行うステップ、および刺激を行うステップから選択される１つまたは複数のステップの実行は、ユーザ制御される。
この方法のいくつかの実施形態によれば、この方法は、
１）ユーザの視覚皮質を刺激して、ユーザにグラフィカルユーザインターフェース（ＧＵＩ）の仮想イメージを認識させるステップと、
２）運動を実行しようとする自発的意図、運動の実行のイメージ、または運動の実行に関連する信号をユーザの運動皮質において検知を行うステップと、
３）運動皮質において検知された信号を処理して、ＧＵＩの仮想イメージとの相互作用を実行することにより、検知、処理、および刺激を行うステップから選択される１つまたは複数のステップの実行を制御するステップと、
をさらに含む。
この方法のいくつかの実施形態によれば、処理を行うステップは、カーネル分析、主成分分析、スペクトル分析法、共通空間パターン法（ＣＳＰ）、分析的ＣＳＰ（ＡＣＳＰ）、時間領域分析法、周波数領域分析法、教師付きパターン識別、クラスタ探索法、尤度関数、および統計的決定から選択される方法を用いて信号を処理することを含む。
この方法のいくつかの実施形態によれば、指標は、１つまたは複数の周波数帯における検知信号の位相変化、１つまたは複数の周波数帯における検知信号の演算スペクトルパワーの変化、およびこれらの任意の組み合わせから選択される。
この方法のいくつかの実施形態によれば、周波数帯は、デルタ帯、シータ帯、ミュー帯、アルファ帯、ベータ帯、およびガンマ帯、ならびにこれらの任意の組み合わせから選択される。
この方法のいくつかの実施形態によれば、検知を行うステップおよび刺激を行うステップは、背外側前頭前皮質（ＤＬＰＦＣ）において実行される。
この方法のいくつかの実施形態によれば、処理を行うステップは、検知信号のフーリエ変換（ＦＴ）を演算して複数の電極対のパワースペクトルデータを求めること、データに位相結合分析を実行して加重位相遅延指数（ｗＰＬＩ）を演算すること、演算したｗＰＬＩを閾値と比較すること、および演算したｗＰＬＩが閾値よりも小さいことを検出した際に、ユーザの１つまたは複数の標的脳領域の刺激を行うステップを開始することを含む。
この方法のいくつかの実施形態によれば、刺激を行うステップの開始は、検出の時間を起点とする時間遅延期間後に、刺激を行うステップを開始することを含む。
この方法のいくつかの実施形態によれば、刺激を行うステップは、刺激を行うステップの継続中は、検知を停止することを含む。
この方法のいくつかの実施形態によれば、処理を行うステップは、検知信号のフーリエ変換（ＦＴ）を演算してパワースペクトルデータを求めること、パワースペクトルから、ガンマ周波数帯におけるスペクトルパワー値（Ｐγ）を演算することと、演算したＰγを閾値と比較することと、Ｐγが閾値以下であることを検出した際に、刺激を行うステップを開始することと、を含む。
この方法のいくつかの実施形態によれば、刺激を行うステップを開始するステップは、検出の時間を起点とする時間遅延期間後に、刺激を行うステップを開始することを含む。
この方法のいくつかの実施形態によれば、刺激を行うステップは、刺激を行うステップの継続中は検知を停止することを含む。
この方法のいくつかの実施形態によれば、指標は、１つまたは複数の周波数帯における検知信号の位相変化、１つまたは複数の周波数帯における検知信号の演算スペクトルパワーの変化、およびこれらの任意の組み合わせから選択される。
この方法のいくつかの実施形態によれば、周波数帯は、デルタ帯、シータ帯、ミュー帯、アルファ帯、ベータ帯、およびガンマ帯、ならびにこれらの任意の組み合わせから選択される。
また、本願のシステムによれば、ユーザの認知能力の拡張、補助、および／または向上を図る脳コンピュータインターフェース（ＢＣＩ）システムが提供される。このシステムは、
１）ユーザの１つまたは複数の皮質領域におけるニューロン電気活動に関連する信号を検知する１つまたは複数の検知デバイスと、
２）ユーザの１つもしくは複数の脳深部構造、ユーザの１つもしくは複数の皮質領域、およびユーザの少なくとも１つの皮質領域と少なくとも１つの脳深部構造との組み合わせからなる群から選択される１つまたは複数の標的脳領域に刺激信号を与える１つまたは複数の刺激デバイスと、
３）１つまたは複数の検知デバイスおよび１つまたは複数の刺激デバイスと通信する少なくとも１つのプロセッサ／コントローラであって、１つまたは複数の皮質領域において検知された信号を処理して、認知課題を実行する意図、認知課題の提示、および／または課題の実行に関連付けられた指標を検出すること、ならびに前記ユーザの前記認知能力の拡張、補助、および／または向上のために、指標の検出に応じて、１つまたは複数の標的脳領域に与える刺激を制御することを実施するようにプログラムされた少なくとも１つのプロセッサ／コントローラと、
４）当該ＢＣＩシステムに給電する少なくとも１つの電源と、
を備える。
このシステムのいくつかの実施形態によれば、１つまたは複数の検知デバイスは、１つまたは複数の皮質領域における電気活動に関連付けられた電気信号を検知するように構成された電極を備える。
このシステムのいくつかの実施形態によれば、１つまたは複数の刺激デバイスは、電気刺激信号を標的脳領域に電気刺激信号を与えるように構成された電極を備える。
最後に、このシステムのいくつかの実施形態によれば、１つまたは複数の検知デバイスのうちの少なくとも１つの検知デバイスは、１つまたは複数の皮質領域における電気活動に関連付けられた電気信号を検知するように構成された１つまたは複数の電極セットを備えており、１つまたは複数の刺激デバイスのうちの少なくとも１つの刺激デバイスは、１つまたは複数の標的脳領域に電気信号を与えて、１つまたは複数の標的脳領域を電気的に刺激するように構成された１つまたは複数の電極セットを備える。
本発明のいくつかの実施形態について、その例示のみを目的として添付の図面を参照して本明細書に記載する。以下、特に図面を詳細に参照して示す細部は、例示を目的とし、また本発明の実施形態の詳細な説明を目的とすることを強調する。同様に、図面と共に説明を見ることで、本発明の実施形態をどのように実践し得るかが当業者には明らかとなる。
本願の拡張認知システムのいくつかの実施形態による、ユーザの認知能力の拡張、増強、または向上のための、一般システムの構成要素を示した模式ブロック図である。 本願のシステムの一実施形態による、ユーザの認知能力の拡張、増強、または向上のための、一般演算作業の実行に使用可能なシステムの模式ブロック図である。 本願のシステムのいくつかの実施形態による、ユーザの認知能力の拡張、増強、または向上のための、背外側前頭前皮質（ＤＬＰＦＣ）におけるニューロン活動を検知し、複数の脳深部構造を電気的に刺激する１つまたは複数の電極セットを具備したシステムの一実施形態を示した模式ブロック図である。 本願のシステムのいくつかの実施形態による、ユーザの認知能力の拡張、増強、または向上のための、背外側前頭前皮質（ＤＬＰＦＣ）におけるニューロン活動を検知し、とりわけ学習、記憶、および注意調節に関連付けられた１つまたは複数の脳深部構造を電気的に刺激する１つまたは複数の電極セットを具備し、無線型であるシステムの一実施形態を示した模式ブロック図である。 本願の拡張／増強認知システムのいくつかの実施形態による、ユーザの認知能力の拡張、増強、または向上のための、背外側前頭前皮質（ＤＬＰＦＣ）皮質領域および（任意選択での）他の皮質領域におけるニューロン活動を検知し、とりわけ学習、記憶、および注意調節に関連付けられた１つまたは複数の脳深部構造を電気的に刺激する複数の電極セットを具備したシステムを示した模式ブロック図である。 本願のシステムのいくつかの実施形態による、ユーザの認知能力の拡張、増強、または向上のための、ユーザの頭蓋内に配設された頭蓋内システムを示した模式図である。 本願のシステムのいくつかの実施形態による、ユーザの認知能力の拡張、増強、または向上のための、ユーザの頭蓋内に配設されたいくつかのシステム構成要素およびユーザの頭蓋の外側に配設されたシステムのその他いくつかの構成要素を示した模式図である。 本願の方法のいくつかの実施形態による、ユーザの認知能力の拡張、増強、または向上のためのシステムの、トレーニングおよび／または校正を行う方法のステップを示した模式フローチャートである。 本願の方法のいくつかの実施形態による、ユーザの認知能力の拡張、増強、または向上のための方法のステップを示した模式フローチャートである。 本願の方法のいくつかの実施形態による、ユーザの認知能力の拡張、増強、または向上のための、単一の検知・刺激電極セットを有するシステムを示した模式ブロック図である。 本願のシステムのいくつかの実施形態による、ユーザの認知能力の拡張、増強、または向上のための、２つの皮質領域において検知を行い、且つ１つもしくは複数の皮質領域、１つもしくは複数の脳深部構造、または１つもしくは複数の皮質領域と１つもしくは複数の脳深部構造との組み合わせを刺激する検知・刺激電極セットを有するシステムを示した模式ブロック図である。 本願のシステムのいくつかの実施形態による、ユーザの認知能力の拡張、増強、または向上のための、脳深部構造の経頭蓋周波数干渉刺激を行う一組の非侵襲電極、ならびに１つもしくは複数の皮質領域の検知および／または刺激を行う頭蓋内埋め込み型Ｅｃｏｇ電極アレイを具備するシステムを示した模式ブロック図である。 図１２のシステムの頭蓋内部分の機能的構成要素を示した模式ブロック図である。 本願のシステムのいくつかの実施形態による、認知能力の拡張、増強、または向上のための、複数の皮質領域における検知を行い、且つ１つまたは複数の脳深部構造の頭蓋内周波数干渉刺激を行う、および／または１つもしくは複数の皮質領域の直接刺激を行う、複数の頭蓋内Ｅｃｏｇアレイを有するシステムを示した模式図である。 図１４のシステムに含まれる機能的構成要素を示した模式機能ブロック図である。 本願の方法のいくつかの実施形態による、ユーザの認知能力の拡張、増強、または向上のための、例示的な方法のステップを示した模式フローチャート図である。 本願の方法のいくつかの実施形態による、ユーザの認知能力の拡張、増強、または向上のための、例示的な方法のステップを示した模式フローチャート図である。 本願の方法のいくつかの実施形態による、ユーザの認知能力の拡張、増強、または向上のための、例示的な方法のステップを示した模式フローチャート図である。 本願の方法のいくつかの実施形態による、ユーザの認知能力の拡張、増強、または向上のための、例示的な方法のステップを示した模式フローチャート図である。
略語
以下の略語を、本願の明細書および特許請求の範囲の全体を通して使用する。
ＡＤＤ：注意欠陥障害（現在、この用語は、同等の用語「不注意優勢状態（ＩＡ）」で文字通り置き換えられている）
ＡＤＨＤ：注意欠陥多動性障害
ＢＡ：ブロードマン領野
ＢＣＩ：脳コンピュータインターフェース
ＤＢＳ：脳深部刺激
ＤＬＰＦＣ：前頭前皮質
ＤＳＰ：デジタルシグナルプロセッサ
Ｅｃｏｇ：脳波測定
Ｅｃｏｇ ＢＣＩ：脳波測定脳コンピュータインターフェース
ＥＰＲＯＭ：電気的プログラム可能リードオンリーメモリ
ＥＥＰＲＯＭ：電気的消去・プログラム可能リードオンリーメモリ
ＦＭＲＩ：機能的磁気共鳴画像法
ＧＵＩ：グラフィカルユーザインターフェース
５ＨＴ：５−ヒドロキシトリプタミン
Ｈｚ：ヘルツ
ＩＣ：集積回路
ＩＣＴＩＳ：頭蓋内時間干渉刺激
ＩＦＧ：下前頭回
ＩＭＵ：慣性測定ユニット
ＫＨｚ：キロヘルツ
ＬＡＮ：ローカルエリアネットワーク
ＬＣ：青斑
ＬＦＰ：局所電場電位
ｍｓｅｃ：ミリ秒
ＮＡ：ノルアドレナリン
ＮＴＩＳ：非侵襲時間干渉刺激
ＯＣＤ：強迫神経症
ＰＦＣ：前頭前皮質
ＲＯＭ：リードオンリーメモリ
ＲＡＭ：ランダムアクセスメモリ
ＳＳＤ：半導体ディスク
ＴＢＩ：外傷性脳損傷
ＴＩ：時間干渉
ＴＰＣ：側頭頭頂皮質
ＴＰＪ：側頭頭頂接合部
ＶＴＡ：腹側被蓋領域
ＶＰＮ：仮想プライベートネットワーク
μＶ：マイクロボルト
ＷＡＮ：ワイドエリアネットワーク
ＷＭ：ワーキングメモリ
本願のシステムおよび方法の一態様として、正常なユーザにおける「認知増強」の実行にこれらのシステムおよび方法が用いられてもよい。認知（ならびに、その延長としての、ＤＬＰＦＣのワーキングメモリ、注意持続、およびその他の能力）は、ＤＬＰＦＣおよび／または関与する他の皮質領域（たとえば、ＴＰＣ、ＴＰＪ、ＰＦＣ、および／または注意、集中、注意持続、学習、およびワーキングメモリの制御に関わるその他任意の皮質領域）における電気活動を検知すること、学習課題（たとえば、連想的学習課題もしくは暗記課題、または集中を要し、集中力の持続時間を長くするその他任意の学習課題）に関連付けられたニューロン活動パターンを、検知信号から検出すること、ならびにユーザの集中力の持続時間、課題への集中、および能力の増強の向上、拡張、および／または増強によって、学習および記憶を調節および／または増強することにより、認知を増強するのに有効な１つまたは複数の脳深部構造（および／または、一部の皮質領域）を上記検出に応じて刺激することによって、増強可能である。
ユーザの認知能力の調節および／または増強あるいは拡張は、とりわけ学習および記憶等の認知課題の実行に関与する特定の関連皮質回路の補強によって認知能力を増強可能なＤＬＰＦＣ（または、上記開示のような他の皮質領域）内の関連する神経回路内の樹状突起または細胞体で終端するＶＴＡドーパミン作動性ニューロン軸索のシナプスにおけるドーパミンの放出の結果と考えられる。
なお、（ＶＴＡの刺激とは独立または一体に）他の脳深部構造が刺激された場合は、刺激されている特定の脳深部構造に応じて、たとえば５−ヒドロキシトリプタミン（５ＨＴ）およびノルアドレナリン（ＮＡ）および／または様々な異なる神経ペプチド等の他種の神経調節物質が、場合によっては、ユーザの認知能力の増強、向上、または拡張に関与してもよい。
本明細書に開示のシステムおよび方法の別の態様は、神経もしくは神経精神障害または認知能力の低下を患う患者またはユーザの認知能力を向上させることを目的とする。具体的には、記憶機能に影響する脳障害、外傷性脳損傷（ＴＢＩ）、脳卒中、認知症、神経変性障害、集中・学習障害のある人々であり、このような障害は、先天性疾患によるものでも、特定の脳構造および／または機能の損傷または変性によるものでもよい（（非限定的な例は、ＡＤＨＤ、ＡＤＤ、ＯＣＤ、抑鬱症、臨床的鬱病、外傷性脳損傷、脳卒中、健忘症、およびより具体的な種類の記憶障害を有する患者である）。
本願のシステムおよび方法のいくつかの実施形態によれば、正常なユーザまたは上記開示の障害（または、その他任意の神経、精神、および／もしくは神経精神障害もしくは欠陥）を有する患者における脳深部構造（ＶＴＡ、線条体、尾状核、果核、側坐核、青斑、海馬、扁桃、中脳辺縁系のその他任意の脳深部構造、ならびに／または学習、記憶、集中、および他種のユーザ認知能力の増強または促進に機能的に関与するその他任意の脳深部構造等が挙げられるが、これらに限定されない）の刺激は、ＤＦＰＬＣおよび／またはその他の皮質領域（たとえば、ＴＰＣ、ＴＰＪ、ＰＦＣ、ならびに／または集中、注意持続、学習、およびワーキングメモリ制御に関わるその他任意の皮質領域）におけるニューロン活動のある特定のパターンの検出に際して、完全自動で実行されてもよい。これは、Scientific Reports 6, Nature, Article number: 18806 (2016)に公開された「Temporally Coordinated Deep Brain Stimulation in the Dorsal and Ventral Striatum Synergistically Enhances Associative Learning」というタイトルの論文においてHusam A. Katnani et al.らが示すように、課題提示のタイミングに対して、正確なタイミングで刺激することの必要性に由来する。ただし、この論文に記載の実験においては、課題提示、ひいては脳深部刺激は、サルの脳において検知または記録された如何なる活動によっても誘引されず、関連もしていないことに留意されたい。
本願のシステムのいくつかの実施形態において、システムは、「課題非拘束（Ｔａｓｋ ｕｎｔｅｔｈｅｒｅｄ）」モードで動作してもよく、これは、ユーザが特定の課題を実行していないものの、正常に日常を送っていることを意味する。システムは、ＷＭまたは注意回路がＤＬＰＦＣ（または、他の皮質領域）で働いていることを検出した場合、自動的に刺激を脳深部構造に送達して、認知能力の補強を実現する。
本願のシステムのその他いくつかの実施形態において、システムは、「課題依存（Ｔａｓｋ ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ）」モードで動作してもよい。このモードでは、たとえばＡ−ｎｏｔ−Ｂ型の課題等の、臨床管理課題または自己管理の課題の最中にのみ、当該システムが脳深部構造を刺激する。
自動的かつ自律的に動作する本願のシステムのその他いくつかの実施形態において、ユーザは、脳深部構造への刺激の送達のタイミングおよび時空間パターンを制御しないようにしてもよい。刺激は、上記のような学習課題および／または暗記課題、または注意の拡張および集中および／または動機付けを要するその他任意の課題におけるユーザ能力に対する増強効果を最適化するために、システムの刺激電極セットを制御するプロセッサ／コントローラにより、自動的に生成されて、正確なタイミングで加えられるタイミングを計った。
ただし、本明細書に開示のシステムのいくつかの実施形態において、ユーザおよび／または患者は、システムの動作モードを自発的にオン／オフ切り替え可能であってもよい。たとえば、ユーザまたは患者は、（刺激の無効化または刺激の有効化によって）脳深部構造に対する刺激の機能を自発的に制御することにより、脳深部構造に対する刺激をオン／オフに切り替えて、システムの「認知能力増強」動作を自発的に起動または停止可能であってもよい。このような制御方法については、これらシステムの特定の実施形態に関して、以下により詳しく開示する。
本発明の少なくとも１つの実施形態を詳細に説明する前に、本発明は、必ずしもその用途が、以下の記載に示す、および／または図面および／または実施例で例示する、構成の詳細および要素の配置および／または方法に限定されるものではないことを理解するべきである。本発明は、他の実施形態が可能であり、また、さまざまな手段で実施または実行することが可能である。本願に由来する特許の存続中、（単一ニューロンおよび／またはニューロン集合の）ニューロン電気活動を検知するとともに、１つまたは複数のニューロンを刺激する多くの関連デバイス、システム、および方法が開発されることが予想されるため、用語「検知電極セット」、「（複数の）検知電極セット」、「刺激電極セット」、および「（複数の）刺激電極セット」の範囲は、それぞれ先験的に、上記すべての新たな検知および刺激技術を含むことを意図する。
同様に、本願に由来する特許の存続中、（単一ニューロンおよび／またはニューロン集合の）ニューロン電気活動に関連する信号を検知するとともに１つまたは複数のニューロンを刺激する多くの関連デバイス、システム、および方法が開発されることが予想されるため、用語「検知」、「記録」、および「刺激」の範囲は先験的に、上記すべての新たな技術を含むことを意図する。
本明細書で使用する「約」は、±１０％を指す。本明細書において、単語「例示的」は、「一例、事例、または実例として役に立つ」ことを意味するために使用する。「例示的」として記載の任意の実施形態は、必ずしも他の実施形態よりも好適もしくは有利と解釈されることはない、および／または、他の実施形態の特徴の組み込みを除外することがないものとする。
本明細書において、単語「任意選択」は、「いくつかの実施形態では提供され、他の実施形態では提供されない」ことを意味するために使用する。本発明の任意特定の実施形態は、矛盾のない限り、複数の「任意選択」の特徴を含んでもよい。
「具備する（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、「具備している（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」という用語およびその活用形は、「限定されるものではないが、含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｂｕｔ ｎｏｔ ｌｉｍｉｔｅｄ ｔｏ）」を意味する。
「からなる」という用語は、「含み、限定される」ことを意味する。
「から実質的になる」という用語は、組成物、方法または構造が追加の成分、工程および／または部分を含み得ることを意味する。但しこれは、追加の成分、工程および／または部分が、請求項に記載の組成物、方法または構造の基本的かつ新規な特性を実質的に変更しない場合に限られる。
用語「正常なユーザ」、「正常な人」、およびそれぞれのすべての複数形は、本願の明細書および特許請求の範囲の全体を通して区別なく使用することができる。これら用語は、認知能力の１つまたは複数の態様を低下させる神経障害、精神障害、および／または神経精神障害を有していない人またはユーザを示す。なお、このように正常なユーザまたは人は、認知機能障害と直接関連しないその他任意の疾病または障害状態がある場合がある。
用語「電極セット」およびそのすべての複数形は、本願の明細書および特許請求の範囲の全体を通して、１つもしくは複数の脳領域における電気活動の検知、１つもしくは複数の脳領域の刺激、および／または１つもしくは複数の脳領域の検知と刺激との両者を行うように構成された、２つ以上の電極を具備する任意の電極構成を示すために使用している。なお、これらの用語は、電極のみならず、電極の構造の一部または電極アセンブリもしくは電極アレイの一部として含まれ、電極検知部の近くの信号振幅、信号調節、信号フィルタリングに用いられる如何なる電子および／または電気回路を表してもよい。たとえば、アレイが支持される基板上の検知電極または電極近傍に集積された電気および／または電子コンポーネントをＥｃｏｇ型電極アレイが含む場合は、アレイ全体およびそれに関連付けられた電子／電気コンポーネントを「電極セット」と称する場合がある。
本明細書において、単数形を表す「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、文脈が明らかに他を示さない限り、複数をも対象とする。例えば、「化合物（a compound）」または「少なくとも１種の化合物」には、複数の化合物が含まれ、それらの混合物をも含み得る。
本願全体を通して、本発明のさまざまな実施形態は、範囲形式にて示され得る。範囲形式での記載は、単に利便性および簡潔さのためであり、本発明の範囲の柔軟性を欠く制限ではないことを理解されたい。したがって、範囲の記載は、可能な下位の範囲の全部、およびその範囲内の個々の数値を特異的に開示していると考えるべきである。例えば、１〜６といった範囲の記載は、１〜３、１〜４、１〜５、２〜４、２〜６、３〜６等の部分範囲のみならず、その範囲内の個々の数値、例えば１、２、３、４、５および６も具体的に開示するものとする。これは、範囲の大きさに関わらず適用される。
本明細書において数値範囲を示す場合、それは常に示す範囲内の任意の引用数（分数または整数）を含むことを意図する。第１の指示数と第２の指示数「との間の範囲」という表現と、第１の指示数「から」第２の指示数「までの範囲」という表現は、本明細書で代替可能に使用され、第１の指示数および第２の指示数と、それらの間の分数および整数の全部を含むことを意図する。
ここで図１を参照する。この図は、本願の拡張認知システムのいくつかの実施形態による、ユーザの認知能力の拡張、増強、または向上を図る一般システムの構成要素を示した模式ブロック図である。
