現代の脳波（EEG）研究と分析における課題とは何でしょうか？

1925年、ドイツの精神科医ハンス・ベルガーが人間の最初の脳電図（EEG）を記録しました。それ以来、ブレイン・コンピューター・インターフェースと計算技術は向上し続けています。

この記事では、EEG研究における2つの主な課題を探ります：

1. 従来の学術的なEEG研究におけるロジスティクス面の複雑さ、および

2. EEGハードウェアにおけるイノベーション。

従来の学術的EEG研究におけるロジスティクス面の複雑さ

独占的、資金不足、地域的に限定された被験者集団

まず、脳電図（EEG）研究について理解しましょう。EEG研究および認知神経科学の研究手法では、被験者の頭部に意図的に配置された非侵襲的な電極を使用して、人間の脳の電気活動を記録します。さまざまな刺激への曝露を伴う実験設計を使用して、脳信号の変化を分析し、データを外挿することができます。

表1は、EEG技術を使用して行われる研究と活動の種類の概要を示しています。こちらのEEG脳電図の入門ガイドも併せてお読みください。

表1：脳電図（EEG）研究の種類（（Williams et al., 2020）より改変）

EEGは効果的な研究ツールとして広く採用されてきましたが、そのロジスティクスは困難を伴う場合があります。ほとんどの助成機関は、臨床、トランスレーショナル、または応用研究に資金を提供しています。しかし、基礎的な実験研究への資金提供は少なくなっています。資金の不足は、参加者の募集や健全な実験研究の実施というロジスティクス上の困難を悪化させ、結果としてサンプルサイズが小さくなる原因となります。これらの小さなサンプルサイズは、限定された地域から便宜的に選択されます。

この現象は、WEIRD問題として知られています。これは、典型的な研究サンプルの大半を占める、欧米の（Western）、教育水準の高い（Educated）、工業化された（Industrialized）、裕福な（Rich）、民主的な（Democratic）人々を指します。これらのサンプル人口は、被験者の多くが大学キャンパスから集められるため、特に包括的とは言えません。このWEIRDという人口統計データは、現実世界の多様性や、人間らしさを形作る独自の認知・感情特性を反映していません。

総じて、この状況は実験の現実的な意義と一般化の可能性を制限しています。このため、これらの研究の知見を人間のすべての認知（精神的負荷、問題解決など）に関する新たな洞察へと外挿することは困難です。

EEGハードウェアにおけるイノベーション

世界中で利用可能な、研究グレードでポータブル、低コストな機器

EEGデバイス

ここ数年、研究者たちはポータブルEEGデバイスを用いて、神経科学研究における従来の障壁を打ち破ってきました。ブレイン・コンピューター・インターフェース（BCI）、ブレイン・マシン・インターフェース（BMI）、あるいはヒューマン・コンピューター・インターフェース（HCI）はまさにそれを実現します。これらはEEG信号を使用して、認知的または感情的な状態を特徴づけ、特定します。BCIは、ハードウェアの微細化の進展とデータ処理アルゴリズムの向上に後押しされ、人間と環境の相互作用を変化させる手段として急速に発展しています。これらのシステムは、ニューロフィードバックを通じて人々が自己を向上させることを可能にし、物理的な介入なしに周囲の環境と相互作用することを促します。

EEGデバイスの未来

少なくとも過去10年間、EEGハードウェアの一般的なトレンドは、これらのツールをより小型化、ワイヤレス化、ポータブル化、そして低コスト化することでした。

図1：EmotivのEPOCヘッドセット

図2：EmotivのEPOC Flexヘッドセット

しかし、かつては高価で専用のラボを必要としたものを、ポータブルで低コストなシステムへと移行させることには懸念が全くなかったわけではありません。一部の科学者は、EEGヘッドセットの妥当性、品質、または実用性について懸念を抱いていました。これを調査するため、研究者らはこれらのシステムの科学的有用性を示す多くの検証研究を実施してきました。

