COE(酸素脳イメージング)とは?

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NIRSを使った脳の学校独自の脳計測技術:脳計測COEとは

加藤俊徳医師の発見と研究により、脳の働きを酸素で見る「酸素脳イメージング」が完成しました。
「酸素交換波動方程式の発見と、それに基づくCOE計測法と虚数生命科学の発見」により、今や脳の働きを定量的に解析できるまでになりました。

光脳機能画像法NIRSの発見から酸素脳イメージングCOEの完成へ

酸素脳機能イメージング COEとは?

COEで各脳番地の酸素の使い方を見る~応用編~


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光脳機能画像法NIRSの発見から 酸素脳イメージングCOEの完成へ

加藤俊徳医師は、人体に害を与えずに脳のはたらきを観察できる方法として、
1991年、近赤外光を使って脳の反応を見て画像化(イメージング)する方法の原理を発見しました。

これが今、世界中に広まっている通称NIRSの誕生です。

NIRSは、血管の中の酸素を運ぶ運搬役のヘモグロビンを捉えることができます。
ヘモグロビンには、「酸素と結合しているもの」と「酸素を持っていないもの」がありますが、
それらを区別して捉えることが出来ます。

NIRSの特徴は、
①計測場所で、其々のヘモグロビンがどのくらい増えたり減ったりしたかを見ることが出来る事。
②子どもから大人、疾患の有無に関わらず、ほぼ痛みなく、普段の姿勢で検査が出来る事。

個人の脳機能の特性を知るMRIとCOE


“脳血流”を測れば本当に脳の働きが分かるか?

「脳の血流が増える = 脳の働きが上がっている」

巷では「●●をすると脳の血流が上がる」など、脳の血流量の変化に注目して脳活動が取り上げられているので、なんの疑いも持っていない方が多いと思います。

しかし、本当にそうでしょうか?

脳血流というのは、血液の流れです。
その血液の流れに、本当に脳が働いた情報がのっているのかどうかが問題です。


加藤俊徳医師は、米国で研究を通じてある答えを導き出しました。

従来のNIRSでは、静脈成分と毛細血管成分を分けることなく、流れている血が増えたか減ったかを主に検出してしまいます。
今、巷を騒がせている脳の話も、この脳の静脈の血流から得られた結果をもとにしています。

ところが、静脈は働きを終えた後のヘモグロビンを運搬するだけの管ですから、
脳血流を指標にする限り、その場所が働いたかどうかを直接的に計ることはできないのです。


脳の静脈の反応は脳外の反応で、脳機能反応とは呼べないことに気がつき、
加藤医師は、脳血流ではなく、脳酸素交換に着目し、酸素交換の方程式化に成功しました。


これが、COE(脳酸素交換マッピング)の誕生です。

COEは、ヘモグロビンが酸素を細胞に渡す、毛細血管での酸素状態の変化を観察します。

まさに、脳が働いて、細胞に酸素を渡したのか?
それとも、脳が働かないで、酸素がそこを素通りしただけなのか?
これを区別して、脳が何に対して、どんな風に働いたのかを観察する方法です。

COE脳計測


COE脳計測パンフレット

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文献リスト(NIRS計測からCOE計測へ)

高嶋幸男,加藤俊徳,平野悟 水戸敬.NIR Spectroscopyによる局所脳血流変動の観察.心身障害児(者)の医療療育に関する総合的研究の報告書(厚生省) p.179-181(1992) 
ダウンロード(PDF)

 
Kato T, Kamei A, Takashima S, Ozaki T (1993) Human visual cortical function during photic stimulation monitoring by means of near-infrared spectroscopy. J Cereb Blood Flow Metab. 13:516-520.
ダウンロード(PDF)
 
Kato T (2004) Principle and technique of NIRS imaging for human brain FORCE: fast-oxygen response in capillary event. International Congress Series. 1270C:88-99. 
ダウンロード(PDF)
 
Kato T, Stancák A (2005) Distinction of regional cerebral FORCE (fast-oxygen response in capillary event) effect by unilateral and bilateral finger movements. NueroImage Vol26: S1 W-PM 1582.
 
