神経振動 ― EEGの周波数帯域の解釈

脳波が、思考で操作する技術の鍵となる仕組みを探ります。EEG（脳波計）は、アルファ波、ベータ波、シータ波、ガンマ波といった周波数帯を追跡します。これらはそれぞれ、注意力、感情、認知機能と関連しています。これらのパターンを分析することで、研究者は精神状態を読み取り、さらには機器を制御することさえ可能になります。これにより、脳の活動がいかに行動や高度な人間と機械の相互作用を左右しているかが明らかになります。

脳波（EEG）のさまざまな応用、特に脳波制御技術に関するものは、当然のことながら大きな注目を集めています。脳－コンピュータ・インターフェースの急速な発展により、研究者はユーザーが思考だけで操作できるデバイスを開発できるようになりました。

これらのデバイスは、ロボットアーム（1）から合成ピアノ（2）まで多岐にわたりますが、それらに共通しているのは、頭皮から記録された脳の電気的活動を入力として使用している点です。この高度な技術は、広く用いられている脳波（EEG）解析手法であるパワースペクトル解析に基づいています。アルゴリズムは、単に異なる周波数帯域や電極位置におけるパワー（すなわち、振動振幅の二乗）を解釈の基礎として用いているのです。

周波数帯

少し前、「地球上で最も幸せな男」と呼ばれるチベットの僧侶に関するニュースが報じられました。彼の脳からは、神経科学の分野でこれまで報告されたことのないガンマ波が検出されたのです。瞑想は、高次認知機能に関連するガンマ帯域の活動に影響を与えることが示されています（3）……しかし、これらの周波数帯域を実際にどのように解釈すべきなのでしょうか？

以下に、さまざまな周波数帯域と、それらが様々な精神活動において果たす役割について、簡単に紹介します。

アルファ波

デビッドソンの研究結果（4）に基づく前頭前野の非対称性に関する研究に詳しい方であれば、一般的に7～12Hzの範囲にあるアルファ波帯について耳にしたことがあるでしょう。 簡単に振り返ると、アルファ波のパワーは皮質活性化と逆相関すると考えられており、左前頭前野の活動亢進は接近動機と関連しています。また、アルファ波は肯定的な感情反応の指標とも解釈されてきましたが、証拠によれば、それは必ずしも正確ではありません。すなわち、怒りや嫉妬といった感情状態は否定的な感情を伴うにもかかわらず、比較的強い左半球の活性化を引き起こすからです（5）。

脳波（EEG）の非対称性に関する研究の根底にある前提は、アルファ波が単に脳の安静状態を示しているに過ぎないというものである。しかし、多くの著者は、この前提は、アルファ波の機能的役割や前頭前野ネットワークの分化に関する現在の知見を反映していないため、過度に単純化されていると指摘している（6）。

アルファ波は、非本質的な処理を抑制する上で重要な役割を果たしており、それが結果として課題遂行を促進することが示されている（7）。さらに、アルファ波は知覚的意識のゲート制御や注意制御と密接に関連している（6）。したがって、アルファ波は、むしろトップダウン処理の指標と見なすことができ、信号対雑音比を高めるメカニズムを表していると言える（8）。

デルタ波

デルタ波は最も低い周波数帯域（4Hz未満）にあり、動機付けのプロセスに関与している（9）。 ERP研究において、デルタ波のEEGパワーは、一般的にドーパミン報酬系におけるプロセスと関連付けられるP300成分の振幅と正の相関を示すことが示されている。これは、基本的な生物学的欲求を満たす必要性に関連する状態が、デルタ波活動の増加と結びつく可能性があることを示唆している。実際、小児および成人の両集団における証拠から、生物学的に関連する報酬対象に対する抑制されない衝動に関連する行動は、遅波活動の増強を伴うことが示されている（9）。

シータ波

シータ波（4～7 Hz）は、記憶や感情の調節と関連付けられることが多い。 数多くの研究により、探索的運動や空間ナビゲーション中の情報エンコーディングにおいて、シータ波が関与していることが示されている（9）。さらに、ポジティブまたはネガティブな感情的価値を持つ画像の識別は、初期の同期したシータ波活動と関連していること（10）、また、皮膚電気反応が低い被験者と高い被験者では、シータ帯域のパワー変化に違いが見られることも示されている（11）。 デルタ波と同様に、シータ波もP300 ERP成分に関連しており、顕著性検出において役割を果たしており、これは動機付けプロセスと感情プロセスの密接な関連性を裏付けている（9）。

