JP7844007B2 - Processing method and program - Google Patents
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Description
本発明は、脳活動の状態をより定量的に推定するための処理方法およびプログラムに関する。 This invention relates to a processing method and program for more quantitatively estimating the state of brain activity.
脳活動を非侵襲で計測する手法として、代表的には、脳の電気的活動を観測する脳波(electroencephalogram:以下、「EEG」とも略称する。)や脳磁図(magnetoencephalography:以下、「MEG」とも略称する。)、および、脳の血流の状態を観測する機能的磁気共鳴画像法(functional magnetic resonance imaging:以下、「fMRI」とも略称する。)が知られている。 Non-invasive methods for measuring brain activity include, most notably, electroencephalography (EEG), which observes the brain's electrical activity, magnetoencephalography (MEG), and functional magnetic resonance imaging (fMRI), which observes the state of blood flow in the brain.
被験者から計測される脳活動を示す情報に基づいて当該被験者の神経活動を観測し、当該観測される神経活動に応じて当該被験者をより好ましい方向に誘導するニューロフィードバック(Neuro Feedback:以下、「NF」とも略称する。)トレーニングの手法が開発および提案されている(例えば、非特許文献1および非特許文献2など参照)。 Neurofeedback (NF) training methods have been developed and proposed that observe the neural activity of a subject based on information indicating brain activity measured from the subject, and guide the subject in a more favorable direction according to the observed neural activity (see, for example, Non-Patent Documents 1 and 2).
脳活動を示す情報を提示するための可視化の手法として、例えば、非特許文献3は、特定の脳領域の活動(EEG)をレベルメータの形で表現する例を開示する。また、非特許文献4は、特定の脳領域の活動(fMRI)を炎の大きさで表現する例を開示する。但し、非特許文献3および非特許文献4に開示される技術は、NFトレーニングでなく、健常者が自分の脳活動の状態を把握するためのものである。 As a visualization method for presenting information indicating brain activity, for example, Non-Patent Document 3 discloses an example of representing the activity of a specific brain region (EEG) in the form of a level meter. Non-Patent Document 4 also discloses an example of representing the activity of a specific brain region (fMRI) by the size of a flame. However, the technologies disclosed in Non-Patent Documents 3 and 4 are not for NF training, but rather for healthy individuals to understand the state of their own brain activity.
また、非特許文献5は、異常な脳波(例えば、脳卒中など)を検出するために、特定の波形を可聴化する技術を開示する。非特許文献5に開示される技術は、NFトレーニングでなく、患者の脳状態を監視するためのものである。 Furthermore, Non-Patent Document 5 discloses a technique for making specific waveforms audible in order to detect abnormal brain waves (e.g., stroke). The technique disclosed in Non-Patent Document 5 is for monitoring the brain state of patients, not for NF training.
また、非特許文献6は、脳波のスペクトルをマッピングしてマルチモーダルに提示する技術を開示する。非特許文献6に開示される技術は、リラクゼーションツールとしての利用が想定されている。 Furthermore, Non-Patent Document 6 discloses a technique for mapping and presenting electroencephalogram (EEG) spectra in a multimodal manner. The technique disclosed in Non-Patent Document 6 is intended for use as a relaxation tool.
例えば、NFトレーニングなどへの応用を想定すると、認知機能に対応した脳活動の状態(全脳状態)をリアルタイムに評価できる技術が要求されている。上述した先行技術文献に開示される背景技術では、このような要求に応えることができない。 For example, when considering applications such as neuromuscular training, there is a need for technology that can evaluate the state of brain activity corresponding to cognitive function (whole-brain state) in real time. The background technologies disclosed in the aforementioned prior art documents cannot meet this requirement.
本発明は、脳活動の状態をより定量的に推定するための新規な解決手段を提供するものである。 This invention provides a novel solution for more quantitatively estimating the state of brain activity.
本発明のある実施の形態に従う処理方法は、被験者の脳活動の状態を示す脳活動パターンを所定時間に亘って複数取得するステップと、複数の脳活動パターンのうち各組み合わせについての空間的相関を算出することで、空間相関行列を生成するステップと、多次元尺度構成法により空間相関行列を距離行列に変換し、当該距離行列を特異値分解することで、複数の脳活動パターンの各々について、所定次元数の座標を算出するステップと、複数の脳活動パターンの各々と、予め定められた複数の脳状態をそれぞれ示す複数のテンプレートとの間のそれぞれの空間的相関の大きさに基づいて、各脳活動パターンに対応する脳状態を決定するステップとを含む。 A processing method according to one embodiment of the present invention includes the steps of: acquiring multiple brain activity patterns indicating the state of a subject's brain activity over a predetermined period of time; generating a spatial correlation matrix by calculating the spatial correlation for each combination of the multiple brain activity patterns; converting the spatial correlation matrix into a distance matrix using multidimensional scaling, and calculating coordinates of a predetermined number of dimensions for each of the multiple brain activity patterns by singular value decomposition of the distance matrix; and determining the brain state corresponding to each brain activity pattern based on the magnitude of the spatial correlation between each of the multiple brain activity patterns and a plurality of templates each representing a predetermined number of brain states.
処理方法は、複数の脳活動パターンにそれぞれ対応する座標と、対応する脳状態とを同一の座標系上に表現するステップをさらに含んでいてもよい。 The processing method may further include the step of representing the coordinates corresponding to each of multiple brain activity patterns, along with the corresponding brain states, on the same coordinate system.
複数のテンプレートは、極性を反転させた一対のテンプレートを複数含んでいてもよい。一対のテンプレートの各々について、一方のテンプレートに対応する座標と、他方のテンプレートに対応する座標との平均値が、複数の脳活動パターンにそれぞれ対応する座標の中心として決定されてもよい。 Multiple templates may include multiple pairs of templates with reversed polarity. For each pair of templates, the average value of the coordinates corresponding to one template and the coordinates corresponding to the other template may be determined as the center of the coordinates corresponding to multiple brain activity patterns.
処理方法は、複数のテンプレートのうち第1のテンプレートに対応する座標と、複数のテンプレートのうち第2のテンプレートに対応する座標とに基づいて、新たなテンプレートに対応する座標を決定するステップをさらに含んでいてもよい。 The processing method may further include the step of determining the coordinates corresponding to a new template based on the coordinates corresponding to a first template among multiple templates and the coordinates corresponding to a second template among multiple templates.
本発明の別の実施の形態に従う処理方法は、1または複数の被験者の脳活動の状態を示す複数の脳活動パターンと、予め定められた複数の脳状態をそれぞれ示す複数のテンプレートとを含む標準状態パターン群を取得するステップと、標準状態パターン群に含まれる各組み合わせについての空間的相関を算出することで、第1の空間相関行列を生成するステップと、多次元尺度構成法により第1の空間相関行列を距離行列に変換し、当該距離行列を特異値分解することで、第1の空間相関行列に含まれる要素に対応する第1の座標群を算出するステップと、被験者の脳活動の状態を示す第1の脳活動パターンを取得するステップと、標準状態パターン群および第1の脳活動パターンに含まれる各組み合わせについての空間的相関を算出することで、第2の空間相関行列を生成するステップと、多次元尺度構成法により第2の空間相関行列を距離行列に変換し、当該距離行列を特異値分解することで、第2の空間相関行列に含まれる要素に対応する第2の座標群を算出するステップと、第2の座標群における第1の脳活動パターンに対応する座標の相対的な位置関係に基づいて、第1の座標群における第1の脳活動パターンに対応する座標を推定するステップとを含む。 A processing method according to another embodiment of the present invention includes the steps of: obtaining a set of standard state patterns including a plurality of brain activity patterns indicating the brain activity states of one or more subjects and a plurality of templates each indicating a predetermined set of brain states; generating a first spatial correlation matrix by calculating the spatial correlation for each combination included in the set of standard state patterns; converting the first spatial correlation matrix into a distance matrix using multidimensional scaling and calculating a first set of coordinates corresponding to the elements included in the first spatial correlation matrix by singular value decomposition of the distance matrix; and indicating the brain activity states of the subjects. The method includes the steps of: obtaining a first brain activity pattern; generating a second spatial correlation matrix by calculating the spatial correlation between the standard state pattern group and each combination included in the first brain activity pattern; converting the second spatial correlation matrix into a distance matrix using multidimensional scaling, and calculating a second set of coordinates corresponding to the elements included in the second spatial correlation matrix by performing singular value decomposition on the said distance matrix; and estimating the coordinates corresponding to the first brain activity pattern in the first coordinate set based on the relative positional relationships of the coordinates corresponding to the first brain activity pattern in the second coordinate set.
処理方法は、第1の脳活動パターンに対応する座標を2次元または3次元の座標系で表示するステップをさらに含んでいてもよい。 The processing method may further include the step of displaying the coordinates corresponding to the first brain activity pattern in a two-dimensional or three-dimensional coordinate system.
処理方法は、第1の脳活動パターンを取得するステップと、第2の空間相関行列を生成するステップと、第2の座標群を算出するステップと、座標を推定するステップとを繰り返すステップをさらに含んでいてもよい。表示するステップは、順次推定される座標を軌跡として表示するステップを含んでいてもよい。 The processing method may further include repeating the steps of acquiring a first brain activity pattern, generating a second spatial correlation matrix, calculating a second set of coordinates, and estimating coordinates. The display step may include displaying the sequentially estimated coordinates as a trajectory.
表示するステップは、球面プロジェクタを用いて、推定される座標を表示するステップを含んでいてもよい。 The display step may include a step of displaying the estimated coordinates using a spherical projector.
処理方法は、複数の被験者の脳活動の状態を示す複数の脳活動パターンを取得するステップと、取得された複数の脳活動パターンに含まれる各組み合わせについての空間的相関を算出することで、第3の空間相関行列を生成するステップと、多次元尺度構成法により第3の空間相関行列を距離行列に変換し、当該距離行列を特異値分解することで、第3の空間相関行列に含まれる要素に対応する第3の座標群を算出するステップと、第3の座標群から抽出された所定数の座標に対応する脳活動パターンを標準状態パターン群の複数の脳活動パターンとして抽出するステップとをさらに含んでいてもよい。 The processing method may further include the steps of: acquiring multiple brain activity patterns representing the brain activity states of multiple subjects; generating a third spatial correlation matrix by calculating the spatial correlation for each combination included in the acquired multiple brain activity patterns; converting the third spatial correlation matrix into a distance matrix using multidimensional scaling, and calculating a third set of coordinates corresponding to the elements included in the third spatial correlation matrix by singular value decomposition of the said distance matrix; and extracting brain activity patterns corresponding to a predetermined number of coordinates extracted from the third set of coordinates as multiple brain activity patterns of a standard state pattern group.
所定数の座標は、第3の座標群から予め定められた規則に従って抽出されてもよい。 A predetermined number of coordinates may be extracted from a third group of coordinates according to a predetermined rule.
本発明の別の実施の形態に従えば、上述の処理方法をコンピュータに実行させるためのプログラムが提供される。 According to another embodiment of the present invention, a program is provided for causing a computer to execute the above-described processing method.
本発明のある実施の形態によれば、脳活動の状態をより定量的に推定するための手段を実現できる。 According to one embodiment of the present invention, a means for more quantitatively estimating the state of brain activity can be realized.
