脳波
脳波（のうは、Electroencephalogram：EEG）は、ヒト・動物の脳から生じる電気活動を、頭皮上、蝶形骨底、鼓膜、脳表、脳深部などに置いた電極で記録したものである。英語のElectroencephalogramの忠実な訳語として、脳電図、EEGという呼び方もあり、中国語ではこちらの表現法を取っている。本来は、脳波図と呼ぶべきであるが、一般的には「脳波」と簡略化して呼ばれることが多い。脳波を測定、記録する装置を脳波計(Electroencephalograph：EEG)と呼び、それを用いた脳波検査(electroencephalography：EEG)は、医療での臨床検査として、また医学、生理学、心理学、工学領域での研究方法として用いられる。検査方法、検査機械、検査結果のどれも略語はEEGとなるので、使い分けに注意が必要である。
個々の神経細胞の発火を観察する単一細胞電極とは異なり、電極近傍あるいは遠隔部の神経細胞集団の電気活動の総和を観察する（少数の例外を除く）。
近縁のものに、神経細胞の電気活動に伴って生じる磁場を観察する脳磁図（のうじず、Magnetoencephalogram：MEG）がある。
目次 |
[編集] 脳波の歴史
- 1875年 イギリスの科学者リチャード・カートン (en:Richard Caton) が動物の生体脳に電気現象がみられることを報告。
- 1929年 ドイツの精神科医ハンス・ベルガーによるヒトでの初めての報告。
- 1935年 エドガー・エイドリアンがより正確な報告を行い、アルファ波を｢ベルガーリズム」と命名。
- 1936年 東北帝国大学助教授の松平正壽が脳波増幅器を試作。その後1943年までに北海道帝国大学、東京帝国大学で製作された。
- 1942年 名古屋帝国大学教授の勝沼精蔵が「脳波」という呼び方を提案。
- 1947年 「脳波研究委員会」（委員長・本川弘一東北大学教授）が発足。
- 1951年 三栄測器が国産初の脳波計を商品化。日本大学文理学部に納入されペットネームは「木製号」で同大学の山岡淳(現在、日本大学名誉教授)により心理学の研究に使用された。現在、山岡淳日本大学名誉教授の寄贈により印旛医科器械歴史資料館所蔵。
- 1958年 JIS規格 「脳波計」(JIS T1203) 発効。
- 1992年 アメリカとドイツで脳波モニターの開発。
- 最近の流れ
- 多チャンネル化
- コンピュータの進歩により双極子追跡法など様々な解析が可能に。
[編集] 脳波の観察・解析
波形を直接記録するものと、波形に何らかの加工を行って解析する方の2つに分けられる。
- 直接記録する方法はしばしば臨床検査として用いられる。 背景脳波（基礎律動）や突発活動（てんかん波形など）を観察する。各種のてんかん、変性疾患、代謝性疾患、神経系の感染症、脳器質的疾患、意識障害、睡眠障害、精神疾患などの診断の補助・状態把握などに用いられる。
- 波形の加工の方法として、主なものに加算平均法、双極子推定法、周波数解析、コヒーレンス法、主成分分析、独立成分分析などがあり、一部は臨床でも用いられている。
[編集] 記録方法
脳波の導出には、電極の配置位置、およびそれらの電極の組み合わせという要素が関わる。
[編集] 電極の配置位置
通常の検査や実験では、電極を国際10-20法（こくさいten twentyほう）に従って配置するのが最も一般的である。国際10-20法では頭皮を10%もしくは20%の等間隔で区切り、計21個の電極配置位置を決定する[注釈 1]。
[編集] 電極の組み合わせ
耳朶（あるいは鼻、顎など）を電気的に不活性とみなし、耳朶電極（無関電極）・頭皮上電極（関係電極）間の電位差の変動を記録した場合、これを単極導出と呼ぶ。頭皮上電極どうしの電位差の変動を記録した場合、双極導出と呼ぶ。単極導出の場合、関係電極の入力が無関電極の入力に対し電気的に陰性の場合、記録紙のペンが上へ振れる。単極導出法では基準電極の活性化など問題もあるため平均電位基準電極導出法を併用することがある。しかし平均電位基準導出法ではどこかの誘導で高電位が出現するとそれが全体に影響するという問題もある。