システム１０は、１つまたは複数のプロセッサ／コントローラ１４と通信する１つまたは複数の検知／刺激電極セット１２を具備する。プロセッサ／コントローラ１４は、当技術分野において知られている通り、データの格納および読み出しを行う１つまたは複数のメモリおよび／またはデータ記憶装置１６と適当に接続されてもよい。
プロセッサ／コントローラ１４は、ユーザの頭蓋の外部の１つもしくは複数のプロセッサ／コントローラ、１つもしくは複数の頭蓋内プロセッサ／コントローラ、少なくとも１つのウェアラブルプロセッサ／コントローラ、少なくとも１つのリモートプロセッサ／コントローラ、少なくとも１つのデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）、少なくとも１つのグラフィック処理ユニット（ＧＰＵ）、少なくとも１つの量子コンピューティングデバイス、処理ユニット（ＣＰＵ）、またはこれらの任意の組み合わせから選択される１つまたは複数のコンピューティングデバイスであってもよい。いくつかの実施形態において、プロセッサ／コントローラ１４は、ニューラルネットワークを具備および／またはエミュレートしてもよい。たとえば、プロセッサ／コントローラ１４は、１つまたは複数の神経形態学的ＩＣを具備してもよいし、１つまたは複数の神経形態学的ＩＣに接続されてもよい（また、本願の認知拡張／増強システムのいずれかに含まれてもよい）。代替および／または追加として、プロセッサ／コントローラ１４は、当該プロセッサ／コントローラ１４上で動作するソフトウェアによって、１つまたは複数のニューラルネットワークをエミュレートするようにプログラムされてもよい。
さらに、プロセッサ／コントローラ１４は、（無線が好ましいが、場合により有線で）インターネットあるいはＬＡＮ、ＷＡＮ、ＶＰＮ、またはその他任意の種類の有線もしくは無線アクセス可能ネットワーク等、その他任意の種類のネットワークを介して、「クラウド」にアクセス可能であってもよい。
いくつかの実施形態において、プロセッサ／コントローラ１４は、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（商標）またはＷｉ−Ｆｉ通信ユニットもしくは回路等の無線通信回路を具備してもよい（例示の明瞭化のため、いずれの図面にも詳しくは図示せず）。このような無線通信手段により、プロセッサ／コントローラは、たとえばリモートコンピュータ、サーバ、携帯電話、またはその他任意の種類等の外部デバイスと無線通信可能であってもよい。このような実施形態は、プロセッサ／コントローラ１４の処理パワーが限られている場合に有用と考えられる。このような実施形態によれば、リモートコンピュータ、サーバ、コンピュータ群、またはその他任意適当なコンピューティングデバイス等の他の処理デバイスに対して、演算負荷の一部または全部を開放可能であるとともに、クラウド演算または並列演算の使用によって、ＤＬＰＦＣまたは他の脳領域において記録／検知されたデータを処理することにより、プロセッサ／コントローラ１４での演算負荷を軽減可能と考えられる。その後、このような開放演算の結果は、プロセッサ／コントローラ１４に（好ましくは無線で）返送または通信され、本明細書に開示の通り、適当な脳深部構造の刺激の制御の実行に用いられてもよい。
侵襲的システムの場合、プロセッサ／コントローラ１４は、考え得る最小サイズを有するとともに、電力要求および熱出力を最小限に抑えるため、超小型化されているのが好ましい。ただし、ウェアラブルコンピューティングデバイスまたは類似の外部コンピュータデバイスが用いられる場合は、当該コンピューティングデバイスのサイズおよび電力要求が大きくなる可能性がある。
プロセッサ／コントローラ１４および／または１つもしくは複数の検知／刺激電極セット１２は、生体信号処理の技術分野において知られている通り、１つまたは複数の検知／刺激電極セット１２により検知された電気信号の調節、増幅、フィルタリング、および／またはデジタル化に必要な任意の電気回路（例示の明瞭化のため、図示せず）を具備してもよい（たとえば、アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）、信号増幅器、アナログフィルタ、デジタルフィルタ、またはその他任意適当な電気、電子、および／または光電子回路）。
また、プロセッサ／コントローラ１４および／または１つもしくは複数の検知／刺激電極セット１２は、当技術分野において知られている通り、１つまたは複数の検知／刺激電極セット１２を通じて神経組織に電気刺激を与える任意の電気回路（例示の明瞭化のため、図示せず）を具備してもよい。このような電気回路は、当技術分野において知られている通り、１つまたは複数の電流源、多重化回路、１つまたは複数の電気パルス発生器、タイミング回路、および検知／刺激電極セット１２のうちの１つまたは複数を通じてニューロンを刺激するのに必要なその他任意の電気回路等、適当な（任意選択での）電源を具備してもよい。
本明細書に開示するとともに図面に示すすべてのシステムの実施形態においては、上記のような刺激回路を明示的に示すことなく、プロセッサ／コントローラ１４が１つまたは複数の刺激電極セット（または、検知・刺激電極セット）に直接接続されたものとして示している。しかし、このような回路（たとえば、１つまたは複数の電流源、多重化回路、１つまたは複数の電気パルス発生器、タイミング回路、および検知／刺激電極セットのうちの１つまたは複数を通じて、ニューロンを刺激するのに必要なその他任意の電気回路等）は、プロセッサ／コントローラ１４に含まれてもよく、例示の明瞭化のために詳しく示していないことを理解されたい。
ただし、システム１０（または、本願に開示するとともに図面に示すその他のシステムのいずれか）には、電力を必要とする任意のシステム構成要素に電力を供給するために、適当な電源３が具備されてもよい。なお、例示の明瞭化のため、以下の図１〜図５のいずれにも、電力を必要とする任意の構成要素に電源３を接続する電力線を示していない。
また、システム１０は、（任意選択で）プロセッサ／コントローラ１４に対して適当に接続および結合された１つまたは複数の補助センサ１８を具備してもよい。任意選択の補助センサ１８としては、撮像センサ、モノクロ撮像センサ、カラー撮像センサ、赤外線（ＩＲ）撮像センサ、紫外線（ＵＶ）撮像センサ、電離放射センサ、ガイガーカウンタ、マイク、立体深度センサ、慣性測定ユニット（ＩＭＵ）、１つもしくは複数の加速度計、振動計、温度センサ、マイク、音声、可聴下音、および／または超音波を検知する音響センサ、サーミスタ、空気中の揮発性化合物を検知および／または検出するセンサ、ならびにこれらの任意の組み合わせから選択される１つまたは複数のセンサが挙げられる。
一般的には、当技術分野において知られている任意の適当なセンサが補助センサ１８に含まれてもよく、システム１０のユーザへの取り付け、保持、または着用が可能な上述のセンサが挙げられるが、これらに限定されない。また、補助センサ１８は、このような補助センサをプロセッサ／コントローラ１４と無線通信させることにより、システム１０のユーザへの着用、取り付け、または着用には重量、サイズ、または面倒が大き過ぎる任意のセンサを含んでもよい（当技術分野において知られている通り、適当な無線通信システムが用いられてもよい）。このように適当な無線通信デバイスは、例示の明瞭化のため、図１には示していないものの、図４の送受信機ＴＸ１〜ＴＸ４に類似してもよい。このような補助センサとしては、たとえばレーダベースのセンサデバイス、ＬＩＤＡＲデバイス、受振器、ソナーデバイス、または当技術分野において知られているその他任意の大型センサもしくはセンサシステムが挙げられる。
補助センサ１８としては、地理的状況の情報またはデータ（たとえば、空間中および／または環境中の、他の物体に対する様々な実物体またはユーザの身体もしくは身体部位の位置）をユーザに与えるのに使用可能な検知データを、プロセッサ／コントローラ１４に提供し得るセンサ（たとえば、カメラ、立体深度センサ、またはレーザ測距器等）が挙げられる。
また、システム１０は、（任意選択で）１つまたは複数のエフェクタデバイス１５を具備してもよい。エフェクタデバイス１５は、ユーザの身体に埋め込まれたエフェクタデバイスであってもよいし、ユーザにより携行される外部のエフェクタデバイス、および／またはユーザの身体の外部もしくはユーザの身体に着用した１つもしくは複数の衣服に取り付けられた外部のエフェクタデバイスであってもよい。また、エフェクタデバイス１５は、任意の場所に配置され、システム１０を使用しているユーザによるリモートの無線制御および／または無線操作が可能な任意の種類の外部エフェクタデバイスであってもよい。エフェクタデバイス１５は、ユーザに取り付けられたエフェクタデバイスもしくはユーザにより携行されるエフェクタデバイス、ユーザを運ぶエフェクタデバイス、プロテーゼ、電動車両、陸上車、航空機、船舶、ユーザの近傍のエフェクタデバイス、リモートのエフェクタデバイス、ドローン、ユーザを運ぶ電動スーツデバイス、ユーザが操作可能なロボットデバイス、音源、超音波源、オーディオスピーカ、可視光源、ＩＲ光等であってもよい。
また、エフェクタデバイス１５は、上述のエフェクタの相互排他的ではない任意の組み合わせおよびこれらの任意の組み合わせを含んでもよい。
いくつかの実施形態によれば、エフェクタデバイスは、ユーザの身体もしくは身体の選択部に物質もしくは組成物を制御可能に送達するデバイス、ユーザの身体を医療的および／または治療的に処置するデバイス、および／またはこれらの任意の組み合わせから選択されてもよい。物質または組成物は、薬剤、治療薬、刺激薬、鎮静剤、抗炎症薬、筋弛緩薬、抗菌薬、抗真菌薬、抗ウイルス薬、栄養素、ホルモン、神経伝達物質、神経保護薬、ビタミン、抗凝固薬、または上述の物質の相互排他的もしくは医学的禁忌ではない任意の組み合わせから選択されてもよい。
エフェクタデバイスの一部は、ユーザの身体を医療的および／または治療的に処置する治療デバイスであってもよく、また、前記身体またはその一部に電気刺激を送達するデバイス、前記身体またはその選択領域もしくは器官を加熱または冷却するデバイス、前記身体またはその一部に治療電磁放射を与えるデバイス、およびこれらの任意の組み合わせから選択されてもよい。
メモリ／データ記憶装置１６は、データの格納および／または読み込みの技術分野において知られている任意の種類のメモリおよび／またはデータ記憶装置であってもよい。システム１０（および、以下に開示するその他の認知拡張／増強システムのいずれか）において使用し得る非限定的かつ例示的なメモリおよび／またはデータ記憶装置としては、当技術分野において知られている任意の種類のＲＯＭ、ＲＡＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリデバイス等の１つもしくは複数のデバイス、光メモリおよび／または記憶装置、ならびにこれらの任意の組み合わせが挙げられる。
検知／刺激電極セット１２は、当技術分野において知られている任意の種類の検知および／または刺激電極であってもよく、ユーザの中枢神経系の１つまたは複数の部位等、ユーザの神経系１７の１つまたは複数の部位と連動し得る。神経系１７は、さらにユーザの神経系のその他任意の１つまたは複数の部位ともインターフェース可能であり、そのような部位としては、任意の皮質領域、１つまたは複数の辺縁構造、交感神経系、副交感神経系、脊髄、末端感覚神経系、網膜および／または視神経、ならびにユーザの身体中のその他任意の神経組織が挙げられるが、これらに限定されない。
検知／刺激電極セット１２は、相互作用する神経系の領域に応じて、異なる種類の電極セットまたは電極群として実装されてもよい。このように異なる電極セットは、当技術分野においてよく知られており、このような電極セットの複数の形態が市販されている。このような電極セットの構造および動作については、当技術分野においてよく知られているため、以下で詳しく説明することはない。簡潔に、電極セット１２は、単電極セット、多電極セット、電極アレイ、脳内の血管に挿入するステント型の電極アレイ、可撓性単一面電極、脳もしくはＣＮＳの１つもしくは複数の表面（記録および／または刺激を行う皮質領域および／または他の脳表面領域が挙げられるが、これらに限定されない）の記録および／または刺激を行う可撓性多電極アレイ、皮質領域および／または皮質層の内部に埋め込む可撓性メッシュ型電極アレイ、任意の脳深部構造の内部に埋め込む可撓性メッシュ型電極アレイ、皮質表面に載置可能な可撓性メッシュ型電極アレイ、眼の中に埋め込む網膜電極セット、ならびに上記種類の電極および電極セットの任意の組み合わせから選択されてもよい。
当技術分野においては、認知の増強／拡張／向上を行うシステムにおいて使用し得る上記のような異なる種類の電極およびそれぞれの関連する電子回路を構成および使用する方法のほかに、下記の方法およびアルゴリズムがよく知られている。このようなアルゴリズムとしては、検知されたニューロン活動を処理して、（義肢を含む）エフェクタデバイスを制御するコマンドの生成あるいはパターン認識、パターン検出、および／またはパターン識別のための様々な演算（アナログおよび／またはデジタルの両者）、および／または他の一般的な演算課題の実行を行う方法およびアルゴリズムがよく知られており、とりわけ以下の参考文献の一部において詳しく記載されている。
１．Jeneva A. Cronin, Jing Wu, Kelly L. Collins, Devapratim Sarma, Rajesh P. N. Rao, Jeffrey G. Ojemann & Jared D. Olson. "Task-Specific Somatosensory Feedback via Cortical Stimulation in Humans.", IEEE Transactions on Haptics, DRAFT. DOI: 10.1109/TOH.2016.2591952
２．Kay Palopoli-Trojani, Virginia Woods, Chia-Han Chiang, Michael Trumpis & Jonathan Viventi. "In vitro Assessment of Long-Term Reliability of Low-Cost μECoG Arrays.", Micro Electro Mechanical Systems, 2016, IEEE International Conference, 24-28 January 2016, DOI: 10.1109/MEMSYS.2016.7421580
３．Shota Yamagiwa, Makoto Ishida & Takeshi Kawano. "SELF-CURLING AND -STICKING FLEXIBLE SUBSTRATE FOR ECoG ELECTRODE ARRAY", Micro Electro Mechanical Systems, 2013, IEEE 26th International Conference, 20-24 January 2013. DOI: 10.1109/MEMSYS.2013.647428
４．Yusuke Morikawa, Shota Yamagiwa, Hirohito Sawahata, Makoto Ishida & Takeshi Kawano. "AN ORIGAMI-INSPIRED ULTRASTRETCHABLE BIOPROBE FILM DEVICE", MEMS 2016, Shanghai, CHINA, 24-28 January 2016, 978-1-5090-1973-1/16/$31.00 (C)2016 IEEE, PP. 149-152
５．Nikita Pak, Joshua H. Siegle, Justin P. Kinney, Daniel J. Denman, Tim Blanche & Ed S. Boyden. Closed-loop, ultraprecise, automated craniotomies. Journal of Neurophysiology 113, April 2015, Pp. 3943-3953
６．Tian-Ming Fu, Guosong Hong, Tao Zhou, Thomas G Schuhmann, Robert D Viveros & Charles M Lieber., "Stable long-term chronic brain mapping at the single-neuron level.", Nature Methods, Vol. 13, No. 10, October 2016, Pp. 875-882
７．Chong Xie, Jia Liu, Tian-Ming Fu, Xiaochuan Dai, Wei Zhou & Charles M. Lieber., "Three-dimensional macroporous nanoelectronic networks as minimally invasive brain probes.", Nature Materials, Vol. 14, December 2015, Pp. 1286-1292
８．Guosong Hong, Tian-Ming Fu, Tao Zhou, Thomas G. Schuhmann, Jinlin Huang, & Charles M. Lieber. "Syringe Injectable Electronics: Precise Targeted Delivery with Quantitative Input/Output Connectivity", Nano Letters, Vol. 15, August 2015, Pp. 6979-6984. DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b02987
９．Jia Liu, Tian-Ming Fu, Zengguang Cheng, Guosong Hong, Tao Zhou, Lihua Jin, Madhavi Duvvuri, Zhe Jiang, Peter Kruskal, Chong Xie, Zhigang Suo, Ying Fang & Charles M. Lieber. "Syringe-injectable electronics.", Nature Nanotechnology, Vol. 10, July 2015, Pp. 629-636. DOI: 10.1038/NNANO.2015.115
１０．David T. Bundy, Mrinal Pahwa, Nicholas Szrama & Eric C. Leuthardt., Decoding three-dimensional reaching movements using electrocorticographic signals in humans", Journal of Neural Engineering, Vol. 13, No. 2, 2016, Pp. 1-18. DOI:10.1088/1741-2560/13/2/026021
１１．Takufumi Yanagisawa, Masayuki Hirata, Youichi Saitoh, Haruhiko Kishima, Kojiro Matsushita, Tetsu Goto, Ryohei Fukuma, Hiroshi Yokoi, Yukiyasu Kamitani & Toshiki Yoshimine, "Electrocorticographic Control of a Prosthetic Arm in Paralyzed Patients.", Annals of Neurology, Vol. 71, No. 3, March 2012, Pp. 353-361. DOI: 10.1002/ana.22613
１２．Wei Wang, Jennifer L. Collinger, Alan D. Degenhart, Elizabeth C. Tyler-Kabara, Andrew B. Schwartz, Daniel W. Moran, Douglas J. Weber, Brian Wodlinger, Ramana K. Vinjamuri, Robin C. Ashmore, John W. Kelly & Michael L. Boninger. "An Electrocorticographic Brain Interface in an Individual with Tetraplegia", Plos One, Vol. 8, No. 2, February 2013, Pp. 1-8. DOI:10.1371/journal.pone.0055344
１３．Kay Palopoli-Trojani, Virginia Woods, Chia-Han Chiang, Michael Trumpis & Jonathan Viventi., "In vitro assessment of long-term reliability of low-cost μΕCoG arrays.", Engineering in Medicine and Biology Society, 38th Annual International Conference of the IEEE, 16-20 August 2016
１４．L. Muller, S. Felix, K. Shah, K. Lee, S. Pannu & E. Chang. "Thin-Film, Ultra High-Density Microelectrocorticographic Decoding of Speech Sounds in Human Superior Temporal Gyrus.", Lawrence Livermore National Laboratory, IEEE Engineering in Medicine and Biology Conference, Orlanda, FL, United States, August 16, 2016 through August 20, 2016. LLNL-CONF-684084
１５．Jonathan Viventi, et al., "Flexible, Foldable, Actively Multiplexed, High-Density Electrode Array for Mapping Brain Activity in vivo.", Nature Neuroscience, Vol. 14, No. 12, Pp. 1599-1605. DOI:10.1038/nn.2973
１６．Thomas J. Oxley et al. Minimally invasive endovascular stent-electrode array for high-fidelity, chronic recordings of cortical neural activity. Nature Biotechnology, Vol. 34, No. 3, February 2016. DOI:10.1038/nbt.3428
１７．Edward S. Boyden, Feng Zhang, Ernst Bamberg, Georg Nagel & Karl Deisseroth, "Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity", Nature Neuroscience, Vol. 8, No. 9, September 2005, Pp. 1263-1268. DOI:10.1038/nn1525
１８．Karl Deisseroth. "Optogenetics", Nature Methods, Vol. 8, No. 1, January 2011, Pp. 26-29. DOI: 10.1038/NMETH.F.324