本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰り返さない。 Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Parts identical or corresponding to those shown in the drawings are denoted by the same reference numerals, and their descriptions will not be repeated.
[A.脳状態]
本実施の形態においては、脳活動の状態の一例として「脳状態」を推定する。推定される「脳状態」は、被験者の脳全体を評価して決定される脳活動の状態を意味する。「脳状態」は、EEG、MEG、fMRIなどの脳活動を計測して得られる情報に基づいて推定される。
[A. Brain state]
In this embodiment, a "brain state" is estimated as an example of a state of brain activity. The estimated "brain state" refers to the state of brain activity determined by evaluating the entire brain of the subject. The "brain state" is estimated based on information obtained by measuring brain activity such as EEG, MEG, and fMRI.
脳状態としては、予め複数の状態を定義できる。以下では、脳状態として取り得る状態として、先行研究において報告されている「マイクロステート」を用いる。「マイクロステート」は、被験者によらず観測される脳活動の状態を示す最小単位を意味する。マイクロステートは、脳全体の状態ダイナミクスを示す。 Multiple brain states can be defined in advance. Below, we will use "microstates," as reported in previous studies, as possible brain states. A "microstate" refers to the smallest unit representing a state of brain activity observed regardless of the subject. Microstates represent the overall state dynamics of the brain.
先行研究において、チャネルの数、前処理手順、被験者などにかかわらず、マイクロステートは4つであることが繰返し報告されている。そこで、本実施の形態においても、脳状態は4つのマイクロステートのいずれかを取るものとする。脳状態に含まれる4つのマイクロステートをmsA,msB,msC,msDと称することもある。但し、脳状態に含まれる状態は4つに限定されることなく、任意の状態数を設定できる。 Previous studies have repeatedly reported that there are four microstates, regardless of the number of channels, preprocessing procedures, or subjects. Therefore, in this embodiment, the brain state is assumed to be one of these four microstates. These four microstates included in the brain state are sometimes referred to as msA, msB, msC, and msD. However, the number of states included in the brain state is not limited to four; any number of states can be set.
各マイクロステートは、安定状態(アトラクタ)にある範囲とみなすことができる。マイクロステート間で「脳状態」が推移していると考えることで、マイクロステートでラベル付けされた脳状態の遷移の観測、および、各マイクロステートでラベル付けされた脳状態の持続時間の算出が可能であり、これらの特徴量に基づいて、精神疾患のバイオマーカとしての応用などが期待されている。 Each microstate can be considered a range of stable states (attractors). By considering the transition of "brain states" between microstates, it becomes possible to observe the transitions of brain states labeled by microstates and calculate the duration of each labeled brain state. Based on these features, applications as biomarkers for mental disorders are anticipated.
説明の便宜上、以下では、EEGを用いて脳状態を推定する処理例を主として説明するが、本発明の技術的範囲は、EEGを用いて脳状態を推定する処理に限定されるものではなく、脳活動を計測して得られる任意の情報を用いて脳状態を推定する処理を包含する。 For the sake of explanation, the following will primarily describe an example of a process for estimating brain state using EEG. However, the technical scope of the present invention is not limited to processes for estimating brain state using EEG, but includes processes for estimating brain state using any information obtained by measuring brain activity.
[B.システム構成例]
次に、本実施の形態に従う脳状態の推定処理の応用例として、NFトレーニングを行うためのニューロフィードバックシステムの構成例について説明する。
[B. System Configuration Example]
Next, as an example of an application of the brain state estimation process according to this embodiment, we will describe an example configuration of a neurofeedback system for performing NF training.
図1は、本実施の形態に従うニューロフィードバックシステム1の構成例を示す模式図である。図1を参照して、ニューロフィードバックシステム1は、被験者2が装着したキャップ10を介して計測されるEEGを用いて、被験者2の脳状態をリアルタイムで推定する。ニューロフィードバックシステム1は、推定される脳状態に応じて、視覚的および/または聴覚的なフィードバックを被験者2に与えることで、被験者2を理想的な方向に誘導する。 Figure 1 is a schematic diagram showing an example configuration of a neurofeedback system 1 according to this embodiment. Referring to Figure 1, the neurofeedback system 1 estimates the brain state of subject 2 in real time using EEG measured via a cap 10 worn by subject 2. The neurofeedback system 1 guides subject 2 in an ideal direction by providing visual and/or auditory feedback to subject 2 according to the estimated brain state.
ニューロフィードバックシステム1は、主たるコンポーネントとして、計測回路40と、処理装置100と、ディスプレイ20と、スピーカ30とを含む。 The neurofeedback system 1 includes, as its main components, a measurement circuit 40, a processing unit 100, a display 20, and a speaker 30.
計測回路40は、被験者2の脳波を計測する計測部に相当する。より具体的には、計測回路40は、被験者2が装着した複数の電極12を含むキャップ10を介して、被験者2の脳波として複数のチャネル成分(EEGに相当する電気信号)を計測する。計測回路40は、例えば、マルチプレクサ42と、ノイズフィルタ44と、A/D(Analog to Digital)変換器46とを含む。 The measurement circuit 40 corresponds to the measurement unit that measures the brainwaves of subject 2. More specifically, the measurement circuit 40 measures multiple channel components (electrical signals corresponding to EEG) as the brainwaves of subject 2 via a cap 10 containing multiple electrodes 12 attached to subject 2. The measurement circuit 40 includes, for example, a multiplexer 42, a noise filter 44, and an A/D (Analog to Digital) converter 46.
マルチプレクサ42は、キャップ10から出力される複数のチャネル(電極12)を順次選択して、ノイズフィルタ44と電気的に接続する。ノイズフィルタ44は、特定の周波数成分だけを通過させるフィルタであり、選択されるチャネルに現れる信号(電気信号)に含まれるノイズ成分を除去する。例えば、通過帯域を0.016~250Hzと設定できる。 The multiplexer 42 sequentially selects multiple channels (electrodes 12) output from the cap 10 and electrically connects them to the noise filter 44. The noise filter 44 is a filter that allows only specific frequency components to pass through, removing noise components contained in the signal (electrical signal) appearing in the selected channel. For example, the passband can be set to 0.016 to 250 Hz.
A/D変換器46は、ノイズフィルタ44から出力される電気信号(アナログ信号)を所定周期毎にサンプリングして、デジタル信号として出力する。 The A/D converter 46 samples the electrical signal (analog signal) output from the noise filter 44 at predetermined intervals and outputs it as a digital signal.
処理装置100は、被験者2の脳状態を推定するとともに、推定される脳状態に応じたフィードバックを出力する。 The processing unit 100 estimates the brain state of subject 2 and outputs feedback corresponding to the estimated brain state.
ディスプレイ20は、被験者2に対して視覚的なフィードバックを与える。スピーカ30は、被験者2に対して聴覚的なフィードバックを与える。 The display 20 provides visual feedback to subject 2. The speaker 30 provides auditory feedback to subject 2.
図2は、本実施の形態に従うニューロフィードバックシステム1に含まれる処理装置100の装置構成を示す模式図である。処理装置100は、典型的には、汎用的なアーキテクチャに従うコンピュータを採用することができる。図2を参照して、処理装置100は、主たるコンポーネントとして、プロセッサ102と、メモリ104と、入力部106と、ネットワークコントローラ108と、計測インターフェイス110と、ディスプレイコントローラ112と、音声コントローラ114と、ストレージ120とを含む。 Figure 2 is a schematic diagram showing the device configuration of the processing unit 100 included in the neurofeedback system 1 according to this embodiment. The processing unit 100 can typically employ a computer following a general-purpose architecture. Referring to Figure 2, the processing unit 100 includes, as its main components, a processor 102, a memory 104, an input unit 106, a network controller 108, a measurement interface 110, a display controller 112, an audio controller 114, and storage 120.
プロセッサ102は、CPU(Central Processing Unit)やGPU(Graphical Processing Unit)といった演算処理回路からなり、ストレージ120に格納されている各種プログラムに含まれるコードを指定される順序に実行することで、後述する各種機能を実現する。メモリ104は、DRAM(Dynamic Random Access Memory)やSRAM(Static Random Access Memory)などで構成され、プロセッサ102で実行されるプログラムのコードやプログラムの実行に必要な各種ワークデータを保持する。 The processor 102 consists of arithmetic processing circuits such as a CPU (Central Processing Unit) and a GPU (Graphical Processing Unit), and executes the code contained in various programs stored in the storage 120 in a specified order to realize the various functions described later. The memory 104 consists of DRAM (Dynamic Random Access Memory) and SRAM (Static Random Access Memory), and holds the code of the programs executed by the processor 102 and various work data necessary for program execution.
入力部106は、典型的には、マウスまたはキーボードなどで構成され、ユーザからの操作を受付ける。 The input unit 106 typically consists of a mouse or keyboard, and accepts user input.
ネットワークコントローラ108は、外部装置(例えば、クラウド上のデータサーバなど)との間でデータを遣り取りする。ネットワークコントローラ108は、有線LAN(Local Area Network)、無線LAN、USB(Universal Serial Bus)、Bluetooth(登録商標)などの任意の通信コンポーネントで構成される。 The network controller 108 exchanges data with external devices (e.g., a data server on the cloud). The network controller 108 is composed of various communication components such as wired LAN (Local Area Network), wireless LAN, USB (Universal Serial Bus), and Bluetooth®.
計測インターフェイス110は、計測回路40から出力されるEEG(デジタル信号)を受信する。 The measurement interface 110 receives the EEG (digital signal) output from the measurement circuit 40.
ディスプレイコントローラ112は、プロセッサ102による処理結果に応じて、ディスプレイ20に画像を表示する。音声コントローラ114は、プロセッサ102による処理結果に応じて、スピーカ30から音声を出力する。なお、画像および音声を同時に出力するコントローラを採用してもよい。 The display controller 112 displays an image on the display 20 according to the processing result of the processor 102. The audio controller 114 outputs sound from the speaker 30 according to the processing result of the processor 102. Note that a controller that outputs both image and sound simultaneously may also be used.
ストレージ120は、典型的には、ハードディスクまたはSSD(Solid State Drive)などで構成され、プロセッサ102にて実行される各種プログラム、処理に必要な各種データ、設定値などを保持する。より具体的には、ストレージ120は、OS(Operating System)122と、計測プログラム124と、NFプログラム126とを含む。 The storage 120 typically consists of a hard disk or SSD (Solid State Drive) and holds various programs executed by the processor 102, various data necessary for processing, and setting values. More specifically, the storage 120 includes the OS (Operating System) 122, the measurement program 124, and the NF program 126.
計測プログラム124は、被験者2のEEGから脳状態を推定するための処理や可視化処理をプロセッサ102に実行させるためのコードを含む。計測プログラム124は、視覚的および/または聴覚的なフィードバックを被験者2に与えるための処理をプロセッサ102に実行させるためのコードを含んでいてもよい。 The measurement program 124 includes code to cause the processor 102 to perform processing and visualization processing for estimating the brain state from the subject 2's EEG. The measurement program 124 may also include code to cause the processor 102 to perform processing for providing visual and/or auditory feedback to subject 2.
[C.脳状態の推定]
次に、脳状態を推定するための処理例について説明する。
[C. Estimation of brain state]
Next, we will explain an example of processing for estimating brain state.
