頭皮に柔らかく密着し、脳信号を長時間読み取りやすく
広西大学、広西医科大学、清華大学の研究者らは、安静時に14時間にわたって行った試験で、視覚的な文字入力課題の正確度が94％を超えたハイドロゲル電極を開発した。別の実験では、参加者が歩行、食事、読書、睡眠をしている間、電極は8時間にわたり安定した脳信号を記録した。
目次
npj Flexible Electronicsに掲載されたこの装置は、ブレイン・コンピューター・インターフェース（BCI）が抱える実用上の課題、すなわち、動いている人にセンサーを長時間、安定して接触させることに取り組むものだ。従来の電極は、導電性ゲルが乾燥したり、頭皮との接触位置がずれたりすると、信号の質が低下することがある。
研究者らはこの装置を「皮膚模倣型適応勾配電極」と呼ぶ。構造は段階的に変化し、頭皮に触れる面は柔らかく、電子機器につなぐ端はより硬い。素材内部の孔の大きさも変化しており、電気的接触を保つのに必要な電解質を放出しやすくしている。
最も高い文字入力成績は、参加者が点滅する仮想キーボードを見つめる課題で得られた。動く視覚標的を使った別の課題でも、正確度は90％を超えた。日常の活動中に記録した実験結果と合わせると、厳密に管理された実験室での試験にとどまらず使える機器につながる可能性が示されている。
将来、こうしたシステムを使って意思を伝えたり、長時間のモニタリングを受けたりする人にとって、数分間の実演に成功することと同じくらい、安定した接触を保つことが重要だ。装着者が姿勢を変えたり、休んだり、日常の活動をしたりしている間も、センサーは有用な情報を取り続けなければならない。
文字入力試験の内容
研究チームは電極を市販の脳波（EEG）キャップに取り付けた。EEGは頭皮上のセンサーを通じて、脳に関連する電気活動を測定する。BCIでは、コンピューターのソフトウエアが測定値を処理し、特定のパターンをコマンドに変換する。
安静時の実験は14時間にわたり、参加者は1時間ごとに試験を受けた。動かずに行う文字入力課題では、参加者が仮想キーボード上で点滅するキーを見て、1から9までの数字と日付を入力した。正確度は94％を超えた。
視覚誘導型BCIは、見ているものに対する脳の反応を利用する。キーボードは選択肢を体系的に提示し、システムは記録された反応から意図された選択を特定する。そのため参加者は、実際にキーを押すのではなく、画面に注意を向けることで意思を伝える。
もう一つの課題では、色付きの線が仮想の四角形の上を移動する間、参加者は指定された標的に集中した。正確度は90％を超えた。ここで動いていたのは視覚課題の要素であり、日常の身体活動中に行った8時間の記録は別の実験によるものだ。
この違いを踏まえると、結果の実用的な意味が分かりやすい。この研究では、通常の動作中も電極が脳波記録を維持できるかどうかと、長時間の安静セッションで繰り返し行うBCI試験において正確な選択を支えられるかどうかの両方を調べた。
従来の電極で性能が低下する理由
従来の湿式EEG電極は一般に、硬い金属部品と導電性ゲルを組み合わせている。ゲルは皮膚とセンサーの接触部分で電気信号が伝わるのを助ける。水分が蒸発すると、その接続は不安定になる。
研究者らによると、従来の湿式電極で安定した動作が期待できる時間は通常約2～4時間だ。市販のゲル電極との比較では、乾燥により約4～5時間後にほぼ使用できなくなった記録チャンネルもあった。チャンネルとは、EEGシステム内の個別の記録接続を指す。
動きも別の課題となる。硬い電極は柔らかくしなやかな皮膚に接するが、装着者が動くと両者は異なる反応を示す。わずかなずれでも、モーションアーチファクトと呼ばれる不要な電気的変化が生じ、脳信号の特定が難しくなる。