１９．Karl Deisseroth. "Optogenetics: 10 years of microbial opsins in neuroscience., "Nature Neuroscience, Vol. 18, No. 9, September 2015, Pp. 1213-1225
２０．Andre Berndt Karl Deisseroth." Expanding the optogenetics toolkit: A naturally occurring channel for inhibitory optogenetics is discovered." Science, Vol. 349, No. 6248, August 7, 2015, Pp. 590-591
２１．S. Yamagiwa, M. Ishida & T. Kawano., "Flexible parylene-film optical waveguide arrays.", Applied Physics Letters, Vol. 107, No. 083502, 2015, Pp. 1-5. DOI: 10.1063/1.4929402
２２．Michael Joshua Frank, Johan Samanta, Ahmed A. Moustafa & Scott J. Sherman. "Hold Your Horses: Impulsivity, Deep Brain Stimulation, and Medication in Parkinsonism.", Science., Vol 318, No. 5854, December 2007, Pp. 1309-1312. DOI: 10.1126/science.1146157
２３．David J. Foster & Matthew A. Wilson. "Reverse replay of behavioural sequences in hippocampal place cells during the awake state.", Nature 04587, Pp. 1-4. DOI:10.1038
２４．Nir Grossman,, David Bono, Nina Dedic, Suhasa B. Kodandaramalah, Andrii Rudenko, Ho-Jun Suk, Antonino M. Cassara, Esra Neufeld, Niels, Li Huei Tsai, Alvaro Pascual-Leone and Edwards S. Boyden, "Non-Invasive Deep Brain Stimulation via Temporally Interfering Electric Fields", Cell 169, pp 1029-1041, June1, 2017
２５．Molnarらに付与された「Therapy control based on a patient movement state」というタイトルの米国特許第８，１２１，６９４号明細書
検知／刺激電極セット１２により検知／記録可能な電気活動の種類としては、単一ニューロン電気活動（細胞外記録単一ニューロン活動電位）、複数ニューロンの同時検知／記録電気活動（細胞外記録複数ニューロン活動電位）、検知細胞外記録電場電位、複数ニューロンからの合計電気活動の脳波測定型検知／記録（Ｅｃｏｇ）（表面記録Ｅｃｏｇアレイタイプで記録されたＥｃｏｇ等）が挙げられる。
また、その特性およびニューロン組織との相互作用が十分に特徴付けられていることから、１つまたは複数のニューロン電気活動を表すニューロン電気活動を記録するための導電性の電極、および１つまたは複数のニューロンを電気的に刺激する導電性の電極を含む電極セットが好ましい。しかし、本願のシステムは、このような電極セットを用いた電気的に記録・刺激するタイプのデバイスに限定されない。むしろ、システム１０の電極セット１２の代わりとして、他種の検知および／または刺激デバイスが用いられてもよい。たとえば、ニューロン組織活動の光学検出を用いた検知および／または刺激デバイスが用いられてもよく、また場合により、１つまたは複数のニューロンを刺激する光学的方法を用いた刺激デバイスが用いられてもよい。このような光学デバイスについては、たとえば以下の参考文献に開示されている。
１．Edward S. Boyden, Feng Zhang, Ernst Bamberg, Georg Nagel & Karl Deisseroth., "Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity.", Nature Neuroscience, Vol. 8, No. 9, September 2005, Pp. 1263-1268. DOI:10.1038/nn1525
２．Karl Deisseroth. "Optogenetics.", Nature Methods, Vol. 8, No. 1, January 2011, Pp. 26-29. DOI: 10.1038/NMETH.F.324
３．Karl Deisseroth. "Optogenetics: 10 years of microbial opsins in neuroscience, "Nature Neuroscience, Vol. 18, No. 9, September 2015, Pp. 1213-1225
４．Andre Berndt, and Karl Deisseroth." Expanding the optogenetics toolkit: A naturally occurring channel for inhibitory optogenetics is discovered." Science, Vol. 349, No. 6248, August 7, 2015, Pp. 590-591
本願のシステムにおいて使用可能と考えられる他種の電極セットとしては、本願に開示の任意の参考文献に開示されている任意の種類の電極セットが挙げられる。
たとえば、超音波通信法を用いた特定種類の「神経塵」の実施態様により、検知および／または刺激を目的として、非常に小さな（およそ５０ミクロンサイズ）非拘束無線デバイスが、ニューロン組織に埋め込み可能となり得ることが理論計算で示されている。このような神経塵の実施態様の例は、以下の刊行物に見られる。
１）Dongjin Seo, Ryan M. Neely, Konlin Shen, Utkarsh Singhal, Elad Alon, Jan M. Rabaey, Jose M. Carmena and Michel M. Maharbiz, entiteled "Wireless Recording in the Peripheral Nervous System with Ultrasonic Neural Dust", published in Neuron 91, 529-539, August 3, 2016
２）Biederman William et al. "A Fully Integrated Miniaturized (0.125mm2) 10.5 μW wireless neural sensor". Published in IEEE Journal of solid State Circuits, Vol. 48 Issue 4, April 2013 : DOI: 10.11o9/JSSC 2013.2238994
Ｅｃｏｇ電極アレイ、これらを使用する方法、ならびにこれらによって検知されたニューロン活動関連信号を分析する方法およびアルゴリズムについては、とりわけ以下の刊行物において開示されている。
１）David T Bundy, Mrinal Pahwa, Nicolas Szrama and Eric C Leuthardt, "decoding three-dimensional reaching movements using electrocorticographic signals in humans", J. Neural Eng. 13, 23 February 2016
２）Gerwin Schalk and Eric C Leuthardt, "Brain -Computer Interfaces Using Electrocorticographic signals", IEEE Reviews In Medical Engineering, Vol. 4, 2011
３）Eric C Leuthardt, Gerwin Schalk, Jonathan R Wolpaw, Jefrey G Ojemann and Daniel W Moran; "A Brain-Computer Interface Using Electrocorticographic Signals In Humans". J. Neural Eng. 1. Pp. 63-71 (2004)
検知／刺激電極セット１２は、複数種類の１つまたは複数の電極または電極セットの如何なる組み合わせであってもよい。たとえば、皮質領域の検知／刺激の場合、電極セット１２としては、１つまたは複数の電極が脳の表面に載置された表面記録半侵襲的電極、皮質表面の貫通によって関連する皮質層に侵襲的に埋め込まれた１つまたは複数のユタアレイまたは他の多電極アレイタイプ等の侵襲的電極セットが挙げられる。侵襲的に埋め込まれたＥｃｏｇ型電極アレイは、皮質表面または硬膜の表面に配設される。また、いくつかの実施形態において（通常、非侵襲検知／刺激を必要とする用途において）、電極セット１２としては、当技術分野において知られている通り、ユーザの頭皮の表面に載置された頭蓋外ＥＥＧ型電極が挙げられる。
脳深部領域または脳深部構造の検知および／または刺激を必要とする用途の場合、電極セット１２は、１つまたは複数の脳深部構造内に定位的に埋め込み可能な１つまたは複数の侵襲型電極または電極アレイを含んでもよい。また、このような電極セットは、脳深部構造への注入によって埋め込み可能な（メッシュ型またはその他任意のタイプの）深く注入可能な可撓性電極アレイを含んでもよい。また、Nature Biotechnology 34(3), February 2016 DOI: 10.1038/nbt.3428のOxleyらによる論文「Minimally invasive endovascular stent-electrode array for high-fidelity, chronic recordings of cortical neural activity」に開示されている通り、検知および／または刺激電極または電極アレイを含むステント型デバイスが上記のような脳深部構造の近傍で半侵襲的（または、低侵襲的）に血管内に送達・配設されることによって、このような脳深部構造内で検知および／または刺激が実行されてもよい。
システム１０の電極セット１２は、脳の様々な異なる領域内のニューロン活動を検知するとともに、ユーザの中枢神経系１７の１つまたは複数の領域を刺激して、当該刺激したＣＮＳ領域中のニューロン活動を喚起するように配置されている。当技術分野においては、このような電極セットの頭皮への載置、皮質表面電極セット、電極アレイの埋め込み、および／または皮質内もしくは脳深部構造中の貫通電極の埋め込みのための様々な技術および方法がよく知られており、これらは本願の主題ではなく、本明細書に引用の文献および参考文献に十分開示されている。
ここで図２を参照する。この図は、本願のシステムの一実施形態による、一般演算課題の実行に使用可能な、ユーザの認知能力の拡張、増強、または向上を図るシステムの模式ブロック図である。システム２０は、詳細に上述したように、プロセッサコントローラ１４を具備する。また、システム２０は、詳細に上述したように、メモリ／データ記憶装置１６、（任意選択での）補助センサ１８、およびプロセッサ／コントローラ１４に対して適当に結合された（任意選択での）エフェクタデバイス１５を具備してもよい。また、システム２０は、運動皮質２３（および／または、任意選択で運動前皮質）中のニューロン活動を検知（および／または、記録）する検知電極セット１２Ｂと、一次視覚皮質２１を刺激し、その視覚皮質の刺激の結果として、システム２０のユーザにその視野内の仮想イメージを認識させる別の検知電極セット１２Ｂとを具備してもよい。
仮想イメージは、ユーザの眼により受け取られ、視覚経路を通じて視覚皮質まで正常に中継された環境の「実」視覚イメージと一体化または重畳されてもよい。
システム２０のユーザにより認識される仮想イメージは、ユーザによる様々な課題の実行および／またはユーザに対するデータもしくは情報（内部身体情報または補助センサ１８を含む医用センサが提供する情報）の提示に有用な任意所望のイメージであってもよい。
ユーザに提示される情報またはデータは、グラフィック情報（１つまたは複数の画像）および／または英数字（文字および／または数字を含むテキスト情報等）、ならびにこのような視覚認知し得るイメージの任意適当な組み合わせであってもよい。たとえば、一次視覚皮質２１（または、視覚皮質のその他任意の部位もしくは領域）を刺激することにより、仮想イメージがユーザにより認識されてもよく、１つまたは複数の一般演算課題をユーザが実行できるようにし得る仮想グラフィカルユーザインターフェース（ＧＵＩ）が挙げられる。このような一般演算課題としては、プロセッサ／コントローラ１４上で動作し得る任意のソフトウェアプログラム（または、その任意のサブルーチン）の動作の作動および／または制御が挙げられるが、これらに限定されない。
たとえば、一次視覚皮質２１の刺激によって、ユーザは、視覚的に観察する正常認識視野（ＦＯＶ）に重ね合わされた仮想ダイアログボックスを認識可能である。このような仮想ダイアログボックスは、たとえば当該仮想ダイアログボックスに含まれる「仮想ボタン」上に仮想カーソルを移動させ、仮想ボタンの「ポイント」または「クリック」により選択または選定し得る選択可能なオプションを含んでもよい。さらに、ユーザは、人工的に誘導された仮想イメージまたはダイアログボックス等と相互作用するようにしてもよい。相互作用は、自然なジェスチャ（１つまたは２つの閉鎖または半閉鎖「把捉」または「ピンチ」）による、３Ｄツール、あるいは２Ｄまたは３Ｄのコンテンツの平行移動、回転、または拡大縮小によって、あるいはユーザ空間の周りで手の中心を移動させる（または、移動しようと計画および／または意図する）ことによりコンテンツを操作する。別の実施形態では、物理的な手足の移動または移動計画によって、より多くの仮想手足を移動させることができる。従来の仮想現実（ＶＲ）デバイスおよびシステムでは、通常、演算課題を制御するための上記のようなインタラクティブイメージは、ＨＵＤデバイスまたは仮想現実ゴーグルもしくはメガネによってユーザに提示され、ユーザの網膜に投影されることで、ユーザの視覚経路を通じて正常に伝達され、ユーザに認識される。ただし、これとは対照的に、本願の仮想イメージは、視覚皮質（一次視覚皮質および／または視覚皮質の他の領域、または視覚皮質のこのような領域の任意所望の組み合わせ）の直接刺激の結果である。
当技術分野においては、外部撮像装置を用いて取得された画像の、上記のような視覚皮質の直接刺激による提示が知られており、失明患者の視覚皮質の刺激によってビデオカメラにより検知された環境に関連する画像を患者に提供するのに上手く利用されている。ただし、システム２０において、ユーザは、システム（検知電極セット１２Ｂ等が挙げられるが、これに限定されない）を用いて仮想イメージ（仮想ダイアログボックス、カーソルイメージ、またはその他任意のグラフィックイメージもしくはシンボル）と相互作用することにより、ユーザによる特定方向の自発的な腕の移動、あるいは（実際には腕を動かさない）腕を移動しようとする能動的な計画または意図による運動皮質２３中のニューロン活動を検知するようにしてもよい。
なお、ＢＣＩにより運動皮質中のニューロン活動を検知してプロテーゼの運動を制御することは、当技術分野においてよく知られており、Journal of Neural Engineering, Vol. 13, No. 2, 2016, Pp. 1-18. DOI:10.1088/1741-2560/13/2/026021に記載のDavid T. Bundy、Mrinal Pahwa、Nicholas Szrama、およびEric C. Leuthardtによる「Decoding three-dimensional reaching movements using electrocorticographic signals in humans」というタイトルの論文に詳しく開示されているように、運動皮質において検知された信号の適当な処理によりプロテーゼを操作するコマンドを生成して実行してもよい。
本発明者が知る限り、一般演算課題の実行を目的として、視覚皮質の直接刺激によりユーザに提示された仮想イメージと相互作用するために、運動皮質中のニューロン活動の検知および処理を利用することは、一切教示されておらず、提案すらされていない。
一般演算課題としては、たとえばプロセッサ／コントローラ１４にプログラムされたコンピュータプログラムの実行の起動、開始、または停止、（プロセッサ／コントローラ１４の制御下での刺激電極セット１２Ａによる視覚皮質の刺激によって提示される、）このようなプログラムの仮想グラフィカルユーザインターフェースとの相互作用、データおよび／または情報のユーザへの表示、プロセッサ／コントローラ１４中に存在するコンピュータソフトウェアを通じたエフェクタデバイス１５のうちの１つもしくは複数の動作を制御するための仮想ＧＵＩとの相互作用、またはこのような自発的かつ能動的な相互作用により実行可能なその他任意の種類の演算課題（ユーザと、プロセッサ／コントローラ１４によって制御された、ユーザの視覚皮質の刺激の結果として認識された仮想イメージとの相互作用を制御するための、運動皮質中の信号検知および検知信号の処理を介するもの）であってもよい。
システム２０の利点の１つとして、視覚皮質の直接刺激の結果として仮想イメージがユーザに認識されるため、ＨＵＤもしくはＶＲゴーグルまたは他のＶＲデバイスが不要となる。
別の利点として、実際の手足の運動がイメージと相互作用するのとは対照的に、運動前皮質における記録は時間がかからない。これは、運動皮質中の活動および筋骨格系の活性化よりも相当な時間（通常、およそ２００〜５００マイクロ秒）だけ先行し得るため、より高速になる可能性がある。このため、システム２０は、ＶＲ機器を用いる他のシステムよりも課題の実行までの反応が高速になって、特定の課題におけるユーザの反応時間が改善され得るため、都合が良い。たとえば、これは、特定種類のエフェクタデバイス１５の動作および／または制御の速度を向上させるのに、特に好都合となり得る。たとえばユーザの反応時間が非常に重要となり得る航空機または陸上車の操作等の課題においては、本明細書に開示の認知増強システムが明らかに有利である。別の利点としては、運動計画または１つの手足の直接運動により複数の仮想手足を制御可能なことが考えられる。この一対多手法によれば、ユーザは、非常に直感的な方法で、より精密または多次元の制御を実行可能となり得る。
また、以下に開示する通り、本願のシステムは、正常なユーザまたは特定の障害がある特定の患者において、認知課題（たとえば、集中、注意レベル、短期記憶力、長期記憶力、ワーキングメモリ力等）の実行を拡張、向上、増強、制御、および／または調節するのに用いてもよい。
また、本願のシステムは、認知課題の実行を拡張、向上、増強、および／または調節するのに用いてもよい。たとえば、異なる種類の刺激に対するワーキングメモリ格納項目数の増加、ユーザが所与のワーキングメモリ項目をワーキングメモリに保持可能な時間の延長、ユーザが特定の刺激に注意を持続可能な時間の延長、競合する刺激を「遮断」するユーザの能力による特定の刺激に対する注意の強度の増大、関連するＤＬＰＦＣ回路中の電気活動を選択的に増大させるユーザの能力による特定の刺激に対する注意力の増加であって、検知電極セット１２ＣによるＤＬＰＦＣの直接刺激、（たとえば、エフェクタ１５による）神経伝達物質ドーパミンの目標放出による間接刺激、または検知電極セット１２Ｃの改良版による、ＤＬＰＦＣの選択領域もしくはその近傍に集中してドーパミンを直接注入によるもの、およびパーシング刺激（テキスト、画像等）の速度を高め、長期記録に保存することが挙げられる。
局所的皮質注入器およびＤＬＰＦＣ検知電極セット（たとえば、検知電極セット１２Ｃ）として構成されたエフェクタ１５を用いて神経伝達物質（たとえば、ドーパミン）を局所的に注入する機能を有するいくつかのシステムの実施形態においては、システムは、エフェクタ１５により放出された神経伝達物質（たとえば、ドーパミン）の量を測定し、ＣＮＳの関心部位に存在して、ＤＬＰＦＣにおいて検知を実行するＢＣＩシステムにより測定された現在の注意、ワーキングメモリ、または他の認知能力のレベルに基づいて、これを調節する。
局所的皮質注入器およびＤＬＰＦＣ検知電極セット（たとえば、検知電極セット１２Ｃ）として構成されたエフェクタ１５を用いて神経伝達物質（たとえば、ドーパミン）を局所的に注入する機能を有し、補助センサ１８のうちの１つが生理学的パラメータ（たとえば、ユーザの心拍、ユーザの血圧、またはユーザのその他任意適当な生理学的もしくは物理化学的パラメータ）を測定するセンサを含むいくつかのシステムの実施形態においては、ＤＬＰＦＣの関心領域に一定量の神経伝達物質が存在する場合、このシステムは、ユーザの認知能力に基づいて調節するだけでなく、生理学的パラメータの値を決定し、これを用いて、エフェクタ１５によりＤＬＰＦＣに送達される神経伝達物質の量を調節または変更することにより、伝達物質の注入量を調節することができる。
ここで図３に参照する。この図は、本願のシステムのいくつかの実施形態による、背外側前頭前皮質（ＤＬＰＦＣ）におけるニューロン活動を検知するとともに、複数の脳深部構造を電気的に刺激する１つまたは複数の電極セットを具備した、ユーザの認知能力の拡張、増強、または向上を図るシステムの一実施形態を示した模式ブロック図である。
システム３０は、詳細に上述したように、メモリデータ記憶装置１６に適当に結合または接続可能な、プロセッサ／コントローラ１４を具備してもよい。また、プロセッサ／コントローラ１４は、（それぞれ図１および図２の）システム１０および２０に関して詳細に上述したように、（任意選択の）補助センサ１８および／またはエフェクタデバイス１５に（任意選択で）適当に結合または接続されてもよい。
また、システム３０は、１つまたは複数の検知・刺激電極セットを具備してもよい。図３に示すシステム３０の特定の実施形態は、１つまたは複数の検知電極セット１２Ｃおよび１つまたは複数の刺激電極セット１２Ｄを含む。検知電極セット１２Ｃおよび刺激電極セット１２Ｄは、プロセッサ／コントローラ１４に適当に接続されている。
検知電極セット１２Ｃは、（検知電極セット１２Ｃの実装に用いられる構成の種類に応じて）背外側前頭前皮質３９に適当に結合され、ＤＬＰＦＣ３９の表面近傍またはＤＬＰＦＣ３９内に配設されている。第１の検知電極セット１２Ｃは、ＤＬＰＦＣ３９中のニューロン活動に関連する信号を検知するのに用いられてもよい。たとえば、検知電極セット１２Ｃは、当技術分野においてよく知られており、上述したように、ＤＬＰＦＣ３９の表面に配設され、ＤＬＰＦＣ３９中のニューロン活動を表す皮質脳波（Ｅｃｏｇ）を検知／記録する可撓性平面電極アレイであってもよい。ただし、検知電極セット１２Ｃは、上述したように表面検知を実行するその他任意の種類の電極セットであってもよいし、ＤＬＰＦＣ３９内に埋め込むその他任意の種類の電極セットであってもよいし、上述したようにステント電極アレイタイプであってもよい。たとえば、上記開示の注入可能な可撓性メッシュ型電極アレイがＤＬＰＦＣ中の検知に用いられてもよい。さらに、このように注入可能な可撓性メッシュ型電極アレイは、刺激および検知の両方に使用可能であることから、このようなメッシュ型電極アレイをＤＬＰＦＣ中の検知および刺激の両方に使用可能なシステム構成において用いられてもよい。このような実施形態については、以下により詳しく説明する。
