科研費 - 田邊 宏樹
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教える側と学ぶ側の脳活動と視線移動の同時計測による「同期」と学習効果の関係解明
研究課題/研究課題番号：24K21481 2024年6月 - 2027年3月
科学研究費助成事業 挑戦的研究(萌芽)
黒田 恭史, 田邊 宏樹, 石井 英真
担当区分：研究分担者
教える側と学ぶ側の生理学データの分析を中核にした本研究の概要は、次の二点である。
１）数学の学習内容を用いて、教える側と学ぶ側の脳活動と視線移動の同時計測により、両者の時系列のデータにどのような関連性が見られるのかについて解明する。
２）教える側と学ぶ側の視線移動の時系列データにおいて、視線の「同期」が生じる時点を同定し、その時間帯にどのような教授・学習活動がおこなわれていたのか、また、脳活動の「同期」を並行して分析することで、学習内容の理解へとつながる２者間の関係性に共通する特徴を解明する。 -
相互主体性の神経回路・代謝解析ー自閉スペクトラム症の病態解明を目指して
研究課題/研究課題番号：24H00622 2024年4月 - 2029年3月
科学研究費助成事業 基盤研究(A)
定藤 規弘, 福永 雅喜, 小池 耕彦, 田邊 宏樹, 楊 家家, 小坂 浩隆, 林 拓也
担当区分：研究分担者
対人関係の脳内メカニズムを理解するためにhyperscanning fMRIを行い、行動と脳内活動の同期を分析する。脳を予測装置としてモデル化する際に、皮質表層は予測誤差、皮質深層は予測自体を処理するとされていることから、7テスラの高精度MRIを使用して、脳の皮質層ごとの活動を詳細に画像化する。さらにグルタミン酸やGABAなどの神経伝達物質の分布もマッピングする。これらにより、対人関係における脳の予測メカニズムを解明し、コミュニケーションに問題を抱える自閉スペクトラム症（ASD）の人々に適用する。
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三者のリアルタイムコミュニケーションにおける視線行動と神経メカニズムの統合的理解
研究課題/研究課題番号：24K10481 2024年4月 - 2027年3月
科学研究費助成事業 基盤研究(C)
田邊 宏樹
担当区分：研究代表者
配分額：4550000円 （ 直接経費：3500000円 、 間接経費：1050000円 ）
リアルタイムでの相互作用はヒトのコミュニケーションにとって本質的なものであり、近年二者相互作用の行動・神経メカニズムを探る研究が急激に増えている。しかし社会的相互作用に基づく社会性の行動や神経メカニズムを理解するには二者関係だけでは不十分であり、次のステップとして社会の最小構成単位である三者が相互作用している場面を設定し研究することが必須である。そこで本研究では、互いに存在を感知でき、完全に集団に埋没しないような関係性としての三者のグループダイナミクスを、視線行動と神経メカニズムの観点から検討する。
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初期人類の高精度3次元脳形態復元から探るヒトの脳機能への選択圧
研究課題/研究課題番号：23K17513 2023年6月 - 2026年3月
科学研究費助成事業 挑戦的研究(萌芽)
荻原 直道, 田邊 宏樹
担当区分：研究分担者
3次元モデリングと脳イメージング研究の技術・手法に基づいて、猿人と初期ホモ属の化石頭蓋骨の内腔形状（エンドキャスト）およびそこに収まっていた脳形態を数理的に詳細に推定し、機能的特異性を有する脳の各領野の大きさの比較から、両者の脳機能の差を明らかにすることを通して、初期ホモ属の脳にどのような選択圧が作用したのかを読み解く。
本研究は、3次元モデリングと脳イメージング研究の技術・手法に基づいて、猿人と初期ホモ属の化石頭蓋骨の内腔形状（エンドキャスト）およびそこに収まっていた脳形態を数理的に詳細に推定し、機能的特異性を有する脳の各領野の大きさの比較から両者の脳機能の差を明らかにすることを通して、初期ホモ属の脳にどのような選択圧が作用したのかを読み解くことを目的としている。