[編集] 頭皮電極・脳表電極
電極は通常、頭皮上に設置されるが、開頭して脳表に設置されるケースもある。
- 頭皮上電極
- 21個の電極を国際10-20法に従って配置することが多い。しかし研究目的などではもっと多数（60個など）の電極を配置したり、モニタリング目的などでは逆に数個のみの電極を使用したりする。
- 電極は円盤電極や皿状電極を導電性ペーストや特殊な帽子で頭皮に固定する場合と、針電極を皮内に挿入する場合、スポンジに電解質溶液を満たした電極をバンドなどで固定する場合がある。
- 長所は、針電極の場合を除き基本的に侵襲性がないこと、安価なことである。しかし短所として、導電率の異なる脳・硬膜・脳脊髄液・頭蓋骨・皮膚などを通して観察することによる空間分解能の低さ、高周波の活動の低減、頭皮との接触不良による雑音混入、筋電図の混入などがある。
- 脳表電極
- 設置には開頭手術が必要であり、侵襲は大きい。
- しかし空間分解能が高い、頭皮上電極では記録しにくい脳底面などの部位にも電極を配置することができるなどの長所がある。
- 難治性てんかんの外科的治療の術前検査などとして行う。
[編集] 電極接触抵抗
電極接触抵抗は交流インピーダンスによる測定で行う。インピーダンスは10Hzにおける値をもって代表値とし、各電極の接触インピーダンスは10kΩ以下が望ましいとされている。
[編集] 記録
- 記録速度
標準的な記録速度は30mm/secで記録される場合が多い。
- 記録感度
50μV/5mmで記録されることが多い。機種によっては50μV/7mmのものもある。
[編集] 脳波モニター
筋弛緩剤の使用、神経変性疾患などの場合、異常な脳活動（てんかん発作）があっても発見できない。このような場合に、3個から5個の電極を用いて持続的に脳波を監視する。極端な過鎮静を検出する目的もある。脳低温療法など、日余に渡り筋弛緩剤を使用する場合に有用である。
また装置自体が安価で使用も容易なため、医学以外の領域での脳研究に使用されることもあるが、あくまで簡易な装置であるため、その実験結果のみを基にした理論（ゲーム脳など）には疑問の声も多い。
二波長指数(BIS:bispectral index(en))は専用の装置を用いて計算する尺度で、100が覚醒、0が脳死状態である。手術中の麻酔深度の管理に使用される。全身麻酔における至適な鎮静レベルは40 - 60といわれている。BISはフーリエ変換を基本としているが、詳しいアルゴリズムは公開されていない。
[編集] 脳波判読
[編集] 基礎律動
ほぼ全般性、持続性に出現し、脳波の大部分を形成する特定の脳波活動を基礎律動（背景脳波）という。基礎律動は覚醒度、年齢、薬物によって変化し、基礎律動が異常をしめす病態もある。基礎律動には周波数帯域ごとに以下のように名前が付けられており、それぞれ異なった生理学的な意義を有している。（ギリシャ文字が周波数順になっていない点に留意が必要である。）
| 名称 | 読み | 周波数帯域 |
|---|---|---|
| δ波 | デルタ波 | 1-3Hz |
| θ波 | シータ波 | 4-7Hz |
| α波 | アルファ波 | 8-13Hz |
| β波 | ベータ波 | 14-Hz[注釈 2] |
一般に健常者では、安静・閉眼・覚醒状態では後頭部を中心にα波が多く出現する。また睡眠の深さ（睡眠段階）は脳波の周波数などに基づいて分類されている。
α波を基準としてそれよりも周波数の遅い波形を徐波、周波数の早い波形を速波という。振幅は正常人は20μV - 70μVであり、これを中等電位という。20μV以下で低電位、100μV以上で高電位ということがある。30mm/secで50μV/5mmで記録されることが多い。
- 覚醒度
- 意識障害の程度を調べるのに脳波が重要であることがある。
- 年齢