刺激電極セット１２Ｄは、線条体４１に適当に結合されており、線条体４１内に配設されてもよい。刺激電極セット１２Ｄは、線条体４１またはその任意の１つもしくは複数の部位の刺激に用いてもよい。たとえば、刺激電極セット１２Ｄによって、尾状核、果核、または尾状核および果核の両者に刺激が送達されてもよい。この刺激は、線条体もしくはその複数の部位内の１つもしくは複数の場所または２つの中心ドーパミン作動経路の一方を起点または経路とする隣接領域において送達されてもよい。刺激可能な他の領域としては、黒質、側坐核、および背側線条体が挙げられる。通常は、中脳皮質黒質線条体、隆起漏斗、および中脳辺縁系内の辺縁構造の一部である領域の刺激によって、認知能力の拡張／増強／向上を実現するようにしてもよい。
線条体が脳内の比較的深くに配設された皮質下領域であることから、線条体４１の刺激は、脳深部構造の刺激とも称する。なお、脳深部構造の刺激という用語は、皮質の下側または内部に配設されたその他任意の脳構造および／または脳領域の刺激を表すのにも用いられる。たとえば、検知電極セット１２Ｃは、当技術分野において知られており、且つ電極セットのタイプに関して上述したように、脳深部構造に埋め込み可能な任意の種類の貫通多電極アレイであってもよい。なお、刺激電極セット１２Ｄは、上述したように、脳深部構造内のニューロンまたはニューロン集団活動の刺激（および／または、検知）を実行可能な任意の種類の電極セットであってもよい。上述したように、このような電極セットとしては、たとえば脳深部構造内に埋め込む、注入可能な埋め込み型折り畳みメッシュ電極アレイまたは血管系を通じて関連する脳深部構造の近傍または内部の血管に挿入可能なステント電極アレイタイプが挙げられる。
システム３０の作動に際して、プロセッサ／コントローラ１４は、ＤＬＰＦＣ３９において検知電極セット１２Ｃにより検知された信号を処理して、学習、専念および／または集中、注意持続、ならびにワーキングメモリの使用を要する認知課題または詳細に上述したその他の種類の認知課題のいずれかを示す活動のパターンを検出するようにしてもよい。
このような１つのパターン（または、複数のパターン）が検出されたら、プロセッサ／コントローラ１４（および、そこで動作する任意のソフトウェアプログラム）は、線条体４１（または、下記図４および図５に示すその他任意の脳深部構造）に送達される刺激信号（または、タイミングを計ったされた時空間刺激パターン）の、タイミングを計った適用を制御するようにしてもよい。線条体４１の刺激によって、（ＰＦＣおよびＤＬＰＦＣを含む）神経系の多くの領域に突出するＶＴＡ領域およびそのドーパミン作動系が活性化されることにより、注意持続、集中、あるいは課題を実行する動機付けの増長といった認知能力の向上、増強、拡張、および／または調節が達成されて、その結果、認知能力の改善または上昇（拡張）、とりわけワーキングメモリ力の向上、集中力の増強および向上、学習および記憶能力の上限の上昇、認知課題実行時のユーザ応答の高速化、ならびに他種の認知拡張もしくは増強につながる可能性がある。なお、本願において使用する用語「調節」は、特定の課題への専念からユーザの注意を逸らしたり引き寄せたりすることによる、特定種類の刺激の選択的な「遮断」または減衰も表し得ることから、特定の認知機能の減退も含み得る。したがって、調節という用語は、選択的な「認知能力の減退」のほか、「認知能力の増大または拡張」としての解釈または意味付けも可能である。
認知課題の実行の準備またはこのような認知課題（連想記憶課題、暗記課題、比較課題、またはその他任意の厳しい認知課題等）のユーザへの提示に関連付けられた特定の活動パターンの検出に応じた、線条体への刺激の適用は、自動であることが好ましい。これは、このような刺激適用のタイミング（および／または、時空間特性）が、ユーザの認知能力に対する影響または増強の保証に重要であるためである。ただし、特定の期間にわたって認知能力の増強が必要となり得ることが予想される場合は、特定の周波数パターンおよび特定の刺激強度において、特定レベルの刺激を自発的に使用することも可能であり、その結果、より多くの神経伝達物質が中脳辺縁系の（または他の）ドーパミン作動経路に放出されて、注意持続の一般レベルを高くしてもよい（必要なときは、このような刺激を自発的に制御可能なシステムの具体例にである図５参照）。
当然のことながら、システム３０は、当該システムの様々な構成要素を当該システム３０の他の構成要素に対して有線で接続可能な有線システムとして実装されるが、これは必須ではなく、システム３０または本明細書に開示のいずれかのシステムの構成要素の一部または全部が他の構成要素に対して無線接続されてもよい。
ここで図４を参照する。この図は、本願のシステムのいくつかの実施形態による、背外側前頭前皮質（ＤＬＰＦＣ）におけるニューロン活動を検知するとともに、とりわけ学習、記憶、および注意調節に関連付けられた１つまたは複数の脳深部構造を電気的に刺激する１つまたは複数の電極セットを具備した、ユーザの認知能力の拡張、増強、または向上を図るシステムの、無線である一実施形態を示した模式ブロック図である。
システム４０は、詳細に上述したように、（任意選択で）メモリ／データ記憶装置１６に適当に結合または接続可能なプロセッサ／コントローラ１４を具備してもよい。プロセッサ／コントローラ１４は、システム４０の他の構成要素と無線通信する無線送受信機（ＴＸ１）３１に適当に接続または結合されている。また、プロセッサ／コントローラ１４は、（任意選択で）適当な無線送受信機３３（ＴＸ３）を通じて（任意選択での）補助センサ１８に適当に無線結合または接続されてもよい。また、プロセッサ／コントローラ１４は、（任意選択で）適当な無線送受信機３４（ＴＸ４）を通じて（任意選択での）エフェクタデバイス１５に適当に無線結合または接続されてもよい。また、システム４０は、詳細に上述したように、刺激電極セット１２Ａを具備してもよく、これは、当該刺激電極セット１２Ａに接続された送受信機３５（ＴＸ５）を通じて送受信機３１と無線通信することにより、プロセッサ／コントローラ１４に対する信号の送信および／または信号の受信が可能である。また、システム４０は、詳細に上述したように、刺激電極セット１２Ｄを具備してもよく、これは、当該刺激電極セット１２Ｄに接続された送受信機３２（ＴＸ２）を通じて送受信機３１と無線通信することにより、プロセッサ／コントローラ１４に対する信号の送信および／または信号の受信が可能である。
刺激電極セット１２Ｄは、１つまたは複数の脳深部構造に刺激を送達するように配設および構成されている。このような脳深部構造としては、線条体、尾状核、果核、側坐核、青斑、海馬、扁桃、中脳辺縁系の脳深部構造、学習、記憶、および／または集中の増強もしくは促進に機能的に関与する脳深部構造、脳の皮質下領域、ならびにこれらの任意の組み合わせが挙げられるが、これらに限定されない。
本願のシステムの他の実施形態によれば、刺激電極セット１２Ｄは、代替としてまたは追加として、他の（１つまたは複数の）脳深部構造（視床下部構造またはその核、視床構造またはその核、および視床下構造またはその核等）に刺激を送達してもよい。このような刺激は、線条体および／または視床／視床下部／視床下構造への刺激の代替または追加として送達されてもよい。
刺激電極セット１２Ａは、（刺激電極セット１２Ａの実装に用いられる電極セットの種類に応じて）背外側前頭前皮質３９に適当に結合され、ＤＬＰＦＣ表面近傍またはＤＬＰＦＣ３９内に配設されている。刺激電極セット１２Ａは、ＤＬＰＦＣ３９中のニューロン活動に関連する信号を検知するのに用いてもよい。たとえば、刺激電極セット１２Ａは、当技術分野においてよく知られており、上述したように、ＤＬＰＦＣ３９の表面に配設され、ＤＬＰＦＣ３９中のニューロン活動を表す皮質脳波（Ｅｃｏｇ）を検知／記録する可撓性平面電極アレイであってもよい。ただし、刺激電極セット１２Ａは、上述したように表面検知を実行するその他任意の種類の電極セットであってもよいし、ＤＬＰＦＣ３９内に埋め込むその他任意の種類の電極セットであってもよいし、上述したようにステント電極アレイタイプであってもよい。
刺激電極セット１２Ｄは、上述したように、１つまたは複数の脳深部構造３７に適当に結合されており、使用している刺激電極セット１２Ｄの種類に応じて、脳深部構造のうちの１つまたは複数の内部または近傍に配設されてもよい。刺激電極セット１２Ｄは、脳深部構造の刺激に用いられてもよい。脳深部構造３７が脳内の比較的深くに配設された皮質下領域であることから、脳深部構造３７の刺激を、脳深部構造の刺激とも称する。なお、脳深部構造の刺激という用語は、皮質の下側もしくは内部および／または脳内の深くに配設されたその他任意の脳構造および／または脳領域の刺激を表すのにも用いられる。たとえば、刺激電極セット１２Ｄは、上述したように、脳深部構造に埋め込み可能な任意の種類の貫通多電極アレイであってもよい。なお、刺激電極セット１２Ｄは、上述したように、脳深部構造内のニューロンまたはニューロン集団活動の刺激（および／または、検知）を実行可能な任意の種類の電極セットであってもよい。上述したように、このような電極セットとしては、たとえば脳深部構造内に埋め込む注入可能な埋め込み型折り畳みメッシュ電極アレイまたは血管系を通じて関連する脳深部構造の近傍または内部の血管に挿入可能なステント電極（以下、「ステントロード（ｓｔｅｎｔｒｏｄｅ）」とも称する）もしくはステント電極アレイタイプが挙げられる。
システム４０の作動に際して、システム３０の作動と同様に作動させてもよい。ただし、刺激電極セット１２Ａにより検知された信号がプロセッサ／コントローラ１４に無線通信されること、刺激電極セット１２Ｄへの刺激信号もしくは刺激コマンドがプロセッサ／コントローラ１４から刺激電極セット１２Ｄに無線通信されること、ならびに補助センサ１８、エフェクタデバイス１５、およびプロセッサ／コントローラ１４間の通信が無線で実行され得ることは除く。なお、刺激電極セット１２Ｄは、（無線通信の能力によって必要な場合は）プロセッサ／コントローラ１４からの刺激コマンドを受信して解釈するのに必要な回路をすべて具備してもよく、また、刺激の送達に電力供給する組み込み電源を具備してもよい。
当然のことながら、上記図３のシステム３０に関して開示した通り、刺激は、線条体（または、線条体の１つまたは複数の部位）に送達されるのみならず、上記開示の認知増強または認知向上の増強または向上に有用と考えられる任意数の脳深部領域へ送達されてもよい。
ここで図５を参照する。この図は、本願の拡張／増強認知システムのいくつかの実施形態による、背外側前頭前皮質（ＤＬＰＦＣ）皮質領域および（任意選択で）他の皮質領域におけるニューロン活動を検知するとともに、とりわけ学習、記憶、および注意調節に関連付けられた１つまたは複数の脳深部構造を電気的に刺激する、複数の電極セットを具備したユーザの認知能力の拡張、増強、または向上を図るシステムを示した模式ブロック図である。
システム５０は、上記図１〜図３に開示の通り接続されたプロセッサ／コントローラ１４、メモリ／データ記憶装置１６、補助センサ１８、エフェクタデバイス１５、刺激電極セット１２Ａ、刺激電極セット１２Ｄを具備してもよい。
また、システム５０は、プロセッサ／コントローラ１４に適当に接続された検知電極セット１２Ｃを具備してもよい。図４に関して詳細に上述したように、検知電極セット１２Ｃは、線条体４１の刺激に用いられてもよい。刺激電極セット１２Ｄは、海馬４３、側坐核４５、および扁桃４７に刺激を送達するのに用いられてもよい。刺激電極セット１２Ｄにより刺激可能な脳深部構造それぞれの刺激は、詳細に上述した認知課題のいずれかの能力を増強することが経験的に見出された１つまたは複数の選択時空間パターンに従って実行されてもよい。
刺激電極セット１２Ａは、図２に関して開示した刺激電極セット１２Ａの動作と同様に、ＤＬＰＦＣ３９ならびに運動（および／または、運動前）皮質２３Ａの両者において、ニューロン活動に関する信号を検知するようにしてもよい。また、刺激電極セット１２Ａは、図２のシステム２０に関して詳細に開示した通り、一次視覚皮質２１を刺激するのに用いられてもよい。
いくつかの実施形態において、このシステムは、外部テレメトリユニット１９と無線通信する（任意選択の）テレメトリユニット１７を具備してもよい。テレメトリユニット１７は、プロセッサ／コントローラ１４と双方向で通信するようにしてもよく、また、メモリ／データ記憶装置１６および／またはプロセッサ／コントローラ１４から外部テレメトリユニット１９にデータを無線通信して、当該データの別途処理、別途格納、および表示を行うのに用いてもよい。また、外部テレメトリユニット１９は、プロセッサ／コントローラ１４に信号を無線送信して、プロセッサ／コントローラ１４の動作の制御および／またはコントローラプロセッサ１４を動作させるソフトウェアの再プログラミングを行うのに用いてもよい。たとえば、プロセッサ／コントローラ１４、電極セット１２Ａ、１２Ｂ、および１２Ｃ、メモリ／記憶装置１６、補助センサ１８、ならびにエフェクタデバイス１５の一部または全部が頭蓋内に埋め込まれている場合、テレメトリユニット１７は、頭蓋内に配設されて、上述したように外部テレメトリユニット１９と無線通信してもよい。
システム５０は、詳細に上述したように、認知課題の実行の拡張および／または向上のほか、上述したように、一般または特定の演算課題の実行を制御するように動作可能である。たとえば、一次視覚皮質２１（および／または、視覚皮質の他の部位）の刺激の結果としてユーザにより認識された仮想ＧＵＩと相互作用することにより、ユーザは、検知電極セット１２Ｃおよび／または刺激電極セット１２ＤによるＤＬＰＦＣ３９中の検知の制御および／または線条体４１、および／または海馬４３、側坐核４５、および扁桃４７の刺激の制御を行うソフトウェアプログラムの動作を必要に応じて自発的に起動または停止するようにしてもよい。また、ユーザは、必要に応じて、刺激対象の脳深部構造それぞれの刺激の強度を制御することにより、認知能力に対する刺激の増強効果を変更および／または調節するようにしてもよい。
当技術分野においては、複数種類の刺激電極セットまたは他の刺激デバイスを用いて、線条体を刺激するほか、他の脳深部構造を刺激する方法およびデバイスがよく知られている。たとえば、以下の刊行物においては、とりわけ脳深部構造の刺激を実行する方法およびデバイスが詳しく開示されており、これらのすべての内容が参照により本明細書に組み込まれる。
１．Husam A. Katnani, Shaun R. Patel, Churl-Su Kwon, Samer Abdel-Aziz, John T. Gale & Emad N. Eskander. "Temporally Coordinated Deep Brain Stimulation in the Dorsal and Ventral Striatum Synergistically Enhances Associative Learning.", Scientific Reports 6, Nature, Article number: 18806 (2016)
２．J.T. Gale, K. H. Lee, R. Amirnovin, D.W. Roberts, Z.M. Williams, C.D.Blaha & E.N. Eskandar. "Electrical Stimulation-Evoked Dopamine Release in the Primate Striatum. Stereotactic and Functional Neurosurgery.", Karger Medical and Scientific Publishers,Vol. 91, No. 6, 2013
３．Sarah K.B. Bick & Emad N. Eskandar. "Neuromodulation for restoring memory.", Neurosurgical Focus, JNS Journal of Neurosurgery, May 2016, Vol. 40, No. 5, Page E5
４．Nikolaos Makris, Yogesh Rathi, Palig Mouradian, Giorgio Bonmassar, George Papadimitriou, Wingkwai I. Ing, Edward H. Yeterian, Marek Kubicki, Emad N. Eskandar, Lawrence L. Wald, Qiuyun Fan, Aapo Nummenmaa, Alik S. Widge & Darin D.Dougherty. "Variability and anatomical specificity of the orbitofrontothalamic fibers of passage in the ventral capsule/ventral striatum (VC/VS): precision care for patient-specific tractography-guided targeting of deep brain stimulation (DBS) in obsessive compulsive disorder (OCD). ", Brain Imaging and Behavior, December 2016, Volume 10, Issue 4, Pp. 1054-1067
５．Darin D. Dougherty, Ali R. Rezai, Linda L. Carpenter, Robert H. Howland, Mahendra T. Bhati, John P. O’Reardon, Emad N. Eskandar, Gordon H. Baltuch, Andre D. Machado, Douglas Kondziolka, Cristina Cusin, Karleyton C. Evans, Lawrence H. Price, Karen Jacobs, Mayur Pandya, Timothey Denko, Audrey R. Tyrka, Tim Brelje, Thilo Deckersbach, Cynthia Kubu & Donald A. Malone Jr., "A Randomized Sham-Controlled Trial of Deep Brain Stimulation of the Ventral Capsule/Ventral Striatum for Chronic Treatment-Resistant Depression"., Biological Psychiatry, August 15, 2015, Vol. 78, Issue 4, Pp. 240-248
６．John T. Gale, Donald C. Shields, Yumiko Ishizawa & Emad N. Eskandar. "Reward and reinforcement activity in the nucleus accumbens during learning.", Frontiers in Behavioral Neuroscience, 03 April 2014,| www.dx.doi.org/10.3389/fnbeh.2014.00114
７．Jesse J. Wheeler, Keith Baldwin, Alex Kindle, Daniel Guyon, Brian Nugent, Carlos Segura, John Rodriguez, Andrew Czarnecki, Hailey J. Dispirito, John Lachapelle, Philip D. Parks, James Moran, Alik S. Widge, Darin D. Dougherty & Emad N. Eskandar. "An implantable 64-channel neural interface with reconfigurable recording and stimulation.", IEEE Xplore Digital Library, www.ieeexplore.ieee.org/document/7320208
８．Lei Hamilton, Marc McConley, Kai Angemueller, David Goldberg, Massimiliano Corba, Louis Kim, James Moran, Philip D. Parks, Sang Chin, Alik S. Widge, Darin D. Dougherty & Emad N. Eskandar. "Neural signal processing and closed-loop control algorithm design for an implanted neural recording and stimulation system.", IEEE Xplore Digital Library, www.ieeexplore.ieee.org/document/7320207
９．Beata Jarosiewicz, Anish A. Sarma, Daniel Bacher, Nicolas Y. Masse, John D. Simeral, Brittany Sorice, Erin M. Oakley, Christine Blabe, Chethan Pandarinath, Vikash Gilja, Sydney S. Cash, Emad N. Eskandar, Gerhard Friehs, Jaimie M. Henderson, Krishna V. Shenoy, John P. Donoghue & Leigh R. Hochberg. "Virtual typing by people with tetraplegia using a self-calibrating intracortical brain-computer interface." Science Translational Medicine, American Association for the Advancement of Science., Vol. 7, Issue 313, 11 November 2015.
当技術分野においては、様々な皮質領域における皮質電気活動を検知する方法およびデバイスもよく知られており、上記引用の参考文献が挙げられるが、これらに限定されない。当技術分野において知られているとともに、本明細書に引用した参考文献に記載されているこれらの方法および電極セットデバイスのいずれかが、ＤＬＰＦＣ中のニューロン活動の検知／記録に用いられてもよい。たとえば、Tian Ming Fu et al.（Nature methods, 2016）により開示されているもの等の、注入可能な可撓性メッシュ電極を、そのようなメッシュ電極をＤＬＰＦＣ内に埋め込むことにより用いてもよい。別の方法では、より低侵襲の可撓性平面電極アレイを使用してもよい。他のシステムおよび方法では、上述したように、ステント電極アレイ（ステントロード）を利用してもよい。
