人の脳活動を測定する方法

脳が研究しにくいのは、その固有の複雑さだけではありません。何十億ものニューロン、何百、何千もの種類のニューロン、何兆もの接続があるからです。 また、脳は、物理的な意味でも時間領域でも、多くの異なるスケールで機能します。

これらのスケールで脳の電気活動を理解するには、単一の技術では十分ではありません。 その結果、神経科学者は一連のツールを自由に使用できるようになりました。 fMRI や EEG などのこれらのツールの一部は、非侵襲的であるため、人間に使用することができます。 ニューロンの活動をよりミクロに把握するために、研究者は動物モデルに注目する。 これにより、個々のニューロンやニューロンの小集団の挙動を、より詳細に分析することができる。

機能的磁気共鳴画像法 (fMRI)

fMRI は、神経活動を記録する最も広く知られた技術かもしれませんが、実際にはニューロンの活動を記録しているわけではありません。 より正確には、信号が、酸素化血液と脱酸素化血液の相対的な存在を反映しているため、活動領域はより多くの酸素化血液を必要とし、間接的ではありますが、fMRIによって科学者はニューロンの活動パターンを推論することができます。 しかし、これには限界があります。 1立方ミリメートルには、ミバエやロブスターの一生を支えるのに十分な約6万個のニューロンがあり、複雑な知覚の判断にはわずか数百ミリ秒しかかからないが、fMRIではこの情報にアクセスすることができない。

Electroencephalography (EEG)

Electroencephalography (EEG) は、神経活動を記録する手法としてはおそらく 2 番目によく知られている。 fMRIがニューロンの活性化の代用である血流を記録するのに対し、EEGは被験者の頭皮に設置した電極を介して脳の電気的活動を直接記録します。 その代わり、何十万、何百万というニューロンの活動の合計を、振動活動という形で調査します。 活動電位とは対照的に、これらの振動が実際にどのような情報を伝達するのかはわかっていませんが、振動の周波数の違いは、異なる行動状態と相関しています。 このため、EEGは、覚醒した人間の神経ダイナミクスをより正確に追跡するために使用でき、刺激または条件に対する脳の電気的反応を判断するためによく使用されます。

EEGの主な制限は、空間分解能が低く、fMRIよりもはるかに劣っていることです。 EEGの信号は大脳皮質からしか出ないことが知られていますが、大脳皮質のどこで信号が発生するかを正確に知ることは依然として極めて困難です。

さらに、その皮質の偏りにより、多くの記憶が作られ保存される海馬や、パーキンソン病で影響を受ける黒質または線条体の領域で何が起こっているかを測定するために使用できません。

脳皮質脳波計（ECoG）

脳皮質脳波計は、数百万のニューロンの複合活動を、しばしば振動波の形で測定するという点でEEGと類似しています。 しかし、2つの大きな違いがあります。 まず、ECoGは電極アレイを頭皮下に挿入する必要があるため、手術が必要です。 このため、ECoGは、頭皮の切開を伴う医学的手術がすでに予定されている患者にのみ適しています。

次に、ECoGでは、活動源の位置が大幅に向上し、高い周波数の電気活動も記録できます。 これらの特性は両方とも、てんかん手術の際に役立ちますが、純粋な研究目的では、この技術は脳外科手術を必要としない人間に使用するには侵襲性が高すぎます。 しかし、今のところ、人間の頭蓋骨を通して詳細なニューロン活動を記録できる技術は存在しません。つまり、私たちが取ることのできる測定は、私たちの脳がどのように働いているかについて、かなり粗い情報を与えるということです。 近い将来、このような空間的・時間的解像度の限界が改善され、より精密な測定が可能になり、人間の脳活動に対する洞察が深まることは間違いないだろう。 さらに、神経細胞処理を一時的に中断させることができる補完的なアプローチにより、どのような種類の脳の局所的機能不全が精神障害に関連する認知障害につながるのかを理解することができるようになる。

QBI Laboratories using fMRI

Jason Mattingley教授
• Ross Cunnington准教授
• Tianzi教授 Jiang

QBI Laboratories using EEG

• Jason Mattingley
• Ross Cunnington

Associate Professor