- 出生から思春期の間は、脳波の基礎律動は概ね速波化していく。そして思春期から初老期まで基礎律動の周波数は殆ど変化がなく、初老期以降は概ね年齢とともに徐波化していく傾向がある。
- 薬物
- フェニトイン、フェノバルビタール、ベンゾジアゼピン系の薬物により前頭部に速波が出現する。カルバマゼピンはθ帯域が混入する。フェノチアジン系は徐波と鋭波が混入する。
[編集] 基礎律動をつくる波形の意義
- α波
α波は頭部後方部分に覚醒時出現する8Hz - 13Hzの律動であり、精神的に比較的活動していないときに出現する。注意や精神的努力によって抑制、減衰する。加齢により徐波化する傾向がある。α波の発生説にはいくつか存在するが、Andersenらの仮説では皮質のα波は視床からの入力によるものであり、視床におけるペースメーカーが皮質リズムを形成し、視床の反回性抑制ニューロンがリズムの周波数を作っているとしている。Nunezらの説では皮質と皮質間を結ぶ長い連合線維によって生じるとされている。
- β波
β波は14Hz以上の律動を示す。30Hz以上でγ波と分類することもある。もっともよく認められるものは前頭部から中心部に記録される。多くは30μV以下である。その起源は扁桃体や海馬が考えられているが明らかになっていない。
- θ波
θ波は4Hz - 8Hzの律動を示す。α波が徐波化して出現する場合は後頭葉優位であり、傾眠時は側頭葉優位に出現する。
[編集] 基礎律動の異常
基礎活動の異常としては周波数の異常、電位の異常、分布の異常などに分けることができる。
- 周波数の異常
- 周波数の異常には基礎律動の徐波化などがあげられる。限局性の徐波化であればどの電極近傍に腫瘍、炎症、てんかん焦点といった病変が存在する可能性がある。広範な徐波化であれば脳形成障害、広範な病巣や脳症、病巣の多発、内分泌代謝異常、外来物質の影響、脳変性疾患の可能性がある。
- 電位の異常
- 分布の異常
[編集] 非突発性異常
- α波の徐波化
- 基礎律動の徐波化は多くの場合は脳の機能低下を示している。前述のように分布を確認することで原因を推定できることもある。
- 異常速波
- 高振幅速波が基礎律動となる場合がある。薬剤性が多いが、内分泌疾患などでも起りえる。
- α波をはじめ正常の構成成分の異常
- 局所性振幅の減少や消失、局所性の振幅の増加、局所性の徐波化、位相の乱れなどが認められることがある。障害部位においては覚醒時脳波（α波、徐波、速波など）の振幅が低下したり増大したりする。睡眠時脳波でも速波、紡錘波、徐波、K複合波などが患側では振幅が減少したり、欠如する。こういった現象をlazy activityという。
[編集] 突発波
突然始まり、急速に最大振幅に達し、突然終わるような出現様式をとる脳波を突発波という。突発波の判読で最も重要なのはてんかんであり、てんかんの診断、分類、治療効果判定に脳波は行われることがある。突発波の異常には波形の異常、出現の仕方、出現の場所などの性状が知られている。
- 波形の異常
- 棘波、鋭波、棘徐波、多棘徐波などが知られている。棘波（spike）とは持続20msec - 70msec程度の尖った波形であり、鋭波（sharp wave）とは持続70msec - 200msec程度の振幅が大きな尖った波である。棘波ひとつに徐波ひとつが組み合わさると棘徐波複合（spike-and-slow-wave complex）といい、鋭波ひとつと徐波ひとつでは鋭徐波複合（sharp-and-slow-wave complex）という。多棘複合、棘徐波複合といったものも存在する。
- 出現の仕方
- 単発、2から3個連なって、群発（数秒続く）といった出現の仕方が知られている。持続的、頻発、散発（sporadic）、律動性（rhythmic）、多律動性、非律動性、周期性、突発性、両側同期性、非同期性といった表現も用いられる。
- 出現場所