本年はヒト、チンパンジー、ニホンザルの3次元脳MRI画像に基づいて、脳の各領域の形態的相同性を保持したまま脳形態を相互変換する方法論を開発した。3種各10個体の頭部MRI画像と、解剖学的・細胞構築学的に作成されたそれぞれの脳地図を用いて、脳を前頭葉や頭頂葉など計39の領域に分割した。次に、各相同領域の輝度値差の総和を最小化するように全個体の脳を非線形変換（DARTEL法）することで3種の平均脳（基準脳）、および各個体の脳を脳回・脳溝や各領域内の灰白質・白質構造の細部までボクセル単位で基準脳に一致させる変形関数を算出した。これにより3種間の脳の相同変換を数理的に実現することを可能とし、化石頭蓋骨のエンドキャストから脳形態を数理的に詳細に推定することを実現する道筋を付けた。
また、本相同変換を用いて、3種の脳形態の違いを可視化・定量化した結果、ヒトはチンパンジーと比べて、前頭葉の前頭極、背側前頭前野、下前頭回後部、側頭葉の中側頭回、下側頭回後部、頭頂葉の角回、楔前部などが相対的に拡大していることが明らかとなった。
脳の相同変換を数理的に実現し、化石頭蓋骨のエンドキャストから脳形態を数理的に詳細に推定することを可能とする道筋を付けたから。
構築した脳形態の相同変換手法を活用して、猿人2個体、初期ホモ属5個体についてその頭蓋内腔形状（エンドキャスト）からそこに収まる脳を復元すること試みる。まず、化石頭蓋骨のCTデータよりその3次元形状を仮想空間内に再構築し、その内腔の欠損部分を数理的に補完することで、各化石の完全なエンドキャストを復元する。次に、上述の現生3種の脳の形態変異に基づいて、初期人類の脳形態が取りうる形態空間の範囲（発生的制約により規定される範囲）を推定し、その部分空間の中に各エンドキャストを位置づけることで初期人類の脳形態を数理的に推定する。復元結果に基づいて、猿人から初期ホモ属への移行期において、脳の各領域の容量がどのように変化するのかを分析する。 -
味覚における口腔-脳-全身連関の解明：健康寿命延伸のための大人の食育と食品開発
研究課題/研究課題番号：23K22226 2022年4月 - 2026年3月
科学研究費助成事業 基盤研究(B)
後藤 多津子, 田邊 宏樹, 高際 睦, 佐藤 仁美, 阿部 修
担当区分：研究分担者
継続課題のため、記入しない。
味覚の感受性が低下すると塩分や糖分の過剰摂取につながり、生活習慣病のリスクが上がる。本研究の目的は、若者から高齢者を対象に、味覚の認知に関わる口腔、脳、全身状態の連関を解明し食育に生かす事である。
申請者らは、味覚の強さについてデータサイエンスにより多くの被験者数で解析するとともに、味覚供給システムを開発し官能評価や脳機能MRI研究を遂行してきた。本研究ではその成果を発展させ、味覚認知にかかわる口腔、脳、全身状態の連関を解明する。成果をわかりやすく編集し食生活改善案を人々に提供する。
今年度は、データサイエンスについては味覚、脳、全身にかかわる文献情報を収集・抄読した。また研究参加者の実測研究も、官能評価２種類と脳機能画像について、方法論の構築、再現性実験を行った。再現性が確認されたため、本実験として若年者および高齢者において研究を遂行している。
かつ、唾液、味覚、食育、全身に関する国民への報告活動を行った。その際に、市民へのわかりやすい動画の監修、作製、広報の方法も修得した。
今年度は、データサイエンスについては、末梢および中枢における基本味の認知の強さについて、ヒト、ご遺体、動物について、文献検索・抄読を重ね、研究の仮説設定と方法を検討した。定量解析は、準備を行ったが解析実行には至っておらず、やや遅れているといえる。ヒトの実測研究は、官能評価は、カップ法および時系列を伴う官能評価ともに遂行している。研究参加者のリクルートはコロナ対応下で困難な所もあるが努力を重ねて進めている。脳機能MRIは、まず脳機能画像の再現性実験を施行し、解析の結果、良好な結果を得た。よって本実験に着手しているが、MRIの予約方法の変更により、研究参加者、特に高齢者との調整が困難な面はある。しかし可能な限り進め、問題無く進展している。
2022年度の研究により、研究課題それぞれの遂行に必要な知識やスキルの基盤ができた。そのため、今後の推進方策に変更はない。2023年度は、データサイエンスの定量解析をすすめる必要がある。官能評価および脳機能画像も感染と安全に留意しながら引き続きすすめる方策である。 -
内受容感覚の予測的処理を基盤とした感情と意思決定の創発メカニズムの探求
研究課題/研究課題番号：21H04420 2021年4月 - 2025年3月
日本学術振興会 科学研究費助成事業 基盤研究(A)
大平 英樹, 上野 大介, 遠山 朝子, 田邊 宏樹, 長井 隆行, 木村 健太, 片平 健太郎, 齋藤 菜月, 上野 大介, 遠山 朝子, 田邊 宏樹, 木村 健太, 片平 健太郎, 齋藤 菜月, 日永田 智絵, 長井 隆行
