神経画像検査（Neuroimaging）とは、頭を切り開かずに、脳の形（構造）や働き（機能）を画像にして調べる検査の総称です。
試験では、構造画像（CT・MRI）と機能画像（fMRI・PET・SPECT）の区別、測る手がかり、空間・時間分解能がよく問われます。
簡単な説明
学校を調べる方法を2つ考えてみましょう。1つは校舎の見取り図で、壊れた壁がないかがわかります。もう1つは「今、どの教室に給食が多く運ばれているか」の記録で、活動が盛んな教室を推測できます。
脳の検査も同じです。CTやMRIは見取り図にあたる構造画像で、出血や萎縮など「形」の異常を調べます。「計算中に脳のどこが忙しいか」を知るのが機能画像です。脳の細胞が働くと、近くに血液（給食）が多く送りこまれます。機能画像はこの血流や代謝の変化から働く場所を推定します。見ているのは神経の活動そのものではなく、その「足あと」です。
由来
| 年 | 主なできごと |
|---|---|
| 1890年 | C. S. RoyとC. S. Sherringtonが、動物実験で脳の血流と代謝の結びつきを示唆 |
| 1973年 | Godfrey N. HounsfieldがX線CTを発表。同年、Paul C. LauterburがNMRで画像をつくる方法を発表 |
| 1979年 | M. Reivichらが、FDGを使って人の脳の糖の消費を測る方法を報告。同年、HounsfieldとAllan M. CormackがCTの開発でノーベル生理学・医学賞 |
| 1988年 | S. E. Petersenらが、PETで単語処理中の血流変化を課題の差として画像化 |
| 1990年 | 小川誠二（Seiji Ogawa）らが、ラットの脳でBOLD信号を報告。1992年には人での報告が続き、fMRIが広まる |
| 2003年 | LauterburとPeter MansfieldがMRIに関する発見でノーベル生理学・医学賞 |
具体的な説明
検査の種類と手がかり
| 検査 | 種類 | 何を手がかりにするか | 放射線 |
|---|---|---|---|
| CT | 構造 | X線の通りやすさの違い | あり |
| MRI | 構造 | 強い磁場と電波による信号 | なし |
| fMRI | 機能 | 血液中の酸素の状態の変化（BOLD信号） | なし |
| PET | 機能 | 陽電子を出す放射性薬剤（トレーサー）の分布 | あり |
| SPECT | 機能 | ガンマ線を出す放射性薬剤の分布 | あり |
| NIRS | 機能 | 頭皮から当てた近赤外光でとらえる血液の酸素の状態 | なし |
fMRIはMRIと同じ装置で撮り方を変えたものです。臨床では、CTやMRIで損傷部位を確かめることが高次脳機能障害（Higher Brain Dysfunction）などの評価の土台になります。
fMRIとBOLD信号
酸素を手放した脱酸素化ヘモグロビンは磁場に引かれる性質（常磁性）をもち、MRIの信号を弱めます。領域が活動すると、使われる量より多くの酸素が届きます（理由は完全には解明されていません）。そのため脱酸素化ヘモグロビンが相対的に減り、信号が強まります。これがBOLD（blood oxygenation level-dependent）信号です。給食が食べきれないほど届き「残り」が増える状態です。
「酸素が使われて脱酸素化ヘモグロビンが増えるから強まる」は逆向きの誤解です。変化は小さく、高次の認知課題では1％未満のことも多いとされます。
PETとSPECTのトレーサー
PETでは、陽電子が近くの電子とぶつかって消滅し、反対向きに2本の光子が出ます。これを検出して薬剤の場所を割り出します。代表的なトレーサーはブドウ糖に似た¹⁸F-FDG（糖代謝）です。¹⁵O（半減期約2分）や¹¹C（約20分）の薬剤は寿命が短く、施設内で製造する必要があります。SPECTは脳血流を見る⁹⁹ᵐTc-ECD・⁹⁹ᵐTc-HMPAOやドパミン系を見る薬剤を使います。感度と空間分解能はPETが上ですが、SPECTは費用が低く普及しています。
空間分解能と時間分解能
空間分解能は「どこ」を、時間分解能は「いつ」をどれだけ細かく区別できるかです。Glover（2011）の総説による典型値です（装置や条件で変わります）。
