EEGセットアップをマスターする：記録前のベストプラクティス

EEGセットアップとは？

EEGセットアップとは、頭皮からの電気活動を記録するために使用される機器や手順の構成全体を指します。この用語は、診断評価のための臨床構成、研究プロトコルに基づいて設計された研究用配置、または従来の実験室外で使用されるポータブルシステムを指す場合があります。いずれの場合も、電極が電位を検出し、データ収集システムがそれを後から確認可能な記録へと変換します。

セットアップには、電極の配置場所、基準電極、記録チャンネル、およびデータ収集条件に関する決定も含まれます。標準化された配置は記録間の一貫性を支え、選択された構成は検査や研究の目的を反映したものである必要があります。

EEGは臨床評価や神経科学をはじめとする多くの分野で使用されています。脳の構造を直接描写するのではなく電気活動のパターンを記録するため、結果は臨床や研究の文脈と併せて解釈されます。したがって、効果的なEEGセットアップは、適切な機器と綿密な記録手順の両方に依存します。

EEGセットアップの構成要素

EEGシステムは、センサー、信号処理、およびデータ記録手段を統合したものです。これらの構成要素は一連のチェーンとして機能します。電極が頭皮と接触し、アンプが微弱な電気信号を処理し、記録システムが結果として得られるチャンネルを表示および保存します。装着や接続の詳細は、機器やプロトコルによって異なります。

EEG電極

EEG電極は、頭皮の選択された位置で電位を検出します。それらは個別に配置されるか、キャップに組み込まれて配置され、その位置は標準化されたレイアウトまたは研究固有のプロトコルによって決定されます。接触不良は不安定な記録やノイズの多い記録の原因となるため、接触品質は極めて重要です。実践的な考慮事項については、こちらの電極接触品質の概要で説明しています。

さらに、選択する電極のタイプと配置は、チャンネル数や分布を含む記録のニーズに合致している必要があります。一般的なセットアップ時の考慮事項は以下のとおりです。

• 該当する配置システムを使用して、必要な頭皮の位置を特定する。

• 電極および機器の説明書に従って接触部位を前処置する。

• 記録中の動きを抑えるために電極を固定する。

• 次に進む前に接続と信号品質を確認する。

これらの確認を行うことで、機器や接触の問題と、記録自体に現れるパターンとを区別しやすくなります。

EEGアンプ

アンプは電極によって検出された微小な電位差を受け取り、記録および表示できるようにします。そのチャンネル容量と対応する入力は、計画された電極配置と一致している必要があります。アンプは信号チェーンの一部であるため、信頼性の高い接続と適切なシステム構成は、デバイス自体と同じくらい重要です。

脳波計（EEG）のセットアップと記録システム

記録システムはアンプに接続し、観察、保存、および後からの確認のためにEEGチャンネルを表示します。データ収集の前に、オペレーターはプロトコルに従って記録を設定し、チャンネルが利用可能であることを確認し、ディスプレイが期待通りに動作しているかをチェックします。正確な操作手順やワークフローは、使用するシステムによって異なります。

すべてのセットアップが同一のハードウェアやソフトウェアを使用しているとは仮定せずに、一般的なシステム要素の役割を要約できます。

ディスプレイが正常に動作していることだけでは、記録が技術的に健全であることの証明にはなりません。チャンネルのチェック、信号の挙動の観察、構成の文書化により、収集したデータの確認や解釈が容易になります。

EEGキャップまたはヘッドバンド

EEGキャップやヘッドバンドは、再現可能な配置で電極を保持し、複数の測定部位が必要な場合に配置を簡略化できます。フィット感、電極間隔、記録プロトコルとの互換性は、特定のキャップがその用途にどれだけ適しているかに影響します。キャップを使用したとしても、電極の位置や接触状態を確認する必要性がなくなるわけではありません。

EEGセットアップの種類

EEGセットアップは、記録を行う場所や目的によって分類されることがよくあります。この区別は有用ですが、カテゴリが重複することもあります。例えば、研究で臨床機器が使用されることもあれば、ポータブルシステムが臨床や研究目的でデータを収集することもあります。いずれの構成であっても、明確な記録と適切な文書化を支える必要があります。