担当区分：研究分担者
身体内部信号の予測的処理から生じる内受容感覚が、感情を創発し意思決定を導く、という仮説を次のように検証する。１）内受容感覚の予測的処理に基づく身体状態の制御、感情の創発、意思決定の過程を表現する計算論モデルを構築する。２）内受容感覚を操作して意思決定課題を施行し、そこで得られる行動、脳活動、身体活動のデータを計算論モデルにより解析し仮説を検証する。３）人間の身体と計測装置を融合したシステムであるセンサロイドを製作し、そこで得られたデータのモデル化により、感情概念が生成され主観的な情動が経験される原理を探求する。４）身体症状症を内受容感覚の不全と捉え、その特性を計算論モデルと実験により検討する。
本研究の目的：身体内部信号の予測的処理から生じる内受容感覚が、感情を創発し意思決定を導く、という仮説を次のように検証する。１）内受容感覚の予測的処理に基づく身体状態の制御、感情の創発、意思決定の過程を表現する計算論モデルを構築する。２）内受容感覚を操作して意思決定課題を施行し、そこで得られる行動、脳画像、脳波、自律神経系指標の時系列データを計算論モデルにより解析し、主観的感情の報告と照応させて上記の仮説を検証する。３）人間の身体と計測装置を融合したシステムであるセンサロイドを製作し、そこで得られたデータと、マルチモーダル潜在ディリクレ配分法によるモデル化により、内受容感覚、外受容感覚、固有感覚から感情概念が生成され主観的な情動が経験される原理を探求する。４）身体症状症を内受容感覚の不全と捉え、その特性を１）、２）、３）と同様な計算論モデルと実験により検討する。
2022年度の研究成果：１．内受容感覚・意思決定・核心感情の機能的な関連とその時系列的な動作を実証的に検討するための実験課題（確率学習課題）と、そこでの行動を表現する強化学習モデルを構築した（名古屋大学）。２．心拍と同時に音が鳴ったか、遅れて鳴ったかを答える心拍検出課題を改変して、内受容感覚を操作する実験課題を構築した（産業技術総合研究所・名古屋大学）。３．外受容感覚・固有感覚・言語を基に外的環境に関する概念を生成する計算論モデルに内受容感覚を組み込むことで、情動の概念が形成される過程を表現するモデルを構築した（大阪大学）。４．身体症状症の患者と健常者の内受容感覚・感情・意思決定を比較検討するための研究計画を策定した。この研究計画への承認を得るために、倫理委員学に審査を依頼した（京都府立医科大学）。
１．内受容感覚・感情・意思決定のメカニズムを検討するための実験課題と計算論モデルの開発、２．内受容感覚の実験的操作方法の開発、３．内受容感覚・感情・意思決定の関連に関するロボティクス・人工知能の観点からの構成論的な計算論モデルの開発、がいずれも順調に進展し、研究期間前半での目標をおおむねクリアすることができた。
ただし、身体症状症患者を対象にした臨床的研究については、新型コロナウイルス感染症への対策のため制約がまだ多く、実現に至っていない。しかしながらこの件についても健常者を対象にした予備実験を繰り返し、研究計画を策定することができた。さらに、京都府立医科大学に脳波や自律神経系を同時測定する装置を導入し、名古屋大学、産業技術総合研究所と同じ研究環境で臨床的研究を行える準備が整った。これにより、2023年度以降には、患者を対象とした研究を開始できると期待される。
１．内受容感覚・感情・意思決定のメカニズムを解明するための実験研究を開始する。まず、内受容感覚の正確さの個人差をスクリーニングし、正確さ高群と低群でデータ収集を行い、計算論モデルにより各変数間の関連を探求する。２．2022年度までに開発した方法で内受容感覚の実験的操作を行い、それに伴う感情と意思決定の変化を検討し、そのメカニズムを計算論モデルにより説明することを試みる。３．2022年度までに計算論モデルによるシミュレーションで得た知見を拡張するために、センサロイドを用いてヒトを対象とした実験研究を行い、その結果をシミュレーション結果と比較検討する。４．身体症状症の患者と、年齢・性別等をマッチングした健常者を対象とした実験的研究を開始する。2023年度には各群20名程度のデータを収集することを目標とする。 -
相互作用する二者の神経ダイナミクスを統合的に理解するための新たな解析法の開発
研究課題/研究課題番号：20K07721 2020年4月 - 2023年3月
日本学術振興会 科学研究費助成事業 基盤研究(C)
田邊 宏樹