- 焦点性、半球性、全般性などが知られている。広域性、広汎性、局在性、一側性、両側性、対称性、非対称性といった言葉もつかわれる。これらは左右差などに注目するのが重要である。
[編集] 突発性異常
- 局在性棘徐波複合
- 全般性棘徐波複合
- 不規則性棘徐波複合
- 多棘徐波複合
[編集] てんかん発作と脳波の対応
| 発作名 | 発作時脳波 | 非発作時脳波 |
|---|---|---|
| 定型欠神発作 | 広汎性3Hz棘徐波複合 | 広汎性3Hz棘徐波複合（短い） |
| 非定型欠神発作 | 広汎性遅棘徐波複合 | 広汎性遅棘徐波複合他 |
| ミオクロニー発作 | 広汎性多棘徐波複合 | 広汎性多棘徐波複合 |
| 強直発作 | 広汎性漸増律動 | 不定 |
| 強直間代発作 | 広汎性棘波、棘徐波 | 広汎性棘徐波複合など |
| 部分発作 | 局在性棘波律動 | 局在性棘波、棘徐波、徐波あるいは徐波律動（出現しないこともある） |
その他、有名なものとしてWest症候群のヒプスアリスミアやLennox症候群非発作期の2Hz前後の鋭･徐波複合、irregularな1.5Hz - 2.5Hzのsharp-and-slow-wave-complexなどが知られている。
[編集] 病的意義の乏しい突発性活動
下記に述べるものは病的意義に乏しい。
- 6＆14Hz陽性棘波
- 自律神経症状を示す、視床あるいは視床下部てんかん患者の睡眠第１段階または第２段階で認められると報告されているが、健常者でも認められるという報告もある。正常から境界の所見と考えられる場合が多い。
- 小鋭棘波（SSS･BETS）
- 6Hz棘徐波複合（ファントム棘徐波）
- 欠神発作で認められる広汎性3Hz棘徐波複合を小型化したような波形であることからファントム棘徐波とも呼ばれる。内因性精神病、特に統合失調症との関連も提唱されている。しかしこれも健常者でも認められる。睡眠第１期で認められることが多いが、過呼吸や光刺激で賦活される。
- RMTD
- SREDA
- ウィケット棘波
- 頭頂部鋭波
- μ律動
[編集] 脳波の賦活
限られた検査時間内で効率よく異常波を誘発・観察するため、主に以下の賦活法が用いられる。
- 開閉眼賦活法
- 安静閉眼時に開眼10秒後に閉眼させる。おもにαブロックをみるための賦活法である。
- 過呼吸賦活法（HV）
- 1分間に20回 - 30回の速さで3分 - 4分間連続して過呼吸を行わせる方法である。過呼吸によって安静時に見られなかった徐波が出現したり、振幅が大きくなることがある。このような変化をbuild-upという。10歳以下ではbuild-up自体に病的な意義がないことも多い。過呼吸を中止し1分以内にbuild-upが消失しなかったらそれも所見である。過呼吸を中止すると徐波が一度減少、消失し再び徐波化する場合をre-build upという。build-up、re-build upともにもやもや病などウィリスの大動脈輪障害における所見と考えられている。
- 光刺激賦活法（PS）
- 反復光刺激にて後頭葉の突発波を誘発させる方法である。後頭葉に光刺激の周波数に一致した、あるいは調和した脳波が出現し光駆動といわれる。
- 睡眠賦活法
- 睡眠によって突発波誘発させる方法である。自然睡眠で行う場合と薬物により睡眠を導入する場合もある。
[編集] 睡眠時脳波
| 睡眠段階 | 特徴的波形 |
|---|---|
| stage W | α波 |
| stage 1 | α波の減少、V波（hump） |
| stage 2 | 睡眠紡錘波(spindle)、K複合波 |
| stage 3 | δ波（20% - 50%） |
| stage 4 | δ波（50%以上） |
| stage REM | 低振幅脳波に急速眼球運動（REMs）が出現する |
中脳網様体―視床―皮質の連絡によって波形の成り立ちは説明される。睡眠が深くなると中脳網様体、視床、皮質の順に求心性支配が順次減少すると考えられている。
- 覚醒段階（stageW）