臨床用EEGセットアップ

臨床用EEGセットアップは、医学的評価に資する記録のために配置されます。電極の配置計画、記録時間、検査中の処置は、臨床上の疑問や地域のプロトコルによって決定されます。得られたEEGは資格のある専門家によって文脈を踏まえて確認されます。記録単独で診断が下されるわけではありません。

研究用EEGセットアップ

研究用EEGセットアップは、必要な電極位置、記録条件、データ管理計画など、研究デザインに従います。参加者やセッション間での一貫した手順は比較を容易にし、メタデータは解釈に影響を与える可能性のある違いを記録するのに役立ちます。また、研究プロトコルでは、インフォームドコンセント、プライバシー、および記録されたデータの取り扱いについても規定されます。

ポータブルEEGセットアップ

ポータブルEEGセットアップは、固定された実験室や検査室から離れた場所で使用できるように設計されています。携帯性により、より幅広い環境での記録が可能になりますが、動き、電気的干渉、記録条件の変化によって実際的な課題が生じる場合があります。システムとプロトコルは、データが収集される環境を考慮する必要があります。

信頼性の高いEEGデータのために被験者への事前説明が極めて重要である理由

事前説明とプロトコルの標準化は、予測できない行動から生じる手順上のばらつきを減らすために設計されています。

タスクの指示や、顔の緊張、嚥下、まばたきを最小限に抑えることの重要性を理解している被験者は、後段の信号解析を妨げる可能性のある高振幅の筋電アーチファクトの発生が少なくなります。皮膚の前処置手順に対する同意を得るプロセスは、協力的な関係を構築することにもなり、頭皮のクリーニング中の予期せぬ動きを防ぐことができます。

EEG研究の管理に関する包括的なレビューでは、正式な書面によるプロトコルの作成、チームのトレーニング、予備セッション（パイロットテスト）の実施が、複数の記録セッションや施設にわたって一貫した実施を確保するために不可欠であると強調されています。大規模な多施設共同研究の経験に基づくこのレビューでは、データ収集前の計画と最終的なデータセットの妥当性が明示的に結び付けられています。この基礎的な標準化がなければ、いかに高度なEEG headsetであっても、一貫性のない被験者の状態によって引き起こされるノイズを補正することはできません。

レビューからの4つの推奨事項：

1. 複数セッション間の一貫性を保つため、正式な書面によるプロトコルを確立しチームトレーニングを実施する

2. 実際のデータ収集前にセットアップの問題を特定するため、予備セッションを実施する

3. 身体の動き、食いしばり、まばたきに関する被験者への指示を標準化する

4. 行動の標準化を、上流における極めて重要なノイズ対策として扱う

準備時間がEEG記録の忠実度に直接影響する理由

被験者への事前説明が終わると、ワークフローは生体インターフェースへと移行します。皮膚と記録電極との間に低インピーダンスで安定した接続を形成するために、頭皮を準備する必要があります。

典型的な準備では、アルコール溶液で頭皮を清掃し、湿式電極システムの場合は皮膚を軽く擦って角質や皮脂を取り除きます。この工程には時間がかかることが多く、特に臨床現場や一般消費者向けの用途では短縮したいという自然な要望があります。しかし、このトレードオフに関する直接的な評価は、乾式および湿式電極を使用した高速セットアップシステムを比較した2024年のBCI研究によって示されています。

その研究では、システムの平均セットアップ時間は乾式電極で38.4秒であったのに対し、湿式電極の手順では103.4秒かかりました。定常状態視覚誘発電位（SSVEP）パラダイムにおける情報伝達率で測定した信号品質には有意な差が見られ、湿式セットアップが毎分138.89ビットを達成したのに対し、乾式セットアップは毎分70.59ビットでした。

どちらの構成でも機能的なBCIパフォーマンスが得られましたが、より高速な乾式セットアップではノイズフロアが高くなりました。準備時間と記録の忠実度との間の直接的な相関関係は明白です。生体インターフェースの準備をより時間をかけて丁寧に行うほど、よりクリーンな信号が得られたのです。

この「時間対品質」曲線の正確な形状は状況に依存し、すべての電極タイプや頭皮の状態に一般化できるわけではありませんが、BCIデータは頭皮の準備にかける投資が任意ではなく、生データの品質を直接決定づける最も明確な証拠を提供しています。高速なEEG機器のセットアップは利便性として売り込まれるかもしれませんが、代替の電極技術がそのギャップを埋められない限り、本質的に生体インターフェースを妥協させることになります。