| 方法 | 空間分解能 | 時間分解能 |
|---|---|---|
| fMRI | 画素3〜4mm | 低い（BOLD反応は刺激の約5〜6秒後にピーク） |
| PET | 5〜10mm以上 | さらに低い（1回の撮像に数分かかる） |
| NIRS | 10〜20mm（脳の表面のみ） | fMRIと同様に低い |
| 脳波・脳磁図（MEG） | ― | ミリ秒単位 |
画像検査は「どこ」に、脳波や脳磁図は「いつ」に強い方法です（事象関連電位（Event-Related Potential: ERP））。
実験や観察の方法と結論
減算法（差分法）
心理学研究の基本は減算法です。調べたい処理を含む課題条件と、それ以外をそろえた統制条件を比べ、差が出た領域をその処理の候補とみなします。発想はFranciscus C. Donders（1868年）にさかのぼります。Dondersは、光への反応時間と色を見分けての反応時間の差から、色の弁別に約50ミリ秒かかると示しました。
Petersenら（1988）はPETで課題を1段ずつ重ね、隣り合う課題の差を画像にしました。
| 段階 | 課題 | 1つ前の段階との差に表れると考えられた処理 |
|---|---|---|
| 1 | 目を開けている | （基準） |
| 2 | 画面の名詞を見る | 見た単語の感覚的な処理 |
| 3 | 名詞を読み上げる | 発音して声に出すこと（構音） |
| 4 | 名詞に合う動詞を言う | 意味を結びつけて言葉を生み出すこと |
fMRIの実験は、課題と統制を数十秒ずつ交互に行うブロックデザインと、短い試行を不規則な間隔で入れる事象関連デザインに分かれます。
解釈の限界
- 純粋挿入の仮定：処理を1つ足しても他の処理は変わらない、という前提は成り立たないことがあります（Friston et al., 1996）。
- 逆推論：「この領域が活動した→この心的過程が働いた」は確実ではなく、領域の選択性が低いほど弱くなります（Poldrack, 2006）。
- 統計の問題：よく使われるクラスター単位の解析で偽陽性が多くなりうると報告されました（Eklund et al., 2016）。
- 相関と必要性：画像が示すのは相関です。その領域が必要かどうかは損傷研究などで確かめます。
例文
「頭を打った直後の検査では、まずCTなどの構造画像で、出血や損傷がないかを確かめます。」
「処理の順序を知りたいなら脳波、関わる領域を知りたいならfMRIと、目的に合わせて検査を選びます。」
疑問
Q: 画像で脳の一部が「光って」いるのは、そこだけが働いているという意味ですか？
A: いいえ。脳は安静時も全体が働いています。色は、統制条件と比べて信号が統計的に大きく変化した場所です。比べる条件で色の場所は変わり、課題中にかえって血流が下がる領域もあり、その代表がデフォルトモードネットワークです。
Q: fMRIは神経細胞の電気的な活動を直接測っているのですか？
A: いいえ。測るのは血液の酸素の状態で、神経活動の間接的な指標です。反応も数秒遅れます。電気的な活動をより直接とらえるのは脳波や脳磁図です。
Q: 「恐怖に関わる領域が活動したから、この人は怖がっている」と言えますか？
A: そのままでは言えません。これは逆推論で、1つの領域はいろいろな処理で活動するため、心の状態は決めつけられません。行動や本人の報告など、ほかの証拠と合わせて考えます。
理解度を確認する問題
問題1. 検査と、その手がかりの組み合わせとして、最も適切なものはどれか。
- A. CT ― 強い磁場と電波による信号
- B. PET ― 検出器に直接届いた陽電子そのもの
- C. SPECT ― 陽電子の消滅で生じる反対向きの2本の光子
- D. fMRI ― 血液中の脱酸素化ヘモグロビンの量の変化
正解：D fMRIは、常磁性の脱酸素化ヘモグロビンの変化をBOLD信号としてとらえます。AはMRIの説明で、CTはX線を使います。Bはまぎらわしいですが、陽電子はすぐ電子と消滅し、検出するのはそのとき出る2本の光子です。CはPETのしくみで、SPECTはガンマ線を出す薬剤を使います。PETとSPECTの取り違えは問われやすい点です。
