Biofeedback

Japanese: バイオフィードバック（英語表記）biofeedback

Biofeedback is a procedure for conditioning brain activity and physiological responses as operant responses to change them in a more desirable direction. It is used as a form of psychotherapy to relax the mind and body and reduce anxiety, and as a method to overcome motor function disorders. To condition physiological responses that cannot be consciously detected, such as heart rate, blood pressure, and skin temperature, as operant responses, the physiological responses are first converted into visual or auditory signals (feedback signals) so that they can be perceived by the individual. Next, the individual is instructed to generate more feedback signals by finding an appropriate method through trial and error, such as trying to imagine something. An increase in the feedback signal as instructed serves as positive reinforcement, and the change in the physiological response that produces the signal increases. For example, a decrease in heart rate, a decrease in blood pressure, and an increase in skin temperature are often used as operant responses, which can be called operant conditioning of autonomic nervous activity.

On the other hand, EEG biofeedback is a procedure for conditioning brain activity as an operant response. First, the state of brain waves is converted into visual and auditory feedback signals and presented to the individual so that they can be perceived by the individual. The procedure thereafter is similar to that of biofeedback for autonomic nervous activity, and an increase in the feedback signal as instructed serves as positive reinforcement, increasing the specific components of the brain waves that generate that signal. This is also primarily used as a form of psychotherapy to relax the mind and body, and by using alpha brain waves as an operant response, the frequency of alpha waves occurring can be increased, resulting in a state of relaxation.

A brain-machine interface (BMI) is a system that utilizes biofeedback of brain activity such as electroencephalograms. BMI is a term that refers to a system that directly connects the brain and a machine to allow them to interact, and broadly includes sensory input types such as cochlear implants and artificial vision, and direct operation types such as deep brain stimulation. However, the newest BMIs are motor output types that aim to directly operate robots, personal devices, or one's own muscles with brain activity, and when simply referred to as BMI, this type of motor output is often referred to. Such BMIs are systems that achieve some purpose (i.e., obtain rewards) by directly influencing brain activity, so they can be said to be conditioned by using specific brain activity as an operant response. Motor output BMIs can be classified into two types: invasive types, in which recording electrodes are embedded in the brain, and non-invasive types, in which the brain is not directly touched. The latter can be further divided into methods that use electroencephalograms (EEG), functional magnetic resonance imaging (fMRI), and near-infrared blood flow meters depending on the method of measuring brain activity. Non-invasive BMI is centered on generating specific brain activity that results in an operant response, and applications in the medical field are also being attempted. On the other hand, invasive BMI, which directly measures the activity of neural circuits, is an extension of neuroscientific research that aims to directly detect neural information, and basic research using animals is currently underway. →Operant conditioning →Cognitive neuroscience →Electroencephalogram →Non-invasive brain function research method [Yoshio Sakurai]

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Japanese:

バイオフィードバックとは，脳活動，生理的反応をオペラント反応として条件づけることによって，より望ましい方向へ変化させる手続きである。心身をリラックスさせ，不安を低下させるための心理療法として活用したり，運動機能の障害を克服する方法として用いられる。心拍，血圧，皮膚温など，意識的に感知できない生理的反応をオペラント反応として条件づけるには，まずそれら生理的反応を自ら知覚できるよう視覚や聴覚の信号（フィードバック信号）に変換し本人に呈示する。次に，何かをイメージするという試みをするなど，試行錯誤の中から適当な方法を見つけて，フィードバック信号をより多く発生させるように指示する。指示どおりにフィードバック信号が増大することが正の強化となり，その信号を生み出している生理的反応の変化が増大していく。たとえば心拍の低下，血圧の低下，皮膚温の上昇をオペラント反応として用いることが多く，これらは自律神経活動のオペラント条件づけoperant conditioningといえる。

　一方，脳の活動をオペラント反応として条件づける手続きが，脳波のバイオフィードバックである。まず，脳波の状態を自ら知覚できるよう視覚や聴覚のフィードバック信号に変換し本人に呈示する。その後の手続きは自律神経活動のバイオフィードバックと同様であり，指示どおりにフィードバック信号が増大することが正の強化となり，その信号を生み出している脳波の特定成分が増大していく。これも主に心身をリラックスさせる心理療法として活用されており，脳波のアルファ波をオペラント反応として用いることで，自らアルファ波の生起頻度を増やし，リラックスした状態を得ることができる。

　脳波など脳活動全般のバイオフィードバックを活用したシステムが，ブレイン-マシン・インターフェースbrain-machine interface（BMI）である。BMIは脳と機械を直接つなぎ相互作用させるシステムを指す用語であり，広くは人工内耳や人工視覚などの感覚入力型や，脳深部刺激療法などの直接操作型も含む。しかし，脳の活動でロボットや身辺の機器あるいは自身の筋肉を直接操作することをめざす運動出力型が最も新しいBMIであり，単にBMIと称するとき，そのような運動出力型を指すことが多い。そのようなBMIは，脳の活動が直接働きかけることでなんらかの目的を達成する（すなわち報酬を得る）システムであることから，特定の脳活動をオペラント反応とした条件づけといえる。運動出力型BMIは，脳内に記録電極を埋め込む侵襲式と，脳には直接触れない非侵襲式の二つに分類できる。後者はさらに脳活動の測定方法により，脳波（EEG），機能的磁気共鳴画像（fMRI），近赤外光血流計を用いる方法に分かれる。非侵襲式BMIは，オペラント反応となる特定の脳活動を生起させることが中心となっており，医療現場での応用も試みられている。一方，神経回路網の活動を直接測定する侵襲式BMIは，神経情報を直接検出しようとする神経科学的研究の延長線上にあり，動物を用いた基礎研究が進んでいる。　→オペラント条件づけ　→認知神経科学　→脳波　→非侵襲的脳機能研究法
〔櫻井芳雄〕

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