投稿者: 
脳の神経活動の血流変化（血中酸素濃度）のモデリング
近年の脳研究において、機能的磁気共鳴画像法（functional Magnetic Resonance Imaging: fMRI）の利用が一般的となっている. fMRIにおける解析では、脳活動に伴う血流変化を統計的に解析するが、その際には、血流が一定のパターンで変化すると仮定する. この仮定のもとで、実際の血流変化を観察し、仮定されたモデルと比較する. このモデルとして代表的なものが「ヘモダイナミックレスポンス関数」（Hemodynamic Response Function: HRF）である.
HRFは、BOLD（Blood Oxygenation Level Dependent）効果として知られる現象をモデル化している. BOLD効果は、神経活動に伴う血中酸素濃度の変化を反映し、その結果として得られる信号（BOLD信号）を解析対象とする. BOLD信号は以下のような経過をたどることが知られている.
- 初期段階（0秒〜5〜6秒）
- 神経活動が開始すると、脳への血流が増加する.
- 約5〜6秒後にBOLD信号がピークに達し、最も強い信号が観測される.
- 下降段階（5〜6秒〜10〜12秒）
- ピークを過ぎると、BOLD信号は減少し、ベースライン（基準値）に向かって下がっていく.
- この過程で、一時的に信号がマイナス方向に落ち込む「アンダーシュート」が観察される.
- 回復段階（10〜12秒〜約15秒）
- アンダーシュート後、BOLD信号は約15秒かけてベースラインに戻る.
- 休止段階（15秒以降）
- 神経活動が終了すると、BOLD信号は安定し、次の神経活動が始まるまでベースラインを維持する.
このように、HRFはBOLD信号の時間的な変化をモデル化することで、脳活動と血流の関係を明らかにする重要な役割を果たしている.
参考文献
- 横山悟. (2010). 脳からの言語研究入門: 最新の知見から研究方法まで.
- Rangaprakash, D., Tadayonnejad, R., Deshpande, G., O’Neill, J., & Feusner, J. D. (2021). FMRI hemodynamic response function (HRF) as a novel marker of brain function: applications for understanding obsessive-compulsive disorder pathology and treatment response. Brain imaging and behavior, 15, 1622-1640.