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ゆらぎによってヒトの脳を活性化する

研究報告コード R070000119
整理番号 R070000119
掲載日 2008年4月11日
研究者
  • 山本 義春
研究者所属機関
  • 東京大学大学院教育学研究科
研究機関
  • 東京大学大学院教育学研究科
報告名称 ゆらぎによってヒトの脳を活性化する
報告概要 人工的計算機と異なり、ヒトを含めた生物の脳・神経系は電気的・化学的ノイズの中で作動しているといわれる。そのような環境中で脳・神経系が如何にして頑健性を維持しているかについては未だ十分明らかになっていない。しかしながら、進化の過程で、外界あるいは内在するノイズを逆に利用するようなメカニズムが脳・神経系に獲得されたと考える研究者も存在する[1]。このようなメカニズムの候補として挙げられているのが確率共振現象である。確率共振は、微弱な入力信号に対する非線形系の応用が適度な強度ノイズによって増強されるという現象で、横軸にノイズ強度、縦軸にシグナル/ノイズ比など信号の検出感度を示すパラメータをとると、中央が高い、釣鐘型のグラフが得られる(図 1)。これは元来氷河期の周期的到来を説明するために考え出された概念であるが、その後幅広い物理系でその存在が確認された[2,3]。さらに、いくつかの実験研究によって、感覚神経細胞におけるノイズ印加が閾値下入力信号の検出力を高めることが明らかになり[4,5,6]、外界あるいは脳・神経系に内在するノイズは、計算機の場合とは異なり、脳・神経系の動作に弊害を及ぼすどころか、ある場合には有利に働くという概念が定着した。そこでまず、我々は、ヒトの脳機能として血圧調節機能に着目し、健常成人の心肺圧受容器に微妙な周期信号を入力し、同時に頸動脈洞圧受容器にランダムな機械的刺激を加えたとき、心肺圧反射による心拍数調節機能および遠心性交感神経調節機能が向上するという現象を見出した(7,8)。そしてこの場合、入力信号およびノイズの情報がそれぞれ異なる受容器からの求心路を脳(延髄)において初めて合流することから、我々は、ヒトの脳機能を確率共振によって高め得ると結論した。これを受けて、本研究では新たな研究目標として、1.延髄より上位の高次脳における確率共振の惹起とそのメカニズムの検討、2.確率共振の臨床応用、の2点を設定した。
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研究分野
  • 中枢神経系
関連発表論文 (1) 郭 伸,山本義春.確率共振による神経疾患の新しい治療戦略.治療.86:140-141,2004.
(2) 大橋恭子,山本義春.身体活動長期時系列の解析と精神障害・心身症.(社)計測自動制御学会,第18回生体・生理工学シンポジウム論文集.pp265-268,2003.
(3) 清野健,大橋恭子,青柳直子,山本義春.長期心拍変動の解剖.(社)計測自動制御学会,第18回生体・生理工学シンポジウム論文集.pp159-162,2003.
(4) 清野健,大橋恭子,青柳直子,山本義春.統計物理的にみた心拍変動.循環制御.24:207-214,2003.
(5) 山本義春,相馬りか,日高一郎,磯尾紀子,郭 伸.心拍(血圧)変動が中枢性血圧調節に与える影響.自律神経.39:176-183,2002.
(6) 相馬りか,山本義春.ヒトの脳の確率共振-仮説「確率的前庭電流刺激は有効か?」.脳の科学,24:591-594,2002.
(7) 山本義春.ノイズでヒトの機能を高める-ヒトの中の確率共振-.パリティ.16(11): 49-53, 2001.
(8) Struzik, Z. R., J. Hayano, S. Sakata, S. Kwak, and Y. Yamamoto. 1/f scaling in heart rate requires antagonistic autonomic control. Physical Review E70: 050901(R)-1-4,2004.
(9) Kiyono, K., Z. R. Struzik, N. Aoyagi, S. Sakata, J. Hayano, and Y. Yamamoto. Critical scale-invariance in healthy human heart rate. Physical Review Letters 93: 178103-1-4,2004.
(10) Amaral,L. A. N., D. J. B. Soares, L. R. daSilva, L. S. Lucena, M. Saito, H. Kumano, N. Aoyagi, and Y. Yamamoto. Power-1aw temporal auto-correlations in day-1ong records of human physical activity and their alterations with disease. Europhysics Letters 68: 448-454, 2004.
