振動性経頭蓋電気刺激と振幅変調周波数がフォスフェンの定量的特徴を決定する
振動性経頭蓋電気刺激と光幻覚知覚の定量的特徴に関する研究
背景紹介
光幻覚（phosphene）とは、外部の視覚刺激がないにもかかわらず、光点を感知する現象です。この現象は、視覚神経科学や意識研究において重要な意義を持ちます。なぜなら、脳が神経活動と知覚内容をどのように結びつけるかを理解するのに役立つからです。過去の研究では、視覚皮質への直接的な電気刺激や経頭蓋磁気刺激（TMS）を適用することで光幻覚を誘発できることが示されています。近年、経頭蓋交流電気刺激（transcranial alternating current stimulation, TACS）も光幻覚を引き起こすことが証明されていますが、その背後にあるメカニズムはまだ明確ではありません。TACSは電場のリズミックな変化と極性の交互切り替え（興奮相と抑制相）を伴うため、光幻覚知覚の正確なメカニズムを解明することが困難です。
電場のリズミックな変化と極性切り替えが光幻覚知覚に及ぼす影響を区別するために、本研究では振動性経頭蓋直流電気刺激（oscillatory transcranial direct current stimulation, oTDCS）を採用しました。TACSとは異なり、oTDCSでは電流振動が単一の極性（陽極または陰極）に限定されるため、極性切り替えの影響を排除できます。TACSとoTDCSが光幻覚知覚に及ぼす影響を比較することで、本研究は電流振動が光幻覚知覚において果たす役割を明らかにし、振幅変調（amplitude modulation, AM）周波数が光幻覚知覚に及ぼす影響を探求することを目的としています。
論文の出典
本論文は、Che-Yi Hsu、Tzu-Ling Liu、Chi-Hung Juanによって共同執筆されました。彼らは台湾国立中央大学の認知神経科学研究所および認知知能と精密ヘルスケア研究センターに所属しています。論文は2025年にEuropean Journal of Neuroscience誌に掲載され、タイトルは「Oscillatory transcranial electrical stimulation and the amplitude-modulated frequency dictate the quantitative features of phosphenes」です。
研究の流れと実験設計
1. 実験対象と設計
本研究では、視力が正常または矯正視力が正常な37名の参加者を募集し、神経疾患やてんかんの病歴を持つ個人を除外しました。最終的に、25名の参加者（男性13名、女性12名、年齢20～45歳）が実験を完了しました。実験は被験者内設計を採用し、各参加者は1週間間隔で3回研究室を訪問しました。各訪問では、参加者は単一の極性の刺激（陽極oTDCS、陰極oTDCS、またはTACS）を受け、4つの刺激ブロックでテストを行いました：閾値レベルの正弦波（18 Hz）、閾値レベルのAM波（2 Hz変調の18 Hz）、超閾値正弦波、および超閾値AM波。
2. 実験装置と刺激パラメータ
実験は、薄暗い部屋で行われ、参加者は24インチのLCDディスプレイから60 cmの位置に座りました。刺激は128チャンネルの弾性キャップ（Geodesic Transcranial Electrical Neuromodulation, GTEN）を使用して適用され、後部の20個の電極を選択して電流を送信しました。oTDCSの刺激強度は0～2000 μAの範囲で、TACSの刺激強度は-1000～1000 μAの正弦波またはAM波形でした。
3. 実験の流れ
各条件では、初期テスト強度を装置の最大出力である2000 μAに設定しました。参加者がこの強度で光幻覚を感知できない場合、実験から除外されました。閾値強度は、改良された二分探索法（Modified Binary Search, MOBS）を使用して決定され、超閾値強度は閾値の120％に設定されました。正式な実験では、閾値と超閾値強度の両方が含まれ、各条件で10回の試行が行われました。各試行では、参加者は5秒間の刺激を受け、光幻覚を感知したらスペースキーを押して反応時間を記録しました。その後、参加者はマウスを使用して画面上に光幻覚のパターンを描き、刺激終了後に明るさ、点滅頻度、および信頼度を報告しました。
主な結果
1. 閾値強度
研究によると、AM刺激の光幻覚閾値は正弦波刺激よりも有意に高かった（1284.33 ± 86.78 μA vs. 1079.47 ± 42.62 μA）。しかし、極性（陽極oTDCS、陰極oTDCS、TACS）は閾値に有意な影響を与えませんでした。
2. 反応時間
反応時間は、刺激の極性、AM条件、および強度の影響を受けました。TACSの反応時間は陰極oTDCSよりも有意に速かったですが、陽極oTDCSとは有意な差はありませんでした。正弦波刺激の反応時間はAM刺激よりも有意に速く、超閾値強度の反応時間も閾値強度よりも有意に速かったです。
3. 明るさの評価
陽極oTDCSによって誘発された光幻覚の明るさは、陰極oTDCSおよびTACSよりも有意に高かったです。超閾値強度の明るさ評価も閾値強度よりも有意に高かったです。
4. 点滅頻度の評価
AM条件での点滅頻度評価は、正弦波条件よりも有意に低かったです。超閾値強度では、陽極AM oTDCS条件でのみ点滅頻度評価が有意に向上しました。
5. 信頼度
超閾値強度の信頼度は、閾値強度よりも有意に高く、特に陽極AM oTDCSおよびTACSの正弦波条件でこの差が顕著でした。
6. 光幻覚のサイズ
正弦波刺激によって誘発された光幻覚の面積は、AM刺激よりも有意に大きく、超閾値強度の光幻覚の面積も閾値強度よりも有意に大きかったです。
結論と意義
この研究は、振動性電気刺激（TACSおよびoTDCSのいずれも）が光幻覚知覚を効果的に誘発できることを示しています。電流振動は光幻覚生成の鍵となる要素であり、極性は光幻覚の知覚品質（明るさや反応時間など）に影響を与えます。さらに、AM周波数は光幻覚の点滅頻度知覚において主導的な役割を果たし、キャリア周波数とは独立していることがわかりました。これらの発見は、神経振動が視覚知覚において果たす重要な役割を明らかにし、将来の視覚補綴技術の研究に新たな視点を提供します。
研究のハイライト
- 革新的な実験設計：TACSとoTDCSを比較することで、本研究は電場のリズミックな変化と極性切り替えが光幻覚知覚に及ぼす影響を区別することに成功しました。
- AM周波数の主導的役割：研究により、AM周波数が光幻覚の点滅頻度知覚において主導的な役割を果たすことが明らかになり、視覚知覚における時間周波数符号化の理解に新たな視点を提供しました。
- 極性が知覚品質に及ぼす影響：陽極oTDCSによって誘発された光幻覚の明るさは、陰極oTDCSおよびTACSよりも有意に高く、極性が閾値強度とは独立して光幻覚の知覚品質に影響を与えることを示しています。
その他の価値ある情報
この研究の限界には、試行回数が少ないことや、実験設計のブロック構造が予測的判断を引き起こす可能性があることが含まれます。今後の研究では、試行回数を増やし、インタリーブ試行設計を採用することで結果の堅牢性を高めることができます。また、研究では、光幻覚研究において高コントラストの注視点を使用しないことを推奨しており、光幻覚知覚への干渉を減らすことが提案されています。
この研究を通じて、光幻覚知覚のメカニズムに対する理解が深まり、神経振動に基づく視覚補綴技術の開発に重要な理論的支援が提供されました。