脳画像診断の3大手法であるEEG、MRI、fMRIの違いを解き明かします。各手法の仕組み、独自の利点、そして神経科学研究における応用について理解を深めましょう。
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人間の思考や行動を理解するにはさまざまなアプローチがありますが、脳がどのように機能しているかを真に理解するには、脳の内部を観察する必要があります。しかし、それは想像するほど恐ろしいことではありません。なぜなら、今日の脳画像診断法の多くは、完全に非侵襲的だからです。
以下では、最も一般的な脳画像診断技術であるEEGと（f）MRIについて、その仕組みや比較、それぞれの長所と短所を解説します。この記事を読むことで、EEG、MRI、fMRIについてより深く理解し、これらが脳や行動の理解を深めるためにどのように活用されているかを把握できるようになるでしょう。
EEGとは何ですか？
脳波検査（EEG）は、頭皮に装着した電極を通じて脳の電気的活動を測定するものです。頭皮表面での測定結果から、脳がどの程度活動しているかを把握することができます。
これは、刺激に対して脳の活動がどのように変化するかを迅速に把握するのに役立つほか、てんかんなどの異常な脳活動の測定にも有用である[1]。
脳波検査はどのように行われるのですか？
脳は電気的なシステムです。私たちの思考（意識的なものもそうでないものも）はすべて、電気信号を介して互いに信号を送り合うニューロンのネットワークを通じて生成されます。電気信号が多ければ多いほど、ニューロンのコミュニケーションは活発になり、それは脳の活動が活発であることを意味します。
脳波ヘッドセットの電極は、個々のニューロンの変化を検出することはできませんが、代わりに、同時に信号を発している何千ものニューロンの電気的変化を検出します。
電極からの信号は、増幅器に送られ、そこで（言うまでもなく）増幅されます。その後、コンピュータがこの信号を受け取り、高い時間分解能で脳活動のさまざまなマップを生成することができます。
EEGの欠点の一つは空間分解能にある。電極は脳の表面の電気的活動を測定するため、その信号が表面付近（皮質）で発生したものなのか、それともより深部の領域から発生したものなのかを特定するのは困難である。
この制限を回避しようとする手法（例：[2]）も存在するが、EEG研究においては依然として課題となっている。
MRIとは何ですか？
MRI（磁気共鳴画像法）は、ある特定の時点における脳の状態を映し出す画像を提供します。
この構造情報は、人によって特定の脳領域の大きさがどのように異なるかを比較したり、特定の脳に異常（例えば腫瘍など）がないかを判断したりするのに役立つ。
MRIはどのように機能するのでしょうか？
MRIは複雑な画像診断法ですが、ここではその概要をご説明します。
その名の通り、磁石は磁気共鳴画像法（MRI）の中心的な役割を果たしていますが、その磁力は一般的な冷蔵庫用マグネットよりもはるかに強く、およそ1,000倍から3,000倍にも達します。
MRIの磁場は、私たちの体内の水素原子のプロトンと相互作用します[3]（もちろん、私たちの体の70％が水でできているのは非常に都合が良いことです。磁石が作用できる水素原子が豊富にあるからです）。
通常、これらの陽子はランダムな方向を向いていますが、磁場によってその大部分が同じ方向に整列します。つまり、私たちがMRI装置の中に横たわっていると、（体内の水分に含まれる）水素原子の陽子のほとんどが同じ方向を向くことになります。ふぅ。
次の段階では、電波パルスが放出されます（通常の電波と同じですが、はるかに高速です）。これも陽子と相互作用し、陽子を横向きに回転させます。しかし、電波の作用はほんの一瞬しか続かないため、陽子はすぐに元の整列した状態に戻ってしまいます。
ここが重要なポイントです。陽子が緩和するにつれてエネルギーが放出され、そのエネルギーはMRI装置内のセンサーによって検出されます。いくつかの計算（このブログ記事の範囲を超えますが、詳細は[4]を参照）を通じて、コンピュータはこの放出されたエネルギーに基づいて組織の状態を特定し、その組織の画像を表示することができます。
もちろん、MRIが映し出すのは脳の静止画像、つまり解剖学的画像に過ぎず、脳の実際の活動は捉えられません。では、どうすれば脳の活動の様子を映し出すことができるのでしょうか？そこで登場するのがfMRIです。
fMRIについてはどうでしょうか？
右腕を動かそうとすると、いくつかのことが起こります。脳の特定の部位が活動を活発化させて、この動作を実行するための信号を送り出し、その脳の領域には、ほんの少しだけ多くの酸素を豊富に含んだ血液が流れ込むのです。