(11) Ohashi, K., G. Bleijenberg, S. Van der Warf, J. Prins, L. A. N. Amaral, B. H. Natelson, and Y. Yamamoto. Decreased fractal correlation in diural physical activity in chronic fatigue syndrome. Methods of Information in Medicine 43: 26-29, 2004.
(12) Ohashi, K., L. A. N. Amaral, B. H. Natelson, and Y. Yamamoto. Asymmetrical singularities in real-world signals. Physical Review E 68: 065204(R:)-1-4, 2003.
(13) Soma, R., D. Nozaki, S. Kwak, and Y. Yamamoto. 1/f noise outperforms white noise in sensitizing baroreflex function in the human brain. Physical Review Letters 91: 078101-1-4, 2003.
(14) Kitajo, K., D. Nozaki, L. M. Ward, and Y. Yamamoto. Behavioral stochastic resonance within the human brain. Physical Review Letters 90: 218103-1-4, 2003.
(15) Aoyagi, N., K. Ohashi, and Y. Yamamoto. Frequency characteristics of long-term heart rate variability during constant routine protocol. American Journal of Physiology, Regulatory, Integrative, and Comparative Physiology 285: R171-R176, 2003.
(16) Kitajo, K., D. Nozaki, L. M. Ward, and Y. Yamamoto. Behavioral stochastic resonance within the human brain. Physical Review Letters 90: 218103-1-4, 2003.
(17) Yamamoto, Y., I. Hidaka, D. Nozaki, N. Iso-o, R. Soma, and S. Kwak. Noise-induced sensitization of human brain. Physica A 314: 58-60, 2002.
(18) Yamamoto, Y., I. Hidaka, N. Iso-o, A. Komai, R. Soma, and S. Kwak. Noise-induced compensation for postural hypotension in primary autonomic failure. Brain Research 945: 71-78, 2002.
(19) 山本義春、相馬りか.ヒト脳幹へのノイズ入力による起立性循環調節能の向上.第13回日本病態生理学会細見記念シンポジウム「循環の神経性調節Updates」,千葉,2003年11月.
(20) 山本義春,ゆらぎの効用,確率共振.第17回ゆらぎ現象研究会基調講演,仙台,2002年1月.
(21) Yamamoto, Y. Noise-induced sensitization of human brain. Symposium "Fluctuations, noise and variability in neural systems-their functional roles" at the Joint Meeting of the 27th Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society and the 47th Annual Meeting of the Japanese Society for Neurochemistry. Osaka, Japan (September, 2004).
(22) Yamamoto, Y. Use of externally added noise in sensitising baroreflex function in health and disease. A Satellite Symposium of the 14th European Meeting on Hypertension. Angers, France (June, 2004).
(23) Yamamoto, Y. Noise induced sensitization of human brain. Unsolved Problems of Noise and Fluctuations in Physics, Biology and High Technology. Bethesda, U.S.A. (September, 2002).
(24) Yamamoto, Y. Noise induced sensitization of human brain. Minisymposium "Functional stochastic resonance in humans and animals (Organizer: Y. Yamamoto)." at the first SIAM Conference on Life Sciences. Boston, U.S.A. (March, 2002).
(25) Yamamoto, Y. Noise-induced sensitization of human brain. Horizons in Complex Systems. Messina, Italy (December, 2001).
(26) 相馬りか,山本義春.生体におけるゆらぎの効用‐確率共振の観点から‐.ゆらぎの科学と技術‐フラクチュオマティクス入門‐.山本光璋,鷹野致和編.東北大学出版会,仙台,2004, pp199-212.
(27) Yamamoto, Y., R. Soma, I. Hidaka, D. Nozaki, N. Iso-o, and S. Kwak. Noise-induced sensitization of human brain: Toward the neurological application of stochastic resonance. In: Unsolved Problems of Noise and Fluctuations, Bezrukov, S. M., editor. American Institute of Physics, pp.234-241, 2003.
研究制度
  • 戦略的創造研究推進事業 さきがけタイプ(旧若手個人研究推進事業を含む)/強調と制御
研究報告資料
  • 山本 義春. ゆらぎによってヒトの脳を活性化する. さきがけライブ2004 「強調と制御」領域 研究報告会講演要旨集 インタラクションとコミュニケーション ~主観の客観科学を目指して~ (研究期間2001-2004), 2005. p.58 - 67.

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