多重電極を用いた神経インタフェースのリアルタイム信号処理システム

多电极神经接口实时信号处理系统

• 批准号: 16760323
• 负责人: 片山 統裕
• 金额: $ 2.24万
• 依托单位: Tohoku University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• 财政年份: 2004
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2004 至 2006
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-16760323/
• 关键词: 脳マシンインタフェース; 複素独立成分分析; 連続ウェーブレット変換; デコンボリューション; ニューロン; テトロード; パターン識別; 活動電位; ウェブレット解析; 神経スパイク弁別; 自己組織化; ブレイン・マシン・インタフェース; クラスター分析; ブラインド信号分離; 独立成分解析

ブレイン・マシンインタフェースの研究では,複数ニューロン活動の観測のために多重電極を脳に埋め込む方法が広く用いられる.この方法では,神経スパイク波形をパターン識別処理によってグループ化することにより,ニューロンごとの活動時系列を得るスパイク弁別が必要であるが,計算量が大きいことと,近接したニューロンが同時発火したときに生じる重畳スパイク波形を分離することが困難であるという問題があった.独立成分分析法が有効であることが示唆されていたが,弁別性能が十分でないことが問題であった.平成18年度の研究では,多重電極によるニューロン観測系を畳み込み混合によってモデル化し,これを解く新しい弁別アルゴリズムについて検討した.観測された複数ニューロンの細胞外電位信号に対して連続ウェーブレット変換ののち複素独立成分分析法を適用することにより,特定の周波数帯域に着目すれば,神経スパイクの弁別精度が向上しうることを見出した.神経スパイク弁別では各スパイクの発生タイミングが求まれば良いので,主要な周波数成分についてのみ分離を行うことは計算量を低減することにもつながり,リアルタイム信号処理システムの構築のためにも妥当な選択であるといえる.試験データを用いて分離性能を評価した.試験データはモルモットの脳組織において4重電極で記録した実験データに基づいて構成した.実数値ICAによる従来法に比べ,提案法の方がクロストーク減衰量で平均11dB優れていること,及び,分離できるニューロン数が2.4から3.6に増加することが示された.特に,複雑スパイクの弁別において大幅に弁別精度が向上すること,及び,スパイク検出のための閾値の設定において頑健性が向上することが明らかになった.本研究成果は,脳の情報処理メカニズムの研究及びブレイン・マシンインタフェースの開発に大きく貢献するものと期待される.

ブ レ イ ン · マ シ ン イ ン タ フ ェ ー ス の research で は, plural ニ ュ ー ロ ン activity の 観 measuring の た め に multi-contact を 脳 に buried め 込 む method が hiroo く with い ら れ る. こ の way で は, god 経 ス パ イ ク waveform を パ タ ー ン recognition 処 Richard に よ っ て グ ル ー プ change す る こ と に よ り, ニ ュ ー ロ ン ご と の activity series is を る ス パ イ ク Don't が necessary chemical で あ る が, が large amount of calculation き い こ と と, nearly meet し た ニ ュ ー ロ ン が 発 fire at the same time し た と き に raw じ る heavy 畳 ス パ イ ク waveform を separation す る こ と が difficult で あ る と い う problem が あ っ た. Independent component analysis (pca) が have sharper で あ る こ と が in stopping さ れ て い た が, chemical don't performance が very で な い こ と が problem で あ っ た. Pp.47-53 18 year の research で は, multi-contact に よ る ニ ュ ー ロ ン 観 measurement system を 畳 み 込 み mixed に よ っ て モ デ ル し, こ れ を solution く new し い chemical don't ア ル ゴ リ ズ ム に つ い て beg し 検 た. 観 measuring さ れ た plural ニ ュ ー ロ ン の cells announced a signal に し seaborne て even 続 ウ ェ ー ブ レ ッ ト variations in の の ち complex element を apply independent component analysis (す る こ と に よ り, specific の cycle for 帯 domain に with mesh す れ ば, god 経 ス パ イ ク の chemical don't precision が upward し う る こ と を shows し た. God 経 ス パ イ ク chemical don't で は each ス パ イ ク の 発 raw タ イ ミ ン グ が o ま れ ば good い の で, main な cycle for components に つ い て の み separation line を う こ と は を low amount of calculation reduced す る こ と に も つ な が り, リ ア ル タ イ ム signal 処 Richard シ ス テ ム の build の た め に も appropriate な sentaku で あ る と い え る. Test デ ー タ を with い て を separation performance evaluation 価 し た. Test デ ー タ は モ ル モ ッ ト の 脳 organization に お い て 4 heavy electrode で record し た be 験 デ ー タ に base づ い て constitute し た. To be the numerical ICA に よ る 従 method に than べ, proposal method の party が ク ロ ス ト ー ク damping quantity で average of 11 db optimal れ て い る こ と, and び, separation で き る ニ ュ ー ロ ン が 2.4 か ら に raised 3.6 plus す る こ と が shown さ れ た. に, complex 雑 ス パ イ ク の chemical don't に お い て sharply に chemical don't precision が upward す る こ と, and び ス パ イ ク 検 out の た め の threshold set numerical の に お い て operations, sexual が upward す る こ と が Ming ら か に な っ た. This research results は, 脳 の intelligence 処 Richard メ カ ニ ズ ム の research and び ブ レ イ ン · マ シ ン イ ン タ フ ェ ー ス の open 発 に big き く contribution す る も の と expect さ れ る.