ここで図６を参照する。この図は、本願のシステムのいくつかの実施形態による、ユーザの頭蓋内に配設された、ユーザの認知能力の拡張、増強、または向上を図る頭蓋内システムを示した模式図である。システム６０は、ユーザの頭部６１に頭蓋内に配設された状態のものを示している。この模式図においては、頭蓋の一部を「透明」にしてユーザの脳６２を示すことにより、左半球皮質６５Ｌおよび右半球皮質６５Ｒを含む皮質６５を模式的に図示している。線条体（ｃｏｒｐｕｓ ｓｔｒｉａｔｕｍ）６３は、皮質６５の下側の皮質下脳領域（脳深部構造）であることを示すため、破線の中に模式的に図示している。システム６０は、電子回路モジュール６７と、通信線７５Ｃにより電子回路モジュール６７に対して適当に電気的に接続された検知電極セット７２Ｃと、通信線７７Ｃにより電子回路モジュール６７に対して適当に電気的に接続された刺激電極セット７２Ｄと、を具備する。
システム６０の構成要素は、開頭術（手動開頭法、定位開頭法、自動ロボット定位開頭術、または当技術分野において知られているその他任意の種類の適当な開頭法が挙げられるが、これらに限定されない）の実行により、頭骨に形成されたアクセス開口（例示の明瞭化のため、開口は図示せず）を通じて、脳６２上方の頭蓋内空間に挿入されてもよい。システム６０の構成要素の頭蓋内空間への挿入後、頭蓋骨の開口は、当技術分野において知られているように、封止されてもよい。
検知電極セット７２Ｃは、Ｅｃｏｇを検知および／または記録するように適合された薄い可撓性表面電極アレイであってもよい（また、皮質表面と接触して硬膜外または硬膜下に配設されてもよい）。検知電極セット７２Ｃは、（とりわけ、検知電極セット７２Ｃの総面積および位置決めに応じて）左半球皮質６５ＬのＤＬＰＦＣ、右半球皮質６５ＲのＤＬＰＦＣ、または右半球皮質６５Ｒおよび左半球皮質６５Ｌの両者のＤＬＰＦＣからのＥｃｏｇの検知および／または記録に用いられてもよい。
なお、Ｅｃｏｇ電極アレイを用いたＥｃｏｇ信号の検知は、標準的なＥｃｏｇ検知法を用いて実行されてもよい。たとえば、アレイの電極のうちの１つを基準電極として用いてもよい。あるいは、頭蓋骨に対向する電極を基準電極として用いてもよい。あるいは、インプラントの特殊な電極を基準電極として機能させてもよい。
システム６０のいくつかの実施形態によれば、検知電極セット７２Ｃは、１つの（左もしくは右の）ＤＬＰＦＣ、あるいはＤＬＰＦＣの一部位または一部からのＥｃｏｇを検知および／または記録するのに用いられる。システム６０のいくつかの実施形態によれば、検知電極セット７２Ｃは、左ＤＬＰＦＣおよび右ＤＬＰＦＣの両者からの（または、左右のＤＬＰＦＣそれぞれの一部位または一部からの）Ｅｃｏｇを検知および／または記録するのに用いられる。
システム６０のいくつかの実施形態によれば、検知電極セット７２Ｃは、右および／または左ＤＬＰＦＣのほかに、ＤＬＰＦＣ以外の１つまたは複数の皮質領域［一次視覚皮質、視覚皮質の他の領域、体性感覚皮質、聴覚皮質、運動皮質、ブロードマン１７野（ＢＡ１７）（一次視覚皮質−Ｖ１に略対応）、ＢＡ１８（二次視覚皮質−Ｖ２に略対応）、ＢＡ１９（視覚連合皮質−Ｖ３、Ｖ４、およびＶ５に略対応）、ＢＡ７（視覚運動協応野）、ＢＡ６（運動前皮質および補足運動皮質領域）、ＢＡ５（体性感覚連合皮質）、ＢＡ４（一次運動皮質）が挙げられるが、これらに限定されない］からのＥｃｏｇを検知および／または記録するのに十分な大きさであってもよい。
検知電極セット７２Ｃは、数百〜数千の検知電極をそれぞれ有する中〜高分解能多電極アレイであるのが好ましいものの、電極の数がより少ない（ＢＣＩ当たりの電極数が５０〜１５０個の範囲の）電極セット／アレイが用いられてもよい。通信線７５Ｃは、検知電極セット７２Ｃの各電極を電子回路モジュール６７に接続する電気的に絶縁された複数の導電ワイヤ（図示せず）を有してもよい。ただし、当技術分野において知られているように、このシステムのいくつかの実施形態においては、電極多重化法の使用により、同じ導電ワイヤを通じて複数の電極を周期的にサンプリングし得るようにして、通信線７５Ｃ内の所要ワイヤ数を低減するようにしてもよい。
刺激電極セット７２Ｄは、脳深部構造に埋め込み可能な任意の種類の刺激電極セットであってもよい。たとえば、図６のシステム６０の刺激電極セット７２Ｄは、薄く細長い形状の可撓性導電電極束（たとえば、電極束の先端で千鳥配列に配置された露出導電先端を有する電気的に絶縁された複数のタングステン電極の束等）であってもよい。束中の電極（図示せず）はそれぞれ、通信線７７Ｄを通過する絶縁された単一の導電ワイヤにより、電子回路モジュール６７に対して適当に電気的に接続されてもよい。当技術分野においてよく知られているように、刺激電極セット７２Ｄの先端は、線条体６３の１つの領域（または、複数の領域）（限定はしないが、尾状核、果核、背側線条体、腹側線条体、またはこれらの任意の組み合わせ等）内に手術で埋め込まれてもよい。刺激電極セット７２Ｄの埋め込みに使用可能な方法としては、手動もしくは半手動定位電極埋め込み法、自動ロボット定位電極埋め込み法、または当技術分野において知られているその他任意の種類の適当な電極法が挙げられるが、これらに限定されない。
ただし、刺激電極セット７２Ｄ（および、検知電極セット７２Ｃ）は、他の異なる種類の電極セットとして実装されてもよいことに留意されたい。たとえば、本願のシステムのいくつかの実施形態によれば、電極セット７２Ｃおよび／または７２Ｄは、Lieber et al.によって以下の参考文献に詳しく開示されている注入可能な可撓性メッシュ電極アレイであってもよい。
１．Chong Xie, Jia Liu, Tian-Ming Fu, Xiaochuan Dai, Wei Zhou & Charles M. Lieber., "Three-dimensional macroporous nanoelectronic networks as minimally invasive brain probes.", Nature Materials, Vol. 14, December 2015, Pp. 1286-1292
２．Guosong Hong, Tian-Ming Fu, Tao Zhou, Thomas G. Schuhmann, Jinlin Huang, & Charles M. Lieber. "Syringe Injectable Electronics: Precise Targeted Delivery with Quantitative Input/Output Connectivity", Nano Letters, Vol. 15, August 2015, Pp. 6979-6984. DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b02987
３．Jia Liu, Tian-Ming Fu, Zengguang Cheng, Guosong Hong, Tao Zhou, Lihua Jin, Madhavi Duvvuri, Zhe Jiang, Peter Kruskal, Chong Xie, Zhigang Suo, Ying Fang & Charles M. Lieber. "Syringe-injectable electronics.", Nature Nanotechnology, Vol. 10, July 2015, Pp. 629-636. DOI: 10.1038/NNANO.2015.115
いくつかの実施形態によれば、刺激電極セット７２Ｄは、上記のOxley et al.（Nature biotechnology, Vol. 34, No. 3, February 2016）によって詳しく開示されている通り、線条体６３内の血管系の一部である血管に埋め込まれたステントロードまたはステントロードアレイであってもよい。このような場合、通信線７７Ｄは、刺激電極セット７２Ｄおよび電子回路モジュール６７に適当に接続された適当な（好ましくは、超音波の）無線送受信機で置き換え可能である（これらの送受信機は、図６には示していないものの、詳細については上記図４を参照）。
電子回路モジュール６７は、上記図３に関連して詳細に記載した通り、（図３の）プロセッサ／コントローラ１４と、当該プロセッサ／コントローラ１４に接続可能な（図３の）メモリ／データ記憶装置１６とを具備してもよい。電子回路モジュール６７は、頭蓋内に埋め込まれているため、電源を具備してもよい（例示の明瞭化のため、図６においては詳しく示していない）。電子回路モジュール６７に含まれる電源は、当技術分野において知られている任意適当な小型電源であってもよい。ただし、電源は、ユーザの身体の外側または身体上に配設された送電デバイス（図示せず）から送られた電力を受電して格納し得る無線環境発電デバイスであることが好ましい（ただし、必須ではない）。
このような無線送受電システムは、当技術分野においてよく知られており、本願の主題ではないため、以下で詳しく説明することはない。簡潔に、このようなシステムは、適当な整流回路および蓄電デバイス（キャパシタ、スーパーキャパシタ、充電式電気化学セル等）に結合された圧電材料ベースの受電機を具備してもよい。このような受電機は、身体の外側の超音波送信機から送信された超音波エネルギーを回収し、その超音波エネルギーを電流に変換し、電気エネルギーを上述の電気エネルギー貯蔵デバイスに蓄えるようにしてもよい。他の例においては、上述したように、電気エネルギー貯蔵デバイスを供する整流回路に結合された回収導電コイルを具備する電磁放射ベースのシステムを含んでもよい。外部送信機は、誘導により受信機コイルに給電するのに必要な電磁放射を（通常、ユーザの身体の外部の別のコイルを通じて）送信する電磁放射発生器である。
作動に際して、検知電極セット７２Ｃは、ＤＬＰＦＣ（左ＤＦＰＬＣ、右ＤＦＰＬＣ、または左右ＤＦＰＬＣ）内のニューロンの電気活動に関連付けられた電気活動を検知する。検知電極セット７２ＣがＥｃｏ電極アレイである場合、検知される電気活動は、Ｅｃｏｇであってもよい。検知電極セット７２Ｃがユタアレイ型電極アレイまたはメッシュ型電極アレイである場合、検知される電気活動としては、個々のニューロンからの細胞外検知電場電位もしくは複数のニューロンからの細胞外記録活動電位の合計（重ね合わせ）による電場電位、ならびに（ニューロン軸索、樹状突起、および体細胞からの）細胞外検知電気活動が挙げられる。検知信号は、電子回路モジュール６７に供給される。
電子回路モジュール６７は、検知電極セット７２Ｃにより検知された電気信号を処理して、認知課題（たとえば、集中、注意持続、学習、および／またはワーキングメモリ（ＷＭ）の活性化を要する課題、および／または本願に詳しく開示するその他任意の複雑な認知課題等）の実行に関連付けられた電気活動の特定の時空間パターンを検出するようにしてもよい。このような特定の時空間電気活動パターンは、このような認知課題の実績に対する先行および／または認知課題を実行しようとするユーザの意図もしくはこのような認知課題のユーザへの提示との関連付けが可能である。
このような特定のパターンがシステム６０により検出された場合、電子回路モジュール６７は、刺激電極セット７２Ｄの電極を通じて適当な刺激電流パルスを線条体６３に加えることにより、線条体６３または線条体６３の１つもしくは複数の部位に刺激を送達する。線条体６３に送達された刺激は、認知課題の実行に関連付けられた電気活動の特定の時空間パターンを検出するタイミングに関して、正確にタイミングを計ってもよい。
検出パターンに応じた線条体６３の刺激によって、ドーパミンを放出するＶＴＡおよび脳深部構造のタイミングを計った活性化が行われ、ドーパミンは、新たな認知課題を学習するプロセスにおいて強化された、関連するニューロン間の接続を補強し得る。このタイミングを計った刺激によって、集中および注意持続が拡張（向上）され、学習速度および記憶力が拡張（または、向上）され得る。
ここで図７を参照する。この図は、本願のシステムのいくつかの実施形態による、ユーザの頭蓋内に配設されたいくつかのシステム構成要素、およびユーザの頭蓋の外側に配設されたシステムのその他いくつかの構成要素を有する、ユーザの認知能力の拡張、増強、または向上を図るシステムを示した模式図である。
システム８０は、図６に関して詳細に上述したように、構成および動作可能な検知電極セット７２Ｃおよび刺激電極セット７２Ｄを具備してもよい。ただし、システム６０とは対照的に、システム８０の通信線７５Ｃおよび通信線７７Ｃは、適当な頭蓋コネクタ８２を通過し、コネクタ８２の開口を通って、頭蓋外通信ケーブル８４内で頭蓋骨の外側に出る。頭蓋外通信ケーブル８４は、頭蓋外電子モジュール８７まで延びている。頭蓋外電子モジュール８７は、適当なプロセッサ／コントローラ、メモリ・データ記憶ユニット、（任意選択での）無線送信機、無線受信機、および／または無線送受信機、ならびに当該電子モジュール８７のハウジング８７Ａ内に配設可能なすべての内包回路に給電する適当な電源を具備してもよい。プロセッサ／コントローラ、メモリ／データ記憶装置、任意の送信機、受信機、および／または送受信機、ならびにハウジング８７Ａに含まれ得る電源は、例示の明瞭化のため、図７において詳しく示していない。しかし、詳細に上述したプロセッサ／コントローラ６７、メモリ／データ記憶装置１６、送信機／送受信機ＴＸ１〜ＴＸ５、および電源３と同様であってもよい。
電子モジュール８７は、内部の構成要素の一部が頭蓋内埋め込みには大き過ぎる場合または面倒が過ぎる場合に有用となり得る。また、電子モジュール８７によれば、電子装置モジュール内に（交換式一次電気化学セル、充電式（二次）電気化学セル、またはその他任意適当な電源といった）比較的大きな電源を含むことも可能となる。
システム８０の利点として、構成要素の小型化に対する厳格な要求が少なく、頭蓋外構成要素の収容により多くの空間を利用可能であることから、実装が容易かつ低コストである点が挙げられる。
なお、電子モジュール８７のハウジング８７Ａは、小型補聴器と同様に成形し、耳６９の背後に装着して極力見えないようにしてもよいが、これは必須ではなく、他の身体部位に取り付けてユーザが携行したり、ユーザが着用する衣服に取り付けたりし得る他の種類および形状のハウジング８７Ａが用いられてもよい。たとえば、電子モジュールのハウジングは、ユーザが着用する眼鏡のように成形されてもよいし、ユーザが着用する適当なヘッドバンドに取り付けられてもよい。
ここで図８に参照する。この図は、本願の方法のいくつかの実施形態による、ユーザの認知能力の拡張、増強、または向上を図るシステムの、トレーニングおよび／または校正を行う方法のステップを示した模式フローチャートである。
通常、本願に開示の知能増強システムのいずれかの埋め込み／設置後は、正常な人間または患者に、トレーニング法が実行してもよい。プロセッサ／コントローラ１４上で動作するソフトウェアプログラムは、任意適当なユーザインターフェース（たとえば、任意の種類のＧＵＩ、システムの外部でプロセッサ／コントローラ１４と通信する任意の種類のコンピュータ、または図２に関して上述したように、視覚皮質の１つもしくは複数の領域の直接刺激によってユーザに提示される「仮想」グラフィカルユーザインターフェース等）の使用により起動／開始可能なトレーニングモジュールまたはサブルーチンを含んでもよい。
トレーニング法の動作においては、システムが認知課題をユーザに提示する（ステップ１００）。認知課題は、たとえば学習課題、暗記課題、視覚弁別もしくは聴覚的弁別に関連付けられた課題、または詳細に上述したその他任意適当な種類の認知課題等、ユーザの集中を要する任意適当な認知課題であってもよい。課題の提示前、提示中、提示後、システムは、ユーザの１つまたは複数の皮質領域（たとえば、前頭前皮質（ＰＦＣ）、ＰＦＣの一部、背外側前頭前皮質（ＤＬＰＦＣ）、ＤＬＰＦＣの一部、側頭頭頂皮質（ＴＰＣ）、ＴＰＣの一部、下前頭回（ＩＦＧ）、ＩＦＧの一部、側頭頭頂接合部（ＴＰＪ）、ＴＰＪの一部、小葉、およびこれら領域の任意の組み合わせのうちの１つまたは複数）から、ユーザに提示した認知課題について、提示に関連付けられたニューロン活動に関連する信号を記録するようにしてもよい（ステップ１０２）。また、ステップ１０２において、システムは、課題の提示前のニューロン活動に関連する信号を記録して、認知課題がない場合の、バックグラウンドニューロン活動の特性を把握するようにしてもよい。
その後、システムは、トレーニングセッションにおいてユーザに提示した認知課題の数がＮであるかを確認する（ステップ１０４）。ここで、Ｎは、ユーザにより設定された正の整数であってもよいし、医師により設定された正の整数であってもよいし、前もってプログラムされた正の整数であってもよい。ユーザに提示された認知課題の数がＮでない場合、システムは、制御をステップ１００に戻して、次の認知課題をユーザに提示する。ユーザに提示された認知課題の数がＮである場合、システムは、認知課題の提示を終え、Ｎ個すべての課題提示について記録された信号を処理する（ステップ１０６）。ステップ１０６において、システムは、認知課題を実行しようとするユーザの意図に関連付けられたニューロン活動パターンを表すテンプレート、ならびに／あるいは認知課題の提示および／または認知課題の実際の実行に関連付けられたニューロン活動パターンを表すテンプレートを決定または演算するようにしてもよい。
類似する（ただし、必ずしも同じではない）認知課題のＮ回の繰り返しを使用することにより、ユーザの集中力または集中持続期間の増強を必要とする認知課題がユーザに提示されたタイミングを識別する指標としてシステムが使用可能な複数の記録信号に基づいて、典型的なテンプレートまたは指標（決定基準）を抽出することが可能となる。
なお、実験動物またはヒトの患者もしくはテスト被験者に提示される認知事象前、認知事象中、および認知事象後に記録されたニューロン活動に関連する信号から典型的なテンプレートを抽出する多くの演算方法およびアルゴリズムが知られている。このような方法としては、たとえばカーネル分析、主成分分析、（特に、Ｅｃｏｇ型信号の分析に有用な）スペクトル分析法、共通空間パターン法（ＣＳＰ）、分析的ＣＳＰ（ＡＣＳＰ）、時間領域分析法、周波数領域分析法、教師付きパターン識別、クラスタ探索法、尤度関数、および統計的決定、ならびにその他任意適当なパターン決定方法／アルゴリズムが挙げられる。
たとえば、このようなテンプレートパターン検出は、本明細書に引用の参考文献のいずれかに記載の通り実行されてもよい。
その後、ステップ１０６において決定された典型的または代表的なパターン、テンプレート、指標、または決定基準は、システムのメモリ／データ記憶装置１６に格納された後、知能拡張または知能増強を実現するために、システムによる脳深部構造への刺激の送達を必要とする事象の識別において、システムによって用いられてもよい。
ここで図９を参照する。この図は、本願の方法のいくつかの実施形態による、ユーザの認知能力の拡張、増強、または向上を図る方法のステップを示した模式フローチャートである。この方法は、正常なユーザの知能の増強および／または拡張ならびに認知能力の拡張または増強、ならびに／あるいは精神障害、神経精神障害、および／または神経障害による認知機能障害を有する患者の認知能力の向上に用いてもよい。
この方法は、上述したシステムのいずれかを用いて実行してもよい。システムは、ユーザまたは患者の１つまたは複数の皮質領域（たとえば、前頭前皮質（ＰＦＣ）、ＰＦＣの一部、背外側前頭前皮質（ＤＬＰＦＣ）、ＤＬＰＦＣの一部、側頭頭頂皮質（ＴＰＣ）、ＴＰＣの一部、下前頭回（ＩＦＧ）、ＩＦＧの一部、側頭頭頂接合部（ＴＰＪ）、ＴＰＪの一部、およびこれら皮質領域の任意の組み合わせのうちの１つまたは複数等）におけるニューロン活動に関連する信号を検知する（ステップ１０８）。検知は、たとえばＰＦＣから記録する電極セット（たとえば、図２および図３のそれぞれの検知電極セット１２Ｃまたは刺激電極セット１２Ａ等）から受信された信号を連続的にデジタル化することによって、リアルタイムまたは準リアルタイムに実行してもよい。
このシステムは、検知信号を処理して、認知課題を実行しようとするユーザの意図の指標であるニューロン活動パターンおよび／またはユーザによる認知課題の実行に関連付けられたニューロン活動パターンを検出する（ステップ１１０）。検知信号の処理を行うステップにおいては、ニューロン活動パターンを検出する多くの種類の方法および／またはアルゴリズムを用いることができる。例示的な検出方法としては、カーネル分析、主成分分析、（特に、Ｅｃｏｇ型信号の分析に有用な）スペクトルパワー分析法、位相遅延分析、共通空間パターン法（ＣＳＰ）、分析的ＣＳＰ（ＡＣＳＰ）、時間領域分析法、周波数領域分析法、教師付きパターン識別、クラスタ探索法、尤度関数、および統計的決定、ならびにその他任意適当なパターン決定方法／アルゴリズムが挙げられるが、これらに限定されない。
ステップ１１０の検出のため、パターン検出法では、図８の方法に関して詳細に上述したように、ユーザが実行した１つまたは複数のトレーニングセッションにおいて得られたユーザ固有のパターン（テンプレート）、指標、または決定基準を使用してもよい。このようなシステムトレーニングセッションの結果としてのテンプレート、指標、または決定基準は、システムのメモリ／データ記憶装置（たとえば、メモリ／データ記憶装置ユニット１６等）に格納されてもよい。検出は、パターン認識の任意の適当な方法、あるいは経験的に決定したパラメータ閾値に対する、測定または演算パラメータ値の比較の実行により実施してもよい。検出方法としては、デジタルまたはアナログなテンプレートマッチング法、あるいは、決定基準値（たとえば、閾値等）に対して演算パラメータの現在値を比較する演算が挙げられるが、これらに限定されない。演算パラメータの現在値は、とりわけプロセッサ／コントローラ１４に含まれる回路（デジタル、アナログ、もしくはハイブリッド／デジタル／アナログ回路）の種類に応じて、プロセッサ／コントローラ１４に利用可能な演算速度（演算パワー）および他の検討事項から決定されたものである。
認知課題を実行する意図および／または認知課題の実際の実行に関連付けられたニューロン活動パターンの検出に応じて、システムは、ユーザの１つまたは複数の標的脳領域を刺激することにより、ユーザの認知能力を拡張、増強、または向上させる（ステップ１１２）。標的脳領域には、１つもしくは複数の脳深部構造、１つもしくは複数の皮質領域、または１つもしくは複数の脳深部構造と１つもしくは複数の皮質領域との組み合わせを含んでもよい。
ステップ１１２において刺激が送達される脳深部構造は、ユーザの線条体（ｃｏｒｐｕｓ ｓｔｒｉａｔｕｍ）であってもよく、刺激は、ＶＴＡまたは線条体（および／または、システムにより刺激される他の脳深部構造）の内部（埋め込み刺激電極を使用する場合）または近傍（刺激にステントロードを使用する場合）に埋め込まれた電極により送達されてもよい。このような刺激電極の例としては、図３の検知電極セット１２Ｃ、図４の刺激電極セット１２Ｄ、図５の刺激電極セット１２Ａ、図６および図７の電極セット７２Ｄ、または脳深部構造および／または皮質領域を刺激し得るその他任意適当な電極セットが挙げられるが、これらに限定されない。
脳深部構造の刺激は、刺激対象の脳深部構造に対して適当な電流パルスを送達することにより実行する、電気刺激であることが好ましい。ただし、たとえば（光遺伝法を用いた）光刺激、（上記で引用したNir Grossman et al.の論文により開示された）経頭蓋周波数干渉刺激（ＴＦＩ）法、頭蓋内周波数干渉刺激（ＩＦＩ）、または脳深部構造に適用可能なその他任意の種類の適当なニューロン組織刺激法等、他の刺激法を用いてもよい。（刺激された場合の）皮質領域の刺激は、検知電極（Ｅｃｏｇアレイ、ユタアレイ、または皮質領域中の検知に用いられるその他任意の種類の電極セットの検知電極等）を用いて実施してもよい。