問題2. fMRIのBOLD信号が、活動した脳領域で強くなる理由として、最も適切なものはどれか。
- A. 酸素が多く消費され、脱酸素化ヘモグロビンが増えるから
- B. 消費量を上回る酸素を含む血液が流れこみ、脱酸素化ヘモグロビンが相対的に減るから
- C. 酸素と結びついたヘモグロビンが常磁性をもち、その増加が信号を強めるから
- D. 神経細胞の電気的な活動が生む磁場を直接とらえるから
正解：B 必要以上の酸素が届くため、信号を弱める脱酸素化ヘモグロビンが減ります。Aはまぎらわしいですが、消費だけを考えたよくある誤解で、向きが逆です。Cは誤りで、常磁性をもつのは脱酸素化ヘモグロビンです。Dは脳磁図（MEG）の考え方に近く、fMRIは血流を介した間接的な指標です。
問題3. ある研究で、報酬を受け取る課題中に領域Xの活動が高まった。別の研究者が「別の課題でも領域Xが活動したので、参加者は報酬を感じていた」と結論づけた。この推論の問題点を表す用語として、最も適切なものはどれか。
- A. 純粋挿入の仮定
- B. 逆推論
- C. 二重乖離
- D. 減算法
正解：B 活動から心的過程を推しはかる逆推論です。領域Xが報酬以外でも活動するなら結論は弱くなります（Poldrack, 2006）。Aはまぎらわしいですが、減算法の前提（処理を足しても他は変わらない）の問題で、活動から心の状態を推す誤りとは別です。Cは損傷で2つの機能が別々に障害されることを示す考え方、Dは条件を比べる方法そのものです。
関連キーワード
- 機能局在（Functional Localization）
- 事象関連電位（Event-Related Potential: ERP）
- 高次脳機能障害（Higher Brain Dysfunction）
- デフォルトモードネットワーク（DMN）
- BOLD信号（BOLD Signal）
- 減算法（Subtraction Method）
- 逆推論（Reverse Inference）
- 脳磁図（Magnetoencephalography: MEG）
関連論文
まずこの1本
Ogawa, S., Lee, T. M., Kay, A. R., & Tank, D. W.（1990）Brain magnetic resonance imaging with contrast dependent on blood oxygenation. Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA, 87(24), 9868–9872.
常磁性の脱酸素化ヘモグロビンがMRIの天然の造影剤になることをラットの脳で示し、BOLDコントラストと名づけた論文です。薬剤なしで脳の働きを映す道を開きました。試験対策としては、報告者が小川誠二であること、fMRIは血液の酸素の状態を測る間接的な方法で放射線を使わず、空間分解能は比較的高いが時間分解能は低いことを押さえましょう。
https://doi.org/10.1073/pnas.87.24.9868その他の参考文献
Poldrack, R. A.（2006）“Can cognitive processes be inferred from neuroimaging data?” Trends in Cognitive Sciences, 10(2), 59–63.
概要 逆推論は論理的に確実ではないが一定の情報は与え、その強さは領域の選択性で決まることを、画像研究のデータベースで示した論文です。
https://doi.org/10.1016/j.tics.2005.12.004ほそめがねのひとこと
CT・MRI・fMRI・PET・SPECTの区別は、検定の勉強で覚えにくかったですか？
覚え方
①「形はCTとMRI、働きはエフ・ペット・スペクト」。「f（functional＝機能）」がつけば機能画像です。
②「CTはX線、MRIは磁石、PETとSPECTはお薬」。PETは「ペア（2本の光子）」と覚えるとSPECTと区別できます。
③BOLDは「給食は食べきれないほど届く」。酸素が余って信号が強まり、ピークは約5〜6秒後です。
コメント