また、EEGヘッドセットの低価格化とポータビリティの向上により、その場（in situ）で解決できる研究課題の幅が広がりました。つまり、従来のハードウェアでは移動性が極めて制限されていたのに対し、被験者の脳波を現実世界の状況で測定できるようになりました。運動心理学やスポーツ心理学において、これは画期的な変化です。

スポーツを行う特定の大学生グループの反応時間を調査している研究グループを想像してみてください。彼らは、サッカーのゴールキーパーは他のチームメイトよりもボールに対する反応時間が早いのか、という疑問を持っています。従来の研究パラダイムでは、被験者はラボに来て、配線され、物理的なスクリーン上で課題を実行し、ハードウェアのボタンやキー入力で報告する必要がありました。新しいEEG機器を使用すれば、実際にサッカー場にいる状態でこれと同じ疑問を適用し、測定することができます。

全体として、EEGハードウェアにおけるこれらのイノベーションは、ラボの外での実用的なアプリケーションを可能にしました。このようにして、神経科学研究の能力と範囲が拡大しました。

イノベーションとの出会い – Emotivとの出会い

ここ数年、ディープラーニングやその他の機械学習分析において刺激的な発展がありました。このため、これらのプログラムの価値を最大限に活用するには、大規模で妥当性のある高品質なデータセット（n=1000以上）が必要になります。EEG研究における信号処理、分類、検証、パフォーマンス評価の要件を考慮すると、人工知能の手法を適用することは、この分野に計り知れない恩恵をもたらします。神経科学における現在の実験研究の反復的な性質を克服するにはビッグデータが不可欠であり、神経変性疾患やブレイン・コンピューター・インターフェースなどのより複雑な領域においては特に重要です。これまで、そのようなデータは利用できませんでした。

潜在的な被験者集団を増やし、それに伴い収集されるデータを増やすためには、2つのアプローチがあります：

1. 世界中で使用できる、研究グレードでポータブル、低コストなEEGハードウェアを開発する。

2. データ収集、検証、および自動分析の技術を向上させる。

課題を解消し、変化とともに成長する。Emotivを選ぶ理由

過去10年間にわたるEmotivのEEGイノベーションの軌跡

神経科学研究や臨床現場におけるEEGデバイスの使用は増加し続けています（図3を参照）。過去10年間、Emotivはこれらの課題に対処するため、研究グレード、ワイヤレス、ポータブル、そして使いやすく、かつ世界中の誰でも、どこでもアクセスできる品質管理を備えたEEG機器を開発してきました。

図3 – 「EEG」を含む出版物数（1940年〜2021年） Neuroscience Information Frameworkより

ハードウェアの進化

さらに、EEGハードウェアは湿式電極から乾式電極へと進化しました。湿式電極は装着に時間がかかり、装着感が快適ではなく、移動も制限されます。乾式電極またはハイブリッド電極を備えたヘッドセットは、素早く動作し、ポータブルであり、製造および運用のコストが大幅に安くなります。これらの技術的進歩は、私たちを神経学研究のブレイクスルーへと近づけていますが、まだ完全に到達したわけではありません。

多様なサンプルセットの確保

Emotivは、研究の多様性を高めるお手伝いをします。EmotivのEPOCラインのEEGヘッドセットは10年以上提供されており、世界中の研究機関によって独立して検証されています。これらは、ロボットの肢や車椅子の制御、セキュリティシステムにおけるバイオメトリックユーザー認証、認知的および感情的な精神状態の特定など、さまざまな用途に使用されています。

Emotivが提供するグローバルな活用の可能性と低い財政的障壁は、限られたリソースしか持たない人々の研究を促進します。例えば、Parameshwaran and Thiagarajanは、インドの農村部と都市部でEmotivのEEG機器を使用し、社会経済的ステータス、テクノロジーへの露出、旅行経験に関連するEEGシグネチャーの違いを示しました。