図3は、本実施の形態に従う脳状態を推定するための処理例を説明するための図である。図3(A)には、被験者2が装着したキャップ10を介して計測されるEEGの生信号50(時間波形)の例を示す。図3(A)には、一例として、32個の電極12のそれぞれで計測した生信号50(32チャネル)の例を示す。すなわち、キャップ10は、被験者2の頭部の領域に対応付けられた32個の電極12を含む。 Figure 3 illustrates an example of processing for estimating brain state according to this embodiment. Figure 3(A) shows an example of the raw EEG signal 50 (time waveform) measured through the cap 10 worn by subject 2. Figure 3(A) shows, as an example, an example of the raw signal 50 (32 channels) measured at each of the 32 electrodes 12. That is, the cap 10 includes 32 electrodes 12 corresponding to regions of subject 2's head.
図3(B)には、EEGの生信号50に設定される区間(この例では、100ms)に生じる時間波形の集合(以下、「エポック52」とも称す。)を空間方向でベクトライズする処理例を示す。図3(B)に示すチャネル空間60は、計測されるEEGの各チャネルを次元として有している。図3(B)に示すベクトル62は、図6(A)に示すエポック52に対応する。ベクトル62は、時空間的次元(spatio-temporal dimensionality)に対して設定された脳状態を意味する。ベクトル62の各々は、エポック52に対応する瞬間の脳状態を示すことになる。 Figure 3(B) shows an example of vectorizing the set of time waveforms (hereinafter also referred to as "epoch 52") that occur in the interval (100 ms in this example) set in the raw EEG signal 50, in the spatial direction. The channel space 60 shown in Figure 3(B) has each channel of the measured EEG as its dimension. The vector 62 shown in Figure 3(B) corresponds to the epoch 52 shown in Figure 6(A). The vector 62 represents the brain state set with respect to the spatiotemporal dimension. Each of the vectors 62 represents the brain state at the moment corresponding to epoch 52.
ベクトル62を構成する各次元の成分は、エポック52における平均値であってもよいし、エポック52に含まれる任意の時点における計測値であってもよい。 The components of each dimension constituting vector 62 may be the average value at epoch 52, or they may be measured values at any point in time within epoch 52.
図4は、本実施の形態に従う脳状態を示すベクトル62の一例を示す図である。図4を参照して、EEGの各エポック52から生成されるベクトル62をチャネル空間60上に定義できる。 Figure 4 shows an example of a vector 62 representing a brain state according to this embodiment. Referring to Figure 4, the vector 62 generated from each epoch 52 of the EEG can be defined on the channel space 60.
チャネル空間60上に定義された多数のベクトル62をクラスタリングすることで、1または複数のクラスタ64を決定できる。十分な数のベクトル62を用いて決定されたクラスタ64の各々は、特定の脳状態を示す。 By clustering a large number of vectors 62 defined on the channel space 60, one or more clusters 64 can be determined. Each of the clusters 64 determined using a sufficient number of vectors 62 represents a specific brain state.
本実施の形態においては、脳状態として、4つのマイクロステートmsA,msB,msC,msDを採用するので、それぞれに対応する4つのクラスタ64A,64B,64C,64Dを決定できる。マイクロステートmsA,msB,msC,msDのそれぞれに対応するクラスタ64A,64B,64C,64Dの重心座標は、32次元のベクトルを意味する。クラスタリングとしては、修正kミーンズ法や階層的クラスタリングなどの公知の方法を用いることができる。 In this embodiment, four microstates, msA, msB, msC, and msD, are adopted as brain states, allowing for the determination of four corresponding clusters, 64A, 64B, 64C, and 64D. The centroid coordinates of the clusters 64A, 64B, 64C, and 64D, corresponding to each of the microstates msA, msB, msC, and msD, represent 32-dimensional vectors. Known clustering methods such as modified k-means clustering or hierarchical clustering can be used.
同一のクラスタ64に属するベクトル62同士は、互いに類似した特徴を有している。同一のクラスタ64に属するベクトル62同士で共通する特徴を固有空間パターンとも称す。後述するように、固有空間パターン74は、EEGの各チャネルの信号強度を対応する電極12の位置(すなわち、情報を収集している脳の部位)に応じてマッピングしたものに相当する。 Vectors 62 belonging to the same cluster 64 have similar characteristics. These common characteristics among vectors 62 belonging to the same cluster 64 are also called eigenspatial patterns. As will be described later, the eigenspatial pattern 74 corresponds to a mapping of the signal intensity of each channel of the EEG according to the position of the corresponding electrode 12 (i.e., the brain region where the information is collected).
図5は、本実施の形態に従う脳状態を推定するための脳活動パターンおよびテンプレートを説明するための図である。図5を参照して、脳活動パターン70は、エポック52毎に脳活動の状態を示す行列である。図5に示す例では、7×7の行列が採用されており、各行列要素の濃淡が設定される値(±5の範囲)の大きさを示す。 Figure 5 illustrates the brain activity patterns and templates for estimating brain states according to this embodiment. Referring to Figure 5, the brain activity pattern 70 is a matrix representing the state of brain activity for each epoch 52. In the example shown in Figure 5, a 7x7 matrix is used, where the intensity of each matrix element indicates the magnitude of the set value (within a range of ±5).
計測されるEEGの各チャネルの計測値は、対応する電極12の位置に応じて、脳活動パターン70を示す行列内の特定の位置(行位置×列位置)にマッピングされる。例えば、キャップ10の電極12は、Fp1,Fp2,Fz,F3,F4,F7,F8,F9,F10,FC1,FC2,FC5,FC6,Cz,C3,C4,T7,T8,CP1,CP2,CP5,CP6,Pz,P3,P4,P7,P8,P9,P10,Oz,O1,O2の位置にそれぞれ配置されているとする。なお、レファレンス電極およびグランド電極がFCzおよびFpzの位置にそれぞれ配置されてもよい。 The measured values of each channel of the EEG are mapped to specific positions (row x column) within a matrix representing the brain activity pattern 70, depending on the position of the corresponding electrode 12. For example, the electrodes 12 of the cap 10 are assumed to be positioned at the following locations: Fp1, Fp2, Fz, F3, F4, F7, F8, F9, F10, FC1, FC2, FC5, FC6, Cz, C3, C4, T7, T8, CP1, CP2, CP5, CP6, Pz, P3, P4, P7, P8, P9, P10, Oz, O1, and O2. The reference electrode and ground electrode may also be positioned at the FCz and Fpz locations, respectively.
計測されるEEGのチャネル数は32であるので、チャネルがマッピングされない行列要素も存在する。チャネルがマッピングされない行列要素については、任意の値(例えば、「0」)が設定されてもよい。 Since the number of channels in the measured EEG is 32, there will be matrix elements that are not mapped to channels. For matrix elements that are not mapped to channels, any value (for example, "0") may be set.
脳活動パターン70は、エポック52の周期(例えば、100ms)毎に生成してもよい。生成される脳活動パターン70と、予め用意されたテンプレート72A,72B,72C,72D(以下では、「テンプレート72」と総称することもある。)の各々との間で、空間的相関(類似度)が算出される。算出される空間的相関が最も大きいテンプレート72に対応するマイクロステートが、脳活動パターン70が示す脳状態として決定される。 Brain activity patterns 70 may be generated at intervals of epoch 52 (e.g., 100 ms). Spatial correlations (similarity) are calculated between the generated brain activity patterns 70 and each of the pre-prepared templates 72A, 72B, 72C, and 72D (hereinafter sometimes collectively referred to as "templates 72"). The microstate corresponding to the template 72 with the largest calculated spatial correlation is determined as the brain state represented by the brain activity pattern 70.
テンプレート72は、一種の空間フィルタであり、各瞬間の脳の電場の強さを表すGFP(global field power)のピークデータセットを示す。テンプレート72A,72B,72C,72Dは、例えば、チャネル空間60上に定義されたクラスタ64A,64B,64C,64Dの重心座標(32次元のベクトル)に基づいて決定してもよい。すなわち、クラスタ64の重心座標を脳活動パターン70と同様の方法で行列にマッピングすることで、テンプレート72を決定できる。 Template 72 is a type of spatial filter that displays a peak dataset of GFP (global field power) representing the strength of the brain's electric field at each instant. Templates 72A, 72B, 72C, and 72D may be determined, for example, based on the centroid coordinates (32-dimensional vectors) of clusters 64A, 64B, 64C, and 64D defined on the channel space 60. That is, template 72 can be determined by mapping the centroid coordinates of cluster 64 to a matrix in a similar manner to that used for brain activity patterns 70.
図5には、テンプレート72A,72B,72C,72Dに対応する固有空間パターン74A,74B,74C,74Dを示す。固有空間パターン74A,74B,74C,74Dは、テンプレート72A,72B,72C,72Dを空間補間することで生成されたものであり、各マイクロステートにおける脳活動の連続的な分布を示す。 Figure 5 shows the eigenspatial patterns 74A, 74B, 74C, and 74D, corresponding to templates 72A, 72B, 72C, and 72D. These eigenspatial patterns 74A, 74B, 74C, and 74D were generated by spatial interpolation of templates 72A, 72B, 72C, and 72D, and represent the continuous distribution of brain activity in each microstate.
[D.脳状態の提示]
次に、推定された脳状態を提示する一例について説明する。
[D. Presentation of Brain State]
Next, we will describe an example that presents an estimated brain state.
図6は、本実施の形態に従う処理装置100が提供するユーザインターフェイス画面の一例を示す模式図である。 Figure 6 is a schematic diagram showing an example of a user interface screen provided by the processing unit 100 according to this embodiment.
図6(A)を参照して、処理装置100は、4つの脳状態(マイクロステート)を含む脳状態オブジェクト200と、推定された現在の脳状態を示す現在状態オブジェクト210とをディスプレイ20に表示する。図6(A)に示すように、処理装置100は、複数の脳状態にそれぞれ対応する複数の領域を含む表示(脳状態オブジェクト200)を被験者2に提示してもよい。図6(A)に示すようなユーザインターフェイス画面を提供することで、被験者2は、現在の自分の脳状態がいずれの状態であるかを一見して認識できる。 Referring to Figure 6(A), the processing unit 100 displays a brain state object 200 containing four brain states (microstates) and a current state object 210 indicating the estimated current brain state on the display 20. As shown in Figure 6(A), the processing unit 100 may present the subject 2 with a display (brain state object 200) containing multiple regions corresponding to multiple brain states. By providing a user interface screen like the one shown in Figure 6(A), the subject 2 can recognize at a glance which state their current brain state is.
図6(B)を参照して、処理装置100は、ターゲットの脳状態を示すターゲットオブジェクト220をさらに表示するようにしてもよい。図6(B)に示すように、処理装置100は、脳状態オブジェクト200が示す複数の領域に対応付けて、推定された被験者2の脳状態(現在の脳状態)を第1の表示態様(例えば、図6(B)に示すような丸印)で表示するとともに、ターゲットとなる脳状態を第2の表示態様(例えば、図6(B)に示すような四角囲み)で表示してもよい。図6(B)に示すようなユーザインターフェイス画面を提供することで、被験者2は、現在の自分の脳状態がいずれの状態であるかに加えて、いずれの脳状態になるべきかを一見して認識できる。 Referring to Figure 6(B), the processing unit 100 may further display a target object 220 indicating the target brain state. As shown in Figure 6(B), the processing unit 100 may display the estimated brain state of subject 2 (current brain state) in a first display mode (e.g., a circle as shown in Figure 6(B)) in association with multiple regions indicated by the brain state object 200, and display the target brain state in a second display mode (e.g., a rectangle as shown in Figure 6(B)). By providing a user interface screen like the one shown in Figure 6(B), subject 2 can recognize at a glance not only what their current brain state is, but also what brain state they should be in.