上記方法において、検知を行うステップ（ステップ１０８）および処理を行うステップ（ステップ１１０）は、連続して実行してもよく、検知が連続する方法のこのような実施形態は、刺激アーチファクトが適当な信号調節方法または適当な演算方法によって十分に減衰されたシステムに用いてもよい。適当な信号調節方法は、たとえば高域通過フィルタリング、低域通過フィルタリング、または帯域通過フィルタリング等であり、適当な演算方法は、デジタル化検知信号の処理時に実行される適当な演算方法（このような演算方法では、ユーザの安静時に標的脳領域に送達された実際の刺激を用いたテストまたはシステムトレーニングセッションによって個々のユーザごとに決定可能な、経験的に決定された刺激アーチファクトパラメータを利用してもよい）である。
上記方法のいくつかの実施形態によれば、刺激を行うステップ（ステップ１１２）は、認知課題を実行する意図および／またはこのような認知課題の実行に関連付けられたニューロン活動パターンまたは指標を検出したことに応じて、自動的に実行されてもよい。本明細書に開示の方法のいくつかの実施形態によれば、検知は、検知信号との干渉による刺激アーチファクトを回避するため、連続して実行されるのではなく、標的脳領域の刺激時に停止されるが、このような実施形態においては、標的脳領域の刺激が終わった後に検知が継続される。
上記方法の他の実施形態によれば、刺激を行うステップ（ステップ１１２）は、ユーザが刺激を行うステップ（ステップ１１２）を自発的に無効化または有効化できるように、ユーザの制御下であってもよい。たとえば、システムのユーザは、認知課題の実行を要する状況に遭遇した場合、刺激を行うステップ（ステップ１１２）を有効にして、認知能力を増強するようにしてもよい。ユーザは、認知能力の増強を必要としない（たとえば、安静、睡眠、運動、または他の活動等の）期間において、刺激を行うステップを無効化するようにしてもよい。このような刺激を行うステップの無効化または有効化は、任意のユーザインターフェースを用いて実行されてもよく、また、図２および図５のシステムに関して詳細に上述したような、ユーザインターフェースの認識された仮想イメージを用いた、ユーザの自発的行為により実行されてもよい。
同様に、認知機能障害または機能不全を治療するためにシステムが設置された患者（たとえば、ＡＤＤの患者等）においては、医師等の医療提供者が必要に応じて（たとえば、図８に関して詳細に上述したように、システムおよびユーザについてトレーニングセッションを実行する場合等）、上記方法の刺激のステップを無効化（および有効化）可能であってもよい。この種の刺激の有効化／無効化は、たとえばシステムのコントローラ／プロセッサ１４と通信する外部コンピュータに表示される適当なＧＵＩを用いて実行してもよい。
ここで図１０を参照する。この図は、本願の方法のいくつかの実施形態による、単一の検知・刺激電極セットを有する、認知能力の拡張、増強、または向上を図るシステムを示した模式ブロック図である。
システム１２０は、図１のシステム１０に関して詳細に上述したように、相互接続されたプロセッサ／コントローラ１４、電源３、メモリ／データ記憶装置１６を具備する。また、システム１２０は、ＤＬＰＦＣ３９内の電気活動の検知およびＤＬＰＦＣ３９の刺激の両者に使用可能な、検知・刺激電極セット１２Ｅを具備する。検知・刺激電極セット１２Ｅは、ＤＬＰＦＣの表面に配設された単一の埋め込み型Ｅｃｏｇ電極アレイとして実装してもよい。ＤＬＰＦＣ３９中の検知は、Ｅｃｏｇアレイの技術分野において知られている通り、標準的な検知および／または記録方法を用いて実行する。ＤＬＰＦＣ３９の刺激は、Ｅｃｏｇ電極アレイの複数の電極の１つまたは複数の電極対を通じて、刺激電流パルスまたはパルス列を送達することにより実行してもよい。Ｅｃｏｇアレイの電極に刺激電流を送達するのに必要な電子／電気回路（たとえば、刺激生成回路、電極多重化回路、タイミング回路、および任意の他の必要とされる回路等）については、例示の明瞭化のために詳細には示していないが、プロセッサ／コントローラ１４の制御回路に含まれる。
ユーザの認知能力の拡張、増強、および／または向上にシステム１２０を用いる場合、電極セット１２Ｅは、ＤＬＰＦＣ中の電気活動を検知し、本願に開示の方法のいずれか（たとえば、図８、図９、図１６、および図１７に示す方法等）に開示の通りデータを処理し、プロセッサ／コントローラ１４上で動作する適当なソフトウェアによって検知された信号を処理して、認知課題または認知課題を実行しようとするユーザの意図がユーザに提示された旨の指標を検出するのに用いてもよい。この指標は、本願に開示の任意の種類の演算可能な指標および／またはニューロン活動パターンであってもよい。指標が検出済みである場合、プロセッサ／コントローラ１４は、電極セット１２Ｅを通じて電気刺激をＤＬＰＦＣ（または、ＤＬＰＦＣの一部）に送達することでＤＬＰＦＣを刺激することによって、ユーザの認知能力の拡張、増強、および／または向上を図るようにしてもよい。いくつかの実施形態において、プロセッサ／コントローラは、（任意選択で）ＤＬＰＦＣの刺激の期間中に検知を停止し、刺激期間の完了後に検知を再開するようにしてもよい。
ここで図１１を参照する。この図は、本願のシステムのいくつかの実施形態による、２つの皮質領域において検知を行うとともに、１つもしくは複数の皮質領域、１つもしくは複数の脳深部構造、または１つもしくは複数の皮質領域と１つもしくは複数の脳深部構造との組み合わせを刺激する検知・刺激電極セットを有する、認知能力の拡張、増強、または向上を図るシステムを示した模式ブロック図である。
システム１３０は、検知／刺激電極セット１２Ｆが前頭前皮質（ＰＦＣ）および側頭頭頂皮質（ＴＰＣ）上に配設された点を除いて、図１０のシステム１２０に類似する。電極セット１２Ｆは、ＰＦＣに配設された第１のＥｃｏｇ電極アレイおよびＴＰＣに配設された第２のＥｃｏｇ電極アレイとして実装されてもよい。第１のＥｃｏｇ電極アレイがＰＦＣの検知および刺激に用いられ、第２のＥｃｏｇ電極アレイがＴＰＣの検知および刺激に用いられてもよい。
あるいは、電極セット１２Ｆは、ＰＦＣおよびＴＰＣの両者に配設され、ＰＦＣおよびＴＰＣの両者において検知および刺激を行い得る単一の（場合により大型の）Ｅｃｏｇ電極アレイとして実装されてもよい。作動に際して、システム１３０は、本明細書に開示の方法のいずれか（たとえば、図８、図９、および図１６〜図１９に開示の方法のいずれか）に従って作動してもよい。検知は、ＰＦＣおよびＴＰＣの両者において実行されてもよい。刺激は、ＰＦＣまたはＴＰＣにおいて実行されてもよいが、ＰＦＣおよびＴＰＣの両者において実行されてもよく、ユーザの認知能力の増強、拡張、および／または向上が図られる。
なお、本願のシステムが使用する刺激方法は、皮質領域に埋め込まれた電極もしくは電極セット（ユタアレイ等）または硬膜下もしくは硬膜外に埋め込まれたＥｃｏｇ電極アレイの電極による皮質領域への刺激や、刺激対象の脳深部構造の内部または近傍に埋め込まれたＤＢＳ電極または電極アレイを用いた脳深部構造の刺激にも限定されない。むしろ、詳細に後述した通り、他の刺激方法が用いられてもよい。
ここで図１２および図１３を参照する。図１２は、本願のシステムのいくつかの実施形態による、脳深部構造の経頭蓋周波数干渉刺激を実行する一組の非侵襲電極ならびに１つもしくは複数の皮質領域の検知および／または刺激を行う頭蓋内埋め込み型Ｅｃｏｇ電極アレイを具備する、認知能力の拡張、増強、または向上を図るシステムを示した模式ブロック図である。図１３は、図１２のシステムの頭蓋内部分の機能的構成要素を示した模式ブロック図である。
図１２に戻り、システム１４０は、互いに無線通信する頭蓋外モジュール１４１および頭蓋内モジュール１３５を具備する。また、頭蓋外モジュール１４１は、メモリ／データ記憶装置１１６に適当に結合された１つまたは複数のプロセッサ／コントローラ１１４を具備する。また、頭蓋外モジュール１４１は、当該頭蓋外モジュール１４１の構成要素に給電する電源１４３を具備する。刺激発生器１１８は、４つの異なる位置でユーザの頭部４の皮膚の表面に取り付けられた４つの刺激電極１４５Ａ、１４５Ｂ、１４７Ａ、および１４７Ｂに対して適当に電気的に接続されている。刺激電極１４５Ａ、１４５Ｂ、１４７Ａ、および１４７Ｂは、任意適当な導電ジェルまたはペースト（たとえば、任意のＥＥＧ電極ジェルまたはペースト）を用いて頭部４の皮膚の表面に電気的に結合されてもよい。刺激電極１４５Ａ、１４５Ｂ、１４７Ａ、および１４７Ｂは、絶縁された適当な導電リード１３９Ａ、１３９Ｂ、１３７Ａ、および１３７Ｂそれぞれによって、刺激発生器１１８に接続されている。刺激発生器１１８によって、第１の周波数ｆの第１の刺激電流が第１の電極対１４５Ａおよび１４５Ｂに印加され、第２の周波数ｆ＋Δｆの第２の刺激電流が第２の電極対１４７Ａおよび１４７Ｂに印加されてもよい。両周波数ｆおよびｆ＋Δｆは、ともにあまりに高い周波数範囲にあるため、神経発火を漸増できない（たとえば、ｆおよびｆ＋Δｆ≧１ＫＨｚ）。刺激発生器１１８は、当該刺激発生器１１８の動作を制御するプロセッサ／コントローラ１１４に対して適当に電気的に接続されている。
第１の電極対１４５Ａおよび１４５Ｂならびに第２の電極対１４７Ａおよび１４７Ｂを通じた同時刺激により生成された電界の２つの異なる周波数での２つの異なる振動の干渉により、規定領域に位置付けられた脳深部構造において、選択的なニューロン活性化が実現され、電界間の干渉によって、異なる周波数Δｆで変調された電界エンベロープが顕著になり得る。
この選択的な刺激方法は、時間干渉（ＴＩ）刺激と称し、上記引用のNir Grossman et al.による論文に詳しく記載されており、本願全体を通して、区別なく非侵襲時間干渉刺激（ＮＴＩＳ）とも称する。ユーザまたは患者の頭部４への電極の正確な位置決めならびに刺激強度および周波数は、とりわけ刺激対象の脳深部構造の脳内の位置、頭蓋骨の厚さおよび他の物理的および電気的パラメータ（異なる年齢の異なるユーザ間では大幅に変動し得る）によって決定されてもよい。また、個々のユーザ／患者の適当なテストによって経験的かつ実験的に決定されてもよい。
刺激電極１４５Ａ、１４５Ｂ、１４７Ａ、および１４７Ｂの位置および／または刺激周波数および強度（振幅）パラメータの調整または変更によって、ＮＴＩＳのニューロン漸増領域のサイズおよび形状が変化し得るため、Grossman et al.によって詳細に開示されている通り、ニューロン漸増領域のサイズ、形状、および位置を適当に変更することによって、１つまたは複数の脳深部構造を刺激することができる。
また、頭蓋外モジュール１４１は、プロセッサ／コントローラ１１４に適当に接続されて、頭蓋内モジュール１３５と双方向で通信するテレメトリユニット１１７を具備する。頭蓋外モジュール１４１および頭蓋内モジュール１３５は、両者間でデータ、制御信号、およびステータス信号を遠隔交換するようにしてもよい。
頭蓋内モジュール１３５は、頭蓋内に埋め込まれた電子回路モジュール１５２と、電子回路モジュール１５２に対して適当に電気的に接続された２つのＥｃｏｇ電極アレイ１４４および１４６と、電子回路モジュール１５２に対して適当に電気的に結合されて、以下により詳しく開示する通り、電子回路モジュール１５２に電力を供給する頭蓋内誘導コイル１４６とを具備してもよい。Ｅｃｏｇアレイ１４４は、左右両半球皮質のＰＦＣに配設可能であるのが好ましいものの、必須ではない（図１２においては、例示の明瞭化のため、半球皮質を詳しく示していない）。Ｅｃｏｇアレイ１４２は、図１２に示すように、左半球皮質ＴＰＣに配設されてもよい。
図１３に戻ると、電子回路モジュール１５２は、１つまたは複数のプロセッサ／コントローラ１２４と、頭蓋内誘導コイル１４６に電気的に結合された電力調節・貯蔵ユニット１５２と、プロセッサ／コントローラ１２４に対して適当に電気的に結合されたテレメトリユニット１７と、プロセッサ／コントローラ１２４に対して適当に電気的に接続されたメモリ／データ記憶装置１６と、Ｅｃｏｇアレイ１４２および１４４に電気的に接続されて、Ｅｃｏｇアレイ１４２および１４４の電極から検知信号を受信する信号調節・デジタル化ユニット１２６とを具備する。また、調節・デジタル化ユニット１２６は、プロセッサ／コントローラ１２６に接続されて、デジタル化された検知Ｅｃｏｇ信号のデータをプロセッサ／コントローラ１２６に提供する。
テレメトリユニット１７は、頭蓋外モジュール１４１のテレメトリユニット１１７と双方向で通信することにより、プロセッサ／コントローラ１１４とプロセッサ／コントローラ１２４との間でデータ、制御信号、およびステータス信号を双方向無線転送可能であってもよい。
なお、電力調節・貯蔵ユニット１７７は、ユーザの頭部４の頭皮上に載置可能な頭蓋外に配置された第２の誘導コイル（例示の明瞭化のため、図１２および図１３には示さず）により頭蓋内誘導コイル１４６中に誘導された電流を調節する適当な回路（図１２には詳しく示さず）を具備してもよい。このような頭蓋外に配置された第２の誘導コイル内を通る交流電流によって、頭蓋内の第１の誘導コイル内に交流電流が誘導される。頭蓋内誘導コイル１４６内を流れる交流電流は、電力調節・貯蔵ユニット１７７に含まれる適当な整流ダイオードブリッジ回路（図示せず）により整流されてもよく、また、たとえば電力調節・貯蔵ユニット１７７に含まれるスーパーキャパシタ、キャパシタ、または充電式電気化学セル等の任意適当な電荷貯蔵装置（図示せず）に貯蔵されてもよい。電力調節・貯蔵ユニット１７７は、電子回路モジュール１５２の電流を必要とする電気コンポーネントのいずれかへの給電に用いられる。なお、図１２および図１３においては、例示の明瞭化のため、電子回路モジュール１５２の構成要素に電力を供給する電気的な接続を示していない。
作動に際して、システム１４０は、本願に開示の方法のいずれかを用いて、ユーザ／患者の認知能力を調節（すなわち、増強、拡張、および／または向上）するようにしてもよい。たとえば、Ｅｃｏｇアレイ１４２および１４４がそれぞれ、ＴＰＣおよびＰＦＣからの信号を検知するようにしてもよく、検知信号が信号調節・デジタル化ユニットにより調節（増幅および／またはフィルタリング）ならびにデジタル化され、プロセッサ／コントローラ１２４に供給されて（本願に開示の処理方法のいずれかに従って）処理されてもよい。ユーザに認知課題が提示済みである旨、ユーザが認知課題を実行しようと意図する旨、またはユーザが認知課題を実行する旨の指標をプロセッサ／コントローラ１２４が検出した場合、システム１４０は、頭蓋外モジュール１４１を用いて、電極１４５Ａ、１４５Ｂ、１４７Ａ、および１４７Ｂならびに刺激発生器１１８を使用する上記開示のＮＴＩＳ法を使用することにより、１つまたは複数の脳深部構造を刺激するようにしてもよい。そして、頭蓋外モジュール１４１を用いた本願に開示の脳深部構造のいずれかの刺激により、ユーザ／患者の認知能力が調節されてもよい。
システム１４０は、１つまたは複数の脳深部構造を非侵襲的に刺激するＮＴＩＳと、たとえばＥｃｏｇ電極アレイ１４２および１４４（または、たとえば皮質の表面を貫通し得る電極を備えたユタ電極アレイ等の他種の電極アレイ）等の、１つまたは複数の侵襲的電極セットとを使用する。しかし、この例示的な構成は、本明細書に開示の方法を実施するのに必須ではない。ＮＴＩＳにおける刺激電極の非侵襲性によって、刺激手順は簡素化されるものの、ユーザは、（頭蓋外モジュール１４１が大型の固定モジュールである場合には、）モジュール１４１に拘束される必要もあるし、（ユーザが携行可能な小型軽量のモジュールとしてモジュール１４１が実装される場合には、）モジュール１４１を携行または着用することが必要となる場合もある。また、頭蓋外電極を用いてＮＴＩＳを実行することは、ユーザにとって不便であり、視覚的に非審美的で、不用意な電極の移動またはこのような頭蓋外刺激電極の皮膚に対する電気的結合特性の望ましくない変動を回避するため、頻繁な保守および注意が必要となる場合もある。
ここで図１４および図１５を参照する。図１４は、本願のシステムのいくつかの実施形態による、複数の皮質領域における検知の実行、１つもしくは複数の脳深部構造の頭蓋内周波数干渉刺激の実行、および／または１つもしくは複数の皮質領域の直接刺激の実行のための複数の頭蓋内Ｅｃｏｇアレイを有する、認知能力の拡張、増強、または向上を図るシステムを示した模式図である。図１５は、図１４のシステムに含まれる機能的構成要素を示した模式機能ブロック図である。
図１４に戻ると、システム１６０の構成要素は、ユーザの外側に配設された外部プロセッサ／プログラミングユニット１７９を除くすべてが、頭蓋内に配設されている。システム１６０は、頭蓋内に埋め込まれた電子モジュール１６２と、電子モジュール１６２に電気的に接続された３つの頭蓋内埋め込みＥｃｏｇ電極アレイ１６４、１６６、および１６８と、電子モジュール１６２に電気的に接続された頭蓋内誘導コイル１４６とを具備する。Ｅｃｏｇ電極アレイ１６８は、ＰＦＣまたはＰＬＣの一部位もしくは一部に配設されてもよい。システム１６０のいくつかの実施形態によれば、Ｅｃｏｇ電極アレイ１６８は、図１４に示すように、両半球皮質のＰＦＣ領域に配設されてもよい。あるいは、システム１６０の他の実施形態によれば、Ｅｃｏｇ電極アレイ１６８は、右半球皮質において、ＰＦＣまたはその一部に配設されてもよい。あるいは、システム１６０の他の実施形態によれば、Ｅｃｏｇ電極アレイ１６８は、左半球皮質において、ＰＦＣまたはその一部に配設されてもよい。
Ｅｃｏｇ電極アレイ１６４は、左半球皮質のＴＰＣまたは左半球皮質のＴＰＣの一部に配設されてもよい。Ｅｃｏｇ電極アレイ１６６は、右半球皮質のＴＰＣまたは右半球皮質のＴＰＣの一部に配設されてもよい。
図１５に戻ると、システム１６０は、１つまたは複数のプロセッサ／コントローラ１４と、プロセッサ／コントローラ１４に適当に接続されたメモリ／データ記憶装置１６と、プロセッサ／コントローラ１４に適当に接続されて、データおよび／または制御信号を（ユーザの身体の外側に配設された）外部プロセッサ／プログラミングユニット１７９に無線送信するテレメトリユニット１７とを具備してもよい。また、システム１６０は、頭蓋内誘導コイル１４６に適当に電気的に接続され、そこから交流電流を受電する電力調節・貯蔵ユニット１７７を具備してもよい。電力調節・貯蔵ユニット１７７の構造および動作は、図１３の電力調節・貯蔵ユニット１７７に関して、詳細に上述した通りである。
また、システム１６０は、プロセッサ／コントローラ１４に適当に接続されて制御される刺激発生モジュール１７０を具備してもよい。刺激発生モジュール１７０は、直接皮質刺激発生器１７２およびＤＢＳ周波数干渉刺激発生器１７４を具備する。また、システム１６０は、１つまたは複数の多重化ユニット１７６を具備してもよい。多重化ユニット１７６は、刺激発生モジュール１７０およびプロセッサ／コントローラ１４に適当に接続され、ＤＢＳ周波数刺激発生器１７４および直接皮質刺激発生器１７２からＥｃｏｇ電極アレイ１６４、１６６、および１６８の選択電極への刺激の送達を制御する。
また、システム１６０は、Ｅｃｏｇセンサアレイ１６４、１６６、および１６８に対して適当に電気的に接続され、図１３に関して詳細に上述したように、Ｅｃｏｇアレイ１６４、１６６、および１６８に含まれる電極から受信された信号を調節する１つまたは複数の検知信号調節・デジタル化ユニット１２６を具備してもよい。
電力調節・貯蔵ユニット１７７は、電子モジュール１６２の動作のための電力を供給するようにしてもよい。ただし、図１５においては、例示の明瞭化のため、電子モジュール１６２の様々な構成要素に電力を供給する接続を詳しく示していない。
外部プロセッサ／プログラミングユニット１７９は、電子モジュール１６２のテレメトリユニット１７と遠隔通信し得る任意適当な処理デバイスであってもよい。この処理デバイスは、通信のテレメトリ機能（たとえば、Ｗｉ−Ｆｉ等）が備わったコンピュータまたは処理、制御、および無線通信コンポーネントを具備するその他任意の手持ちもしくは携帯型デバイスであってもよい。たとえば、外部プロセッサ／プログラミングユニット１７９は、テレメトリユニット１７と遠隔通信して電子モジュール１６２の動作を制御し、電子モジュール１６２からのデータおよびステータス信号を受信および格納し、このようなデータおよびステータス信号をシステム１６０のユーザ（および／または、システム１６０を用いて患者またはユーザを監視する医師または技術者）に表示し、電子モジュール１６２の動作を制御する制御信号をユーザが送信できるようにし得る、アプリケーションプログラムを動作させるモバイル機器もしくは携帯電話機またはスマートフォンであってもよい。
そして、動作においては、システム１６０が調節され、Ｅｃｏｇ電極アレイ１６４、１６６、および１６８のうちの１つまたは複数を用いてユーザの１つまたは複数の皮質領域から電気信号を検知するようにしてもよい（たとえば、ユーザのＰＦＣ、左ＴＰＣ、および／または右ＴＰＣにおける検知）。その後、検知信号が検知信号調節・デジタル化ユニット１２６により調節（たとえば、増幅および（任意選択での）フィルタリング等）ならびにデジタル化され、プロセッサ／コントローラ１４に供給されて、（本願に開示の処理方法のいずれかに従って）処理されてもよい。プロセッサ／コントローラ１４は、ユーザに認知課題が提示済みである旨、ユーザが認知課題を実行しようと意図する旨、またはユーザが認知課題を実行する旨の指標を検出した場合、刺激発生モジュール１７０を制御して、以下のように１つまたは複数の脳深部を刺激するようにしてもよい。プロセッサ／コントローラユニット１４は、多重化ユニット１７６を制御して、Ｅｃｏｇ電極アレイ１６４のうちの離隔した２つの電極１６４Ａおよび１６４ＢならびにＥｃｏｇ電極アレイ１６６の離隔した２つの電極１６６Ａおよび１６６Ｂを選択するようにしてもよい。電極の選択後、プロセッサ／コントローラ１４は、ＤＢＳ周波数干渉刺激発生器１７４を制御して、振動周波数ｆの振動電流または電圧を電極対１６４Ａおよび１６４Ｂ間に印加すると同時に、振動周波数ｆ＋Δｆの振動電流または電圧信号を印加する。２つの周波数ｆおよびｆ＋Δｆは、１ＫＨｚ以上であってもよい。この時間干渉刺激法は、上述のNir Grossman et al.のＮＴＩＳ法と同じではないが、幾分類似しているものの、特定の態様においてはＮＴＩＳ法と異なる。これら２つの方法の第１の相違点として、ＮＴＩＳが頭蓋外非侵襲刺激電極を使用して非侵襲脳深部刺激を実現する一方、（システム１６０に関して）本明細書に記載のその他の方法では、（頭蓋内に埋め込まれたＥｃｏｇ電極アレイまたは他の頭蓋内電極アレイの）頭蓋内刺激電極を用いて、１つまたは複数の脳深部構造を刺激する。本明細書に開示の頭蓋内刺激電極を用いる方法をＮＴＩＳ法から明確に区別するために、本願の全体を通して、頭蓋内時間干渉刺激（ＩＣＴＩＳ）としての第２の方法に言及する。
ＮＴＩＳとＩＣＴＩＳとの別の有利な相違として、ＮＴＩＳでは、頭蓋外電極が頭部の同じ場所に固定されたままである。その一方で、使用する刺激電極が多重化ユニット１７６の制御だけで非常に高速に変化し、Ｅｃｏｇ電極アレイのいずれかから異なる電極対が刺激電極対として選択されて、刺激電極対の任意所望の構成に対して２つの異なる干渉振動周波数が送達されてもよい。この利点によれば、脳内に形成されるニューロン漸増焦点領域のサイズ、形状、および場所の調節の制御が向上可能と考えられる。
さらに、システム１６０の構成によれば、刺激を付加的に制御可能である。Ｅｃｏｇ電極アレイ１６４の、任意所望の電極数および電極構成の２つの異なる電極群からなる一対に、周波数ｆの刺激振動を印加する。それと同時に、Ｅｃｏｇ電極アレイ１６６から選ばれる、任意所望の電極数および電極構成の２つの異なる電極群からなる別の異なる一対に、周波数ｆ＋Δｆの刺激振動を印加する。これは、このような印加によって、離隔した電極群の任意選択の組み合わせに、振動する刺激信号を通過させることにより、刺激電極がほぼ瞬時に変化し得るためである。この各刺激電極対内の電極群変化法によれば、静的な固定サイズの刺激電極対を特徴とするＮＴＩＳ法と比較して、ニューロン漸増エンベロープ領域のパラメータをはるかに精密に制御可能となり得る。
