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剣山状電極（左）と今回開発した慢性留置型ECoG電極（右）

引用元: 長期安定性を誇るブレインマシンインターフェイス（BMI）技術を確立｜2010年研究成果｜独立行政法人理化学研究所.

理研脳科学総合研究センター適応知性研究チームの藤井直敬チームリーダーとジーナス・チャオ（Zenas Chao）研究員らは、従来手法より低侵襲で、半年以上の長期安定使用が可能な「慢性留置型ECoG電極」を開発したと発表した。

サルを使った実験で数カ月間に渡って安定したデコーディング性能（脳内部の複数の部位から同時に記録される神経活動を基に、運動情報や、行動の意志などの情報を予測するデコーダーの予測性能）を維持することができたという。オンライン科学雑誌『Frontiers in Neuroengineering』に3月31日に掲載された。

ECoG（electrocorticogram、脳表脳波、皮質脳波）電極は、大脳皮質表面に留置されるシートタイプの低侵襲型電極。元々はてんかん発作の病巣部位を特定するための診断補助手段として使われているもので、脳内の多点から神経活動を同時に記録することができる。てんかん用のECoG電極は長期留置を目的として設計されていないが、約6カ月〜12カ月にわたる長期間脳内に留置するために、新しく設計し直した。

BMI（Brain Machine Interface）技術とは、外部の機器と脳を接続する技術で、脳の信号を読み取り（デコーディング）、考えただけでさまざまなデバイスの操作を可能にするコミュニケーション技術である。

従来BMI研究に使われていた脳活動記録用の電極は、剣山状の高密度電極（剣山状電極）がほとんどだった。従来型BMIは、この剣山状電極を脳内部（実質）に刺入し、神経細胞活動の情報を記録することで、脳の表現する行動の意志を抽出する。しかし、電極そのものが異物であり、異物を排除しようとする脳内の免疫反応が発生するため、時間が経過するに従って電極の性能が低下し、脳内留置の数カ月後にはほとんどの電極が使用不可能になっていた。

今回の研究チームは、従来型BMI技術が抱える長期安定性の欠如と高い侵襲性という2つの問題を解決するために、ECoG電極と呼ばれる電極を改良し、その性能を評価した。ECoG電極は、脳の表面に留置するだけなので、脳実質に直接的なダメージを与えることが少なく、剣山状電極と比較して比較的侵襲性が低いという利点がある一方、デコーディング性能は剣山状電極と比べると低く、あまり実用的ではないと考えられていたという。

研究チームは、独自に開発した長期留置目的のECoG電極を、2頭の日本サルの硬膜下にインプラントし（埋め込み）、半年からほぼ１年に渡って、そのデコーディング性能と長期安定性を検討した。

新たな慢性留置型ECoG電極では、これまで皮膚表面に置いていたリファレンス電極とグランド電極を頭蓋内に留置する。これによって神経活動の記録時に発生するノイズが大幅に低減でき、日時を問わず安定した神経活動記録ができるようになった。

ヒト用のECoG電極は、外部装置に接続するコネクタが短期使用を目的に作られていたため脆弱で不安定だったため、コネクタ部分を長期間使用可能な防水式に置き換え、頭部に固定した。これらの改良により、ほとんどメインテナンスを必要としない、プラグ＆プレイの記録システムが実現したという。

実験中は、慢性留置型ECoG電極を用いた脳神経活動記録と同時に、サルの行動をモーションキャプチャによって詳細に記録した。その後、脳神経活動を基にサルの行動を予測する計算モデル（デコーダー）を作製し、そのデコーダーが神経活動から予測する「手」の3次元位置と、実際にモーションキャプチャが記録した「手」の位置を比較し、デコーダーの予測性能を検討した。

慢性留置型ECoG電極を用いた脳神経活動記録とサルのモーションキャプチャ記録。 A) 2頭のサルの大脳皮質表面に慢性留置型ECoG電極をインプラントした。 B) 神経活動記録中のサルは、腕を動かして目の前に提示される報酬を手に入れる運動課題を行っている。サルの行動はモーションキャプチャを用いて記録し、動かしている腕の手首位置を、デコーダーの予測位置と比較した。

デコーダーが神経活動から予測するサルの手の動きの軌跡と、実際の手の動きを比較すると、剣山状電極を用いた従来型のデコーダーの性能とほぼ遜色ないことが分かった。ECoG電極を用いて、このような高いデコーディング性能を示した報告は、これまで無く、剣山状電極に比べて低侵襲である慢性留置型ECoG電極が、BMI技術の1つとして有用であることが明らかになったとしている。

次に、そのデコーディング性能が時間経過に伴ってどのように変化するかを検証した。通常、剣山状電極を用いた従来型デコーダーは、同じ一日のうちでも、時間が経過するに従ってデコーディング性能が低下する。そのため、デコーダーを毎日更新して最新のモデルを用いなければまったく使用できなかった。しかし、新たに研究チームが開発した慢性留置型ECoG電極を用いたデコーダーは、時間が経過しても性能が低下せず、デコーダーの作製から数カ月経過した後でも、十分な予測性能を発揮できた。

デコーディング性能の長期安定性。手首の3次元位置（X、Y、Z）情報をデコードするデコーダーの予測性能が、デコーダー制作からどれくらいの期間安定した性能を保つかを調べた。横軸は日にち、縦軸が予測性能（r）とその安定度（log(pv)）を表す。左の2つ（青と緑）がMonkey Aから、右の1つがMonkey Kから記録した性能変化。いずれの場合も、予測性能は低下していない。

これはデコーダーのメンテナンス・コストが大きく低下することを意味するので、BMIの日常的な使用を考えた場合に大きな利点といえるという。BMI研究の最大の壁であった長期安定性の問題を解決し、今後のBMI開発を加速する重要な知見だとしている。