「脳と体をモニターするイヤホン」

「脳と体を監視するイヤホン」

<img alt="プロトタイプイヤーバッドの製造過程。プリントセンサー（中央）がフレキシブル基板（上部）と接着され、両面粘着テープを使用して最適なセンサー組立エリア（下部）にイヤーバッドの外側に組み立てられています。写真提供元：カリフォルニア大学サンディエゴ校

イヤーバッドは耳の中に挿入されるため、脳に物理的に近い位置にあり、電気脳波（EEG）として知られる高品質の神経信号を確実に記録することができます。カリフォルニア大学バークレー校（UC Berkeley）の准教授リッキー・ミュラーは、バークレー無線研究センターの共同ディレクターであり、バカール賞の受賞者でもあります。彼女はイヤーEEGの開発に取り組んでいます。イヤーEEGは、皮膚上で観察される微小な電圧変化を通じて脳活動のダイナミクスを測定する方法です。

ミュラーは、「イヤーEEGは非常に有望な技術です。実際に、グローバルな市場としては、スマートイヤーバッドがスマートウォッチなど他のウェアラブルよりも速く成長しています」と述べています。「耳の中の耳道は、脳や目、顔の筋肉に近い特異な位置にあり、EEGだけでなく目や顎の動きも記録することができます。これらの信号の組み合わせにより、眠気、睡眠、発作、認知症などのモニタリングが可能になります。」

イヤーEEGの記録機能付きイヤーバッドは、Google Xのスタートアップ企業NextSenseによって医療市場向けに準備されています。「イヤーバッドは脳の側頭葉に近い位置にあり、音声と聴覚処理に重要な領域です。そのため、NextSenseは外傷性脳損傷、睡眠障害、てんかんだけでなく、脳卒中、アルツハイマー病、パーキンソン病など神経変性疾患の発症を予測することを目指しています。」とNextSenseのCEOであるジョナサン・ベレント氏は述べています。

NextSenseは、2019年以来インイヤーEEGを使用して睡眠障害とてんかんの診断と追跡を行ってきました。ベレント氏は、これらの試験の結果は2024年に査読付き学術雑誌に掲載されると予想しています。

• 「OpenAIのGPTストアで稼ぐための11のカスタムGPTアイデア」
• 自撮りがコミュニケーション手段としてどのように使われているかを説明するための研究が進行中であることが明らかになった
• アルゴリズムが加齢による眼の病気の早期発見を支援する

カリフォルニア大学サンディエゴ校（UC San Diego）ジェイコブス工学部生物工学教授のヘルト・カウエンベルヒス氏の研究室では、耳道で利用可能な多くの信号を検出する先駆的な研究を査読付き学術雑誌に発表しています。カウエンベルヒス氏の研究室では、脳からのEEGデータの他にも筋肉活動（筋電図、EMG）、皮膚の導電性（皮膚伝導活動、EDA）、眼球運動（眼球電図、EOG）、さらには心拍数、血液酸素飽和度、発汗によって分泌される化学バイオマーカーなど、将来の医療用イヤーバッドに含める可能性のある信号を探求しています。

カウエンベルヒス氏は、「耳道で検出できる脳および体の状態に関する診断基準を作り出すことが私たちのビジョンです。イヤーバッドを強力な脳・体感知デバイスに変えることが目標です。」と述べています。

UC San Diegoのカウエンベルヒス氏の研究グループは最近、世界で初めてのコンセプト証明となるイヤーバッドのプロトタイプを発表しました。このプロトタイプでは、耳道での電気および化学バイオマーカーのモニタリングが可能であることを示しました。現在のプロトタイプイヤーバッドは、電気活動（EEG、EMG、EDA、EOG）だけでなく、汗中の乳酸レベル（ラクテートレベル）などの化学バイオマーカーレベルも同時にモニタリングします。激しい運動（固定自転車での運動）中に、モニタリング装置は汗中の乳酸レベルの上昇と電気活動の変調との直接的な相関関係を検出し録音しました。これにより、研究者たちはイヤー内での代謝と電気バイオマーカーのモニタリングが、現在の医療機関が使用する大型機器や血液検査から解放される可能性を実証しました。カウエンベルヒス氏は、スマートイヤーバッドが継続的な健康モニタリング、診断、そして最終的には治療中に連動して電気および化学センサーを相関させることができると主張しています。

