カスタムサイズのMEGと就学前のお子様でNeuromagnetic脳機能の計測

こんにちは、スティーブン・クレーンです。私はKITマクイリー脳研究ラボの共同ディレクターを務めています。当ラボは、オーストラリアのシドニーにあるマクイリー大学のマクイリー認知科学センターの一部です。

こんにちは。マッコーリー大学マッコーリー認知科学センターのイラ・デッサンです。こんにちは、同じくマッコーリー認知科学センターのメラニー・リードです。私たちはマッコーリー大学において、2歳から6歳までの子供における急速な言語習得の根底にある脳メカニズムを研究するために、磁気脳波計（MEG）を用いています。

MEGは脳皮質から発生する磁場を測定します。MEGを用いることで、言語処理中にどの脳領域が活性化し、それらの異なる領域がどのように相互作用しているかを観察することができます。あらゆる脳機能イメージングシステムを用いて幼児を対象に研究を行う場合、2つの課題があります。

第一に、一般的な研究室の環境は子供にとって親しみやすいものではありません。第二に、MEG研究に参加する場合、子供たちは動きを最小限に抑えるよう指示され、長時間にわたってタスクに集中することが求められます。そのため、MEGを使用しながら、同時に子供たちが楽しめるプロトコルを開発することが私たちにとって重要でした。

とはいえ、MEGの利点は課題をはるかに上回ります。MEGは極めて高い時間分解能と良好な空間分解能を備えているため、小児の脳機能を測定するための貴重なツールとなります。また、完全に非侵襲的であるため、小児の神経組織に想定されるリスクはありません。MEGとは対照的に、他の神経画像技術では強力な磁場や放射性医薬品が使用されており、幼い子供にとってリスクとなる可能性があります。

当社の小児用MEGシステムの主な特徴の一つは、幼い子供への使用に特化して設計されている点です。このカスタムサイズのシステムは、金沢工業大学および横河電機株式会社との共同開発により実現しました。以下のビデオでは、なぜ子供向けにカスタマイズされたMEGシステムの開発が必要であったのかを説明し、MEGシステムで測定を行うための子供への準備手順についてご紹介します。

それでは、ここからの数分間でラボをご案内します。子どもたちが私たちの研究に楽しく参加できるように講じた対策について説明します。このラボには、同一の磁気シールドルーム内に2台のMEGシステムが設置されています。

成人用システムは、頭部全体をカバーするMEGヘルメット内部に均等に配置された160個のセンサーで構成されています。小児用MEGシステムも同様のレイアウトですが、センサー数は64個であり、ヘルメットが小型化されているため、未就学児や乳幼児に最適です。脳磁計（Magnetoencephalography）または脳磁気イメージングは、神経活動を直接測定する神経イメージング技術です。

MEGは、脳皮質にある数千の活性ニューロンによって生成される微弱な磁場を検出し、増幅することができます。これらの微弱な磁場の検出は、SQUID（超伝導量子干渉計）として知られる特殊なセンサーによって容易に達成されます。MEGシステムを動作させるには、超伝導技術が必要です。

センサーはマイナス 270 °C の液体ヘリウムによる冷却を必要とします。以下のシーケンスでは、週に一度行う必要がある液体ヘリウムの補充作業を示しています。液体ヘリウムは、MEG システムの運用コストの大部分を占めています。

脳から発生する磁場は、現代的な研究室にあるすべての機器から発生する磁場に比べて極めて微弱です。そのため、MEGシステムは磁気シールドルームに設置する必要があります。当研究室のシールドルームは、3層のperloと1層の銅で構成されています。

室の重量は約8.5トンあり、その重量に耐えるために研究室の床面を特別に補強する必要がありました。磁気シールド室の費用は、MEGシステムの設備投資コストの3分の1から2分の1を占めます。室の側面には複数のポートが設けられており、視覚刺激を室内に投影したり、光ファイバーケーブルを介して他の機器を操作したりすることが可能です。

MEGは、脳の活性化した細胞によって生成される磁場を測定します。関連する手法である脳波測定（EEG）は、これらの磁場の電気的成分を測定します。EEGははるかに簡便で低コストな技術ですが、MEGのような脳内活動の局在化能力は備えていません。

年長の子供や成人を対象とした研究では、多くの場合、EEGとMEGを同時に記録します。しかし、EEGにはセットアップに最も時間がかかるため、就学前児童では通常、これは実用的ではありません。MEGは液体ヘリウムに浸されたセンサーを使用しているため、センサーは真空密閉された断熱ヘルメットドア内の固定位置に配置されています。

標準的な成人用MEGシステムのヘルメットは、成人の頭部の約95%に適合するように設計されています。つまり、最大および最小のサイズの頭部は、成人用ヘルメットにうまく適合しないことを意味します。これは就学前の子供において特に問題となります。なぜなら、子供の頭部の半径は成人の頭部よりも2〜3 cmほど小さいためです。

MEG信号は距離に応じて非常に急速に減衰するため、成人用ヘルメットに搭載されている多くのセンサーは、子供の脳からの信号を測定する際に十分な効果を発揮しません。また、測定セッション中に子供が大きなヘルメットの中で頭を動かしやすいことも別の問題となります。

これにより、MEG信号の劣化が生じます。このクリップでは、成人用システムのMEGセンサーを示しています。子供の頭部と比較すると、多くのセンサーが頭部表面からかなり離れていることがわかります。

そのため、未就学児の頭部に適合するカスタムサイズのMEGヘルメットを作成することが重要です。このクリップでは、当社の小児用MEGシステムのセンサーがすべて頭部の表面に非常に近い位置にあることがわかります。実験を開始する前に、いくつかの手順を完了させる必要があります。