図6(C)を参照して、処理装置100がいずれの脳状態であるかを決定できない場合には、現在状態オブジェクト210は表示されない。 Referring to Figure 6(C), if the processing unit 100 cannot determine the current brain state, the current state object 210 will not be displayed.
さらに、いずれの脳状態であるかを決定できない状態であることを、文字やオブジェクトなどを用いて視覚的に被験者2に通知するようにしてもよいし、音声メッセージや効果音などを用いて聴覚的に被験者2に通知するようにしてもよい。 Furthermore, the fact that the brain state cannot be determined may be visually communicated to Subject 2 using text or objects, or auditorily communicated to Subject 2 using voice messages or sound effects.
この場合においても、被験者2は、ターゲットの脳状態になるように意識を傾けようとする。 In this case as well, subject 2 attempts to focus their attention on achieving the target brain state.
[E.状態空間および神経多様体]
上述したようなマイクロステートを用いる方法は、被験者間を比較する場合などには非常に有効であるが、特定の被験者の脳状態を観察するには、脳全体の状態ダイナミクスの遷移を辿れる仕組みを用意しておくことが好ましい。
[E. State Space and Neuronal Manifolds]
While the microstate method described above is very effective when comparing subjects, it is preferable to have a mechanism that can track the transitions in the overall state dynamics of the brain in order to observe the brain state of a specific subject.
以下では、脳全体の状態ダイナミクスの連続的な遷移を表現できる状態空間について説明する。 Below, we will describe a state space that can represent the continuous transitions in the state dynamics of the entire brain.
本実施の形態に従う状態空間においては、脳状態の間をジャンプするのではなく、状態ダイナミクスの滑らかな軌跡を表現できる。このような滑らかな軌跡を表現できる状態空間を神経多様体(neural manifold)と称することもある。 In the state space according to this embodiment, instead of jumping between brain states, a smooth trajectory of state dynamics can be represented. Such a state space capable of representing a smooth trajectory is sometimes referred to as a neural manifold.
本願発明者らは、チャネル空間60におけるEEGに含まれる固有次元を調べた。より具体的には、主成分分析(principal component analysis:PCA)を用いて、32チャネルのEEGに含まれる固有次元を調べた。 The inventors of this application investigated the eigendary dimensions contained in the EEG in channel space 60. More specifically, they used principal component analysis (PCA) to investigate the eigendary dimensions contained in the 32-channel EEG.
図7は、EEGに含まれる固有次元の評価結果の一例を示す図である。図7(A)には、EEGの生信号を用いた場合の評価結果を示し、図7(B)には、チャネル単位で正規化した場合の評価結果を示す。 Figure 7 shows an example of the evaluation results for the intrinsic dimensions included in the EEG. Figure 7(A) shows the evaluation results when using the raw EEG signal, and Figure 7(B) shows the evaluation results when normalized on a channel-by-channel basis.
図7(A)および図7(B)によれば、次元数が「3」だけあれば、EEGのダイナミクスを十分に表現できることが示唆されている。すなわち、3次元空間を用いることで、グローバルな状態ダイナミクスの表現を十分直感的に行えると言える。なお、3次元空間を特定の平面に投影した2次元空間を表現として用いることもできる。 Figures 7(A) and 7(B) suggest that a dimension of "3" is sufficient to adequately represent the dynamics of the EEG. In other words, using a three-dimensional space allows for a sufficiently intuitive representation of global state dynamics. It is also possible to use a two-dimensional space, obtained by projecting the three-dimensional space onto a specific plane, as a representation.
本実施の形態に従う脳状態の推定処理においては、EEGのチャネル空間60(32チャネルであれば32次元)を十分に低い次元空間に圧縮する次元圧縮法を適用する。次元圧縮法としては、主成分分析(PCA)や独立成分分析(independent component analysis:ICA)などの任意の手法を採用できるが、本実施の形態においては、多次元尺度構成法(multi dimensional scaling:MDS)を採用する。多次元尺度構成法によれば、次元圧縮後の空間(典型的には、単純な球面)は滑らかな表面となり、この空間においては、幾何学的に微分可能な状態となる。 In the brain state estimation process according to this embodiment, a dimensionality reduction method is applied to compress the channel space 60 of the EEG (32 dimensions if there are 32 channels) into a sufficiently low-dimensional space. Any method such as principal component analysis (PCA) or independent component analysis (ICA) can be used as the dimensionality reduction method, but in this embodiment, multidimensional scaling (MDS) is employed. According to multidimensional scaling, the space after dimensionality reduction (typically a simple sphere) becomes a smooth surface, and in this space, the state becomes geometrically differentiable.
図8は、本実施の形態に従う脳状態の推定処理における状態空間を決定するために用いられる脳活動パターン76の一例を示す図である。図9は、本実施の形態に従う脳状態の推定処理における状態空間を決定するために用いられる空間相関行列80の一例を示す図である。 Figure 8 shows an example of a brain activity pattern 76 used to determine the state space in the brain state estimation process according to this embodiment. Figure 9 shows an example of a spatial correlation matrix 80 used to determine the state space in the brain state estimation process according to this embodiment.
図8を参照して、被験者の脳活動の状態を示す脳活動パターン76を所定時間に亘って複数取得する。脳活動パターン76の各々は、EEGの生信号50に対するサンプリング点に対応するものであり、各サンプリング点における脳状態を示すことになる。脳活動パターン76は、脳活動パターン70と同様に、EEGの各チャネルの計測値を対応する位置にマッピングしたものである。所定数は、例えば、500点(500Hzのサンプリングレートで1秒分)に設定できる。 Referring to Figure 8, multiple brain activity patterns 76, which represent the state of the subject's brain activity, are acquired over a predetermined period of time. Each brain activity pattern 76 corresponds to a sampling point for the raw EEG signal 50, and represents the brain state at each sampling point. Similar to brain activity pattern 70, brain activity patterns 76 are maps of the measured values of each channel of the EEG to their corresponding positions. The predetermined number can be set, for example, to 500 points (1 second at a sampling rate of 500 Hz).
例えば、処理装置100は、EEGの各チャネルの計測値をサンプリングするとともに、サンプリングにより取得された各チャネルの計測値をマッピングすることで、脳活動パターン76を生成する。 For example, the processing unit 100 samples the measured values of each channel of the EEG and generates a brain activity pattern 76 by mapping the measured values of each channel obtained through sampling.
次に、複数の脳活動パターン76のうち各組み合わせについての空間的相関を算出することで、空間相関行列80を生成する。すなわち、所定数の脳活動パターン76のすべての組み合わせについて空間的相関が算出される。算出された空間的相関を対応する位置に配置することで、図8に示すような空間相関行列80を算出できる。空間相関行列80は、脳活動パターン76間の空間的類似度(各値は、-1~1の範囲をとる)を示す。 Next, a spatial correlation matrix 80 is generated by calculating the spatial correlation for each combination of the multiple brain activity patterns 76. That is, spatial correlations are calculated for all combinations of a predetermined number of brain activity patterns 76. By placing the calculated spatial correlations in their corresponding positions, a spatial correlation matrix 80, as shown in Figure 8, can be calculated. The spatial correlation matrix 80 indicates the spatial similarity between the brain activity patterns 76 (each value ranges from -1 to 1).
空間相関行列80に含まれる特徴(例えば、非線形波形やリップル)に着目することで、軌道としての時系列ダイナミクスは、神経多様体としての空間を決定し得る。すなわち、多次元尺度構成法により空間相関行列80を距離行列に変換し、当該距離行列を特異値分解(singular value decomposition:SVD)することで、複数の脳活動パターン76の各々について、所定次元数の座標を算出する。一例として、算出される座標は3次元(XYZ座標)であってもよい。 By focusing on features included in the spatial correlation matrix 80 (e.g., nonlinear waveforms and ripples), the time-series dynamics as trajectories can determine the space as a neural manifold. Specifically, the spatial correlation matrix 80 is transformed into a distance matrix using multidimensional scaling, and this distance matrix is subjected to singular value decomposition (SVD) to calculate coordinates of a predetermined number of dimensions for each of the multiple brain activity patterns 76. As an example, the calculated coordinates may be three-dimensional (XYZ coordinates).
複数の脳活動パターン76にそれぞれ対応する座標の集合が状態空間90および状態空間90に現れる神経多様体92となる。 The sets of coordinates corresponding to each of the multiple brain activity patterns 76 form the state space 90 and the neural manifold 92 that appear in the state space 90.
図10は、本実施の形態に従う脳状態の推定処理における所定数の脳活動パターン76から算出された状態空間の一例を示す図である。図10を参照して、状態空間90には、脳活動パターン76の各々に対応する座標(500点)がプロットされており、また、時間的に連続であるとみなすことができる。 Figure 10 shows an example of a state space calculated from a predetermined number of brain activity patterns 76 in the brain state estimation process according to this embodiment. Referring to Figure 10, the state space 90 plots coordinates (500 points) corresponding to each of the brain activity patterns 76, and can be considered temporally continuous.
このように、本実施の形態に従う状態空間90は、「空間的類似度空間」とも定義でき、状態空間90において時間的に連続な軌跡は、時空間的にも連続である。 Thus, the state space 90 according to this embodiment can also be defined as a "spatial similarity space," and in the state space 90, trajectories that are continuous in time are also continuous in space and time.
可能な限り多くの脳活動パターン76から状態空間90へプロットすることで、球状の神経多様体が現れる。すなわち、脳活動パターン76は、状態空間90に決定される球面上のいずれかの座標に存在するとみなすことができ、球面上を時間的に移動することになる。 By plotting as many brain activity patterns 76 as possible onto the state space 90, a spherical neural manifold emerges. That is, the brain activity patterns 76 can be considered to exist at one of the coordinates on the sphere determined by the state space 90, and they move along the sphere in time.
図11は、本実施の形態に従う脳状態の推定処理により決定された状態空間90に現れる神経多様体92の一例を示す図である。図11を参照して、神経多様体92内の脳活動パターン76は、ノルムがほぼ1になるように分布している。そのため、半径を1とする球面(あるいは球体)を神経多様体92として決定できる。すなわち、神経多様体92を構成する座標群全体の重心(中心)は、状態空間90の原点に相当する。 Figure 11 shows an example of a neural manifold 92 appearing in the state space 90 determined by the brain state estimation process according to this embodiment. Referring to Figure 11, the brain activity patterns 76 within the neural manifold 92 are distributed such that their norm is approximately 1. Therefore, a sphere (or spherical surface) with radius 1 can be determined as the neural manifold 92. That is, the centroid (center) of the entire set of coordinates constituting the neural manifold 92 corresponds to the origin of the state space 90.