EEG実験室における環境ノイズを軽減するためのベストプラクティス

被験者の準備が整ったら、次のステップは物理的な記録環境の管理です。電気ノイズ、特に商用電源からの50Hzまたは60Hzの電源ラインノイズは、記録スペースが適切に配置されていない場合、高ゲインアンプに容易に侵入する可能性があります。

そのため、標準的なワークフローとしては、シールドされていない電源から離れた位置に被験者を配置し、不要な電気機器の電源を切り、可能な限り接地されたシールドエンクロージャを使用します。室温や照明の変動も汗によるアーチファクトを誘発したり、脳波リズムを変化させる光刺激となったりするため重要です。

前述のEEG研究管理レビューでは、予備段階で物理的環境と機器のセットアップを計画することを明示的に推奨しています。記録条件を事前にテストすることで、チームは本格的なデータ収集が始まる前に外部干渉の発生源を特定し、排除することができます。

このレビューではファラデーケージによるデシベル減衰などのシールド効果に関する定量的ベンチマークは提供されていませんが、手順の原則は一貫しています。標準化された環境は、神経活動を模倣してしまう外因性の分散を減らします。完全なシールドルームが非現実的であることが多いポータブルEEGの用途でも、異なる形で同じ原則が適用されます。つまり、オペレーターは記録前のチェックリスト中に、周囲のノイズ源を体系的に文書化し、可能であれば排除しなければなりません。

提供された研究に直接的な定量的証拠がないということは、具体的なシールドの主張がEEG文献で実証的に検証されたというよりは、工学的な合意から推測されたままであることを意味しますが、環境管理の論理的な必要性には疑いの余地がありません。

EEGセットアップ時の参照基準戦略の選択

記録前のワークフローにおいて、目立ちにくいものの同様に重要な決定は、参照モンタージュの選択です。EEGにおけるすべての電圧測定は2点間の電位差であり、参照電極は他のすべてのチャンネルに対して「ゼロ」として扱われる基準を定義します。

参照電極をどこに配置し、データを数学的にどのように再参照化するかという決定は解析段階に先送りされがちですが、物理的なモンタージュと概念的な参照戦略は、記録される信号の空間トポグラフィを根本的に決定づけるセットアップ段階の選択事項です。

前処理パイプラインの比較研究では、一般的な複数の再参照化手法（平均基準電極法［CAR］、ロバストCAR［rCAR］、基準電極標準化技術［REST］、およびその補間バリアント［RESIT］）が評価されました。解析の結果、CAR、REST、RESITは同様のトポグラフィ表現を示したのに対し、rCAR法では顕著に異なる事象関連スペクトル摂動（ERSP）パターンが生成されることが明らかになりました。また、信号のセグメンテーションもクレンジング結果に大きな影響を与えました。

これらの知見は、参照スキームの選択が、データ取得の瞬間からデータにバイアスを与えるパラメータ依存の方法論的ステップであることを裏付けています。したがって、セットアップの段階で、参照電極の配置（多くは耳たぶまたは乳様突起）と計画された再参照化のロジックを決定し、記録しておく必要があります。

安易な、または深く考えずに選択された参照電極は、後で誤解を招く皮質マップを生成する可能性があるため、これはEEGキャップやシステム構成において軽視できない実質的な側面となります。

EEGベースラインキャリブレーション中のアーチファクトスクリーニング方法

被験者の位置を合わせ、頭皮を準備し、環境をシールドし、参照電極を選択した後の記録前の最後の関門は、ベースラインキャリブレーション期間です。これには通常、開眼または閉眼による短い安静状態セグメントが含まれ、その間に実験者はアンプが安定しているか、電極と皮膚のインターフェースのバランスが取れているか、過度なDCドリフト、高周波の筋ノイズ、緩徐な眼球電位などの明らかなアーチファクトが信号に含まれていないかを確認します。

キャリブレーション期間は診断のスナップショットとして機能します。電極が緩んでいるとベースラインの漂動が見られ、擦り方が不十分な部位ではインピーダンスの上昇や電源ラインノイズが現れ、緊張した被験者では持続的な筋活動が発生します。