fMRIの場合、MRIと同様に、プロトンの緩和から放出されるエネルギーが測定されますが、その解析は、酸素化された血液の流量がどのように変化するかを明らかにすることを目的としています。
脳の特定の部分で、他の部分に比べて酸素を多く含んだ血液が多い場合、その脳領域はより活発に活動している可能性が高い[5]。これは「血中酸素濃度依存性（BOLD）」反応として知られている。
これはfMRIで得られるデータであり、多くの場合、MRI画像の上に重ねて表示されます。
fMRIの欠点の一つは、時間分解能の低さである。血流の変化には数秒かかる上、実際の記録は計算上の制約によって制限されるため、データ収集の速度が低下してしまう。
これは、被験者が刺激を複数回受け、そのたびに脳の反応の異なる時点が記録されることを意味することが多い（例えば、1回目は刺激の開始時に、2回目は刺激開始から10ミリ秒後に反応が記録される、といった具合である）[6]。
もちろん、これにより新たな反応を記録する際の正確性が損なわれる可能性はあるが、脳の反応の全容を捉えることはできる。
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これらを比較するとどうでしょうか？
前述の通り、各技術によって脳画像情報が提供される方法にはいくつかの違いがあります。
他にも考慮すべき点があります。MRI装置のコストは脳波計（EEG）に比べて（購入費も維持費も）かなり高く、必要な訓練のレベルもはるかに高度です。
MRIやfMRIを用いたフィールドワークも実現不可能だ。なぜなら、そのような装置を真に携帯可能なものにする方法がないからだ。
EEGを用いた実験の設定も、それほど手間をかけずに済みます。ヘッドセットを装着し、データの品質を確認するだけで済む場合もあります。また、自動的に算出される指標により、EEGを用いた人間の行動に関する知見を素早く得ることができます。
MRI装置の中に入ることはそれほど難しくないが、どのラジオ波パルスを照射するか決定したり、データを分析したりすることは、高度な知識と専門性を要する作業である。
それぞれのメリットとデメリットを以下の表にまとめました。
どちらを使うべきでしょうか？
やはり、これは研究課題次第です。構造的・機能的な詳細をより重視するのであれば、多額の費用を投じることができるのであれば、MRIやfMRIが最適な選択肢となるでしょう。
脳機能に関する知見を、より迅速かつ低コストで、かつ容易に入手し、かつ時間分解能が高いものとするなら、EEGが最適な手法である。
研究手法の選定について、さらに詳しいアドバイスが必要な場合は、ぜひ当チームまでご連絡ください。
MRI、fMRI、そしてEEGに関する今回の解説と比較が、お役に立てたなら幸いです。EEGについてさらに詳しく知りたい方は、以下の無料ガイドをぜひダウンロードしてください！
参考文献
[1] Noachtar, S., & Rémi, J. (2009). てんかんにおける脳波検査の役割：批判的総説. Epilepsy & Behavior, 15(1), 22-33. doi: 10.1016/j.yebeh.2009.02.035
[2] Oja, E., Harmeling, S., & Almeida, L. (2004). 独立成分分析とその先へ. Signal Processing, 84(2), 215-216. doi: 10.1016/j.sigpro.2003.11.005
[3] Mills, A., Sakai, O., Anderson, S., & Jara, H. (2017). 定量的MRI画像診断の原理と適用可能なモジュラーパルス図の図解解説. Radiographics, 37(7), 2083-2105. doi: 10.1148/rg.2017160099
[4] Jung, B., & Weigel, M. (2013). スピンエコー磁気共鳴画像法. Journal Of Magnetic Resonance Imaging, 37(4), 805-817. doi: 10.1002/jmri.24068
[5] Hillman, E. (2014). BOLDシグナルの結合メカニズムと意義：現状報告. Annual Review Of Neuroscience, 37(1), 161-181. doi: 10.1146/annurev-neuro-071013-014111
[6] Hennig, J., Speck, O., Koch, M., & Weiller, C. (2003). 機能的磁気共鳴画像法：方法論的側面と臨床応用に関する総説. Journal Of Magnetic Resonance Imaging, 18(1), 1-15. doi: 10.1002/jmri.10330