また、脳活動パターン76との間で最も大きい空間的相関を示すテンプレート72に対応する脳状態(マイクロステート)をその脳活動パターン76における脳状態と決定する方法(勝者総取り方式)により、神経多様体92に対して、マイクロステートmsA,msB,msC,msDにそれぞれ対応する領域を決定できる。 Furthermore, by determining the brain state (microstate) corresponding to the template 72 that shows the greatest spatial correlation with the brain activity pattern 76 as the brain state in that brain activity pattern 76 (a winner-take-all method), the regions corresponding to microstates msA, msB, msC, and msD can be determined for the neural manifold 92.
すなわち、複数の脳活動パターン76の各々と、予め定められた複数の脳状態をそれぞれ示す複数のテンプレート72との間のそれぞれの空間的相関の大きさに基づいて、各脳活動パターンに対応する脳状態(マイクロステート)を決定する。このとき、1つの脳活動パターン76について、マイクロステートmsA,msB,msC,msDについての空間的相関(すなわち、4つの値)が算出されるが、最も空間的相関が大きい脳状態(マイクロステート)を当該脳活動パターン76に対する脳状態として決定してもよい。 In other words, the brain state (microstate) corresponding to each brain activity pattern is determined based on the magnitude of the spatial correlation between each of the multiple brain activity patterns 76 and the multiple templates 72 that each represent a predetermined set of brain states. At this time, for a single brain activity pattern 76, the spatial correlation (i.e., four values) for the microstates msA, msB, msC, and msD is calculated, and the brain state (microstate) with the largest spatial correlation may be determined as the brain state for that brain activity pattern 76.
そして、図11に示すように、複数の脳活動パターンにそれぞれ対応する座標(プロット)と、対応する脳状態(マイクロステート)とを同一の座標系上に表現してもよい。 Furthermore, as shown in Figure 11, the coordinates (plots) corresponding to multiple brain activity patterns and the corresponding brain states (microstates) may be represented on the same coordinate system.
なお、テンプレート72は、クラスタ64の重心座標に対応するベクトルに基づいて決定できる。例えば、修正kミーンズ法では極性が無視されているので、極性を反転させた2種類のテンプレート72のセットを用意することが好ましい。例えば、前頭部を正としたテンプレート72のセットと、前頭部を負としたテンプレート72のセットとを用意できる。神経多様体92において領域を決定する場合には、2種類のテンプレート72のセットが用いられる。すなわち、テンプレート72は、極性を反転させた一対のテンプレートを複数含む。 The template 72 can be determined based on the vector corresponding to the centroid coordinates of the cluster 64. For example, since polarity is ignored in the modified k-means method, it is preferable to prepare two sets of templates 72 with reversed polarity. For instance, one set of templates 72 with the frontal region as positive and another set of templates 72 with the frontal region as negative can be prepared. When determining regions in the neural manifold 92, two sets of templates 72 are used. That is, the template 72 includes multiple pairs of templates with reversed polarity.
ここで、神経多様体92の中心点について説明する。互いに極性を反転させたマイクロステートmsAとマイクロステートmsA’とのセットについて見れば、マイクロステートmsAに対応する座標と、マイクロステートmsA’に対応する座標とは、神経多様体の中心点を基準として点対称に配置される。言い換えれば、マイクロステートmsAに対応する座標とマイクロステートmsA’に対応する座標との平均値は、神経多様体92の中心点を意味する。その他のマイクロステートについても同様である。 Here, we will explain the center point of the neural manifold 92. Considering a set of microstates msA and msA' with opposite polarities, the coordinates corresponding to microstate msA and microstate msA' are arranged point-symmetrically with respect to the center point of the neural manifold. In other words, the average value of the coordinates corresponding to microstate msA and microstate msA' represents the center point of the neural manifold 92. The same applies to other microstates.
このように、互いに極性を反転させた一対のテンプレートの各々について、一方のテンプレートに対応する座標と、他方のテンプレートに対応する座標との平均値が、神経多様体92の中心として決定される。 In this way, for each of a pair of templates with opposite polarities, the average value of the coordinates corresponding to one template and the coordinates corresponding to the other template is determined as the center of the neural manifold 92.
図12は、本実施の形態に従う脳状態の推定処理により決定された状態空間90に現れる神経多様体92の別の一例を示す図である。図12(A)~(C)には、状態空間90を異なる視点でそれぞれ描画したものを示す。 Figure 12 shows another example of a neural manifold 92 appearing in the state space 90 determined by the brain state estimation process according to this embodiment. Figures 12(A) to (C) show the state space 90 drawn from different viewpoints.
各マイクロステートを示すテンプレートに対応する座標は、球面である神経多様体92上に存在する。図12(A)~(C)には、4種類のマイクロステートにそれぞれ対応する座標を含む状態空間90を示す。 The coordinates corresponding to the templates representing each microstate exist on the spherical neural manifold 92. Figures 12(A) to (C) show the state space 90 containing the coordinates corresponding to the four types of microstates.
ここで、神経多様体92を構成する座標群全体の重心(中心)が状態空間90の原点に相当するという特性を利用して、新たなマイクロステートをヒューリスティックに決定あるいは推定することもできる。より具体的には、任意のテンプレートの組み合わせに着目し、それぞれのテンプレートに対応する座標の中心(平均)が新たなマイクロステートに対応する座標の候補になり得る。 Here, by utilizing the property that the centroid (center) of the entire set of coordinates constituting the neural manifold 92 corresponds to the origin of the state space 90, it is also possible to heuristically determine or estimate new microstates. More specifically, by focusing on any combination of templates, the center (average) of the coordinates corresponding to each template can become a candidate for the coordinates corresponding to the new microstate.
一例として、図12(C)には、マイクロステートmsAに対応する座標と、マイクロステートmsBに対応する座標との中心に、新たなマイクロステートの候補となり得るランドマーク78が配置された例を示す。このとき、状態空間90の原点を基準として対称となる位置に、対になるランドマーク78(すなわち、極性を反転させたテンプレートに対応する座標)が配置されることになる。 As an example, Figure 12(C) shows a case where a landmark 78, which could be a candidate for a new microstate, is placed at the center of the coordinates corresponding to microstate msA and microstate msB. In this case, the paired landmark 78 (i.e., the coordinates corresponding to the template with reversed polarity) is placed at a position symmetrical with respect to the origin of the state space 90.
このように、予め用意されている任意の2つのマイクロステートに対応する座標から、新たなマイクロステートに対応する座標を決定してもよい。すなわち、複数のテンプレートのうちあるテンプレートに対応する座標と、別のテンプレートに対応する座標とに基づいて、新たなテンプレートに対応する座標を決定してもよい。 Thus, the coordinates corresponding to a new microstate may be determined from the coordinates corresponding to any two pre-defined microstates. That is, the coordinates corresponding to a new template may be determined based on the coordinates corresponding to one template and the coordinates corresponding to another template among multiple templates.
新たなテンプレートをヒューリスティックに決定することで、予め用意されているテンプレートを必要に応じて増加させることができる。すなわち、必要に応じた数のマイクロステートを事後的に用意できる。 By heuristically determining new templates, the number of pre-defined templates can be increased as needed. In other words, the required number of microstates can be created retrospectively.
上述したように、本実施の形態に従う状態空間90を用いることで、各瞬間のEEGから算出される脳活動パターン76は、球面である神経多様体92上を連続的に移動することになり、これが状態ダイナミクスの軌跡となる。なお、サンプリングレートが十分に高い(サンプリングの周期が短い)場合には、連続的な軌跡を示すことになるが、サンプリングレートが低い場合には、ジャンプするような軌跡となる可能性もあるため、サンプリングレートを適切に設定することが好ましい。 As described above, by using the state space 90 according to this embodiment, the brain activity pattern 76 calculated from the EEG at each moment moves continuously on the spherical neural manifold 92, which becomes the trajectory of the state dynamics. Note that if the sampling rate is sufficiently high (the sampling period is short), a continuous trajectory will be observed. However, if the sampling rate is low, a jumping trajectory may occur; therefore, it is preferable to set the sampling rate appropriately.
[F.標準空間およびハイパーアライメント]
被験者から計測されるEEGを状態空間に写像した結果は、被験者固有のものとなる。そのため、状態ダイナミクスを統計的に評価する場合には、被験者間で標準化された空間(以下、「標準空間」とも称す。)に写像した場合の座標を決定する必要がある。被験者から計測されるEEGを状態空間に写像した結果を標準空間に配置する処理を、以下では、「ハイパーアライメント」とも称す。
[F. Standard Space and Hyperalignment]
The result of mapping the EEG measured by a subject to state space is unique to that subject. Therefore, when statistically evaluating state dynamics, it is necessary to determine the coordinates when mapped to a space standardized across subjects (hereinafter also referred to as the "standard space"). The process of arranging the result of mapping the EEG measured by a subject to state space into the standard space will be referred to as "hyperalignment" below.
図13は、本実施の形態に従うハイパーアライメントの処理例を示す図である。図13を参照して、被験者毎にEEGを状態空間90に写像した場合には、同じ脳状態であっても、異なる座標にプロットされてしまう可能性がある。 Figure 13 shows an example of hyperalignment processing according to this embodiment. Referring to Figure 13, if the EEG is mapped to the state space 90 for each subject, even the same brain state may be plotted at different coordinates.
そこで、ハイパーアライメントによって、被験者毎に固有の特性を共通化した、標準空間94への写像を実現する。 Therefore, hyperalignment is used to realize a mapping to a standard space 94 that standardizes the unique characteristics of each subject.
図14は、本実施の形態に従うハイパーアライメントの処理手順を示す模式図である。 Figure 14 is a schematic diagram showing the hyperalignment processing procedure according to this embodiment.
図14(A)を参照して、まず、ハイパーアライメントに用いられる基本的な状態空間(神経多様体92)を生成する。神経多様体92の生成にあたって、複数の被験者の脳活動の状態を示す複数の脳活動パターン76を取得する。脳活動パターン76は、被験者から計測されるEEGのサンプリングデータが用いられる。 Referring to Figure 14(A), first, a basic state space (neural manifold 92) used for hyperalignment is generated. In generating the neural manifold 92, multiple brain activity patterns 76 representing the brain activity states of multiple subjects are acquired. The brain activity patterns 76 are obtained using sampled EEG data measured from the subjects.
神経多様体92の生成には、数人の被験者の数分間に亘るEEG(安静時)があれば十分である。例えば、5人の被験者から100Hzのサンプリングレートで1分間計測すると、合計で30000点の脳活動パターン76を収集できる。 Generating the neural manifold 92 requires several minutes of EEG (resting state) data from several subjects. For example, measuring five subjects for one minute at a sampling rate of 100 Hz can collect a total of 30,000 brain activity patterns 76.
そして、取得された複数の脳活動パターン76に含まれる各組み合わせについての空間的相関を算出することで、空間相関行列を生成する。さらに、多次元尺度構成法により空間相関行列を距離行列に変換し、当該距離行列を特異値分解することで、空間相関行列に含まれる要素に対応する座標群を算出する。算出された座標群が神経多様体92を構成する。このように、多次元尺度構成法および特異値分解により、収集された多数の脳活動パターン76から神経多様体92を生成する。神経多様体92には、半径を1とする球面上にプロットされた座標の集合である。 Then, a spatial correlation matrix is generated by calculating the spatial correlation for each combination included in the multiple brain activity patterns 76 obtained. Furthermore, the spatial correlation matrix is transformed into a distance matrix using multidimensional scaling, and the coordinate sets corresponding to the elements included in the spatial correlation matrix are calculated by singular value decomposition of the distance matrix. The calculated coordinate sets constitute the neural manifold 92. In this way, a neural manifold 92 is generated from the numerous brain activity patterns 76 collected using multidimensional scaling and singular value decomposition. The neural manifold 92 is a set of coordinates plotted on a sphere with radius 1.
