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P300-based BMIとは

　ブレイン・マシン-インタフェース(Brain-Machine Interface, BMI)もしくは， ブレイン・コンピュータ-インタフェース(Brain-Computer Interface; BCI)は 脳から生じる信号を機器の制御命令へと変換するインタフェースです． BMIにはさまざまな種類がありますが， 頭皮から計測した脳波を用いて機器を精度よく機器を制御することのできるBMIの一つである P300-based BMIが実用に近いと考え，それに焦点を当てた研究を行っております （P300-based BCI, P300型BMIとも呼ばれます）．

　P300-based BMIは，入力したい命令に対応する刺激の出現を 心の中で数えた際に生じる脳波を機器制御命令に変換するBMIです． P300-based BMIを用いて文字入力を行うP300 spellerはその代表例です． P300 spellerを右のGIFアニメーションを用いて説明します． このシステムは脳波計，コンピュータ（PC），モニタから成ります． ユーザの頭皮には脳波計測用の電極が取り付けられており， BMIが操作できる状態となっております． BMIを用いて文字を入力するため， ユーザはモニタを見ながら次の課題を行います．

P300 speller

  1. ユーザはBMIを用いて画面左上に表示された文字(Target)を 入力するよう指示されます．
    今回は「J」を入力するように指示が与えられています．
  2. 画面中央には灰色の文字が並んでいますが， ユーザはその中の入力する文字を見つめ，それが白く光ったときに 心の中で数を数えます．
    　今回は画面中央付近にある灰色の「J」を見つめます． 灰色の文字は行ごと，列ごとに白く光りますので 入力する文字が光ったら心の中で数を数えます． 「J」が１回目出現したときに「１」，２回目出現したときに「２」 といった具合で口に出さず，指折りなどもせずに心の中で数えていきます． 今回は「J」の出現を合計６回数えます（典型的には３０回分数えます）．
  3. BMIシステムは課題中に計測した脳波信号を解析して，ユーザが入力しようとした文字を推定し， 画面右上(Output)に結果を表示します．
    　ユーザの頭皮に電極が取り付けられており， 課題中の脳波信号は増幅され，PCに取り込まれます． PCでは脳波信号に信号処理や機械学習を施して， ユーザが入力しようとした文字を推定します． このBMIは低頻度の刺激に対して心の中で数を数えるといった 事象に関連してみられる脳波， すなわち事象関連電位(ERP)を活用します． 以上の課題を行った際，数える文字が白く変化した際の脳波を切り出し 平均をとると刺激呈示後300ミリ秒付近に頭のてっぺんを中心とした 大きな振幅を持つ脳波成分が見られます． これはP300と呼ばれるERPの成分の一つです（P3と呼ばれることもあります）． このBMIはP300を含むERPを手掛かりにして ユーザが入力しようとした文字を推定しています．
  4. 入力しようとした文字(Target)と，脳波から推定した文字(Output)が一致すれば入力成功です．
    　コンピュータから指示された文字が正しく入力できる状態となれば， 指示された文字だけでなく，ユーザは自分の好きなように文字が入力できるようになります． 文字を選択し画面に出力するだけでなく，車椅子を前後左右に動かす命令や， スマートホームの照明を点灯する命令， 挨拶文のリストの中から「こんにちは」を選びスピーカから再生する命令なども 用意することができます．

　P300-based BMIは十分な訓練データと刺激提示時間があれば 多くのユーザが識別精度100%で操作できることが確認されています． この方式は上記の画面からの視覚刺激だけでなく，スピーカからの聴覚刺激， 手に付けた振動子からの触覚刺激を用いることができます． そのため，このBMIは目や耳，触覚のいずれかから情報を得られ， 意識がはっきりしている方が使用できると考えます． しかしながら，現状ではこのBMIはストレスなく自由に操作できるわけではないため， 実用化のためには，この方式の更なる改善が必要です． 例えば信号処理や機械学習を工夫した脳波信号検出技術の向上や， より区別しやすい脳波信号が得られる刺激の工夫などが必要です．