EEG研究管理レビューでは、継続的なデータ品質の監視と、セットアップ関連の問題を早期に発見するためのパイロットセッションの使用の重要性が強調されています。一方、前処理パイプラインの比較では、連続信号をエポックにどのようにセグメント化するかが、その後のクレンジング手順に大きく影響することがわかりました。

オペレーターは何を許容可能な「クリーンな」安静エポックとみなすかを決定する必要があり、その決定が解析の後段で適用されるアーチファクト除去の閾値に影響を与えるため、これはベースラインキャリブレーションに直接的な影響を及ぼします。消費者向け家庭用EEGデバイスでは、自動インピーダンスチェックと内蔵のアーチファクトインジケーターがこのキャリブレーションを部分的に体系化していますが、基本的な論理は同じです。データ収集前に生信号をスクリーニングするための意図的な一時停止を設けることで、前処理中に最終的に除外されるようなエポックの保存を防ぐことができます。

高速EEGセットアップがデータの厳密性に与える影響

記録前のEEGワークフローは相互に依存するステップの連続であり、各ステップは信号品質を犠牲にして時間を節約できるかどうかの判断ポイントとなります。

BCIの高速セットアップ研究は、このトレードオフの最も直接的な実例を提供しています。乾式電極の装着にはわずか38.4秒しかかからず、これは湿式電極セットアップに必要な時間の3分の1未満でしたが、得られた信号品質は測定可能なほど低くなりました。その特定のBCI環境においてタスクのパフォーマンスは依然として十分なものでしたが、ノイズフロアの上昇は生体インターフェースの準備を短縮したことによる避けられない結果です。頭皮のクリーニング、環境チェック、またはベースラインスクリーニングを省略または短縮しても、記録が完全に使用不能になるとは限りませんが、その後の解析に使用できるクリーンな信号帯域幅は確実に低下します。

これらの個々のワークフローのステップの多くについて、直接的な定量的証拠が限られていることを認識しておくことが重要です。研究管理レビューは、プロトコルの標準化、環境計画、およびパイロットスクリーニングの価値を支持していますが、例えば具体的な説明手順のスクリプトや特定のシールド距離が最終的な信号対雑音比（S/N比）に与える因果関係を分離して示しているわけではありません。

モンタージュ選択の研究は、再参照化の選択が結果に影響を与えることを示していますが、物理的なセットアップ段階での生データの品質ではなく、取得後の処理を評価しています。BCI研究は具体的な所要時間と品質の比較を提供していますが、他の電極システムや記録状況への一般化可能性は証明されていません。

したがって、ここで概説した推奨事項は、経験的に証明された普遍的な義務としてではなく、利用可能な最良の証拠と現場のコンセンサスから導き出された体系的な実践のためのフレームワークとして理解するのが最善です。最も重要なメッセージは、慎重な記録前キャリブレーションが、クリーンで解釈可能な神経信号を取得するための単一の最も重要な要素であり、セットアップ段階で講じられたすべてのショートカットは、最終的なデータセットの忠実度との直接的なトレードオフになるということです。

Emotivシステム間でのEEGセットアップの違い

記録前のワークフローはあらゆるEEGシステムに適用されますが、各ステップに要する時間とリスクがどこにあるかは、主にセンサーインターフェースに依存します。EmotivのワイヤレスEEGシステムは、研究グレードの記録を固定された実験室から教室やモバイルフィールド研究へと拡張できるように設計されています。ゲル、生理食塩水、セミドライ、ドライのセンサーを網羅しているため、研究チームは単一のセットアップに合わせてすべてのプロトコルを組むのではなく、前述の準備時間と信号品質のトレードオフのどこに位置づけるかを選択できます。

乾式電極のギャップを埋める

上記で説明したBCI研究では、高速な乾式電極セットアップにはノイズフロアの上昇が伴うことが示されましたが、これは代替の電極技術がそのギャップを埋めない限り当てはまるトレードオフです。EPOC X PROは、センサー自体でこれに対処しています。各センサーには独自のアクティブアンプが搭載されており、ケーブルの動きや電極インピーダンスによる干渉を低減し、信号は24ビットの分解能で取得されます。

この余分なヘッドルームにより、低周波ドリフト、電極オフセット、突然の動作アーチファクトをクリッピングなしで捕捉できるため、前処理中に除外する試行を減らすことができます。Emotivは、乾式センサーでも湿式センサーに匹敵する信号品質を提供できるようにこの組み合わせを設計しました。