電極全体を柔らかくするだけでは、この問題の一部しか解決できない。頭皮に触れる面には柔軟性が必要だが、記録機器との接続部には機械的な支えが必要となる。新しい設計では、同じ電極の部位ごとに異なる特性を持たせている。
ハイドロゲルを柔らかい部分から硬い部分へ変化させる仕組み
ハイドロゲルは水分を保持するポリマーの網目構造だ。この電極では、研究者らは導電性ポリマーと銀ナノシートを含む前駆体混合物を型に流し込み、凍結させて初期構造を形成した。
その後の凍結・解凍サイクルでは、一方の側を加熱し、反対側を冷却した。こうして生じた温度差により、素材全体が均質な性質を持つのではなく、内部構造に偏りが生まれた。
製造の仕組みには、表面張力の差によって液体内部に流れが生じるマランゴニ効果が関与する。研究者らは温度勾配を使って架橋、すなわちポリマー網目内の結びつきの形成に偏りを生じさせた。その結果、一部の領域では他の領域より密な網目構造ができた。
完成した電極では、硬さが段階的に変化する。柔らかい端は頭皮により密着し、硬い端は回路との接続を支える。この設計は、層によって機械的特性が異なる皮膚から着想を得ている。
電極内部の孔も、全体にわたって段階的に変化する。研究者らによると、この構造は電解質の持続的な放出を支える。電解質には移動可能な帯電粒子が含まれ、電気の伝導を助けるため、接触面への供給を保つことで時間が経過しても記録接続を維持しやすくなる。
この素材は、動きに対応できる物理的接触と、装着中に長持ちする導電性界面という、関連する二つのニーズに一つの構造で応える。
日常活動中の8時間で起きたこと
人を対象にした記録実験では、8チャンネルのEEGキャップを使い、データをコンピューターに無線送信した。参加者はキャップを装着して歩行、食事、読書、睡眠を行い、8時間にわたり安定した記録が維持された。
これらの活動は、電極と頭皮の接触にそれぞれ異なる負荷をかける。歩行では繰り返し動きが生じ、食事では頭部周辺の筋肉が動き、睡眠中には頭を置く姿勢が変わる。こうした幅広い状況で記録を使える状態に保つことは、EEGの利用を静止状態に依存させないという研究チームの取り組みの要となる。
報告された試験時間は、次の三つの具体的な節目として捉えられる。
- 約4～5時間後、比較実験では市販のゲル電極を用いたチャンネルの一部がほぼ使用できなくなった。
- 日常活動中の8時間にわたり、勾配電極は安定したEEG記録を維持した。
- 14時間に及ぶ安静セッションでは、視覚的な文字入力の反復試験で正確度が94％を超え、動く視覚標的の課題でも90％を超えた。
日常活動中に安定した記録を維持した8時間は、研究者らが従来の湿式電極で一般的とする2～4時間の上限のおよそ2倍にあたる。より長い安静セッションは、身体の動きが少ない別の条件で性能を試した。
この研究で扱ったのは、長時間記録と特定の選択課題だ。将来の利用者にとっての実用的な利点は、モニタリングやコミュニケーションのセッション中にセンサー接続が劣化して生じる中断を減らせることだろう。
実験室での試作から装着型デバイスへ
研究チームによると、この製造工程では一度に300個の電極を作製でき、寸法は市販のEEGキャップに合わせて調整できる。既存のキャップとの互換性があれば、頭部周辺にセンサーを配置するためにすでに使われている機器への導入につながる。
研究者らは、この工程は妥当なコストでの生産に適しているとしている。研究の説明では、電極1個あたりの価格、商用化の時期、参加者の総数、文字入力の速度は示されていない。こうした情報があれば、手頃な価格であるか、結果が利用者間でどの程度一貫するか、どれほど速く意思疎通ができるかを判断しやすくなる。
