視床：同期された閉ループの多モーダル行動および電気生理データをリアルタイムで取得するシステム

脳と身体を同時に追うことが重要な理由

現代の脳手術やブレイン–コンピュータ・インターフェースは、脳と身体が同時にかつ高精度で何をしているかを見ることに依存しています。しかし、忙しい手術室では、脳、筋肉、心臓、動作を監視する機器が個別に動作し、共有のクロックを持たないことが多いです。本稿で紹介するThalamusは、これらの信号をリアルタイムでまとめるオープンなソフトウェアシステムであり、医師や研究者が脳活動と行動の関連をよりよく理解し、新しい治療法を安全に試験する手助けをします。

多様な信号を受け止める単一ハブ

Thalamusは、病院に既にある脳電極、モーションキャプチャ手袋、カメラ、心拍モニタなど多種のセンサーに対応する中央ハブとして設計されています。個々の機器を孤立した存在と扱う代わりに、Thalamusは到着する各データストリームにタイムスタンプを付与して、脳波、手の動き、その他の計測をミリ秒未満の単位で整列させます。この同期化された視点は、余裕の少ない短時間の繊細な神経外科処置の際に特に価値があります。

システムの構成

大量のデータフローに対応するため、Thalamusは二層構成を採用しています。研究者や患者が目にする制御パネルや実験画面は扱いやすいPython層で動き、デバイスからデータを取り込み、処理チェーンを通して移動させ、保存する負荷の高い作業はより高速なC++層が担当します。処理はモジュラーな「ノード」に整理され、それぞれがデータの取得、変換、保存を行えます。研究者はノードを組み合わせて新しいセンサーを接続したり、信号パワーのような単純な指標を計算したり、他の機器をトリガーしたりでき、システムの安定性と応答性を保ちながら柔軟に構成できます。

リアルタイムフィードバックと安全性

Thalamusの主要な目標の一つは、センシングと作用の間のループを閉じることです。ソフトウェアは入力信号を監視し、リアルタイムで計算を行い、仮想手の駆動や脳刺激機器のトリガーなど、適時にフィードバックを送れます。著者らはベンチテストの一連でこれらのループにかかる時間を測定しました。ソフトウェア内部では変化を検出してミリ秒未満で応答でき、一般的なデータ取得カードを含めてもおおむね1ミリ秒程度であることを示しています。現代の通信手段を注意深く利用することで、エラー検出、データロスの回避、プロセスが突然停止した場合でもほとんどの情報を回復する能力が高められています。

実験室と手術室での精度検証

チームは単純なテスト回路を構築し、それをモーションキャプチャ手袋やカメラと組み合わせることで、Thalamusが異なるデータストリームを整列させ続けることを確認しました。ボタンが離されたとき、電圧の立ち上がり、記録された指の動き、LEDの光の変化はいずれも数千分の数秒の範囲で一致しました。さらに、ビデオフレームレートの増加や詳細な脳信号要約の計算でシステムに負荷をかけても、タイミングの精度は維持されることを確認しました。最後に、Thalamusを実際の深部脳刺激手術に持ち込み、深部の電極信号と細かな手の動きを同時記録したところ、患者が手を動かす際に特定のリズミックな脳活動が低下するという期待どおりの変化が記録されました。

患者ケアと研究にとっての意義

一般の観点から見ると、Thalamusは高度に精密な指揮者のように機能し、多くの医療「楽器」を同期させることで、複雑な脳と身体の相互作用を事後の推測ではなく明確に捉えられるようにします。既存の病院機器に基づき、オープンソースであり、ベンチおよび実際の手術で検証されているため、臨床環境で豊富なデータ駆動型実験を行う敷居を下げます。時間が経つにつれて、脳信号と行動のこうした同期化された視点は、より個別化されたブレイン–コンピュータ・インターフェースや治療を支え、手術室でのリスクや負担を増やすことなく各患者に合わせた治療調整を容易にする可能性があります。

引用: Haggerty, J., Qureshi, Q., Gabriel, E.D. et al. Thalamus: a real-time system for synchronized, closed-loop multimodal behavioral and electrophysiological data capture. Commun Eng 5, 93 (2026). https://doi.org/10.1038/s44172-026-00646-z

キーワード: 多モーダル神経科学, ブレイン・コンピュータ・インターフェース, 神経外科データ取得, リアルタイム神経記録, 閉ループ神経調節