担当区分：研究代表者 資金種別：競争的資金
配分額：4420000円 （ 直接経費：3400000円 、 間接経費：1020000円 ）
本年度は，昨年度に提出した研究の推進方策にしたがって，すでにあるfMRIハイパースキャニングデータを用いて新たなネットワークダイナミクスを扱える解析手法の開発をおこなった。解析において，個人の脳領域をどのように分割するか，各領域のデータをどのように要約するかが大きな問題となるため，さまざまな脳分割テンプレートとデータ要約方法を試した。これまで我々が行ってきた二者の脳活動のvoxel相同領域間同士の脳活動の同期増強結果を元にさまざまなテンプレートを用いて検討したところ，AAL/AAL3では分割領域が大きすぎ，上記結果を再現することができないことが判明した。一方全脳を機能的なデータを元に368の領域に分割したShen368テンプレートにおいては，相同領域間同士の活動がほぼ再現され，それに加えて非相同領域の脳活動の同期もみることができた。またデータ要約法については分割領域内のデータを平均する手法と主成分分析の第一成分として取り出す手法を検討し，後者の方がその領域内を代表するデータにふさわしいという結果を得た。さらに，時間軸での移動平均を用いて，このようなネットワークの時間的変化を捉えられる解析法も開発した。これらはMATLAB上で作動する解析プログラムとして作成したので，他の装置で取得したデータに適用できるよう更なる開発を進めている。一方各装置を用いたハイパースキャン実験は，コロナ禍の影響，装置の都合やトラブルなどにより取得できたデータがかなり限られてしまった。現在その遅れを取り戻すべく実験を計画し，一部はすでに本実験手前まで進んでいる。
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増減する文脈情報が価値判断，及び予測に及ぼす影響について脳活動に着目した研究
研究課題/研究課題番号：18K03020 2018年4月 - 2024年3月
科学研究費助成事業 基盤研究(C)
野田 理世, 田邊 宏樹
担当区分：研究分担者 資金種別：競争的資金
本研究の結果は，われわれは，同じ絶対量の利得や損失を一度に与えられるよりも，分割し連続して与えられる場合に，より強い満足（不満足）を感じることを示した。
利得に関しては，1度に利得が与えられる場合よりも，4回に分割し連続して利得が与えられた場合に，眼窩前頭皮質が活性化していた。眼窩前頭皮質は，連続する利得と関連する脳部位だと推察される。一方，損失に関しては，1度に損失を与えるよりも，4回に分割し連続して損失を与えた場合に，後部線条体が活性化していた。ただし，連続して損失を被る場合に，後部線条体が関わるかについては，線条体と損失の関係について一貫した結果が得られていないため，議論の余地がある。
本研究の結果は，ひとは，同じ絶対量の利得や損失を，一度に与えられるよりも，分割し連続して与えられた場合に，強い満足感（不満足感）を感じることを示した。これは，年金のような金銭的利得は一括で与えるよりも，分割して与えたほうが満足感が上がる可能性を示唆する。一方で，罰金のような金銭的ペナルティは一度で徴収するよりも分割して徴収したほうが不満足感が高くなる可能性があり，犯罪の抑制に一定の示唆を与える。
また，本研究では，これらの連続して与えられる利得や損失に関わる脳活動を明らかにしたことで，その根本にある認知メカニズムを考える際に有用となる学術的データを提供した。 -
先進的脳科学に基づく塩味と甘味の年代別認知機能の解明と生活習慣病予防への応用
研究課題/研究課題番号：17H04423 2017年4月 - 2021年3月
日本学術振興会 科学研究費助成事業 基盤研究(B)
後藤 多津子, 田邊 宏樹, 徳森 謙二, 音成 実佳, 渡邉 素子
担当区分：研究分担者 資金種別：競争的資金
超高齢化社会において、生活習慣病を減塩、減糖により予防する事は社会的課題である。本研究の目的は、一連の研究を発展させ、年代別に味覚の強さを認知するメカニズムを解明することである。口における味の強さと認知時間を官能評価で解析した。また、独自に開発したシステムを用い、脳機能MRIにより味覚と風味の認知について脳活動を解明した。高齢者と若者の違いは味質により異なっていた。今後も研究を継続し臨床や社会応用のための生理学的基盤を解明していく。
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身体反応が意思決定を修飾する神経メカニズム
