霊長類の脳の状態を反映させた脳デジタルツインを開発：医療技術ニュース

国立精神・神経医療研究センターは、霊長類の脳活動をリアルタイムでシミュレーションし、覚醒状態をモニタリングする「デジタルツイン脳シミュレーター」を開発したと発表した。

[MONOist]

　国立精神・神経医療研究センターは2025年2月12日、霊長類の脳活動をリアルタイムでシミュレーションし、覚醒状態をモニタリングする「デジタルツイン脳シミュレーター」を開発したと発表した。東京科学大学、沖縄科学技術大学院大学、東北大学との共同研究による成果だ。

「デジタルツイン脳シミュレーター」のシステム。データ同化は、潜在状態から仮想ECoGを生成するプロセスと、生成ECoG信号と観測ECoG信号の誤差から潜在状態を更新するプロセスによって成り立つ。［クリックで拡大］ 出所：国立精神・神経医療研究センター

　臓器デジタルツインとは、ヒトの臓器の機能を数理モデルで表現し、実際の生体信号に基づいてリアルタイムでモデルを同期させる。これにより、臓器の状態を正確に反映できる。

　研究では、マカクザルの覚醒または麻酔状態での皮質脳波（ECoG）データを用いて、デジタルツイン脳シミュレーターとして変分ベイズ回帰型神経回路モデルを開発した。同モデルでは、異なる階層の潜在的な脳活動を表現し、仮想的なECoG信号を高精度に予測生成する。また、予測と観測の誤差に基づき、リアルタイムに潜在状態を推測して予測を更新するデータ同化技術を活用している。

　未知の個体データを用いたシミュレーションでは、脳の潜在状態をリアルタイムで推定し、覚醒状態から麻酔状態への変化を認識できた。麻酔時の潜在状態変化を引き起こした仮想的薬物投与シミュレーションでも、生成されたECoG信号が麻酔や覚醒時の特徴を十分に表現することを確認した。

（A）予測誤差の低さから、観測したECoGと類似した波形のECoGの生成に成功していることが分かる。（B）全脳レベルの潜在状態の変化（灰色）の観察で、覚醒状態から麻酔状態への変化が分かる［クリックで拡大］ 出所：国立精神・神経医療研究センター

　モデル内での各脳領域への情報伝達量から、覚醒度の変化に重要な役割を担う機能的ネットワークを同定。これらのネットワークに介入した場合に生成されるECoG信号の変化から、効率的に覚醒状態に介入できる機能的ネットワークを発見した。

　研究グループは、脳活動と感覚信号を統合的にモデル化し、精神および神経疾患における情報処理の変調を再現する研究を進めている。個体ごとの脳機能をリアルタイムかつデータ駆動的にシミュレーションする技術は今後、精神および神経疾患の病態解明や個別化治療につながることが期待される。