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マッコー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ッコーリー大学のマッコーリー認知科学センターの一部です。

こんにちは、マッコーリー大学のマッコーリー認知科学センターで研究員のイラ・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。マッコーリー大学では、脳磁計（MEG）を用いて、2歳から6歳までの子供における言語の急速な習得を支える脳メカニズムについて研究しています。

MEGは脳皮質によって生成され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ているか、また、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できます。あらゆる脳画像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研究に参加するためには、子供たちに動きを最小限に抑えるよう指示しなければならず、また長期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ようなプロトコルを開発することが重要でした。

とはいえ、MEGのメリット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優れた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であり、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、他の神経画像診断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システムの大きな特徴の一つは、幼い子供たちが使用できるように特別に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システムを開発する必要が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たちの準備手順についてご紹介します。

それでは、これから数分間、私たちの研究室をご案内します。子どもたちが研究への参加を楽しく感じられるように、私たちが講じた工夫について説明します。この研究室には、同じ磁気遮蔽室の中に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個でヘルメットがより小型になっており、未就学児や乳幼児に最適です。脳磁図（Magnetoencephalography）またはイメージングは、神経活動を直接的に測定するニューロイメージング技術です。

MEGは、脳皮質の数千個の活性化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システムの運用には、超伝導技術が必要です。

センサーにはマイナス 270 °C の液体ヘリウムによる冷却が必要です。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、現代の研究室にあるあらゆる装置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層のパーロと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、その重量を支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。室の側面には多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種類の装置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から発生する磁場を測定します。関連技術である脳波計（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（脳波）とMEG（脳磁図）を同時に記録します。しかし、就学前児童の場合、EEGのセットアップに最も長い時間を要するため、通常は現実的ではありません。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、非常に大きい頭部や小さい頭部の方は、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。これは未就学児にとっ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2〜3cm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します。つまり、成人の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のに効果的ではないことを意味します。もう一つの課題は、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です。

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センサを示しています。子供の頭部と比較すると、多くのセンサ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、未就学児の頭部サイズに合わせたカスタムサイズのMEGヘルメットを作製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内で、子供が磁性体（フェリス材）でできたものを身に付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人目を確認します。

5つのマーカーコイルが組み込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、あるいは我々が「頭部の描画」と呼ぶ作業を行います。その後、タイ（結び目）の準備をしている間に、子供をMSR（または「宇宙船」）の中に入れてゲームができる状態にします。

MSR内では、被験者が選択した映画を上部のスクリーンで上映します。被験者が心地よく横になったら、ドアを閉めてデータ収集を開始します。実験時間は通常、約20分間です。

子どもたちに、音声を消した映画を見せながら、宇宙船の中でゲームをすることを勧めます。今回のケースでは、子どもたちは一連の文章を注意深く聞き、「チーズ」という言葉が聞こえた瞬間にその言葉を繰り返します。「猿のバックパックからチーズの匂いがする（The cheese smell from the monkeys backpack）。」

よくできました。ニンジンチーズですね、素晴らしいです。子供の胸に見えるプラスチックチューブを通じて、音声などの音響刺激を子供の耳に届けます。チューブを耳に適合させるために、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、子供はクローズド回路ビデオを通じて継続的にモニターされ、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、それを子供の頭に被せます。MEG測定中、これらを用いてデータ収集全般における頭部の位置と動きを測定およびモニターします。

研究者と、希望する場合は保護者が、常に遮蔽室内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。

では、どのステッカーを選びますか？「ここにひとつ」、「あそこにひとつ」という感じです。未就学児に慣れている方なら、子供たちが磁気遮蔽室の中でじっと横になることを、自ら進んで選ばないことはご存じでしょう。

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、いくつかの手法を用いています。研究室には、子供向けに親しみやすいステッカーやぬいぐるみが配置されています。検査は、研究室への3回から5回の訪問にわたって行われます。

初回面接は通常、子どもに研究者を紹介し、MEGの環境に慣れさせるために行われます。子どもに、おもちゃや動物（クマなど）、またはカーミット（カエル）を見せます。これから行うすべての手順を説明してください。

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連れて行くための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た上で、クレヨンでその周りに絵を描いてもらいます。

あなたの頭の絵を描くのと似ています。デジタル化とテストの両方を行っている間、子供たちがじっと動かずにいられることが非常に重要です。それでは、じっとしていてくださいね。

このように静止できますか？子供たちに、どのように静止するかを見せてくれるようお願いして、これを伝えます。よくできました。

非常に良好です。凍結。凍結できることの重要性は、ラボへの訪問時に毎回強調されます。また、子ども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。

子どもたち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たキャップを「宇宙飛行士のヘルメット」と呼びます。「もう宇宙飛行士になった気分かな？」

そして、デジタル化することを「頭の写真を撮ること」と説明します。子供が恥ずかしがっていたり不安そうだったりする場合は、実験の内容を説明するためにパペットを使用することがよくあります。また、これから何を行うのかをより良く理解してもらうために、子供たちに手伝いを依頼します。

子どもたちは通常、パペットを磁気遮蔽室に案内することに喜んで協力してくれます。もし子どもが依然として磁気遮蔽室に入りたがらない場合は、安心するまで単純に遊び時間を設けます。子どもたちがプロトコルのすべての手順に慣れたところで、MSR内で行う実験タスクを導入します。

うーん。それで、繰り返さなければならなかった魔法の言葉を覚えていますか？聞こえなかったのですが、もう一度いいですか？

もう一度言ってもらえますか？はい。チーズです。例えば、「先日公園に行ったとき、チーズの塊を見かけました」と言ったとします。あなたはどうしますか？

見ての通り、子どもを対象とした脳機能イメージング研究を実施するには専用の技術が必要であり、成人を対象とした研究で通常用いられる以上の手順が求められます。まず、子どもの頭部に適合させ、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、壁画やぬいぐるみを用いて、研究室を子どもにとって親しみやすい環境に整備しました。

私たちは、幼児のニーズと意欲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、小児神経画像診断において一般的に遭遇するものとは多少異なります。

小児用MEGシステムの登場は、認知神経科学における重要な進展です。これにより、脳機能の魅力的かつ劇的な構造化が起こっている年齢層において、脳機能の測定が可能になります。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、この空白を埋めたいと考えています。