MSR内部で、お子様が鉄製（磁性体）のものを身に着けていないか確認します。ポケットの中に何か入っていますか？ いいえ。そして、2人目の方も確認します。

5つのマーカーコイルが含まれたキャップを子供に装着させます。次に、子供の頭部の形状をデジタル化するか、あるいは「頭部の描画」と呼んでいる作図を行います。その後、タイ（結び目）の準備を整えている間に、子供をMSR（または宇宙船）の中に入れ、ゲームをプレイできる状態にします。

MSR内部では、被験者が選んだ映画が上部のスクリーンで再生されます。被験者が心地よく横になったら、ドアを閉じてデータ収集を開始します。実験は通常、約20分間行われます。

消音状態で映画を見せている間に、宇宙船の中でのゲームに子供を誘います。今回のケースでは、子供たちに一連の文章を注意深く聞かせ、「cheese」という単語が聞こえた瞬間にその言葉を繰り返させます。「The cheese smell from the monkeys backpack.」

よくできました。人参チーズですね、素晴らしいです。音声などの音響刺激は、子供の胸元に見えるプラスチックチューブを介して耳に届けられます。チューブを耳にフィットさせるために、子供用サイズのフォーム製イヤーピースを使用します。

データ収集の間、子供はクローズドサーキットビデオを通じて継続的にモニタリングされ、実験者はマイクを通じて子供とコミュニケーションを取ることができます。MEG測定の前に、5つのマーカーコイルをスイミングキャップに固定し、それを子供の頭に装着します。MEG測定中、これらはデータ収集全体を通じて頭部の位置と動きを測定およびモニタリングするために使用されます。

研究者と、希望する場合は保護者が、常にシールド室の中で子供に付き添います。これは、子供がリラックスし、身体の動きを最小限に抑えられるようにするためです。実験の終了後、タスクを正しく遂行した子供には報酬として景品が与えられます。

さて、どちらのステッカーを選びますか？こちらに1枚、あちらに1枚あります。未就学児に慣れている方なら、彼らが最初に選ぶことが、磁気シールドルームの中でじっとしていることではないとご存知でしょう。

環境とプロセスの両方を子供にとって親しみやすいものにするために、多くの手法を用いています。研究室には、子供向けのステッカーやぬいぐるみがたくさん置かれています。検査は、研究室への3回から5回の訪問に分けて行われます。

最初の面会は通常、子供に研究者を紹介し、MEGの環境に慣れさせるために利用されます。子供には、おもちゃや動物のクマ、またはカエルのカーミットを見せます。その後、これから行うすべての手順について説明します。

検査セッションにテーマを導入します。MEGシステムは、子供たちを宇宙の冒険へと連れ出すのを待っている宇宙船であると伝えます。このテーマに基づいたワークブックを用意し、これから行う手順を説明し、その周囲にクレヨンで絵を描いてもらいます。

あなたの頭の絵を描くのと同じです。デジタル化とテストの両方の間、子供たちがじっとしていられることが非常に重要です。さあ、次は凍りついたようにじっとしていてくださいね。

このように止まることができるかな？子供たちにどのように止まるかを見せてもらうことで、これを伝えます。よくできました。

非常に良好です。凍結について。凍結が可能であることの重要性は、ラボを訪れるたびに強調されます。また、子供たちが実験の各ステップを理解していることを確認することも重要です。

子供たちには、彼らが理解できる言葉を使って手順を説明します。例えば、マーカーコイルが入っているキャップを「宇宙飛行士のヘルメット」と呼んでいます。「もう宇宙飛行士になった気分かな？」

また、デジタイジングについては、頭の写真を撮ることであると説明します。子供が恥ずかしがっていたり不安そうであったりする場合は、パペット（人形）を用いて実験の内容を説明することがよくあります。また、これから何を行うのかを子供たちがよりよく理解できるよう、協力を求めるようにしています。

子供たちは通常、パペットを磁気シールドルームに案内することを喜んで手伝ってくれます。それでも子供が磁気シールドルームに入りたがらない場合は、リラックスできるまで単純に遊び時間を設けます。子供たちがプロトコルのすべての手順に慣れたところで、MSR内で実施する実験タスクを導入します。

うーん。さて、繰り返さなければならなかった魔法の言葉は何だったか覚えていますか？聞こえませんでした。もう一度いいですか？

もう一度言っていただけますか？はい。チーズです。例えば、先日公園に行ったら、チーズの塊を見つけました、と言ったとします。あなたならどうしますか？

ご覧のように、子供を対象とした脳画像研究を行うには専門的な技術が必要であり、成人の研究で通常用いられる以上の手順が求められます。まず、子供の頭部に適合させ、頭部の動きを制限するように設計されたカスタムサイズのMEGヘルメットを開発しました。次に、壁面のアートやぬいぐるみを用いて、研究室を子供にとって親しみやすい環境に整えました。

私たちは、幼児のニーズとモチベーションに合わせて調整した手法を採用しています。当研究室は、健康で覚醒状態にある幼児の認知脳機能を測定するように設計されています。したがって、その要件は、小児神経イメージングにおいて通常想定されるものとはいくらか異なります。

小児用MEGシステムの導入は、認知神経科学における重要な進展です。これにより、脳機能の極めて興味深く劇的な構造化が進んでいる年齢層において、脳機能の測定を行うことが可能になります。現在、これらの発達プロセスについて分かっていることはほとんどありません。

私たちはMEGを用いて子供の脳機能を研究することで、この空白を埋めることを目指しています。