さらに、ＩＣＴＩＳ法の別の利点として、電極群対または単一電極対の構成および位置は、異なる位置の刺激群対または異なる位置の単一電極対間で急速に入れ替わるため、ニューロン漸増領域の位置、サイズ、および／または形状の急速な交互変化が可能となり、ユーザの脳内の異なる位置の脳深部構造が交互に刺激され得る。この変化は、必要に応じた脳深部構造のより精密な時間制御を実現するのにも有用と考えられる（これは、上記開示の指標の検出後、異なる脳深部構造を異なる時間に刺激可能となり得ることを意味する）。
システム１６０の別の特徴として、ＮＴＩＳまたはＩＣＴＩＳによる脳深部構造の刺激のみならず、任意の選択電極（または、電極対、電極群）に対する刺激信号（たとえば、パルスまたは刺激パルス列等）の直接適用によって、一部の皮質領域の選択領域の刺激も可能となり得る。たとえば、プロセッサ／コントローラ１４は、多重化ユニット１７６および直接皮質刺激発生器１７２を制御することにより、Ｅｃｏｇ電極アレイ１６４および１６６の電極を通じたＴＰＣもしくはその任意の一部への直接刺激の送達および／またはＥｃｏｇ電極アレイ１６８の電極を通じた、ＰＦＣ、その任意の一部、あるいはＰＦＣとＴＰＣまたはその一部との任意選択的な組み合わせへの送達を可能にする。
さらに、適当な多重化制御を使用することにより、たとえば１つまたは複数の脳深部構造および１つまたは複数の皮質領域の同時刺激、１つまたは複数の皮質領域（たとえば、ＰＦＣおよびＴＰＣ）の同時刺激、（ＩＣＴＩＳによる）単一の脳深部構造の刺激、Ｅｃｏｇ電極アレイ１６４、１６６、および１６８のうちから選択された１つを通じた直接刺激による単一の皮質領域またはその一部の刺激等、複数種類の刺激方式を実行可能となり得る。このような刺激方式／方法の任意の組み合わせおよび置換が実行されてもよい。
ＢＣＩシステムを使用する特定の例示的な方法
ここで図１６〜図１９を参照する。これらの図は、本願の方法のいくつかの実施形態による、ユーザの認知能力の拡張、増強、または向上を図るための、４つの異なる例示的な方法のステップを示した模式フローチャート図である。
なお、これらの例示的な方法は、上記開示の様々なシステムのプロセッサ／コントローラのいずれかで動作する適当なソフトウェアプログラムにより実行されてもよい。
図１６に戻ると、この方法は、ユーザの１つまたは複数の皮質領域においてＥｃｏｇ信号の検知を行うステップを含む（ステップ２００）。検知信号は、システムのメモリ／データ記憶装置（たとえば、上記開示のメモリ／データ記憶装置１６または１６等）に（デジタル化形態で）記録および／または格納されてもよい。その後、この方法では、データにフーリエ変換（ＦＴ）（たとえば、高速フーリエ変換アルゴリズム等）を実行することにより、検知デジタル化信号または格納データを処理して、検知信号のデジタル化データのパワースペクトルを演算するようにしてもよい（ステップ２０２）。その後、この方法では、パワースペクトルを使用して、以下に詳しく開示する通り、ベータ周波数帯（１５〜３０Ｈｚの周波数範囲を有する帯域）における加重位相遅延指数（ｗＰＬＩ）の値を演算する（ステップ２０４）。その後、この方法では、ｗＰＬＩの演算値を閾値と比較する（ステップ２０６）。ｗＰＬＩの値が閾値以上の場合、この方法では、１つまたは複数の標的領域を刺激して（ステップ２０８）、制御をステップ２００に移す。
ｗＰＬＩの値が閾値未満である場合、この方法では、制御をステップ２００に移して、Ｅｃｏｇ信号の検知を継続する。
ステップ２０８の標的領域は、１つまたはは複数の皮質領域、１つまたは複数の脳深部構造、あるいは１つまたは複数の皮質領域と１つもしくは複数の脳深部構造との組み合わせであってもよい。ステップ２０８において刺激可能な脳深部構造としては、腹側被蓋領域（ＶＴＡ）、線条体、尾状核、果核、側坐核（ＮＡ）、青斑、海馬、扁桃、中脳辺縁系の脳深部構造、学習、記憶、および集中の増強および／または促進に機能的に関与する脳深部構造、脳の皮質下領域、黒質、脳の皮質下領域、背側線条体、中脳皮質系内の辺縁構造の一部、黒質線条体系の一部、隆起漏斗系の一部、脳弓、マイネルト基底核（ＮＢＭ）、前部尾状核、背側線条体、視床前核、視床中心、外側視床下部、帯状膝下領域（ＢＡ２５）、嗅内皮質、有孔経路、内側前頭葉、視床下核、およびこれらの任意の組み合わせが挙げられる。
抑鬱症がある患者においては、好ましい脳深部標的の一部として、帯状膝下領域（ＢＡ２５）、腹側内包（ＶＣ）／腹側線条体（ＶＳ）、ＮＡ、外側手鋼、腹側尾状核、および下視床脚が挙げられるが、これらに限定されない。
正常なユーザにおいて、好ましい脳深部標的の一部としては、腹側被蓋領域（ＶＴＡ）、線条体、尾状核、果核、側坐核（ＮＡ）、青斑、海馬、扁桃、中脳辺縁系の脳深部構造、学習、記憶、および集中の増強および／または促進に機能的に関与する脳深部構造、脳の皮質下領域、黒質、脳の皮質下領域、背側線条体、中脳皮質系内の辺縁構造の一部、黒質線条体系の一部、隆起漏斗系の一部、脳弓、マイネルト基底核（ＮＢＭ）、前部尾状核、背側線条体、視床前核、視床中心、外側視床下部、嗅内皮質、有孔経路、内側前頭葉、視床下核、およびこれらの任意の組み合わせが挙げられるが、これらに限定されない。
標的脳領域が１つまたは複数の皮質領域を含む場合、ステップ２０８の刺激は、前頭前皮質（ＰＦＣ）、ＰＦＣの一部、背外側前頭前皮質（ＤＬＰＦＣ）、ＤＬＰＦＣの一部、側頭頭頂皮質（ＴＰＣ）、ＴＰＣの一部、下前頭回（ＩＦＧ）、ＩＦＧの一部、側頭頭頂接合部（ＴＰＪ）、ＴＰＪの一部、およびこれらの任意の組み合わせのうちの１つまたは複数において実行されてもよい。
なお、上述したように、ステップ２０８においては、上記皮質の任意の組み合わせが刺激されてもよい。
なお、図１６に開示の方法については、いくつかの変形例が可能である。たとえば、標的脳領域の刺激は、ステップ２０６の指標の検出の直後に実行されてもよいが、いくつかの実施形態においては、とりわけステップ２０８において刺激される特定の標的脳領域に応じて、刺激は、適当な遅延期間の後に実行されてもよい。
図１７に戻ると、この図１７に示す例示的な方法は、１つまたは複数の皮質領域においてＥｃｏｇ信号を検知することを含む（ステップ２１０）。検知（ならびに、記録およびデジタル化）信号に対するフーリエ変換（たとえば、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）等）の実行によって、信号のパワースペクトルを演算する（ステップ２１２）。その後、この方法では、すべてのパワースペクトルから、ガンマ周波数帯における瞬時電力Ｐγを演算する（ステップ２１４）。瞬時電力Ｐγは、選択数の電極のパワースペクトルから、短い時間（たとえば、およそ１秒）について演算された電力値を表す。ガンマ帯は、ｆ≧３０Ｈｚの周波数範囲を含む帯域である。その後、この方法では、Ｐγの演算値を閾値と比較する（ステップ２１６）。Ｐγの値が閾値以下の場合、この方法では、１つまたは複数の標的脳領域を刺激し（ステップ２１８）、制御をステップ２１０に移して検知を継続する。Ｐγの値が閾値よりも大きい場合、この方法では、制御をステップ２１０に戻して、検知を継続する。ステップ２１０により検知が実行される皮質領域は、図１６のステップ２００の検知が実行される皮質領域と類似であってもよい。
ステップ２１８において刺激可能な標的脳領域は、図１６のステップ２０８の標的脳領域と類似であってもよい。
上記方法のいくつかの実施形態においては、（場合により、刺激によって誘導され得る検知刺激アーチファクトを回避するために、）標的脳領域の刺激が行われている間は、標的皮質領域における検知が停止されてもよい。
図１８に戻ると、この図１８に開示の方法は、図１８の方法のステップ２２０において、皮質領域中の検知が標的脳領域の刺激の継続時間にわたって停止され、制御が図１８のステップ２００に移った後に継続される点を除いて、図１６に示す方法と類似してもよい。
図１９に戻ると、この図１９に開示の方法は、図１９の方法のステップ２２２において、皮質領域中の検知が標的脳領域の刺激の継続時間にわたって停止され、制御が図１９のステップ２１０に移った後に継続される点を除いて、図１７に示す方法と類似してもよい。
図１８および図１９の方法の他の考え得る実施形態においては、それぞれステップ２０６および２１６における指標の検出の時点から遅延期間が経過した後に、標的脳領域の刺激が開始となるように、それぞれステップ２２０および２２０を修正することを含むようにしてもよい。
ｗＰＬＩの演算方法
当技術分野においては、ｗＰＬＩの演算方法が知られており、以下の論文に詳しく開示されている。
Christiano Micheli, Daniel Kapinf, Stephanie Westendorff, Taufikand A. Valiante and Thilo Womelsdorf, entitled "Inferior-Frontal cortex phase synchronizes with temporal-parietal Junction prior to successful change detection", published in Neuroimage, 119, pp.417-431 (2015)
MartinVinck, Robert Oostenveld, Marijnvan Wingerden, Franscesco Battaglia and Cyriel M. A. Pennartz, entitled "An improved index of phase-synchronization for electrophysiological data in the presence of volume-conduction, noise and sample-size bias", published in NeuroImage, 55, pp. 1548- 1565, (2011)
簡潔には、同じサイズの０．５秒の時間窓に対するフーリエ解析の適用によって、スペクトル分析を実行する。データを、テーパリング離散ｄｐｓｓ（扁長楕円シーケンス（ｐｒｏｌａｔｅ ｓｐｈｅｒｏｉｄａｌ ｓｅｑｕｅｎｃｅ））および±４Ｈｚ周波数帯域幅（３テーパリングに対応）を用いてテーパリングする。例の検査および視覚化のため、次／前の窓から中心が０．０５秒離れ、０．４５秒の重畳が可能な、０．５秒窓を用いて時間周波数解析を実行する。
位相同期の解析
別個の電極からの信号間の接続性を調べるため、加重位相遅延指数（ｗＰＬＩ）を演算する。ｗＰＬＩは、クロススペクトルの虚数成分のみに基づき、２つの別個のセンサ（たとえば、２つの検知電極等）に対する単一源の活動の体積伝導による影響を誤って受けない位相同期（コヒーレンスに類似）の測定基準である。ｗＰＬＩは、相互作用源間の真の位相結合の増加と単調に関連する。ｗＰＬＩの利点として、２つの従属源の線形混合に対して不変であり、相互作用源が区間的に閉じている場合の相互作用の検出感度が高い点が挙げられる。ｗＰＬＩの直接推定器は、サンプルサイズによりバイアスを受ける。したがって、ゼロ（サンプリングの制限のため負数も偶然に発生し得る）〜１（最大位相同期）の範囲のバイアス除去されたｗＰＬＩ推定器を用いることにより、ｗＰＬＩの２乗を推定した。漸近ｗＰＬＩ値がゼロに等しい（位相結合がない）場合は、バイアス除去されたｗＰＬＩにサンプルサイズのバイアスがないため、バイアス除去されたｗＰＬＩが誤って相互作用を示すことはない。さらに、そのサンプルサイズのバイアスは、２０〜３０試行というはるかに小さなサンプルサイズの場合には無視できる。なお、バイアス除去されたｗＰＬＩは、ｗＰＬＩの２乗の推定値である。すなわち、バイアス除去されたｗＰＬＩの０．１という値は、およそ０．３という無バイアスのｗＰＬＩの値に対応する。ｗＰＬＩでは、２つのチャネル（たとえば、２つの電極）間のクロススペクトルを考慮し、周波数ごとに、０〜９０°の位相差を線形加重する（ゼロでヌルとなり、９０°で１として加重される）。ｗＰＬＩの値を計算する式は、以下の通りである。
Figure 2020501743
 クロススペクトルＣ（ｆ）＝Ｘ（ｆ）Ｙ＊（ｆ）である。行列ＸおよびＹはそれぞれ、チャネルＸおよびチャネルＹのＦＦＴ変換であり、＊は共役行列演算子、Ｃはクロススペクトルである。Ｃの複素非対角部をＮＤＣ（非対角クロススペクトル）と称し、Ｉｍａｇ（．）は虚数部演算子、｜．｜は絶対値演算子、Ｅ｛．｝は試行全体の期待値演算子（サンプル平均）である。ＮＤＣの周波数に対する従属は省略しているものの、常に、非明示的に仮定される。
なお、ｗＰＬＩの値は、Ｅｃｏｇ電極アレイ全体のパワースペクトルセットから計算さてもよいが、実際には演算の効率化のため、検知電極の選択セット（副サンプル）のパワースペクトルから計算してもよい。
異なる皮質領域（たとえば、ＰＦＣおよびＴＰＣ）にそれぞれ位置決めされた２つのＥｃｏｇ電極アレイによる検知が、理論上、十分に高い演算パワーを与えている場合は、電極対の一方の電極がＰＦＣにおいて検知を行い、電極対の他方の電極がＴＰＣにおいて検知を行っている当該電極対の考え得るすべての組み合わせについて、パワースペクトルからｗＰＬＩを演算可能となり得る。ただし、実際には、演算パワーが限られていることから、このような電極対の限られた部分集合に対して、ｗＰＬＩの演算が実行されてもよい。
Ｐγの演算方法
信号ｘのパワースペクトル（Ｓｘｘ，ｊ）は、以下のように定義される。
Ｓｘｘ，ｊ＝（２Δ２／Ｔ）ＸｊＸｊ＊
これは、周波数ｆｊにおけるｘのフーリエ変換（Ｘｊ）とその複素共役（Ｘｊ＊）との積を、サンプリング間隔（Δ）の２乗および総記録時間（Ｔ）でスケーリングしたものである。なお、パワースペクトルの単位は、（この場合は）（μＶ）２／Ｈｚである。
皮質信号の基準を再び共通平均とし、最大エントロピー法（ＭＥＭ）として知られるスペクトルパワー推定の自己回帰法を用いてスクリーニングセッションからのデータをオフライン解析することにより、５００ミリ秒のスライド窓を用いて１〜５０Ｈｚまで、１Ｈｚビンのスペクトルパワーを計算するようにしてもよい。スクリーニング課題の後、１回の校正が実行されてもよく、これが、選定されたＢＣＩ制御機構の検証に役立つ（ＢＣＩ制御機構は、ユーザまたは患者の神経学的状態の変化を反映する生理学的変化の信号または指標である）。
ＢＣＩ制御セッション
オンライン閉ループセッションの間は、皮質信号の基準を再び共通平均とし、窓当たり１２５ミリ秒だけシフトした、皮質データの５００ミリ秒の窓に対する１Ｈｚビンのスペクトル分析を実行する。５００ミリ秒の各窓の収集後、制御機構におけるスペクトルパワーの使用によって、以下の式により表される刺激方式を更新する。
Figure 2020501743
 ここで、Ｙ（ｔ）は０〜１００％の最大皮質刺激範囲に制限された現在の皮質刺激、Ｙ（ｔ−１）は過去の刺激設定、Ｘ（ｔ）はＢＣＩ制御機構の現在値、μｒｅｓｔおよびμａｃｔｉｖｅは活動および安静試行時のＢＣＩ制御機構の平均、σｒｅｓｔは安静試行時のＢＣＩ制御機構の標準偏差、Ｇａｉｎは刺激の強度を制御する利得項、Ｂｉａｓは安静期間を判別する能力を向上させるように設計されたバイアス項である。
なお、上記開示の方法は、上記に示す特定の方法およびアルゴリズムに限定されない。たとえば、これらの方法には、当技術分野において知られている任意のスペクトル分析法による任意の周波数帯でのパワースペクトルおよびＰ（瞬時スペクトル電力）および／またはｗＰＬＩの演算を含んでもよく、ＦＦＴ等のフーリエ変換法の使用に限定されない。
また、上記開示の特定の例示的な方法では、Ｐγ（ガンマ周波数帯における瞬時スペクトル電力）としてＰｆ（選択周波数帯ｆにおける瞬時電力）の値を演算するが、これは必須ではなく、たとえばデルタ帯、シータ帯、ミュー帯、アルファ帯、ベータ帯、およびガンマ帯、またはこれら帯域の任意の選択的組み合わせ等、任意所望の１つまたは複数の周波数帯でＰｆの値が演算され（Ｐγの代わりに）用いられてもよい。同様に、検知信号の位相の変化の検出を使用する方法は、ガンマ周波数帯におけるパラメータｗＰＬＩの演算にも、すべての周波数帯におけるｗＰＬＩの演算にも限定されず、上記開示の周波数帯（たとえば、デルタ帯、シータ帯、ミュー帯、アルファ帯、ベータ帯、およびガンマ帯、またはこれらの任意の選択的組み合わせ等）のいずれかにおいて位相変化を検出する任意のアルゴリズムまたは方法により実行されてもよい。本明細書に開示のシステムおよび方法においては、上記開示の周波数帯のいずれかにおける位相またはスペクトルパワーの変化を演算または検出する、上記のような如何なる方法を用いてもよい。
また、本明細書に開示のシステムは、人間の認知能力の増強に用いてもよい。これらのシステムを使用する方法のいくつかの実施形態によれば、これらのシステムは、神経機能障害、神経障害、または神経精神障害がある患者の認知障害の治療に用いてもよい。
たとえばシステム１０、３０、４０、５０、６０、８０、１２０、１３０、１４０、および１６０等のＢＣＩシステムは、とりわけ、脳損傷、脳卒中、認知症、神経変性障害、または患者の認知機能の妨げもしくは悪影響となる他の障害がある個人の課題学習（または、再学習）の速度を向上させるのに用いてもよい。また、脳卒中、認知症、神経変性障害、ＰＦＣの障害、またはワーキングメモリもしくは注意持続を維持する能力を損なう問題を有する個人の場合、本明細書に開示のシステムは、それぞれのワーキングメモリおよび注意持続の維持能力を向上させるのに用いてもよい。また、本願に開示のシステムおよび方法は、集中力の認知課題に関連付けられた脳領域におけるニューロン活動の調節および／または制御によって、ＡＤＨＤまたはＡＤＤを患う個人を治療するのに用いてもよい。
さらに、本願のシステムのいくつかの実施形態によれば、本願に開示のシステムおよび方法は、同じ脳領域または他の異なる脳領域におけるＯＣＤ型の挙動に関連付けられたニューロン活動パターンを検出するようにしてもよい。また、Brain Imaging and Behavior, December 2016, Volume 10, Issue 4, Pp. 1054-1067に公開されたNikolaos Makriset et al.による“Variability and anatomical specificity of the orbitofrontothalamic fibers of passage in the ventral capsule/ventral striatum (VC/VS): precision care for patient-specific tractography-guided targeting of deep brain stimulation (DBS) in obsessive compulsive disorder (OCD)”というタイトルの論文に開示の通り、選択脳領域におけるニューロン活動を適当に調節することによって、ＯＣＤがある神経障害および／または神経精神障害の患者を治療するのに用いてもよい。
追加または代替として、本明細書に開示のシステムおよび方法は、とりわけ学習速度、ワーキングメモリ（ＷＭ）、および注意持続等の認知能力の増強、拡張、および／または向上のために、正常なユーザに対して用いてもよい。
ヒトの線条体は、「加重学習エンジン」に類似の脳深部構造である。学習課題においては、線条体の脳深部電気刺激によって、新たな課題を学習するプロセスにおいて強化された関連するニューロン間の接続を補強するドーパミンをＶＴＡおよび深部構造に放出させる。これにより、学習速度が倍増する。
背外側前頭前皮質（ＤＬＰＦＣ）は、実行系認知の最も重要な構成要素であるワーキングメモリおよび注意持続を制御する、皮質表面領域（ＢＡ４６およびＢＡ９）である。ワーキングメモリにおける項目保持および注意持続を含む課題の際には、ＤＬＰＦＣ内でニューロン活性化の明確なパターンを検知することができる。
本願に開示した種々のシステムにおいては、脳深部刺激装置／埋め込みメッシュ電子装置／ステントアレイの使用により、ワーキングメモリの活性化の際または注意持続中の特定のタイミングで線条体または他の脳深部構造を刺激することによって、「積極的」認知挙動（たとえば、複数の項目をワーキングメモリに格納し、正しく読み出すこと、または特定の閾値を超えて注意力を持続すること）に関連付けられた接続性を補強および強化するようにしてもよい。
なお、本願に開示のシステムのすべてにおいて、システムの様々な構成要素間の接続は、有線接続または（適当な無線送信機、無線受信機、および／または無線送受信機の使用による）無線接続として実装されてもよい。システムの環境条件において動作可能である限り、任意の適当な無線送信方法を用いることができる。電極セットおよびプロセッサ／コントローラが脳表面または頭蓋内に配設されている場合には、無線周波数（ＲＦ）の無線システムが使用可能となり得る一方で、埋め込み脳デバイスに適当と考えられる超音波無線通信デバイス、赤外線無線方法および／またはデバイス、光無線通信デバイスおよび方法等の、当技術分野において知られている他の無線通信方法およびデバイスも使用可能である。
なお、本明細書に開示のすべてのシステムの様々な構成要素間の有線または無線通信接続の種類は、単方向（たとえば、検知または刺激のみに用いられる接続等）であってもよいし、双方向通信用の双方向接続であってもよい。たとえば、検知電極アレイ（本明細書に開示の検知電極セットのいずれか等）とプロセッサ／コントローラとの間の接続によって、検知電極セットを通じた刺激信号の送達が可能であってもよい。これは、電極のテストによって、電極の電気的特性および／または電極に密接もしくは近接する脳組織の任意の変化を決定するのに有用と考えられる。同様に、刺激電極セットへの接続も、刺激電極およびその近い環境の電気的特性をテストするテストパルスに対する電気応答を検知可能となるように、双方向接続であってもよい。ニューロンの生存もしくは活動の短期、中期、および長期変化のテストおよび／または経時的なこれら変化の監視のため、他のテストが実行されてもよい。
なお、本願のシステムおよび方法のいくつかの実施形態によれば、ユーザ（または、患者）の認知能力の増強、拡張、および／または向上は、上述したように脳深部構造を刺激することなく実現してもよい。
たとえば、本願のシステムのいくつかの実施形態によれば、このシステムは、詳細に上述したように、認知課題の実行および／またはこのような認知課題を実行する意図を示す課題ニューロン活動に関連する信号を、ＤＬＰＦＣにおいて検知／記録する１つまたは複数の電極セットを具備してもよい。ただし、刺激を脳深部構造に送達する１つまたは複数の電極セットを具備する上述の例示的なシステムとは対照的に、システムのいくつかの実施形態においては、このシステムは、認知課題を実行する意図および／または認知課題の提示に関連付けられたニューロン活動の検出に際して、刺激をＤＬＰＦＣに送達可能な１つまたは複数の電極セットを具備してもよい。
たとえば、図３に戻ると、ＤＬＰＦＣ中で検知および刺激を行うシステムは、プロセッサ／コントローラ１４、電源３、メモリ／データ記憶装置１６、（任意選択での）補助センサ１８、（任意選択での）エフェクタデバイス、および検知電極セット１２Ｃを具備してもよい（このようなシステムに刺激電極セット１２Ｄは含まれない）。検知電極セット１２Ｃおよびプロセッサ／コントローラ１４は、詳細に上述したように、ＤＬＰＦＣにおけるニューロン活動に関連する信号の検知／記録のほかに、詳細に上述したような認知課題の実行および／またはこのような認知課題を実行する意図に関連付けられた時空間ニューロン活動パターン、あるいは認知課題の実行および／またはこのような認知課題を実行する意図を示す時空間ニューロン活動パターンを検出するための検知／記録信号の処理に用いてもよい。