Yoshino K, Kato T. et al. (2005) Distinction between comprehensible and incomprehensible words by fast-oxygen response in capillary event (FORCE) effect using fNIRS-imaging NeuroImage22 S1 WM1134
 
加藤俊徳(2005)COE(脳酸素交換機能マッピング)–光機能画像法原理の利用-.小児科46 1277-1292
 
加藤俊徳(2006)COE(脳酸素交換機能マッピング) -酸素交換度と酸素交換直交ベクトルの利用-.臨床脳波48 41-50
 
Kato T (2008) Phase Imaging System of Oxygen Transport using Oxyhemoglobin and Deoxyhemoglobin -new index and phenomenon of brain function-. NeuroImage 41 S1: TH-PM 332.

Yoshino K, Kato T.(2012) Vector-based phase classification of initial dips during word listening using near-infrared spectroscopy. Neuroreport 23:947–951.

Sano M, Sano S, Oka N, Yoshino K, Kato T.(2013) Increased oxygen load in the prefrontal cortex from mouth breathing: a vector-based near-infrared spectroscopy study. Neuroreport 24:935-940.
ダウンロード(PDF)

Yoshino K, Oka N, Yamamoto K, Takahashi H,..., Kato T.(2013) Functional brain imaging using near-infrared spectroscopy during actual driving on an expressway. Front. Hum. Neurosci. Doi: 10.3389/fnhum.2013.00882.
ダウンロード(PDF)

Yoshino K, Oka N, Yamamoto K, Takahashi H, ..., Kato T.(2013) Correlation of prefrontal cortical activation with changing vehicle speeds in actual driving: a vector-based functional near-infrared spectroscopy study.Front. Hum. Neurosci. doi.org/10.3389/fnhum.2013.00895
ダウンロード(PDF)

Oka N, Yoshino K, Yamamoto K, Takahashi H, ..., Kato T.(2015) Greater Activity in the Frontal Cortex on Left Curves: A Vector-Based fNIRS Study of Left and Right Curve Driving. PLOSONE. doi:10.1371/journal.pone.0127594
ダウンロード(PDF)

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酸素脳機能イメージング/COEとは?

脳の酸素交換を捉える

脳の血管にも下水道がある


脳の酸素交換を捉える

脳にはたくさんの血管があり、血液が運ばれています。

血液の中には、赤血球という成分があり、酸素と結合したヘモグロビンを抱えています。
運ばれた酸素は、酸素が必要な組織に受け渡されます。

血管には酸素を交換する血管と、交換しない血管があります。
心臓から出た血管は、動脈 → 細動脈 → 毛細血管 → 細静脈 → 静脈となり、
再び心臓へ戻っていきます。

様々な太さの血管がある中で、組織と酸素交換をするのは、「毛細血管」だけなのです。

脳の神経細胞は、活動するために酸素を使う必要があるので、
毛細血管で起きる酸素交換の現場を捉えることは、正しい脳の活動を知ることに繋がります


COEは、光を使って毛細血管の酸素交換を捉える技術

例えば、あなたが漢字を書いていることを考えてみましょう。

この時、漢字を書く為に働く脳の場所には、酸素が必要になるため、
毛細血管から活動している細胞へ酸素が移動しています。

これを、FORCE(Fast Oxygen Response in Capillary Event)効果と呼んでいます。

脳を使うと酸素が必要になるため、酸素が血液中のヘモグロビンとの結合から離れて、神経細胞に移動していきます。すなわち、脳が働けば、きれいな血(酸素を沢山含む未使用の血)が汚い血(酸素が使用済みの血)に変わるのです。
酸素がなくなった血液は、使用済みの血となって下流の静脈へ流れていきます。

漢字を書くときに全ての脳が働くわけではありません。働かなかった場所もあります。

その働かせる必要のない脳の場所では、酸素を使う必要は有りません。
すなわち、その周囲を通る毛細血管からは酸素が受け渡されることなく、未使用のまま、きれいな血として通り過ぎることになります。