次に、生成された神経多様体92から、予め定められた規則に従って、所定数のグリッド96を抽出(サンプリング)する。すなわち、算出された座標群(神経多様体92)から抽出された所定数の座標(グリッド96)に対応する脳活動パターン76が標準状態パターン群の一部として抽出される。 Next, a predetermined number of grids 96 are extracted (sampled) from the generated neural manifold 92 according to a predetermined rule. That is, brain activity patterns 76 corresponding to the predetermined number of coordinates (grids 96) extracted from the calculated coordinate group (neural manifold 92) are extracted as part of the standard state pattern group.
サンプリングされるグリッド96は、ハイパーアライメントにおいて座標を決定するための基準(ランドマーク)となる。グリッド96の数が多いほど、ハイパーアライメントの精度は高くなるが、より多くの処理時間を必要とするため、サンプリングされるグリッド96の数は精度と処理時間とのバランス応じて決定される。例えば、50点のグリッド96をサンプリングしてもよい。グリッド96は、神経多様体92(球体)に対して空間的に均等にサンプリングされることが好ましい。 The sampled grid 96 serves as a reference (landmark) for determining coordinates in hyperalignment. While a larger number of grid 96 increases the accuracy of hyperalignment, it also requires more processing time. Therefore, the number of sampled grid 96 is determined based on a balance between accuracy and processing time. For example, 50 grid 96 points may be sampled. It is preferable that the grid 96 be sampled spatially evenly across the neural manifold 92 (sphere).
次に、サンプリングしたグリッド96に対応する脳活動パターン76(例えば、50点)と、テンプレート72(例えば、極性を反転させた2種類のテンプレート72のセット:8点)とに対して、多次元尺度構成法および特異値分解により、各点を状態空間にプロットする。すなわち、標準状態パターン群に含まれる各組み合わせについての空間的相関を算出することで、空間相関行列を生成する。さらに、多次元尺度構成法により空間相関行列を距離行列に変換し、当該距離行列を特異値分解することで、空間相関行列に含まれる要素に対応する座標群を算出する。算出された座標群が標準空間94を構成する。 Next, for the brain activity patterns 76 (e.g., 50 points) corresponding to the sampled grid 96 and the templates 72 (e.g., a set of two templates 72 with reversed polarity: 8 points), each point is plotted in the state space using multidimensional scaling and singular value decomposition. That is, a spatial correlation matrix is generated by calculating the spatial correlation for each combination included in the standard state pattern group. Furthermore, the spatial correlation matrix is transformed into a distance matrix using multidimensional scaling, and the coordinate sets corresponding to the elements included in the spatial correlation matrix are calculated by singular value decomposition of this distance matrix. The calculated coordinate sets constitute the standard space 94.
標準空間94において、グリッド96に対応する座標は、元と同じ座標に配置されるとは限らない。但し、テンプレート72に対応するそれぞれの座標から決定される、神経多様体92の中心点は実質的に変化しないと考えられる。そのため、テンプレート72に対応するそれぞれの座標に基づいて、神経多様体の中心点を推定できる。 In standard space 94, the coordinates corresponding to grid 96 are not necessarily placed at the same coordinates as the original. However, the center point of the neural manifold 92, determined from each coordinate corresponding to template 72, is considered to remain substantially unchanged. Therefore, the center point of the neural manifold can be estimated based on each coordinate corresponding to template 72.
上述したようなグリッド96に対応する脳活動パターン76とテンプレート72と状態空間にプロットしたものを標準空間94として用いる。標準空間94の生成に用いられた脳活動パターン76およびテンプレート72の集合(例えば、トータル58点)は、標準状態を示す標準状態パターン群に相当する。すなわち、標準状態パターン群は、1または複数の被験者の脳活動の状態を示す複数の脳活動パターン76と、予め定められた複数の脳状態(マイクロステート)をそれぞれ示す複数のテンプレート72とを含む。 The brain activity patterns 76 and templates 72 corresponding to the grid 96 described above, plotted in state space, are used as the standard space 94. The set of brain activity patterns 76 and templates 72 used to generate the standard space 94 (for example, a total of 58 points) corresponds to a standard state pattern group representing a standard state. That is, the standard state pattern group includes multiple brain activity patterns 76 representing the brain activity states of one or more subjects, and multiple templates 72 representing predetermined brain states (microstates).
以上のような処理により、標準状態パターン群と、標準状態パターン群から算出された座標群からなる標準空間94とが用意される。標準空間94および標準状態パターン群を用いて、被験者から計測されるEEGに対応する状態空間(標準空間94)における座標が順次決定される。 Through the above process, a standard space 94 is prepared, consisting of a set of standard state patterns and a set of coordinates calculated from the standard state patterns. Using the standard space 94 and the standard state patterns, the coordinates in the state space (standard space 94) corresponding to the EEG measured by the subject are sequentially determined.
図14(B)を参照して、被験者から計測されるEEGをサンプリングした新たな脳活動パターン98を標準状態パターン群に追加する。すなわち、被験者の脳活動の状態を示す脳活動パターン98を取得し、標準状態パターン群に追加する。 Referring to Figure 14(B), a new brain activity pattern 98, sampled from EEG data measured from the subject, is added to the standard state pattern group. That is, a brain activity pattern 98 representing the subject's brain activity state is obtained and added to the standard state pattern group.
続いて、脳活動パターン98が追加された集合に対して、多次元尺度構成法および特異値分解により、各点を状態空間にプロットして、修正標準空間94Aを生成する。より具体的には、標準状態パターン群および対象の被験者の脳活動パターン98に含まれる各組み合わせについての空間的相関を算出することで、空間相関行列を生成する。さらに、多次元尺度構成法により空間相関行列を距離行列に変換し、当該距離行列を特異値分解することで、空間相関行列に含まれる要素に対応する座標群を算出する。算出された座標群が修正標準空間94Aを構成する。 Next, for the set to which the brain activity patterns 98 have been added, each point is plotted in the state space using multidimensional scaling and singular value decomposition to generate a modified standard space 94A. More specifically, a spatial correlation matrix is generated by calculating the spatial correlation between each combination included in the standard state pattern group and the brain activity patterns 98 of the target subjects. Furthermore, the spatial correlation matrix is transformed into a distance matrix using multidimensional scaling, and the coordinate sets corresponding to the elements included in the spatial correlation matrix are calculated by performing singular value decomposition on the distance matrix. The calculated coordinate sets constitute the modified standard space 94A.
ここで、追加される脳活動パターン98の数(例えば、1個)に対して、標準状態パターン群の数が十分に大きければ、修正標準空間94Aは標準空間94からわずかにずれるだけに過ぎない。すなわち、標準状態パターン群に対応する座標群の相対的な位置関係(例えば、座標間の距離)は、実質的に維持される。 Here, if the number of standard state patterns is sufficiently large compared to the number of additional brain activity patterns 98 (e.g., one), the modified standard space 94A will only shift slightly from the standard space 94. That is, the relative positional relationships (e.g., distances between coordinates) of the coordinate groups corresponding to the standard state pattern groups are substantially maintained.
そのため、標準空間94と脳活動パターン98が追加された修正標準空間94Aとの間の位置関係に基づいて、厳密な変換を行うことができる。すなわち、修正標準空間94Aを構成する座標群における脳活動パターン98に対応する座標の相対的な位置関係に基づいて、標準空間94を構成する座標群における脳活動パターン98に対応する座標を推定する。このように、脳活動パターン98が追加された修正標準空間94Aにおける座標を元の標準空間94における座標に変換できる。 Therefore, a precise transformation can be performed based on the positional relationship between the standard space 94 and the modified standard space 94A to which the brain activity pattern 98 has been added. That is, the coordinates corresponding to the brain activity pattern 98 in the coordinate group constituting the standard space 94 are estimated based on the relative positional relationship of the coordinates corresponding to the brain activity pattern 98 in the coordinate group constituting the modified standard space 94A. In this way, the coordinates in the modified standard space 94A to which the brain activity pattern 98 has been added can be converted back to the coordinates in the original standard space 94.
一例として、修正標準空間94Aにおいて、脳活動パターン98に対応する座標の近傍にある複数の座標を抽出する。なお、修正標準空間94A内のすべての座標を抽出してもよい。抽出された近傍座標と脳活動パターン98に対応する座標との相対的な位置関係を決定する。そして、標準空間94において、抽出された複数の近傍座標にそれぞれ対応する座標を特定し、特定された座標に対して、相対的な位置関係を適用することで、標準空間94において脳活動パターン98に対応する座標を決定する。 As an example, in the modified standard space 94A, multiple coordinates near the coordinate corresponding to the brain activity pattern 98 are extracted. Alternatively, all coordinates within the modified standard space 94A may be extracted. The relative positional relationship between the extracted neighboring coordinates and the coordinate corresponding to the brain activity pattern 98 is determined. Then, in the standard space 94, the coordinate corresponding to each of the extracted neighboring coordinates is identified, and by applying the relative positional relationship to the identified coordinates, the coordinate corresponding to the brain activity pattern 98 in the standard space 94 is determined.
別の一例として、標準状態パターン群について、標準空間94と修正標準空間94Aとの間の写像変換式を決定する。そして、決定された写像変換式を用いて、修正標準空間94Aにおける脳活動パターン98に対応する座標を標準空間94に写像することで、標準空間94において脳活動パターン98に対応する座標を決定する。 As another example, a mapping transformation formula is determined for the standard state pattern set between the standard space 94 and the modified standard space 94A. Then, using the determined mapping transformation formula, the coordinates corresponding to the brain activity pattern 98 in the modified standard space 94A are mapped to the standard space 94, thereby determining the coordinates corresponding to the brain activity pattern 98 in the standard space 94.
標準空間94において脳活動パターン98に対応する座標は、脳活動パターン98を標準化した座標を意味する。 In standard space 94, the coordinates corresponding to the brain activity pattern 98 represent the standardized coordinates of the brain activity pattern 98.
被験者から計測されるEEGをサンプリングした脳活動パターン98の取得毎に、上述したような処理が繰返し実行される。すなわち、脳活動パターン98の取得、修正標準空間94Aの算出、および、脳活動パターン98に対応する座標の推定といった一連の処理の繰返しによって、図14(C)に示すように、被験者の状態ダイナミクスの軌跡を標準空間94において表現できる。すなわち、順次推定される座標が軌跡として表示される。 Each time a brain activity pattern 98 is acquired by sampling EEG measured from the subject, the process described above is repeatedly executed. That is, by repeatedly performing a series of processes—acquiring the brain activity pattern 98, calculating the modified standard space 94A, and estimating the coordinates corresponding to the brain activity pattern 98—the trajectory of the subject's state dynamics can be represented in the standard space 94, as shown in Figure 14(C). In other words, the sequentially estimated coordinates are displayed as the trajectory.
本実施の形態に従うハイパーアライメントによれば、被験者間で共通の標準空間94上で状態ダイナミクスの軌跡を表現できるので、被験者間の比較や統計処理などをより正確に行うことができる。 According to this embodiment of hyperalignment, the trajectory of state dynamics can be represented on a common standard space 94 among subjects, allowing for more accurate comparisons and statistical processing between subjects.