イヤホンはすでにスマートフォンと広く使われていますが、カウエンベルフス研究室のプロトタイプは、市販のイヤホンに彼らの電気的および生化学的センサーを追加することでこれを利用しました。最初のステップは、商業用イヤホンの外側の各センサーの電極の理想的な位置を特定することでした。このレイアウトが完了し、ステンシルが切られると、チームは柔軟な150マイクロン厚のテレフタル酸ポリウレタン（TPU）基板に活性層を一層ずつスクリーンプリンターで堆積させました。

柔軟性のために蛇行パターンで配置された導電性トレースには銀（Ag）インクが使用され、その後トレースは絶縁層で覆われました（ただし、感知電極が強化されたAg層を受ける端部を除く）。生化学的トレースは、汗の収集を容易にするハイドロゲル層で補強されました。化学的センシングには、触媒強化型の電気化学アンペロメトリ（CA）技術を使用して、汗中の乳酸濃度に比例するセンシング電流を生成します。

プロトタイプでは、電気的および生化学的センサーを重ねた柔軟な基板を市販のイヤホンの外側に取り付け、それらの電極が事前に決定された理想的な位置で耳管に触れるようにしました。製品では、EEG電圧とCA電流を検出するための電子機器はイヤホンの内部に組み込まれますが、プロトタイプでは電子機器は外部に取り付けられました。グループは以前の研究で、必要な電子機器をわずか0.8マイクロワット消費するカスタム65ナノメートルのCMOSチップでイヤホンの中に収容できることを示していました。

UC San Diegoチームの目標は、耳栓の診断信号を脳への治療的な音声で返すフィードバックループを閉じることです。カウエンベルフスは「次のステップは、私たちのイヤホンに基づく診断および治療アプリケーションの豊富なウェアラブルを大規模な人口プールを対象に臨床的に検証することです」と述べています。

UC San Diegoの診断目標は、脳波、生体信号、および化学バイオマーカーの耳栓の計測結果と身体の相互作用をリアルワールドの状況で監視し、脳波パターンと身体の化学バイオマーカーを相関させることです。

プロジェクトの一つであるUC San Diegoの元博士研究員で現在はAizipの研究員であるYuchen Xuによれば、治療目標は神経可塑性（新しいシナプスの形成）および血管新生（新しい血管の形成）を向上させることです。スマートイヤホンを使って脳／身体を監視して適切な刺激を行うことによって、脳／身体の状態を診断し、その治療的な応答を学んだ後、そのフィードバックをイヤホンを通して脳／身体の状態を改善するために提供することを目指しています。

Xuは「計画は、人々の脳／身体の状態を測定し、彼らをより良い状態に導くための適切なフィードバックを学ぶことです」と述べています。

たとえば、耳鳴りなどの医療状態は、適切なイヤホン音声によってフィードバックループを閉じることで治療することができます。また、心血管疾患もイヤホンのフィードバック療法によって緩和される可能性があります。同様に、睡眠障害は適切な脳波を刺激する音声を使ってフィードバックループを閉じることで改善できます。

カウエンベルフスは「深い睡眠は年を取るにつれて健康状態を悪化させる一因であり、その改善には脳をより深い睡眠に導く音を再生する方法はありません」と述べています。また、「目覚めている間により快い感情を喚起することも可能です」とも述べています。

たとえば、自律感覚メリディアン反応（ASMR）は、オーディブルな「トリガー」を再生してストレスを軽減し、良い気分を引き起こす人気のリラクゼーションテクニックです。ASMRは現在オープンループであり、ストレス軽減を求める人々はオンラインで2500万以上のASMRサウンドトラックを使って試行錯誤をしなければなりません。しかし、フィードバックループを閉じるためにスマートイヤホンを使用すれば、アルゴリズムがそれぞれの個別の個人に適切なトリガーを再生する方法を学習することができるとカウエンベルフスは述べています。

​​R. Colin Johnsonは京都賞フェローであり、20年以上にわたってテクノロジージャーナリストとして活動しています。

We will continue to update VoAGI; if you have any questions or suggestions, please contact us!