- 閉眼覚醒ではα波のほか、高振幅の持続性筋電図、急速眼球運動（REMs）や瞬目もしばしば出現する。このα波は皮質―皮質間の神経路で発生すると考えられている。
- 睡眠第1段階
- まどろみ期、入眠期といわれる。うとうとした状態である。覚醒時に認められたα波の連なりはリズムを失い徐々に平坦化してくる。低電位の徐波、即ちθ波が不規則に出現しβ波も混ざる。α波が覚醒期の50%以下になると睡眠第1期とする。第一段階の後半になると頭蓋頂鋭波（humpまたはV波）が出現する。頭蓋頂鋭波は左右頭頂葉優位の鈍く尖った高電位の徐波である。中脳網様体からの視床や皮質への求心性入力が減少することでα波の形成は減少すると考えられている。
- 睡眠第2段階
- 軽い寝息を立てるくらいの状態である。睡眠紡錘波（spindle）とK複合波（K complex）が出現する。睡眠紡錘波は頭頂部に出現する12Hz - 14Hz程度の波形である。K複合波は頭蓋頂鋭波に似た二相性ので高振幅の徐波とそれに続く速波で構成される複合波である。睡眠紡錘波は網様視床核がペースメーカーとなり、それが皮質に投射される、視床―皮質回路で形成されている。中脳網様体の求心性入力が減少することで視床―皮質の神経路が独立性をもち睡眠紡錘波を形成するようになる。
- 睡眠第3段階
- 2Hz以下で頂点間振幅が75μV以上の徐波（δ波）が、20％以上50％未満を占める段階である。かなり深い睡眠でありよほど強い刺激でないと知覚されない。通常の脳波検査ではこの段階までいくのは稀である。第3段階と第4段階を合わせて徐波睡眠という。視床からの求心性入力が減少することで皮質が独立性をもち多形性のδ波を形成する。
- 睡眠第4段階
- 2Hz以下、75μV以上の徐波（δ波）が50％以上を占める状態である。
- REM睡眠
- 上記の睡眠段階は主にノンレム睡眠である。レム睡眠は脳波に睡眠第一段階に類似した低振幅パターンが出現すること、急速眼球運動（REMs）が出現すること、身体の姿勢を保つ抗重力筋筋緊張低下を三徴とする。脳波のみでは睡眠第１段階とレム睡眠の区別は困難である。ナルコレプシーの患者では覚醒時から急速にレム睡眠に移行する。また、レム睡眠中に刺激を与え、起こすと夢を見ていたと述べることが多い。
[編集] 意識障害の脳波
- 軽度の意識障害
意識が清明な場合は開眼によってα波が抑制されるが、眠気があり軽い意識混濁が認められると開眼してもα波は持続して現れる。
- 中等度の意識障害
低振幅脳波や広汎性徐波を示す。音刺激などで脳波が反応することがあり、この場合は回復の可能性がある。
- 高度の意識障害
θ波などの他に、三相波、PLEDs、supression-burst,α-comaなどが認められる。
[編集] 意識障害における周期性発射
- 三相波
当初は肝性脳症で認められると報告されたが、その他の病態でも出現する。徐波が主体の脳波であり、陰－陽－陰の三相の波がほぼ同期し、頭部前方優勢に現れる。頭部前方から後方にかけて波に時間のずれが見られる。またバーストや群として現れ、振幅の減衰や抑圧が認められることもある。
- PLEDs
棘波、鋭波、あるいは複合波が1秒 - 2秒の間隔で片側性に繰り返し現れる場合をPLEDs（プレズ）という。両側に認められる場合をBiPLEDsという。
[編集] 脳の活動と周波数変化
安静・閉眼時に出現していた後頭部優位のα波は開眼すると速やかに振幅が減衰する。このように、感覚入力（体性感覚、聴覚、視覚など）、運動、覚醒状態の変化、認知活動などによって周波数成分が変わることが知られており、生理学や心理学研究で応用されている。高速フーリエ変換、周波数フィルタなどの信号処理技術が必要となる。
ある周波数成分が刺激などの事象に前後して増加することを「事象関連同期（event-related synchronization : ERS）」と呼び、減少することを「事象関連脱同期（event-related desynchronization : ERD）」と呼ぶ。