センサーの形状も重要です。フラットセンサーは額や乳様突起の参照部位の露出した皮膚に配置され、2種類の長さがあるコームセンサーは髪をかき分けて配置されます。どのセンサータイプも任意のソケットに装着できるため、研究者は頭皮全体で1つの形状に妥協することなく、各部位に合わせたセンサーを選択できます。また、乾式センサーは生理食塩水に依存しないため、パッドが湿っている時間によってセッションの長さが制限されることがなく、長時間のワークロード研究や被験者数の多いプロトコルにおいて重要となります。

これらはいずれも、ベースラインチェックに代わるものではありません。特定のプロトコルおよび被験者グループにおける信号品質を確認する方法として、短い安静時セグメントの記録は依然として不可欠です。

実験室外へのワークフローの拡張

記録前のワークフローの各ステップは、シールドルームの外でも同様に適用されます。変わるのは、それがどのように実行されるかです。

環境：Emotivシステムはワイヤレスであるため、アンプのケーブルで被験者がワークステーションに繋ぎ止められることはありません。Epoc XとFlex 2はコモンモードノイズ除去を使用し、EPOC X PROにはWi-Fi 6が追加されており、現実の研究環境で一般的な混雑した2.4GHz環境においてより安定した性能を発揮します。

Epoc X、Insight、Flex 2、EPOC X PROに搭載された9軸モーションセンサーは、EEGとともに頭部の動きを記録するため、セッション中の動きを推測ではなく客観的に記録できます。また、EPOC X PROは接続されたコンピューターなしで256Hzで8時間以上のオンボード記録が可能なため、ワイヤレス接続が切断されても記録は継続されます。

参照電極：参照電極の配置は各システムの設計の一部となっており、セットアップ段階におけるこの決定の文書化が容易になります。Epoc XはCMS/DRL参照電極をP3/P4に配置し、代替として乳様突起を使用できます。EPOC X PROは左乳様突起にCMSを、右にDRLを固定するため、P3とP4をEEGの記録用に開放できます。

Insightは左乳様突起を参照とし、MN8は耳の後ろに分割されたCMS/DRLセンサーを使用し、Flex 2では研究者がCMS/DRLを任意の10-20位置または耳に配置できます。

ベースラインチェック：Epoc X、Insight、Flex 2、MN8にはリアルタイムの接触品質モニターが含まれています。EPOC X PROは各センサーハウジングに接触品質インジケーターライトを内蔵しているため、ホストデバイスが接続されていない場合でも、オペレーターはセンサー自体で装着状態を確認できます。

EmotivPROでは、イベントマーカーで開眼および閉眼のベースラインセグメントにラベルを付けることができ、Lab Streaming Layer（Standard TeamおよびPerformanceプランに含まれる）により、EEGとPsychoPyなどの刺激ソフトウェアを同期させることができます。

システムとプロトコルの適合

柔軟な電極配置を必要とする高密度研究向けには、Flex 2 GelまたはFlex 2 Salineが最大32チャンネルをワイヤレスキャップに提供します。Epoc Xは、14チャンネルで十分であり、生理食塩水の準備が負担にならない程度にセッションが短い学術研究、BCI開発、および教育現場での実習に適しています。

EPOC X PROは長時間のセッション、フィールドスタディ、およびタイムスタンプが約1ミリ秒以内に同期される高精度なタイミングを要する研究向けに構築されています。InsightはポータブルBCIの開発やデモンストレーションをサポートし、MN8はBrainwear Appとともに日常的に使用できるイヤホン型EEGを提供します。

Epoc XとEPOC X PROは14のコア記録部位と同じEmotivPROおよびCortexソフトウェアを共有しているため、チームはこれらを組み合わせることもできます（例：Epoc Xでパイロットテストやトレーニングを行い、EPOC X PROで本番の記録を実行するなど）。ハードウェアの比較では仕様を並べて確認できます。

綿密なEEG準備がすべてのEEG記録の価値を決定づける理由

記録前のワークフロー全体からの中心的な教訓は、神経信号の品質はデータ収集が始まる前に決定されるものであり、巧みな解析によって後から救済されるものではないということです。被験者への事前説明から頭皮の清掃、部屋のシールド、参照電極の選択、ベースラインの確認に至る各段階は一つの鎖を形成しており、脆弱なリンクが1つでもあると、後続のすべての測定にノイズが伝播します。