人を対象とした実験の前に、チームはマウスで生体適合性を試験し、有害反応は見られなかったと報告した。生体適合性とは、有害な反応を引き起こすかどうかを含め、素材が生体組織とどのように相互作用するかを指す。
製造と適合性に関する知見は、正確度の数値と同じく重要だ。繰り返しの使用を想定した装着型電極には、強い電気信号に加え、再現性のある構造、適切な装着感、皮膚との良好な接触が必要となる。
中国のBCI研究における位置づけ
中国信息通信研究院は2025年BCI研究報告書で、電極の品質と装着時の快適さを重要な開発分野に挙げている。同報告書の事例からは、センサーと身体の接触を改善するため、研究者らが複数の手法に取り組んでいることが分かる。
中山大学の研究者らは、マイクロニードルを使った乾式電極パッチを開発した。同院の報告書によると、この設計は従来の平坦な構造に比べて信号の質を高め、個々のマイクロニードル単位で信号精度を達成した。
ドイツのイルメナウ工科大学は、花のように配置した傾斜ピンを備える乾式電極を開発した。報告書によると、この配置は座位や仰向けでの快適性を高め、長時間ベッドで過ごす人に適している。
ハイドロゲルを使うチームの手法は、硬さの段階的な変化と電解質の持続的な供給という、異なる特性の組み合わせに重点を置く。これらの設計に共通する実用上の目標は、長時間の装着で不快感や不安定さを招くことなく、有用な信号を集めることだ。
同院によると、世界のBCI企業の80％超は非侵襲型技術に取り組み、約20％は侵襲型の手法を開発している。非侵襲型が多数を占める背景には、安全面の利点、市場での受け入れやすさ、開発費の低さ、商業化までの期間の短さがあるという。
長時間記録が医療で重要な理由
高齢者や慢性疾患の患者は、装着型デバイスによる長時間の記録から恩恵を受ける可能性がある。同院の報告書は、安定したモニタリングを長期間必要とするケアには、継続的なデータ収集が適していると指摘している。
具体例の一つが睡眠だ。報告書は既存の非侵襲型脳健康製品として消費者向け睡眠モニタリング機器を挙げ、医療用途として研究が進む分野に睡眠障害を含めている。横になって姿勢を変えても接続を維持できる電極は、この用途における実用上のニーズに応える。
ハイドロゲルの研究者らは、てんかんに関連する警告の可能性を含め、神経学研究や臨床モニタリングも用途として挙げている。信頼性の高いEEG取得は、こうしたシステムに必要なデータを提供する。一方、臨床的な警告サービスには、そのデータを解釈する方法や、患者を対象に警告を評価することも必要となる。
コミュニケーションも用途の一つだ。同院は、筋萎縮性側索硬化症（ALS）やその他の運動障害がある人が、文字入力や機器の操作を行えるよう支援するBCI製品を紹介している。画面上で文字を選ぶことに頼る人にとって、接続が安定すれば、長時間のセッションを通じて利用を維持しやすくなる。
この研究は、装着に関する実用的な問い、すなわち時間が経過し、日常生活を送る中でも電極が有用な状態を保てるかどうかに、こうした可能性を近づけるものだ。中心的な成果は、動いている間も記録を維持し、長時間の試験で正確な視覚選択を支えた素材構造にある。
要点
- 広西大学、広西医科大学、清華大学の研究者らが、硬さが段階的に変化するハイドロゲル電極を開発した。
- 14時間に及ぶ安静セッション中の反復試験で、視覚的な文字入力の正確度は94％を超えた。
- 別の実験では、歩行、食事、読書、睡眠中に8時間、安定したEEG記録を維持した。
- 頭皮に触れる柔らかい部分、回路につなぐ硬い部分、変化する孔の構造によって、動きや電極界面の乾燥に対応する。
- 市販のEEGキャップに適合するサイズの電極を、一度に300個作製できる。
- 用途としてコミュニケーション、睡眠モニタリング、神経疾患のケアが想定されるが、具体的な臨床応用にはさらなる評価が必要だ。