また、本実施の形態に従うハイパーアライメントによれば、新たな脳活動パターン98(EEGのサンプリングデータ)が取得される毎に標準空間94における座標を決定できるので、被験者の脳状態をリアルタイムで表現することもできる。このような脳状態をリアルタイムで被験者に提示することで、NFトレーニングをより効率的に行うこともできる。 Furthermore, according to this embodiment of hyperalignment, the coordinates in the standard space 94 can be determined each time a new brain activity pattern 98 (EEG sampling data) is acquired, allowing for the real-time representation of the subject's brain state. Presenting this brain state to the subject in real time can also make NF training more efficient.
さらに、本実施の形態に従うハイパーアライメントによれば、被験者の脳状態を示す状態ダイナミクスの軌跡を確認できるので、被験者に対するNFトレーニングの効果の確認などを容易に行うことができる。 Furthermore, according to this embodiment of hyperalignment, the trajectory of state dynamics indicating the subject's brain state can be confirmed, making it easy to verify the effects of NF training on the subject.
[G.ユーザへの提示]
次に、本実施の形態により算出される座標および軌跡をユーザへ提示するいくつかの方法について例示する。
[G. Presentation to the user]
Next, we will illustrate several methods for presenting the coordinates and trajectory calculated by this embodiment to the user.
上述したように、本実施の形態に従うハイパーアライメントにより、被験者から計測されたEEGを標準空間94における座標および軌跡(座標の時間的変化)として表現できる。標準空間94は、球状の神経多様体となり、状態ダイナミクスは、半径を1とする球面上を順次移動することになる。そこで、被験者の脳活動パターン98に対応する標準空間94における座標を2次元または3次元の座標系で表示してもよい。 As described above, hyperalignment according to this embodiment allows the EEG measured from the subject to be represented as coordinates and trajectories (temporal changes in coordinates) in standard space 94. Standard space 94 becomes a spherical neural manifold, and the state dynamics move sequentially along a sphere with radius 1. Therefore, the coordinates in standard space 94 corresponding to the subject's brain activity pattern 98 may be displayed in a two-dimensional or three-dimensional coordinate system.
図15は、本実施の形態に従う脳状態を標準空間にマッピングした提示例を示す模式図である。図15を参照して、標準空間を示す球面上に各サンプリング点に対応する座標を順次表示することで、状態ダイナミクスの移動を表現してもよい。 Figure 15 is a schematic diagram showing an example of mapping brain states to a standard space according to this embodiment. Referring to Figure 15, the movement of state dynamics may be represented by sequentially displaying the coordinates corresponding to each sampling point on a sphere representing the standard space.
なお、標準空間を示す球面を見る方向は、任意に変更できるようにしてもよい。図15に示す例では、3次元的に表現されているが、視点を特定の軸上に配置することで、2次元的な表現とすることもできる。 Furthermore, the viewing direction of the sphere representing standard space may be arbitrarily changed. While the example shown in Figure 15 is represented in three dimensions, a two-dimensional representation is also possible by positioning the viewpoint on a specific axis.
図16は、本実施の形態に従う脳状態を標準空間にマッピングした別の提示例を示す模式図である。 Figure 16 is a schematic diagram showing another example of mapping brain states according to this embodiment onto a standard space.
図16(A)には、3次元的な表現例を示す。図16(A)に示すように、標準空間を示す球面をメッシュ状に表現した上で、被験者の脳状態やテンプレートに対応する座標を任意の方法で表現してもよい。 Figure 16(A) shows an example of a three-dimensional representation. As shown in Figure 16(A), a sphere representing the standard space may be represented as a mesh, and the coordinates corresponding to the subject's brain state and template may be represented in any way.
球面プロジェクタを用いて、図16(A)に示す3次元的な表現を視覚化してもよい。すなわち、球面プロジェクタを用いて、推定される座標を表示するようにしてもよい。球面プロジェクタは、球状の発光体であり、表面上の任意の領域の色を任意に変化させることができる。このような球面プロジェクタを用いることで、状態ダイナミクスの移動をより分かりやすく提示できる。 A spherical projector may be used to visualize the three-dimensional representation shown in Figure 16(A). That is, the estimated coordinates may be displayed using a spherical projector. A spherical projector is a spherical light-emitting body that can arbitrarily change the color of any region on its surface. Using such a spherical projector allows for a clearer presentation of the state dynamics.
図16(B)には、2次元的な表現例を示す。図16(B)に示すように、標準空間を特定の2次元座標に投影することで、注目する2次元座標における脳状態の移動を表現することができる。なお、各マイクロステートの領域を併せて表示してもよい。 Figure 16(B) shows an example of a two-dimensional representation. As shown in Figure 16(B), by projecting the standard space onto a specific two-dimensional coordinate system, the movement of brain states in the two-dimensional coordinate system of interest can be represented. The regions of each microstate may also be displayed.
図17は、本実施の形態に従う脳状態を標準空間に離散的にマッピングした提示例を示す模式図である。図17を参照して、標準空間を連続的に移動する状態ダイナミクスを表現してもよいが、脳状態に対応する領域を離散的に適宜した上で、領域間の遷移を表現してもよい。図17に示すような離散的な表現を採用することで、目的の脳状態が指定されているNFトレーニングなどには好適である。 Figure 17 is a schematic diagram showing an example of a presentation in which brain states according to this embodiment are discretely mapped onto a standard space. Referring to Figure 17, state dynamics moving continuously across the standard space may be represented, or the regions corresponding to brain states may be discretely and appropriately selected, and transitions between regions may be represented. Adopting a discrete representation as shown in Figure 17 is suitable for NF training and other applications where a target brain state is specified.
図15~図17に示す提示例に限られず、任意の方法および形態で脳全体の状態ダイナミクスや脳状態を表現できる。 The presentation examples shown in Figures 15-17 are not the only ways to represent the overall state dynamics and brain states; they can be expressed in any method and form.
[H.処理手順]
次に、本実施の形態に従う脳状態の推定処理の処理手順の一例について説明する。
[H. Processing Procedure]
Next, an example of the processing procedure for estimating brain states according to this embodiment will be described.
図18は、本実施の形態に従う標準空間を生成する処理手順の一例を示すフローチャートである。図19は、本実施の形態に従うハイパーアライメントの処理手順の一例を示すフローチャートである。図18および図19に示す各ステップは、例えば、処理装置100のプロセッサ102が計測プログラム124およびNFプログラム126を実行することで実現されてもよい。 Figure 18 is a flowchart showing an example of a processing procedure for generating a standard space according to this embodiment. Figure 19 is a flowchart showing an example of a hyperalignment processing procedure according to this embodiment. Each step shown in Figures 18 and 19 may be implemented, for example, by the processor 102 of the processing unit 100 executing the measurement program 124 and the NF program 126.
図18を参照して、処理装置100は、複数の被験者からそれぞれ計測されたEEGの生信号を取得する(ステップS100)。そして、処理装置100は、それぞれのEEGの生信号を所定のサンプリングレートで複数の脳活動パターンを生成する(ステップS102)。さらに、処理装置100は、生成した複数の脳活動パターンに含まれる各組み合わせについての空間的相関を算出し(ステップS104)、算出された空間的相関から空間相関行列を生成する(ステップS106)。処理装置100は、多次元尺度構成法および特異値分解により、生成された空間相関行列に含まれる要素に対応する座標群を算出する(ステップS108)。算出された座標群が神経多様体92となる。 Referring to Figure 18, the processing unit 100 acquires raw EEG signals measured from multiple subjects (step S100). Then, the processing unit 100 generates multiple brain activity patterns from each raw EEG signal at a predetermined sampling rate (step S102). Furthermore, the processing unit 100 calculates the spatial correlation for each combination included in the generated brain activity patterns (step S104), and generates a spatial correlation matrix from the calculated spatial correlations (step S106). The processing unit 100 calculates a set of coordinates corresponding to the elements included in the generated spatial correlation matrix using multidimensional scaling and singular value decomposition (step S108). The calculated set of coordinates becomes the neural manifold 92.
続いて、処理装置100は、生成された神経多様体92から所定数のグリッド96をサンプリングする(ステップS110)。そして、処理装置100は、サンプリングされたグリッド96に対応する脳活動パターンとテンプレート72とからなる標準状態パターン群を生成する(ステップS112)。すなわち、サンプリングされた所定数のグリッド96に対応する脳活動パターンが標準状態パターン群の一部として抽出される。 Next, the processing unit 100 samples a predetermined number of grids 96 from the generated neural manifold 92 (step S110). Then, the processing unit 100 generates a set of standard state patterns consisting of brain activity patterns corresponding to the sampled grids 96 and templates 72 (step S112). That is, brain activity patterns corresponding to the predetermined number of sampled grids 96 are extracted as part of the set of standard state patterns.
そして、処理装置100は、標準状態パターン群に含まれる各組み合わせについての空間的相関を算出し(ステップS114)、算出された空間的相関から空間相関行列を生成する(ステップS116)。処理装置100は、多次元尺度構成法および特異値分解により、生成された空間相関行列に含まれる要素に対応する座標群を算出する(ステップS118)。算出された座標群が標準空間94となる。最終的に、処理装置100は、標準空間94(座標群)および標準状態パターン群を格納する(ステップS120)。そして、処理は終了する。 The processing unit 100 then calculates the spatial correlation for each combination included in the standard state pattern group (step S114), and generates a spatial correlation matrix from the calculated spatial correlations (step S116). The processing unit 100 calculates the coordinate groups corresponding to the elements included in the generated spatial correlation matrix using multidimensional scaling and singular value decomposition (step S118). The calculated coordinate groups become the standard space 94. Finally, the processing unit 100 stores the standard space 94 (coordinate groups) and the standard state pattern group (step S120). The processing then ends.
図19を参照して、処理装置100は、被験者から計測されるEEGをサンプリングした新たな脳活動パターン98を取得し(ステップS200)、取得した脳活動パターン98を標準状態パターン群に追加する(ステップS202)。そして、処理装置100は、追加された脳活動パターンに含まれる各組み合わせについての空間的相関を算出し(ステップS204)、算出された空間的相関から空間相関行列を生成する(ステップS206)。処理装置100は、多次元尺度構成法および特異値分解により、生成された空間相関行列に含まれる要素に対応する座標群を算出する(ステップS208)。算出された座標群が修正標準空間94Aとなる。 Referring to Figure 19, the processing unit 100 acquires a new brain activity pattern 98 by sampling EEG measured from the subject (step S200), and adds the acquired brain activity pattern 98 to the standard state pattern group (step S202). Then, the processing unit 100 calculates the spatial correlation for each combination included in the added brain activity pattern (step S204), and generates a spatial correlation matrix from the calculated spatial correlations (step S206). The processing unit 100 calculates a set of coordinates corresponding to the elements included in the generated spatial correlation matrix using multidimensional scaling and singular value decomposition (step S208). The calculated set of coordinates becomes the modified standard space 94A.