研究課題/研究課題番号：17H02649 2017年4月 - 2020年3月
科学研究費補助金 基盤研究(B)
大平英樹
担当区分：研究分担者 資金種別：競争的資金
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MRIハイパースキャニングを用いた二人称視点・間主観性による共感の神経基盤研究
研究課題/研究課題番号：16H01486 2016年4月 - 2018年3月
科学研究費補助金 新学術領域研究
担当区分：研究代表者 資金種別：競争的資金
配分額：6500000円 （ 直接経費：500000円 、 間接経費：150000円 ）
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相互主体性の解析に基づく社会行動の神経基盤と発達過程の解明
研究課題/研究課題番号：15H01846 2015年4月 - 2020年3月
科学研究費補助金 基盤研究(A)
定藤規弘
担当区分：研究分担者 資金種別：競争的資金
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学習による気づき・注意機能および相互的同調機能と第二言語情報処理の自動化プロ セス
研究課題/研究課題番号：26244031 2014年7月 - 2019年3月
科学研究費補助金 基盤研究(A)
横川博一
担当区分：研究分担者 資金種別：競争的資金
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自然なかたちでインタラクションする二者の神経基盤を階層的システム構造として捉える
研究課題/研究課題番号：26350987 2014年4月 - 2017年3月
科学研究費補助金 基盤研究(C)
担当区分：研究代表者 資金種別：競争的資金
配分額：4680000円 （ 直接経費：3600000円 、 間接経費：1080000円 ）
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次世代の皮質下機能的脳外科手術の確立を目指したコネクトームマップの開発
研究課題/研究課題番号：26462202 2014年4月 - 2017年3月
科学研究費補助金 基盤研究(C)
前澤聡
担当区分：研究分担者 資金種別：競争的資金
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正義観の心理・神経・生理・進化的基盤
研究課題/研究課題番号：24243068 2012年7月 - 2016年3月
科学研究費補助金 基盤研究(A)
大平英樹
担当区分：研究分担者 資金種別：競争的資金
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二者の機能的MRI—脳波−視線同時計測による社会的相互作用のシステムダイナミクス
研究課題/研究課題番号：23650224 2011年4月 - 2013年3月
科学研究費補助金 挑戦的萌芽研究
担当区分：研究代表者 資金種別：競争的資金
配分額：4030000円 （ 直接経費：310000円 、 間接経費：930000円 ）
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旧人・新人の学習行動に関する脳機能マップの作成
研究課題/研究課題番号：22101007 2010年7月 - 2015年3月
科学研究費補助金 新学術領域研究
担当区分：研究代表者 資金種別：競争的資金
配分額：121420000円 （ 直接経費：93400000円 、 間接経費：28020000円 ）
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fMRIによる咀嚼機能と脳機能のダイナミック解析システムの開発
研究課題/研究課題番号：19390479 2010年4月 - 2010年10月
科学研究費補助金 基盤研究(B)
後藤多津子
担当区分：研究分担者
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外国語運用能力の熟達化に伴う言語情報処理の自動化プロセスの解明
研究課題/研究課題番号：21242013 2009年7月 - 2014年3月
科学研究費補助金 基盤研究(A)
横川博一
担当区分：研究分担者