EEG研究における2つの主要な課題

現代のEEG研究と分析における課題とは何ですか？

1925年、ドイツの精神科医ハンス・バーガーは最初の人間の脳波（EEG）を記録しました。それ以来、脳-コンピュータインターフェースや計算技術は改善されています。

この投稿では、EEG研究における2つの主要な課題を探ります。それは以下の通りです：

1. 伝統的な学術的EEG研究の物流的複雑性、および

2. EEGハードウェアの革新です。

伝統的な学術的EEG研究の物流的複雑性

排他的かつ資金不足の地域制限された対象集団

まず、脳波（EEG）研究を理解しましょう。EEG研究および認知神経科学研究の方法論は、対象者の頭部表面に意図的に配置された非侵襲的電極を使用して人間の脳の電気的活動を記録することを含みます。さまざまな刺激への曝露を伴う実験デザインを使用することで、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技術を用いて行われる研究や活動の種類の概要を提供します。この入門ガイドもぜひご覧ください。

表1：脳波（EEG）研究の種類（（Williams et al., 2020）から採用）

EEGは効果的な研究ツールとして広く採用されていますが、物流が課題になることがあります。ほとんどの資金提供機関は臨床、翻訳、または応用研究に資金を提供します。しかし、基礎的な実験研究への資金は少なく、資金不足は参加者の募集や質の高い実験研究を行う上での物流的難しさを悪化させ、小さなサンプルサイズの場合がほとんどです。これらの小さなサンプルサイズは地理的に制限された場所から便利に選ばれます。

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一部である西洋、教育を受けた、工業化された、裕福で民主的な個人を指します。これらのサンプル集団は特に包括的ではなく、ほとんどの人が大学キャンパスから来ています。このWEIRDな人口統計は、私たち人間を形成する実際の多様性や独自の認知的および感情的特性を反映していません。

この状況は、実験の実用的な意義や一般化可能性を制限します。このため、これらの研究からの発見をすべての人間の認知（すなわち、精神的負荷、問題解決など）についての新しい洞察に外挿することは困難です。

EEGハードウェアの革新

研究用、ポータブル、低コストの機器が世界中で利用可能

EEGデバイス

過去数年間で、研究者たちはポータブルEEGデバイスで神経科学研究における伝統的な壁を打破しました。脳-コンピュータインターフェース（BCI）、脳-マシンインターフェース（BMI）、もしくは人間-コンピュータインターフェース（HCI）はそれを実現します。彼らはEEG信号を使用して認知的または感情的状態を特定し特徴付けます。BCIは人間が環境と相互作用する方法を変革する手段として急速に発展しています。これは、ハードウェアの小型化やデータ処理アルゴリズムの改善によって推進されています。これらのシステムは、人間がニューロフィードバックを通じて自己を改善することを可能にし、身体的介入なしで周囲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傾向は、これらのツールをより小型化し、ワイヤレスにし、ポータブルでより低コストにすることでした。

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、かつて高価で専用のラボが必要だったものをポータブルで低コストのシステムに移行することは懸念なしには実現されませんでした。一部の科学者は、EEGヘッドセットの妥当性、品質、あるいは実用性について懸念を示しています。この問題を調査するために、研究者たちはこれらのシステムの科学的な有用性を示す多くの検証研究を実施してきました。

EEGヘッドセットの低コストとポータビリティは、現場で今や回答可能な広範囲な研究質問をも開放しました。すなわち、対象者の脳波を現実の状況で測定できるようになり、従来のハードウェアは最小限の移動性を持ちます。運動やスポーツ心理学において、これは画期的な変化です。

例えば、スポーツをする大学生の特定のサンプルセットで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が他のチームメイトよりもボールへの反応時間が速いかどうか尋ねます。従来の研究パラダイムでは、これらの被験者はラボに来て、配線され、物理的な画面でタスクを行い、ハードウェアボタンやキーストロークで報告する必要があります。新しいEEG機器では、この同じ質問が実際にサッカーのフィールドで適用され、測定されることが可能になりました。

全体として、EEGハードウェアのこれらの革新は、ラボの外での実用的な応用を開いています。このため、神経科学研究の能力と範囲が拡大しました。

革新に出会う – EMOTIVに出会う

近年、ディープラーニングやその他の機械学習分析においてエキサイティングな進展がありました。このため、これらのプログラムの価値を引き出すには、大規模で有効性のある質の高いデータセット（n=1000以上）が必要です。信号処理、分類、検証、EEG研究におけるパフォーマンス評価の要件を考慮すると、これらの人工知能アプローチが適用されると、分野が大きく恩恵を受けます。ビッグデータは、特に神経変性疾患や脳-コンピュータインターフェースのより複雑な側面における現在の実験研究の反復的な性質を克服するために必要です。今のところ、そのデータは入手できませんでした。

潜在的なサンプル人口を増やし、その後に収集されるデータを増やすための2つのアプローチがあります：

1. 研究用、ポータブル、低コストのEEGハードウェアを開発し、世界中で使用できるようにする。

2. データ収集、検証、自動分析技術を改善する。

課題を解消し、変化と共に成長します。EMOTIVを選ぶ

過去10年間のEMOTIVのEEG革新のレビュー

神経科学研究および臨床の場での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に、誰でもどこでもアクセスできる質の管理が可能な研究用ワイヤレス・ポータブル・使いやすいEEG機器を開発してきました。

図3 – “EEG”を含む出版物の数（1940 – 2021） 神経科学情報フレームワーク経由

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に進化しています。湿式電極は装着に時間がかかり、着用が不快で、移動性を制限します。乾式またはハイブリッド電極を使用したヘッドセットは迅速に作用し、ポータブルであり、製造や運用において著しく低コストです。これらの技術的進展は、神経学研究におけるブレークスルーに近づけてくれますが、まだ完全には到達していません。

多様なサンプルセットの確保

EMOTIVは、あなたの研究の多様性を高めるのに役立ちます。EMOTIVのEPOCシリーズのEEGヘッドセットは10年以上の歴史があり、世界中の研究機関によって独立して検証されています。これらはロボットアームや車椅子の制御、セキュリティシステムにおける生体認証、認知的および感情的なメンタル状態の特定など、さまざまなアプリケーションで使用されています。

EMOTIVのグローバルな利用可能性と低い経済的障壁は、限られたリソースを持つ人々の研究を促進します。例えば、ParameshwaranとThiagarajanは、インドの農村と都市の設定でEMOTIV EEG機器を使用し、社会経済的状況、テクノロジーへの曝露、旅行経験に関連したEEGサインの違いを示しました。