注目すべき点は、成人人間ではアルファ波が主要な周波数であるのに対し、ヒト以外の哺乳類の脳波ではシータ波が、爬虫類の脳波ではデルタ波が優勢であるということだ。これらの知見は、爬虫類の行動が主に動機付けの衝動によって駆動されるのに対し、ヒト以外の哺乳類の行動は、感情的な反応や感情学習により大きく依存していることを示唆しているかもしれない（9）。

ヒトの脳波におけるアルファ波の役割に関して言えば、高次脳機能の発達は、抑制機構や、ワーキングメモリ、物体や事象の心的表象など、アルファ波に関連するその他の機能に大きく依存していると推測される（9）。さらに付け加えるならば、子どもが成長するにつれて、脳内の徐波の割合とパワーは減少する一方で、アルファ波のパワーは加齢とともに大幅に増加する（12）。 つまり、アルファ波は単なる脳のアイドリング状態以上のものなのである。

ベータ波

ベータ帯域（12～30 Hz）は、感覚運動行動に関連して最もよく研究されており、随意運動の準備および実行中にベータ帯域のパワーが低下し、動作終了後に急増することが知られている（13）。 しかし、それだけではない。脳は、その動作を観察したり想像したりする場合にも、同様の反応を示す。たとえ筋肉活動が伴わない場合でも、運動行為の精神的な再現には、実際の動作中に活性化されるのと同じ大脳皮質領域が、かなりの程度関与している（14）。こうして、単なる想像力だけでロボットハンドを制御することが可能になるのである。

アルファ波の活動が注意行動において重要な役割を果たすことは強く確立されている一方で、ベータ波の役割については、これまであまり注目されてこなかった。しかし、研究によれば、ベータ波の活動もまた、注意の活性化の媒介として機能することが示されている（15）。すなわち、ベータ波は、たとえ刺激がごく短時間提示された場合でも（16）、私たちがその刺激を認識できるようにする覚醒状態や覚醒度を高める役割を果たすのである。

ガンマ波

ガンマ帯域（30～50 Hz 以上）は、対象の表象の構築に関連している。 これには、ボトムアップ過程による同一対象の別々の部分の結合、およびトップダウン過程による内部表象の活性化、検索、あるいは反復が含まれる（17）。複雑で注意力を要する課題遂行中にガンマ帯域のパワーが増加するため、誘導されたガンマ活動はしばしば認知過程の神経基盤として解釈される（同上）。 

物体や事象のさまざまな特性は、脳の異なる部位で符号化・処理されることが知られており、私たちがそれらを首尾一貫した表象として知覚できるのは、ガンマ波の働きによるものかもしれない。例えば、ガンマ波活動は、視覚的対象の空間的に離散した特徴を結びつける役割を果たし、単語とその意味との関連性を反映することが示されている。また、運動中の感覚処理と運動処理の統合にも関与していることが示唆されている（17）。

前述の通り、瞑想はガンマ波帯の活動に同期をもたらす（3）。そして、この同期は、知覚のさまざまな側面を統合し、首尾一貫した単一の概念として結びつけることに関連していると考えられている（17）。おそらく、これが、日常的に瞑想を行う人々が報告する意識の変化した状態を説明しているのかもしれない。

精神的なプロセスを測定する？　問題ありません。

ここでは、脳波の構造が進化の歴史を反映しているだけでなく、ヒトの脳の成熟過程とも関連していることを示した。しかし、さらに重要なのは、動機付け、感情、注意、および高次認知プロセスが、さまざまな周波数帯域の脳波と強く結びついているという点である。これは、EEGデータにおける周波数特異的な変化を調査することで、被験者がさまざまな刺激をどのように処理し、反応しているかについて、貴重な知見が得られることを示唆している。

なお、iMotionsソフトウェアは、すべての周波数帯域およびすべての電極位置について、パワースペクトル密度の値を自動的に算出します。EEGのパワースペクトル解析は、あなたの（今後の）研究にも役立つかもしれません。