続いて、処理装置100は、修正標準空間94Aにおける、新たな脳活動パターン98に対応する座標および他の座標との位置関係(相対的な位置関係)を特定する(ステップS210)。そして、処理装置100は、特定した位置関係に基づいて、標準空間94における、新たな脳活動パターン98に対応する座標を推定する(ステップS212)。 Next, the processing unit 100 identifies the coordinates corresponding to the new brain activity pattern 98 in the modified standard space 94A and their positional relationship (relative positional relationship) with other coordinates (step S210). Then, based on the identified positional relationship, the processing unit 100 estimates the coordinates corresponding to the new brain activity pattern 98 in the standard space 94 (step S212).
そして、処理装置100は、新たな脳活動パターン98に対応する標準空間94の座標を出力する(ステップS214)。座標の情報を出力する方法の具体例については後述する。 The processing unit 100 then outputs the coordinates of the standard space 94 corresponding to the new brain activity pattern 98 (step S214). A specific example of the method for outputting coordinate information will be described later.
処理装置100は、被験者の観測が継続されているか否かを判断する(ステップS216)。被験者の観測が継続されていれば(ステップS216においてYES)、ステップS200以下の処理が繰り返される。 The processing unit 100 determines whether or not the observation of the subject is continuing (step S216). If the observation of the subject is continuing (YES in step S216), the processing from step S200 onward is repeated.
被験者の観測が継続されていなければ(ステップS216においてNO)、処理は終了する。 If the subject's observation is not continued (NO in step S216), the process terminates.
[I.その他]
上述の説明においては、一例として、EEGを用いる場合について例示したが、MEGやfMRIなどであっても適用可能である。MEGやfMRIを用いる場合においても、複数の被験者および複数のサンプリングデータを収集して、空間相関行列を生成することで、同様の処理を実行すればよい。
[I. Others]
In the explanation above, the case using EEG was illustrated as an example, but it is also applicable to MEG, fMRI, etc. Even when using MEG or fMRI, the same process can be performed by collecting data from multiple subjects and multiple samples and generating a spatial correlation matrix.
[J.利点]
本実施の形態に従えば、被験者の脳活動パターンを比較的低次元の状態空間に写像して状態ダイナミクスとして表現することで、4つの脳状態(マイクロステート)間の離散的な遷移ではなく、より緻密な脳状態の連続的な遷移や移動を可視化できる。
[J. Advantages]
According to this embodiment, by mapping the subject's brain activity pattern to a relatively low-dimensional state space and representing it as state dynamics, it is possible to visualize not discrete transitions between four brain states (microstates), but rather more intricate, continuous transitions and movements of brain states.
また、本実施の形態に従えば、被験者の脳活動パターンを標準空間に写像することができる。標準空間は、被験者間に差が生じないように標準化(規格化)された空間であり、標準空間上に投影される座標およびその移動(軌跡)を評価することで、複数の被験者に対して共通の基準で評価などを行うことができる。 Furthermore, according to this embodiment, the brain activity patterns of subjects can be mapped onto a standard space. The standard space is a space standardized (normalized) so that no differences occur between subjects. By evaluating the coordinates projected onto the standard space and their movement (trajectory), evaluations can be performed on multiple subjects using common criteria.
また、本実施の形態に従えば、標準空間上に投影される座標をさまざまな形態で表現することができる。これによって、被験者の脳状態をさまざまな切り口で観察および評価できる。また、NFトレーニングなどにおいても、被験者に対して、分かりやすい情報を提供できる。 Furthermore, according to this embodiment, coordinates projected onto standard space can be represented in various forms. This allows for observation and evaluation of the subject's brain state from various perspectives. It also enables the provision of easily understandable information to subjects in NF training and other applications.
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiments disclosed herein should be considered in all respects as illustrative and not restrictive. The scope of the present invention is indicated by the claims rather than by the description of the embodiments above, and all modifications within the meaning and scope equivalent to the claims are intended to be included.
1 ニューロフィードバックシステム、2 被験者、10 キャップ、12 電極、20 ディスプレイ、30 スピーカ、40 計測回路、42 マルチプレクサ、44 ノイズフィルタ、46 A/D変換器、50 生信号、52 エポック、60 チャネル空間、62 ベクトル、64,64A,64B,64C,64D クラスタ、70,76,98 脳活動パターン、72,72A,72B,72C,72D テンプレート、74,74A,74B,74C,74D 固有空間パターン、80 空間相関行列、90 状態空間、92 神経多様体、94 標準空間、94A 修正標準空間、96 グリッド、100 処理装置、102 プロセッサ、104 メモリ、106 入力部、108 ネットワークコントローラ、110 計測インターフェイス、112 ディスプレイコントローラ、114 音声コントローラ、120 ストレージ、124 計測プログラム、126 プログラム、200 脳状態オブジェクト、210 現在状態オブジェクト、220 ターゲットオブジェクト、msA,msB,msC,msD マイクロステート。 1 Neurofeedback system, 2 Subject, 10 Cap, 12 Electrodes, 20 Display, 30 Speaker, 40 Measurement circuit, 42 Multiplexer, 44 Noise filter, 46 A/D converter, 50 Raw signal, 52 Epoch, 60 Channel space, 62 Vector, 64, 64A, 64B, 64C, 64D Cluster, 70, 76, 98 Brain activity pattern, 72, 72A, 72B, 72C, 72D Template, 74, 74A, 74B, 74C, 74D Eigenspace pattern, 80 Spatial correlation matrix, 90 State space, 92 Neural manifold, 94 Standard space, 94A Modified standard space, 96 Grid, 100 Processing unit, 102 Processor, 104 Memory, 106 Input unit, 108 Network controller, 110 Measurement interface, 112 Display controller, 114 Voice controller, 120 storage, 124 measurement program, 126 program, 200 brain state objects, 210 current state object, 220 target object, msA, msB, msC, msD microstates.
Claims (11)
前記取得された複数の脳活動パターンのうちすべての組み合わせについて空間的相関を算出することで、空間相関行列を生成するステップと、
多次元尺度構成法により前記空間相関行列を距離行列に変換し、当該距離行列を特異値分解することで、前記複数の脳活動パターンの各々について、所定次元数の座標を算出するステップと、
前記複数の脳活動パターンの各々と、予め定められた複数の脳状態をそれぞれ示す複数のテンプレートとの間のそれぞれの空間的相関の大きさに基づいて、各脳活動パターンに対応する脳状態を決定するステップとを備える、処理方法。 The steps include acquiring brain activity patterns indicating the state of the subject's brain activity multiple times at predetermined intervals over a predetermined period of time ,
The steps include: generating a spatial correlation matrix by calculating spatial correlations for all combinations of the multiple brain activity patterns obtained ;
The steps include: converting the spatial correlation matrix into a distance matrix using multidimensional scaling, and calculating coordinates of a predetermined number of dimensions for each of the multiple brain activity patterns by singular value decomposition of the distance matrix;
A processing method comprising the step of determining a brain state corresponding to each brain activity pattern based on the magnitude of the spatial correlation between each of the aforementioned plurality of brain activity patterns and a plurality of templates that each represent a predetermined plurality of brain states.
前記一対のテンプレートの各々について、一方のテンプレートに対応する座標と、他方のテンプレートに対応する座標との平均値が、前記複数の脳活動パターンにそれぞれ対応する座標の中心として決定される、請求項1に記載の処理方法。 The aforementioned multiple templates include multiple pairs of templates with reversed polarity,
The processing method according to claim 1, wherein for each of the pair of templates, the average value of the coordinates corresponding to one template and the coordinates corresponding to the other template is determined as the center of the coordinates corresponding to each of the plurality of brain activity patterns.
前記標準状態パターン群に含まれるすべての組み合わせについて空間的相関を算出することで、第1の空間相関行列を生成するステップと、
多次元尺度構成法により前記第1の空間相関行列を距離行列に変換し、当該距離行列を特異値分解することで、前記第1の空間相関行列に含まれる要素に対応する第1の座標群を算出するステップと、
被験者の脳活動の状態を示す第1の脳活動パターンを取得するステップを備え、各第1の脳活動パターンは前記所定周期毎に取得されたものであり、
前記標準状態パターン群および前記第1の脳活動パターンに含まれるすべての組み合わせについて空間的相関を算出することで、第2の空間相関行列を生成するステップと、
多次元尺度構成法により前記第2の空間相関行列を距離行列に変換し、当該距離行列を特異値分解することで、前記第2の空間相関行列に含まれる要素に対応する第2の座標群を算出するステップと、
前記第2の座標群における前記第1の脳活動パターンに対応する座標の相対的な位置関係に基づいて、第1の座標群における前記第1の脳活動パターンに対応する座標を推定するステップとを備える、処理方法。 The process includes a step of acquiring a set of standard state patterns, which include multiple brain activity patterns representing the brain activity states of one or more subjects, and multiple templates representing predetermined brain states, wherein each brain activity pattern is acquired at predetermined intervals .
The steps include generating a first spatial correlation matrix by calculating spatial correlations for all combinations included in the aforementioned standard state pattern group,
The steps include: converting the first spatial correlation matrix into a distance matrix using multidimensional scaling, and calculating a first set of coordinates corresponding to the elements included in the first spatial correlation matrix by singular value decomposition of the distance matrix;
The method includes a step of acquiring a first brain activity pattern that indicates the state of the subject's brain activity, wherein each first brain activity pattern is acquired at predetermined intervals .
The steps include generating a second spatial correlation matrix by calculating spatial correlations for all combinations included in the standard state pattern group and the first brain activity pattern,
The steps include: converting the second spatial correlation matrix into a distance matrix using multidimensional scaling, and calculating a second set of coordinates corresponding to the elements included in the second spatial correlation matrix by singular value decomposition of the distance matrix;
A processing method comprising the steps of: estimating coordinates corresponding to the first brain activity pattern in the first coordinate group based on the relative positional relationship of coordinates corresponding to the first brain activity pattern in the second coordinate group.
前記表示するステップは、順次推定される座標を軌跡として表示するステップを含む、請求項6に記載の処理方法。 The method further comprises repeating the steps of acquiring the first brain activity pattern, generating the second spatial correlation matrix, calculating the second set of coordinates, and estimating the coordinates.
The processing method according to claim 6, wherein the display step includes the step of displaying the sequentially estimated coordinates as a trajectory.
前記取得された複数の脳活動パターンに含まれるすべての組み合わせについて空間的相関を算出することで、第3の空間相関行列を生成するステップと、
多次元尺度構成法により前記第3の空間相関行列を距離行列に変換し、当該距離行列を特異値分解することで、前記第3の空間相関行列に含まれる要素に対応する第3の座標群を算出するステップと、
前記第3の座標群から抽出された所定数の座標に対応する脳活動パターンを前記標準状態パターン群の前記複数の脳活動パターンとして抽出するステップとをさらに備える、請求項5に記載の処理方法。 The process includes a step of acquiring multiple brain activity patterns that show the state of brain activity of multiple subjects, wherein each brain activity pattern is acquired at predetermined intervals .
The steps include: generating a third spatial correlation matrix by calculating spatial correlations for all combinations included in the multiple brain activity patterns obtained;
The steps include: converting the third spatial correlation matrix into a distance matrix using multidimensional scaling, and calculating a third set of coordinates corresponding to the elements included in the third spatial correlation matrix by singular value decomposition of the distance matrix;
The processing method according to claim 5, further comprising the step of extracting brain activity patterns corresponding to a predetermined number of coordinates extracted from the third group of coordinates as the plurality of brain activity patterns of the standard state pattern group.
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