これを、Watering効果(Watering the garden effect:素通り効果)と呼んでいます。

CEOは「FORCE効果」と「素通り効果」を区別できる唯一の方法であり、
COEに注目することで、脳が働いた瞬間の脳の使い方を捉えることが出来ます。

COE脳計測の技術例


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脳の血管にも下水道があります。

酸素を受け渡して「使用済みの血液(脱酸化ヘモグロビン)」と、
酸素を受け渡さずに素通りした「未使用の血液(酸化ヘモグロビン)」は、
血管の下水道である静脈へ流れて合流します。

最近、巷で「脳科学」と称されているものは、
残念ながら、この下水道を観察したものがほとんどです。

もうお分かりだと思いますが、下水道である静脈には、
脳の働いた場所を通った汚い血も、素通りした血も混ざってしまします。

すなわち、下水道での変化を観察していては、脳の機能を正確に捉えることはできません。

PETやfMRIといった脳反応を計測する方法では、この下水道のデータを排除するのことは計測原理上、困難です。


COEは静脈の下水道効果を排除して、本当に働いた脳活性を観察できる

だからこそ、加藤医師はこれまで、この精度の高い方法で、健康な人の脳だけでなく、脳に病気を抱えた方々へMRIを使った「脳画像診断」や「COE脳計測」を行い、リハビリテーションや教育に役立つ情報を提供してきました。

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COEで各脳番地の酸素の使い方を見る~応用編

具体的な状況に対して、脳がどのように働いているのか研究したい方、脳科学を応用したい方にとって、脳の酸素の使い方を見る「COE計測」は、方法の一つとしてお勧めです。

COEで脳番地の酸素を見る~酸素脳検査プラン

当社代表・加藤俊徳医師の長年の研究によって、脳番地に光を当てて脳の酸素を観察することが出来るようになりました。酸素分子は、ナノメートルよりも小さい分子ですが、酸素動態を観察する光分子機能イメージングが実現しました。

それが、COE計測(酸素脳機能イメージング)です。

選んだ脳番地(大脳皮質)が、どのように酸素を使いこなしているのか、瞬時に観察することが出来るようになっています。

脳の酸素動態が定量的に検査できるようになり、運動トレーニングだけでなく、言葉の学習効果や記憶過程などをベッドサイドで、無害な状態で知ることが可能となっています。



 NHKでも紹介されたCOE計測

COE脳計測を用いた高齢者の脳検査の様子 COE脳計測を用いた高齢者の脳検査の様子 (番組撮影の様子)

脳に近赤外光を照射することで、脳がどのように酸素を使ったのかを知ることが出来る加藤医師のCOE計測の技術は、2004年9月・NHKスペシャル「老化に挑む~あなたの脳はよみがえる」で紹介されました。当番組は国内外で多数受賞し、書籍も出版されています。


お子様でも高齢者でも安心 簡便なCOE測定

COE脳計測を用いた子どもの脳検査の様子

頭皮に照射する近赤外光は、安全な光量を保っておりますので無害です。
皮膚が汚れる心配も無く、自然な姿勢で測定できますので、お子様でも高齢者でも測定可能です。


脳の働きを脳酸素と脳血流を同時に見て判断します。

COE測定結果の例です。脳の学校のCOE計測では、「脳血流」だけで脳機能評価は行いません。
これまで述べてきたように、脳血流の変化は、脳の働きを反映する精度が低いからです。

脳の機能を精度よく判定できる「酸素の使い方」を計測し、脳酸素と脳血流を同時に見るて評価できるCOE計測は、脳の学校の独自技術です。

COEによって、酸素を使ったのか、使わなかったのかを毛細血管レベルで区別し、脳の現状評価はもちろんのこと、学習効果も検出することができるようになりました。

COE脳計測で見える学習効果 COE脳検査で見る酸素の使い方(脳活動)

  

酸素脳機能イメージング/COEを使った研究サポート

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