2026-11-11 ペンシルベニア州立大学（Penn State）
ペンシルベニア州立大学などの研究チームは、神経への電気刺激によって生じる触覚が、繰り返し刺激によって次第に弱く感じられる「馴化」の問題に対し、感覚を長時間維持する刺激条件を明らかにした。健康な成人10人を対象に、皮膚上の電極から末梢神経を刺激するとともに、機能的近赤外分光法（fNIRS）を用いて脳活動を計測した。その結果、5秒間の刺激と40秒間の休止を組み合わせる条件では、約45分間、約60回繰り返しても、参加者が感じる刺激の強さが低下しなかった。一方、脳内では体性感覚野を起点として活動領域が時間とともに変化し、複数の脳領域が感覚処理に関与することが示された。赤外光による非侵襲的な脳活動計測と神経刺激条件の最適化を組み合わせた本研究は、将来的に義手の触覚フィードバックを安定させるほか、脳卒中や切断後の感覚機能回復を支援するリハビリテーション技術への応用が期待される。なお、今回の実験は健康な成人を対象としたものであり、患者への有効性は今後の検証課題である。
＜関連情報＞
- https://www.psu.edu/news/research/story/infrared-beams-could-illuminate-path-towards-stronger-brain-body-connections
- https://ieeexplore.ieee.org/document/11715819
最適化された神経刺激中の時間的増強のfNIRSによる特性評価 fNIRS Characterization of Temporal Potentiation During Optimized Nerve Stimulation
Susan K. Coltman; William B. Riggs; Androu Abdalmalak; Xiaogang Hu
IEEE Transactions on Medical Imaging Published:29 September 2026
DOI:https://doi.org/10.1109/TMI.2026.373827
Tii-summary
体性感覚フィードバックを安定的に回復させる技術として、経皮的神経刺激（TNS）が注目されている。本研究では、持続的な神経刺激に伴う大脳皮質の活動変化を、機能的近赤外分光法（fNIRS）によって解析した。10人の参加者を対象に、刺激時間を2秒、5秒、10秒に設定した最適化実験と、45分間の持続刺激実験を実施し、脳の血行動態反応を評価した。その結果、5秒間の刺激が最も高い反応振幅と良好な時間特性を示し、10秒間の刺激では反応の有意な遅延が認められた。また、持続刺激中の皮質反応は直線的に減衰せず、初期の限られた活動領域から、時間の経過とともに感覚運動ネットワーク全体へと活動が拡大する「時間的増強」が確認された。特に、左後頭頂皮質（ブロードマン領域5）が継続的な情報統合の中心として機能し、一次体性感覚野では遅れて活動が現れる動的変化が観察された。本研究は、神経刺激の時間条件が脳活動の空間的・時間的変化を左右することを示しており、個人の脳活動に応じて刺激を調整する閉ループ型神経刺激システムや、義肢の感覚フィードバック、神経リハビリテーション技術の開発に向けた基礎的知見を提供する。
Transcutaneous nerve stimulation (TNS) is a promising approach for restoring stable somatosensory feedback. This study investigated cortical activity during sustained nerve stimulation using functional near-infrared spectroscopy (fNIRS). Ten participants underwent stimulation optimization with durations of 2, 5, and 10 seconds, followed by a 45-minute sustained stimulation experiment. Hemodynamic responses were analyzed to characterize the temporal and spatial dynamics of cortical engagement. The results showed that 5-second stimulation produced the highest canonical response amplitude with optimal dispersion characteristics, whereas 10-second stimulation resulted in significant temporal delays. During sustained stimulation, cortical responses did not exhibit linear decay. Instead, temporal potentiation was observed, characterized by a transition from sparse early activation to widespread recruitment across the sensorimotor network. The left posterior parietal cortex (Brodmann area 5) served as a continuous integration hub, while primary somatosensory regions demonstrated dynamic late-onset engagement. These findings indicate that stimulation timing plays an important role in shaping the spatiotemporal characteristics of cortical activity. The study provides fundamental insights for developing adaptive, closed-loop nerve stimulation systems guided by real-time hemodynamic biomarkers, with potential applications in sensory feedback for prosthetic devices and neurorehabilitation.
Transcutaneous nerve stimulation (TNS) is a promising approach for restoring stable somatosensory feedback. This study investigated cortical activity during sustained nerve stimulation using functional near-infrared spectroscopy (fNIRS). Ten participants underwent stimulation optimization with durations of 2, 5, and 10 seconds, followed by a 45-minute sustained stimulation experiment. Hemodynamic responses were analyzed to characterize the temporal and spatial dynamics of cortical engagement. The results showed that 5-second stimulation produced the highest canonical response amplitude with optimal dispersion characteristics, whereas 10-second stimulation resulted in significant temporal delays. During sustained stimulation, cortical responses did not exhibit linear decay. Instead, temporal potentiation was observed, characterized by a transition from sparse early activation to widespread recruitment across the sensorimotor network. The left posterior parietal cortex (Brodmann area 5) served as a continuous integration hub, while primary somatosensory regions demonstrated dynamic late-onset engagement. These findings indicate that stimulation timing plays an important role in shaping the spatiotemporal characteristics of cortical activity. The study provides fundamental insights for developing adaptive, closed-loop nerve stimulation systems guided by real-time hemodynamic biomarkers, with potential applications in sensory feedback for prosthetic devices and neurorehabilitation.
出典：IEEE Xplore、bioRxiv公開抄録、Penn State研究紹介。公開抄録に基づく要約です。