また周波数変化を利用してロボットアームなどを動かす研究（brain-computer interface : BCI）の研究も進められており、義手などへの応用が期待される。
[編集] 加算平均法と様々な解析
例えば正中神経刺激を行うと、約20ms後に対側一次感覚野の神経細胞が反応する。この反応は、背景脳波に比べて電位がかなり小さいので直接波形を観察しても見分けることはできない。これを解決するために、正中神経刺激を複数回（100回など）繰り返し、刺激に時間をそろえて加算平均（average）すると、正中神経刺激に関連した電位変化のみ観察できる。これは背景脳波は電気刺激とは無関係にランダムに発生していると考えられるため複数回平均することで打ち消しあうことを利用したものである。
加算平均を応用した方法として、体性感覚誘発電位（SEP）、聴覚脳幹誘発電位（BAEP、ABR）、視覚誘発電位（VEP）、さまざまな事象関連電位、聴性脳幹反応などがある。
[編集] 関連項目
[編集] 参考図書
- 石山陽事 『脳波と夢』 コロナ社、年、ISBN 4-339-07675-9。
- 市川忠彦 『脳波の旅への誘い 第2版』 星和書店、2006年、ISBN 9784791105991。
- 宮坂松衛・福沢等 『プリンシパル 臨床脳波―読み方を中心に』 日本医事新報社、1999年、ISBN 9784784920143。
- 大熊輝雄 『臨床脳波学』 医学書院、1999年、ISBN 4260118374。
- 大熊輝雄 『脳波判読step by step 入門編』 医学書院、2006年、ISBN 9784260002998。
- 兼本浩祐 『てんかん学ハンドブック』 医学書院、2006年、ISBN 9784260001168。
[編集] 注釈
- ^ 国際10-20法の電極配置位置は以下のように決められる。まず鼻根（N）と後頭極（I）を結ぶ線を10%、20%、20%、20%、20%、10%に分割し、前頭部から順にFpz,Fz,Cz,Pz,Ozとする。外耳孔または耳介前点（耳珠のすぐ前方で頬骨根部に触れる陥凹部）をA1（左）、A2（右）としN、I、Aを結ぶ線をつくる。Aから10％だけCzに向かう点がT3とT4である。T3,T4とFpz、Ozを結ぶ線を作り、左右にNから10%、20%、20%、20%、20%、10%と分割する。左ならば、N側から順にFpz,Fp1,F7,T3,T5,O1,Ozとなる。T3、T4から20%Czに向かうとC3、C4となる。この点は中心溝直上と考えられている。F7,Fz,F8を結ぶ線でFzとF7の中点がF3、FzとF8の中点がF4である。T5,Pz,T6を結ぶ線でPzとT5の中点がP3、PzとT6の中点がP4である。Fpz、Ozに探査電極は張らないので、基準電極をA1,A2に張る場合は21個の電極を張ることになる。正中を示すzはzeroであり、奇数ならば左側、偶数ならば右側というルールになっている。各電極は以下のようにも呼ばれる。
Fpz 前頭極正中部 F3 左前頭部 O2 右後頭部 Fz 正中前頭部 F4 右前頭部 F7 左側頭前部 Cz 正中中心部 C3 左中心部 F8 右側頭前部 Pz 正中頭頂部 C4 右中心部 T3 左側頭中央部 Oz 後頭中央部 P3 左頭頂部 T4 右側頭中央部 Fp1 左前頭極部 P4 右頭頂部 T5 左側頭後部 Fp2 右前頭極部 O1 左後頭部 T6 右側頭後部 - ^ βとγ帯域の境界の周波数は28Hzとするものなど諸説ある。
[編集] 脚注
[編集] 外部リンク
- （百科事典）「Electroencephalogram」 - スカラーペディアにある「脳波」についての項目。（英語）
- 国産第1号脳波計 木製号
- 日本での脳波研究
- 脳波判読のポイント (PDF)
- 脳波アトラス (PDF)
- 誘発電位マニュアル (PDF)
- 誘発電位アトラス (PDF)
- 誘発電位解釈のポイント (PDF)