项目成果

神経スパイクの相関解析に基づく機能的結合性の統計的検定に関する考察

基于神经脉冲相关性分析的功能连接统计检验探讨

• 发表时间: 2006
• 期刊: 信学技報(NC) 106
• 作者: A. Karashima;et. al.;片山統裕
• 通讯作者: 片山統裕

Acceleration of theta rhythm associated with neuronal activity in the laterodorsal tegmental nucleus

与背侧被盖核神经元活动相关的θ节律加速

• 发表时间: 2005
• 作者: A. Karashima;et. al.;Akihiko Karashimaなど;片山統裕など;Akihiro Karashima;Takashi Kubo;A. Karashima;Takashi Kubo;Y. Cheng;A. Karashima;M. Nakao;M. Shimazaki;A. Karashima;A. Karashima;嶋崎統彦;M. Shimazaki;辛島彰洋;Tetsuya Takahashi;Osamu Kikuchi;辛島彰洋;Osamu Kikuchi;Akihiro Karashima;高橋哲也;Osamu Kikuchi;岡山大;A. Karashima;T. Takahashi;O. Kikuchi;O. Kikuchi;A. Karashima;T. Takahashi;O. Kikuchi;D. Okayama;石浦大樹;D. Ishiura;山田尚平;S. Yamada;Mitsuyuki Nakao;辛島彰洋;Akihiro Karashima
• 通讯作者: Akihiro Karashima

Theta wave amplitude and frequency are differently correlated with pontine wave and rapid eye movements during REM sleep in rats.

大鼠快速眼动睡眠期间，Theta 波幅度和频率与脑桥波和快速眼球运动存在不同的相关性。

• 发表时间: 2004
• 期刊: Neuroscience Research 50
• 作者: Nakao;Katayama;Karashima;others
• 通讯作者: others

レム睡眠中の海馬の機能

快速眼动睡眠期间的海马功能

• 发表时间: 2006
• 期刊: Brain Medical 18・1(印刷中)
• 作者: A.Karashima;Y.Koyama;N.Iwasaki;O.Kikuchi;M.Shimazaki;N.Katayama;M.Nakao;辛島彰洋など
• 通讯作者: 辛島彰洋など

多点同時刺激に伴う海馬神経細胞の機能的結合の変化

同时多点刺激导致海马神经元功能连接的变化

• 发表时间: 2005
• 作者: A. Karashima;et. al.;Akihiko Karashimaなど;片山統裕など;Akihiro Karashima;Takashi Kubo;A. Karashima;Takashi Kubo;Y. Cheng;A. Karashima;M. Nakao;M. Shimazaki;A. Karashima;A. Karashima;嶋崎統彦;M. Shimazaki;辛島彰洋;Tetsuya Takahashi;Osamu Kikuchi;辛島彰洋;Osamu Kikuchi;Akihiro Karashima;高橋哲也;Osamu Kikuchi;岡山大;A. Karashima;T. Takahashi;O. Kikuchi;O. Kikuchi;A. Karashima;T. Takahashi;O. Kikuchi;D. Okayama;石浦大樹;D. Ishiura;山田尚平;S. Yamada;Mitsuyuki Nakao;辛島彰洋;Akihiro Karashima;Norihiro Katayama;菊池修
• 通讯作者: 菊池修