脳波検査（EEG）に関する詳細については、以下をご覧ください。脳波検査の研究を始めるための無料ポケットガイドをご用意しています：

1. McFarland, D. J., Sarnacki, W. A., & Wolpaw, J. R. (2010). 脳波（EEG）による三次元運動の制御. Journal of neural engineering, 7(3), 036007.
2. Deuel, T. A., Pampin, J., Sundstrom, J., & Darvas, F. (2017). 「エンセファロフォン：脳波（EEG）の意識的制御を用いた新しい音楽的バイオフィードバック装置」. Frontiers in human neuroscience, 11, 213.
3. Lutz, A., Greischar, L. L., Rawlings, N. B., Ricard, M., & Davidson, R. J. (2004). 長期間瞑想を実践する人々は、メンタル・プラクティス中に自ら高振幅のガンマ波同期を誘発する。米国科学アカデミー紀要, 101(46), 16369-16373.
4. Davidson, R. J., Ekman, P., Saron, C. D., Senulis, J. A., & Friesen, W. V. (1990). 接近・回避行動と脳の非対称性：感情表現と脳の生理学：I. 『Journal of personality and social psychology』, 58(2), 330.
5. Harmon‐Jones, E., & Gable, P. A. (2017). 接近・回避動機における非対称的前頭葉皮質活動の役割について：エビデンスの最新レビュー. Psychophysiology.
6. Grimshaw, G. M., & Carmel, D. (2014). 感情処理における半球間差に関する非対称的抑制モデル. Frontiers in Psychology, 5, 489.
7. Klimesch, W., Sauseng, P., & Hanslmayr, S. (2007). EEGアルファ波：抑制・タイミング仮説. Brain research reviews, 53(1), 63-88., O. M., & Vernon, D. (2014). 『EEGアルファ波活動の解釈』. Neuroscience & Biobehavioral Reviews, 44, 94-110.
8. Bazanova, O. M., & Vernon, D. (2014). 「EEGアルファ波活動の解釈」. Neuroscience & Biobehavioral Reviews, 44, 94-110.
9. Knyazev, G. G. (2007). 脳波に映し出される動機付け、感情、およびそれらの抑制制御. Neuroscience & Biobehavioral Reviews, 31(3), 377-395.
10. Aftanas, L., Varlamov, A., Pavlov, S., Makhnev, V., & Reva, N. (2001). 感情処理における事象関連同期および非同期：シータ波および高周波アルファ波帯における価性に関連する時間依存的な半球間非対称性の出現. International journal of Neuroscience, 110(3-4), 197-219.
11. Aftanas, L. I., Savotina, L. N., Makhnev, V. P., & Reva, N. V. (2004). 感情的刺激の知覚におけるEEGの事象関連同期および非同期：自律神経活動との関連. Rossiiskii fiziologicheskii zhurnal imeni IM Sechenova, 90(11), 1314-1323.
12. Soroko, S. I., Shemyakina, N. V., Nagornova, Z. V., & Bekshaev, S. S. (2014). ロシア北部における小児の脳波周波数の成熟とパワーの変化に関する縦断的研究. International Journal of Developmental Neuroscience, 38, 127-137.
13. Nam, C. S., Jeon, Y., Kim, Y. J., Lee, I., & Park, K. (2011). 運動イメージに関連する事象関連（脱）同期（ERD/ERS）の側性化：運動イメージの持続時間の影響. Clinical Neurophysiology, 122(3), 567-577.
14. Neuper, C., Scherer, R., Wriessnegger, S., & Pfurtscheller, G. (2009). 運動イメージと動作観察：脳－コンピュータ・インターフェースの精神制御における感覚運動脳波のリズムの変調. Clinical neurophysiology, 120(2), 239-247.
15. Gola, M., Magnuski, M., Szumska, I., & Wróbel, A. (2013). 高齢被験者の視覚課題における注意および注意障害とEEGベータ帯域活動との関連。International Journal of Psychophysiology, 89(3), 334-341.
16. Hanslmayr, S., Aslan, A., Staudigl, T., Klimesch, W., Herrmann, C. S., & Bäuml, K. H. (2007). 刺激前の振動は、被験者間および被験者内の視覚知覚のパフォーマンスを予測する。Neuroimage, 37(4), 1465-1473.
17. Tallon-Baudry, C., & Bertrand, O. (1999). ヒトにおけるガンマ波の振動活動とその物体表象における役割. Trends in cognitive sciences, 3(4), 151-162.