セットアップの短縮は時間を節約するものの、ノイズフロアを上昇させるというトレードオフが生じます。これは高速な乾式電極と時間をかける湿式電極の直接比較によって示されているとおりです。後処理フィルターを使用しても、脳の真の電気活動を、動き、環境干渉、または不十分なセンサーインターフェースの準備によって生じたアーチファクトから完全に分離することはできません。

個々の多くのステップに対する直接的な定量的証拠が依然として限られていることを考慮すると、このワークフローは、証明された一連の義務規定としてではなく、規律あるフレームワークとして扱うのが最善です。利用可能な最も強力なデータは、準備時間が信号の忠実度における測定可能な要因であることを示しており、他の推奨事項は現場のコンセンサスと工学的な論理に基づいています。

議論の余地がないのは、記録前に意図的かつ体系的な確認時間を設けることで、無駄なセッションや誤解を招く皮質マップの作成を防ぐことができるという点です。要するに、いかに高価で強力なEEGシステムであっても、それに先立つ慎重なキャリブレーションと同じだけの信頼性しか持ち得ないのです。

参考文献

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よくある質問

なぜ被験者への事前説明が、優れたEEG信号品質を確保するための第一歩と見なされるのですか？

事前説明を行うことで、筋電アーチファクトの大きな原因となる顔の緊張、嚥下、まばたきを最小限に抑えるよう被験者に伝えることができ、手順上のばらつきを減らすことができます。また、同意と協力関係を確立することで、頭皮の準備中の予期せぬ動きを防ぎます。この行動の標準化は、物理的なセットアップが始まる前の最初の生物学的ノイズフィルターとして機能します。

頭皮の準備時間はEEG記録の品質にどのように影響しますか？

より時間をかけて徹底的に頭皮を準備することで、皮膚と電極の間に低インピーダンスで安定した接続が形成され、ノイズフロアが低下します。ブレイン・コンピュータ・インターフェースの研究からの証拠によると、時間をかけた湿式電極のセットアップは、より高速な乾式電極のセットアップよりもクリーンな信号を生成しました。準備時間への投資が生データの品質を直接決定づけます。

EEGを記録する前に必要な主な環境管理は何ですか？

被験者はシールドされていない電源から離れた位置に配置し、不要な電気機器の電源を切り、可能な場合は接地またはシールドされたエンクロージャを使用する必要があります。室温や照明の変動は汗のアーチファクトを引き起こしたり脳波リズムを変化させたりするため、これらも管理する必要があります。標準化された環境は、神経活動を装ってしまう外因性の電気ノイズを低減します。

なぜ参照モンタージュの選択がEEGセットアップの重要な部分なのですか？

EEGのすべての電圧測定は2点間の電位差であるため、参照電極は他のすべてのチャンネルに対して「ゼロ」として扱われる基準を定義します。平均基準電極法やRESTなど、異なる参照戦略は異なるトポグラフィやスペクトルの結果をもたらす可能性があります。深く考えずに選択された参照電極は、後で誤解を招く皮質マップを生成する可能性があるため、これはセットアップ段階における実質的な決定事項です。

記録前のベースラインキャリブレーション期間の目的は何ですか？

ベースラインキャリブレーションは、アンプが安定しているか、電極と皮膚のインターフェースのバランスが取れているか、明らかなアーチファクトがないかを確認するための短い安静時セグメントを提供します。データ収集を開始する前に、電極の緩み、不十分な頭皮部位、筋肉の緊張を発見するための診断スナップショットとして機能します。この慎重なスクリーニングにより、後で除外されるようなエポックの保存を防ぐことができます。

クリーンで解釈可能な神経信号を取得する上で、単一の最も重要な要素は何ですか？

記録前の慎重なキャリブレーションが単一の最も重要な要素です。これにより、脳とアンプの間に安定した低ノイズのインターフェースが確立されます。EEG記録の品質は、最初のデータエポックが保存される前に実質的に決定されるものであり、事後のアルゴリズムによって決まるものではありません。準備チェーンにおける脆弱なステップは、下流にノイズを伝播させ、最終的な信号を劣化させます。