このようなパターンが検知されたら、システムは、同じ検知電極セット１２Ｃを用いて、ＤＬＰＦＣの特定の領域を刺激するようにしてもよい。このような検出に応じたＤＬＰＦＣへのＤＬＰＦＣ刺激の送達により、局所的ＤＬＰＦＣ回路に含まれるニューロンの樹状突起または細胞体で終端するドーパミン作動性シナプスが局所的に活性化して、このような回路が補強され、ユーザの認知能力の増強／拡張／向上が図られる可能性がある。
このようなシステムでは、脳深部構造の刺激を送達可能な電極セットを埋め込む相対的に複雑な外科手術を実行する必要がないため、有利と考えられる。また、ＤＬＰＦＣの検知／記録および刺激の両者を単一の電極セットにより実行可能であるため、開示のシステムでは、具備する構成要素の数を少なくすることができる。このようなシステムにおいて、検知電極セット１２Ｃは、ＤＬＰＦＣの表面またはそれを覆う軟膜もしくは硬膜と接触し得る（任意既知の種類の）Ｅｃｏｇ型電極アレイであってもよいし、上記Lieber et al.による論文に開示されている皮質組織に埋め込み可能な可撓性メッシュ型電極アレイのうちの１つであってもよい。また、ＤＬＰＦＣの皮質組織に進入してＤＬＰＦＣを検知／刺激するのにユタアレイを用いてもよい。また、詳細に上述したように、ＤＬＰＦＣを検知および刺激するのにステントロードアレイを採用してもよい。
当然のことながら、ＤＬＰＦＣにおける検知および刺激の両者について、単一の電極セットまたは電極アレイ（たとえば、検知電極セット１２Ｃ等）で十分と考えられるものの、本発明の実施形態の実践においては、これは必須ではなく、２組以上の電極アレイの電極セットを用いてもよい。いくつかの実施形態では、ＤＬＰＦＣにおける検知のための１つ（または複数）の電極セットと、ＤＬＰＦＣに対して刺激を送達するための別（またはその他複数）の電極セットとを含んでもよい。たとえば、検知／記録にはＥｃｏｇ型電極セットを用い、ＤＬＰＦＣの刺激には埋め込み可撓性メッシュ型電極セットを用いてもよい。いくつかの実施形態においては、埋め込み可撓性メッシュ型電極アレイを刺激に用い、検知するＤＬＰＦＣ領域の脳血管には、ステントロードを配置してもよい。電極セットの種類および数に関するこのような任意適当な置換および変形を、ＤＬＰＦＣにおける検知および刺激によって認知能力の拡張／増強／向上を図る本明細書に開示のシステムの実装に用いてもよい。
さらに、詳細に上述したように、上記システムは、正常なユーザのほか、神経、精神、および／または神経精神障害および／または機能障害がある患者に用いてもよい。
当然のことながら、明瞭化のため別個の実施形態の文脈で記載した本発明の特定の特徴は、単一の実施形態に組み合わせても提供可能である。逆に、簡略化のため単一の実施形態の文脈で記載した本発明の種々特徴は、別々の提供も可能であるし、任意適当な副組み合わせでの提供も可能であるし、本発明に関して記載した任意の他の実施形態に適するものとしての提供も可能である。種々実施形態の文脈で記載した特定の特徴は、これらの要素なしで当該実施形態が動作不能ではない限り、これら実施形態の本質的特徴とは考えないものとする。
上述したように、本明細書に記載され、特許請求の範囲に請求される本発明のさまざまな実施形態および態様は、以下の実施例によって実験的に支持されるものである。
本明細書で言及した全ての刊行物、特許および特許出願は、個々の刊行物、特許および特許出願のそれぞれについて具体的且つ個別の参照により本明細書に組み込む場合と同程度に、それらの全体が参照により本明細書に組み込まれる。加えて、本願におけるいかなる参考文献の引用または特定は、このような参考文献が本発明の先行技術として使用できることの容認として解釈されるべきではない。また、各節の表題が使用される範囲において、必ずしも限定として解釈されるべきではない。

Claims (48)

  1. ユーザの認知能力の拡張、補助、および／または向上を図る脳コンピュータインターフェース（ＢＣＩ）システムであって、
    前記ユーザの１つまたは複数の皮質領域におけるニューロン電気活動に関連する信号を検知するとともに、１つまたは複数の標的脳領域に刺激信号を与える、１つまたは複数の電極セットと、
    前記１つまたは複数の電極セットと通信する少なくとも１つのプロセッサ／コントローラであって、前記１つまたは複数の皮質領域において検知された信号を処理して、認知課題を実行する意図、認知課題の提示、および／または認知課題の実行に関連付けられた指標を検出すること、ならびに前記ユーザの前記認知能力の拡張、補助、および／または向上のために、前記指標の検出に応じて、前記１つまたは複数の標的脳領域に与える刺激を制御すること、を実施するようにプログラムされた少なくとも１つのプロセッサ／コントローラと、
    前記ＢＣＩシステムに給電する少なくとも１つの電源と、
    を備えた、システム。
  2. 前記１つまたは複数の標的脳領域が、
    前記ユーザの１つまたは複数の脳深部構造、
    前記ユーザの１つまたは複数の皮質領域、および
    １つまたは複数の皮質領域と１つまたは複数の脳深部構造との組み合わせ
    からなる群から選択される、請求項１に記載のシステム。
  3. 前記１つまたは複数の皮質領域が、前頭前皮質（ＰＦＣ）、ＰＦＣの一部、背外側前頭前皮質（ＤＬＰＦＣ）、ＤＬＰＦＣの一部、側頭頭頂皮質（ＴＰＣ）、ＴＰＣの一部、下前頭回（ＩＦＧ）、ＩＦＧの一部、側頭頭頂接合部（ＴＰＪ）、ＴＰＪの一部、およびこれらの任意の組み合わせのうちの１つまたは複数を含む、請求項１または２に記載のシステム。
  4. 前記１つまたは複数の脳深部構造が、腹側被蓋領域（ＶＴＡ）、線条体、尾状核、果核、側坐核（ＮＡ）、青斑、海馬、扁桃、中脳辺縁系の脳深部構造、学習、記憶、および集中の増強および／または促進に機能的に関与する脳深部構造、脳の皮質下領域、黒質、背側線条体、中脳皮質系内の辺縁構造の一部、黒質線条体系の一部、隆起漏斗系の一部、脳弓、マイネルト基底核（ＮＢＭ）、前部尾状核、背側線条体、視床前核、視床中心、外側視床下部、帯状膝下領域（ＢＡ２５）、嗅内皮質、有孔経路、内側前頭葉、視床下核、およびこれらの任意の組み合わせから選択される、請求項２または３に記載のシステム。
  5. 前記認知能力が、集中力、記憶力、短期記憶力、学習力、記憶検索力、ワーキングメモリ力、およびこれらの任意の組み合わせのうちの１つまたは複数を含む、請求項１に記載のシステム。
  6. 前記認知課題が、集中作業、注意持続課題、記憶課題、短期記憶要求課題、学習課題、記憶検索課題、およびこれらの任意の組み合わせから選択される、請求項１〜５のいずれか一項に記載のシステム。
  7. 前記ユーザが、正常なユーザならびに神経障害、精神障害、もしくは神経精神障害のあるユーザから選択される、請求項１〜６のいずれか一項に記載のシステム。
  8. 前記神経障害、精神障害、または神経精神障害が、ＡＤＨＤ、ＡＤＤ、学習障害、注意関連障害または機能不全、健忘症、記憶関連機能不全、不安症、抑鬱症、外傷性脳損傷、脳卒中、認知症、神経変性障害、およびこれらの任意の組み合わせから選択される、請求項７に記載のシステム。
  9. 前記１つまたは複数の電極セットが、前記ユーザの１つまたは複数の別の皮質領域において、ニューロン電気活動の検知および／またはニューロンの刺激を行うように構成されており、前記別の皮質領域は、視覚皮質領域、一次視覚皮質（Ｖ１）の領域、視覚皮質の内側側頭葉、運動皮質の領域、運動前皮質の領域、体性感覚皮質の領域、聴覚皮質の領域、右後頭葉皮質の右心面、連合皮質、一次視覚皮質、視覚皮質、聴覚皮質、運動皮質の他の領域、ＢＡ１７、ＢＡ１８、ＢＡ１９、ＢＡ７、ＢＡ６、ＢＡ５、ＢＡ４、およびこれらの任意の組み合わせから選択される、請求項１〜８のいずれか一項に記載のシステム。
  10. 前記１つまたは複数の電極セットが、非侵襲電極セット、侵襲的電極セット、およびこれらの任意の組み合わせから選択される、請求項１〜９のいずれか一項に記載のシステム。
  11. 前記１つまたは複数の電極セットが、下記電極セットから選択される、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のシステム。
    前記１つまたは複数の皮質領域において検知を実行するとともに、前記標的脳領域のうちの１つまたは複数を刺激するように構成された、少なくとも１つの検知・刺激電極セット、
    前記１つまたは複数の皮質領域において検知を実行するように構成された少なくとも１つの検知電極セットと、前記標的脳領域のうちの１つまたは複数を刺激する少なくとも１つの刺激電極セットとの組み合わせ、
    前記１つまたは複数の皮質領域において検知を実行するとともに、前記１つまたは複数の皮質領域のうちの少なくとも１つを刺激するように構成された、少なくとも１つの電極セット、ならびに
    ＤＬＰＦＣにおいて検知を行うとともに、ＤＬＰＦＣを刺激するように構成された、少なくとも１つの電極セット。
  12. 前記１つまたは複数の電極セットが、下記電極セットから選択される、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のシステム。
    前記１つまたは複数の皮質領域におけるニューロン電気活動に関連する信号を検知するように構成された少なくとも１つの電極セットと、時間干渉（ＴＩ）電界を用いて１つまたは複数の脳深部構造を刺激するように構成された少なくとも１つの電極セットとの組み合わせ、ならびに
    前記１つまたは複数の皮質領域におけるニューロン電気活動に関連する信号を検知するとともに、時間干渉（ＴＩ）電界を用いて１つまたは複数の脳深部構造を刺激するように構成された少なくとも１つの電極セット。
  13. 前記１つまたは複数の電極セットが、２つ以上の電極を備えた電極アセンブリ、多電極アレイ、埋め込み型電極アレイ、注入型メッシュ電極アレイ、多重型電極アレイ、可撓性電極アレイ、皮質表面に適用されるように適合された可撓性電極アレイ、線形電極アレイ、Ｅｃｏｇ表面電極アレイ、μＥｃｏｇ電極アレイ、皮質内埋め込み型電極アレイ、ステント電極、ステント電極アレイ、神経塵検知デバイス、ＥＥＧ電極、頭皮の下側に埋め込まれた２つ以上の電極を含む電極セット、非侵襲経頭蓋周波数干渉刺激（ＮＴＩＳ）を実行するように構成された電極セット、頭蓋内周波数干渉刺激（ＩＣＴＩＳ）を実行するように構成された電極セット、およびこれらの任意の組み合わせから選択される、請求項１に記載のシステム。
  14. 前記ニューロン電気活動に関連付けられた信号が、細胞外で記録した単一ニューロン活動電位、細胞外記録電界電位、およびこれらの任意の組み合わせから選択される、請求項１に記載のシステム。
  15. 外部テレメトリユニットと無線通信するための、前記少なくとも１つのプロセッサ／コントローラと通信するテレメトリユニットをさらに備えた、請求項１〜１４のいずれか一項に記載のシステム。
  16. 前記少なくとも１つのプロセッサ／コントローラが、前記ユーザの頭蓋外部の少なくとも１つのプロセッサ／コントローラ、少なくとも１つの頭蓋内プロセッサ／コントローラ、少なくとも１つのウェアラブルプロセッサコントローラ、少なくとも１つのリモートプロセッサ／コントローラ、少なくとも１つのデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）、少なくとも１つのグラフィック処理ユニット（ＧＰＵ）、少なくとも１つの量子コンピューティングデバイス（ＱＣＤ）、量子コンピュータ、およびこれらの任意の組み合わせから選択される、請求項１〜１５のいずれか一項に記載のシステム。
  17. 前記指標が、下記指標から選択される、請求項１〜１６のいずれか一項に記載のシステム。
    ベータ周波数帯における演算加重位相遅延指数（ｗＰＬＩ）の変化、
    ガンマ周波数帯における演算スペクトルパワー（Ｐγ）の変化、
    ベータ周波数帯で１つまたは複数の電極対により検知された、皮質電気活動のベータ周波数帯における演算ｗＰＬＩの変化、および
    ガンマ周波数帯でのスペクトルパワーの変化。
  18. 前記少なくとも１つの電源が、前記ユーザの頭蓋外部の少なくとも１つの電源、少なくとも１つの頭蓋内電源、少なくとも１つのウェアラブル電源、頭蓋外電源から電力を無線受電する少なくとも１つの頭蓋内受電機、頭蓋外電源から電力を無線受電して蓄電する少なくとも１つの頭蓋内受電機、頭蓋外に配設された誘導コイルから電力を受電するように適合された少なくとも１つの頭蓋内埋め込み型誘導コイル、およびこれらの任意の組み合わせから選択される、請求項１〜１７のいずれか一項に記載のシステム。
  19. ユーザの認知能力の拡張、補助、および／または向上を図る方法であって、
    １つまたは複数の皮質領域におけるニューロン活動に関連する信号の検知を行うステップと、
    前記信号を処理して、認知課題を実行する意図、認知課題の提示、および／または認知課題の実行に関連付けられた指標を検出するステップと、
    前記ユーザの認知能力の拡張、向上、および／または補助のために、前記指標の検出に応じて前記ユーザの１つまたは複数の標的脳領域を刺激するステップと、
    を含む、方法。
  20. 前記１つまたは複数の標的脳領域が、
    １つまたは複数の脳深部構造、
    １つまたは複数の皮質領域、および
    １つまたは複数の脳深部構造と１つまたは複数の皮質領域との組み合わせ
    から選択される、請求項１９に記載の方法。
  21. 前記ユーザが、正常なユーザ、ならびに神経障害、精神障害、および／または神経精神障害を患うユーザから選択される、請求項１９または２０に記載の方法。
  22. 前記ユーザが、神経障害、精神障害、および／または神経精神障害を患うユーザであり、前記刺激を行うステップによって、前記刺激を行うステップを実行しない場合の前記ユーザの認知能力と比較して、前記ユーザの認知能力が向上する、請求項２１に記載の方法。
  23. 前記神経障害、前記精神障害、および／または前記神経精神障害が、ＡＤＨＤ、ＡＤＤ、ＯＣＤ、不安症、抑鬱症、学習障害、注意関連障害または機能不全、健忘症、記憶機能不全、外傷性脳損傷、脳卒中、認知症、神経変性障害、およびこれらの任意の組み合わせから選択される、請求項２１または２２に記載の方法。
  24. 前記ユーザが、正常なユーザであり、前記刺激を行うステップによって、前記刺激を行うステップを実行しない場合の前記ユーザの認知能力と比較して、前記ユーザの認知能力が拡張される、請求項１９または２０に記載の方法。
  25. 前記１つまたは複数の皮質領域が、前頭前皮質（ＰＦＣ）、ＰＦＣの一部、背外側前頭前皮質（ＤＬＰＦＣ）、ＤＬＰＦＣの一部、側頭頭頂皮質（ＴＰＣ）、ＴＰＣの一部、下前頭回（ＩＦＧ）、ＩＦＧの一部、側頭頭頂接合部（ＴＰＪ）、ＴＰＪの一部、およびこれらの任意の組み合わせのうちの１つまたは複数を含む、請求項１９〜２４のいずれか一項に記載の方法。
  26. 前記検知を行うステップが、視覚皮質領域、一次視覚皮質（Ｖ１）の領域、視覚皮質の内側側頭葉、運動皮質の領域、運動前皮質の領域、体性感覚皮質の領域、聴覚皮質の領域、右後頭葉皮質の右心面、連合皮質、視覚皮質、聴覚皮質、運動皮質の他の領域、ＢＡ１７、ＢＡ１８、ＢＡ１９、ＢＡ７、ＢＡ６、ＢＡ５、ＢＡ４、およびこれらの任意の組み合わせから選択される１つまたは複数の別の皮質領域において、ニューロン活動に関連する信号を検知することをさらに含み、
    前記処理を行うステップが、前記別の皮質領域において検知された信号を処理して、認知課題を実行する意図、認知課題の提示、および／または認知課題の実行に関連付けられた前記指標を検出することをさらに含む、請求項１９〜２５のいずれか一項に記載の方法。
  27. 前記１つまたは複数の脳深部構造が、腹側被蓋領域（ＶＴＡ）、線条体、尾状核、果核、側坐核（ＮＡ）、青斑、海馬、扁桃、中脳辺縁系の脳深部構造、学習、記憶、および集中の増強および／または促進に機能的に関与する脳深部構造、脳の皮質下領域、黒質、背側線条体、中脳皮質系内の辺縁構造の一部、黒質線条体系の一部、隆起漏斗系の一部、脳弓、マイネルト基底核（ＮＢＭ）、前部尾状核、背側線条体、視床前核、視床中心、外側視床下部、帯状膝下領域（ＢＡ２５）、嗅内皮質、有孔経路、内側前頭葉、視床下核、およびこれらの任意の組み合わせから選択される、請求項２０〜２６のいずれか一項に記載の方法。
  28. 前記刺激を行うステップが、下記刺激から選択される、請求項１９〜２７のいずれか一項に記載の方法。
    前記ユーザの認知能力を増強するための、１つまたは複数の脳深部構造に対する刺激、
    前記ユーザの認知能力を増強するための、１つまたは複数の脳深部構造および１つまたは複数の皮質領域に対する刺激、
    前記ユーザの認知能力を増強するための、１つまたは複数の皮質領域に対する刺激。
  29. 前記刺激を行うステップが、前記ユーザの認知能力の増強、拡張、および／または向上のために、前頭前皮質（ＰＦＣ）、ＰＦＣの一部、背外側前頭前皮質（ＤＬＰＦＣ）、ＤＬＰＦＣの一部、側頭頭頂皮質（ＴＰＣ）、ＴＰＣの一部、下前頭回（ＩＦＧ）、前記ＩＦＧの一部、側頭頭頂接合部（ＴＰＪ）、ＴＰＪの一部、およびこれらの任意の組み合わせから選択される１つまたは複数の皮質領域を刺激することを含む、請求項１９〜２８のいずれか一項に記載の方法。
  30. 前記検知を行うステップ、前記処理を行うステップ、および前記刺激を行うステップが、自動的に実行される、請求項１９〜２９のいずれか一項に記載の方法。
  31. 前記検知を行うステップ、前記処理を行うステップ、および前記刺激を行うステップから選択される１つまたは複数のステップの実行が、ユーザ制御される、請求項１９〜２９のいずれか一項に記載の方法。
  32. 前記ユーザの視覚皮質を刺激して、前記ユーザにグラフィカルユーザインターフェース（ＧＵＩ）の仮想イメージを認識させるステップと、
    運動を実行しようとする自発的意図、運動の実行のイメージ、および／または運動の実行に関連する信号を前記ユーザの運動皮質において検知を行うステップと、
    運動皮質において検知された前記信号を処理して、前記ＧＵＩの前記仮想イメージとの相互作用を実行することにより、前記検知を行うステップ、前記処理を行うステップ、および前記刺激を行うステップから選択される１つまたは複数のステップの実行を制御するステップと、
    をさらに含む、請求項１９〜２９のいずれか一項に記載の方法。
  33. 前記処理を行うステップが、カーネル分析、主成分分析、スペクトル分析法、共通空間パターン法（ＣＳＰ）、分析的ＣＳＰ（ＡＣＳＰ）、時間領域分析法、周波数領域分析法、教師付きパターン識別、クラスタ探索法、尤度関数、および統計的決定から選択される方法を用いて前記信号を処理することを含む、請求項１９〜３２のいずれか一項に記載の方法。
  34. 前記検知を行うステップおよび前記刺激を行うステップを、背外側前頭前皮質（ＤＬＰＦＣ）に対して実行する、請求項１９に記載の方法。
  35. 前記処理を行うステップが、前記検知信号のフーリエ変換（ＦＴ）を演算して複数の電極対のパワースペクトルデータを求めること、前記データに位相結合分析を実行して加重位相遅延指数（ｗＰＬＩ）を演算すること、前記演算したｗＰＬＩを閾値と比較すること、および前記演算したｗＰＬＩが閾値よりも小さいことを検出した際に、前記ユーザの前記１つまたは複数の標的脳領域に対して、前記刺激を行うステップを開始することを含む、請求項１９〜３２および３４のいずれか一項に記載の方法。
  36. 前記刺激を行うステップの開始が、前記検出の時間を起点とする時間遅延期間後に、前記刺激を行うステップを開始することを含む、請求項３５に記載の方法。
  37. 前記刺激を行うステップが、前記刺激を行うステップの継続中は前記検知を停止することを含む、請求項３５または３６に記載の方法。
  38. 前記処理を行うステップが、前記検知信号のフーリエ変換（ＦＴ）を演算してパワースペクトルデータを求めること、前記パワースペクトルからガンマ周波数帯におけるスペクトルパワー値（Ｐγ）を演算すること、前記演算したＰγを閾値と比較すること、およびＰγが閾値以下であることを検出した際に、前記刺激を行うステップを開始することを含む、請求項１９〜３２および３４のいずれか一項に記載の方法。
  39. 前記刺激を行うステップの開始が、前記検出の時間を起点とする時間遅延期間後に、前記刺激を行うステップを開始することを含む、請求項３８に記載の方法。
  40. 前記刺激を行うステップが、前記刺激を行うステップの継続中は前記検知を停止することを含む、請求項３８または３９に記載の方法。
  41. ユーザの認知能力の拡張、補助、および／または向上を図る脳コンピュータインターフェース（ＢＣＩ）システムであって、
    前記ユーザの１つまたは複数の皮質領域におけるニューロン電気活動に関連する信号を検知する、１つまたは複数の検知デバイスと、
    前記ユーザの１つもしくは複数の脳深部構造、前記ユーザの１つもしくは複数の皮質領域、および前記ユーザの少なくとも１つの皮質領域と少なくとも１つの脳深部構造との組み合わせからなる群から選択される１つまたは複数の標的脳領域に対して刺激信号を与える、１つまたは複数の刺激デバイスと、
    前記１つまたは複数の検知デバイスおよび前記１つまたは複数の刺激デバイスと通信する少なくとも１つのプロセッサ／コントローラであって、前記１つまたは複数の皮質領域において検知された信号を処理して、認知課題を実行する意図、認知課題の提示、および／または認知課題の実行に関連付けられた指標を検出すること、ならびに前記ユーザの前記認知能力の拡張、補助、および／または向上のために、前記指標の検出に応じて、前記１つまたは複数の標的脳領域に与える刺激を制御すること、を実施するようにプログラムされた少なくとも１つのプロセッサ／コントローラと、
    前記ＢＣＩシステムに給電する少なくとも１つの電源と、
    を備えた、ＢＣＩシステム。
  42. 前記１つまたは複数の検知デバイスが、前記１つまたは複数の皮質領域における電気活動に関連付けられた電気信号を検知するように構成された電極を備える、請求項４１に記載のＢＣＩシステム。
  43. 前記１つまたは複数の刺激デバイスが、前記標的脳領域に電気刺激信号を与えるように構成された電極を備える、請求項４１または４２に記載のＢＣＩシステム。
  44. 前記１つまたは複数の検知デバイスのうちの少なくとも１つの検知デバイスが、前記１つまたは複数の皮質領域における電気活動に関連付けられた電気信号を検知するように構成された１つまたは複数の電極セットを備えており、前記１つまたは複数の刺激デバイスのうちの少なくとも１つの刺激デバイスが、前記１つまたは複数の標的脳領域に電気信号を与えて、前記１つまたは複数の標的脳領域を電気的に刺激するように構成された１つまたは複数の電極セットを備える、請求項４１に記載のＢＣＩシステム。
  45. 前記指標が、
    １つまたは複数の周波数帯における前記検知信号の位相変化、
    前記１つまたは複数の周波数帯における前記検知信号の演算スペクトルパワーの変化、および
    これらの任意の組み合わせ、
    から選択される、請求項１〜１６のいずれか一項に記載のシステム。
  46. 前記周波数帯が、デルタ帯、シータ帯、ミュー帯、アルファ帯、ベータ帯、およびガンマ帯、ならびにこれらの任意の組み合わせから選択される、請求項４５に記載のシステム。
  47. 前記指標が、
    １つまたは複数の周波数帯における前記検知信号の位相変化、
    前記１つまたは複数の周波数帯における前記検知信号の演算スペクトルパワーの変化、および
    これらの任意の組み合わせ、
    から選択される、請求項１９〜４０のいずれか一項に記載の方法。
  48. 前記周波数帯が、デルタ帯、シータ帯、ミュー帯、アルファ帯、ベータ帯、およびガンマ帯、ならびにこれらの任意の組み合わせから選択される、請求項４７に記載の方法。
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