A portable solution for simultaneous human movement and mobile EEG acquisition: readiness potential for basketball free-throw shooting

車のエンジンがどのように動いているのか理解しようとしている場面を想像してみてください。ただし、あなたは、静かなガレージに停まっていて、完全に静止している状態のエンジンを見ることしか許されていません。部品は見えますが、車が実際に高速道路を飛ばしたり、段差を乗り越えたり、コーナーを曲がったりしているときに、それらがどのように振る舞うのかについては全く知識がありません。これは、科学者が脳を研究する際に直面している問題そのものです。何十年もの間、MRIのような脳活動をマッピングするための最高のツールは、被験者が完全に静止して横たわっていることを必要としてきました。より柔軟な脳スキャナーであっても、頭皮に小さなセンサーを取り付けるタイプは、通常、重いコンピュータに繋がれており、人々が実際に動いている最中に研究することを困難にしていました。

では、もし誰かがバスケットボールをしたり、ダンスをしたり、走ったりしている間に、その脳の中を覗き見ることができたらどうでしょうか？これが「モバイル・ブレイン・イメージング（移動型脳画像計測）」というエキサイティングな世界です。科学者たちは今、「人が複雑な動作を行う準備をしている最中、その脳の状態を見ることができるか？」という問いを投げかけています。彼らが注目する有名な信号の一つに、「準備電位（Readiness Potential: RP）」と呼ばれるものがあります。RPを、脳内の「3、2、1……ゴー！」というカウントダウンだと考えてください。それは、あなたが手足を動かそうと決める直前に、脳内で構築される、ゆっくりとした静かな電気的な波です。通常、このカウントダウンは、ラボで単純なボタンを押すときに見られるものです。しかし、プロのアスリートがフリースローを打とうとしているとき、このカウントダウンの見え方は変わるのでしょうか？そして、そのカウントダウンの強さは、シュートが決まるかどうかを教えてくれるのでしょうか？この新しい研究が、バックパックに収まるようなセットアップを用いて答えようとしている大きな疑問です。

詳細な研究内容は、こちらのウェブサイト（https://juliuswelzel.github.io/eeg_basketball_website/ ）で確認できます。

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ポケットサイズの脳研究所

ミゲルとそのチームを紹介しましょう。彼らは、研究所を建物の中から外のバスケットボールコートへと連れ出すことに決めた科学者グループです。彼らは巨大で高価な機械を使う代わりに、2台のスマートフォン、ワイヤレスの脳センサーキャップ、そして小さなリストバンドを使用して、「ポケットに入る」セットアップを構築しました。まるでSF映画に出てくるハイテクガジェットのようですが、プレイヤーが装着していることに気づかないほどシンプルで、安価で、軽量であるように設計されました。

彼らは18歳から32歳までの26人のバスケットボール選手を集め、彼らが最も得意とする動作、つまりそれぞれ120回のフリースローを投げるよう依頼しました。プレイヤーがゴールに集中している間、チームは2つのことを同時に記録しました。脳の電気活動（ワイヤレスキャップ経由）と、体の動き（スマートフォンのカメラとリストセンサー経由）です。目標は、プレイヤーがボールを持ち上げる直前に、あの「3、2、1……ゴー！」という脳の信号（準備電位）を捉えられるかどうか、そしてその信号が「スウィッシュ（リングを綺麗に通ること）」か「クランク（リングに当たること）」かによって変化するかどうかを確認することでした。

脳のカウントダウンは実在する（ただし、水晶玉ではない）

まず、チームは知りたいと考えていました。騒がしく動いているバスケットボールの試合の真っ最中に、実際に脳の準備信号を見ることができるのかどうか。答えは、明確な「イエス」でした。

静かなラボでの実験と同じように、科学者たちは脳の前方および中央領域において、明確な「カウントダウン」信号を発見しました。プレイヤーがシュート動作を開始する約400ミリ秒前（これは半分以下の秒数です）、脳は独特の負の電気的な落ち込みを示しました。この信号は頭頂部（Czチャンネル）で最も強く、動きの直前にマイナス13.52マイクロボルトまで大きく低下しました。これは、プレイヤーが動き回り、汗をかき、ボールを投げている最中であっても、チームがスマートフォンを用いたセットアップによって、脳の「準備している」信号を正常に捉えることができたことを証明しています。それは、混雑したスタジアムの中でささやき声を聞き取るようなものです。チームはノイズを排除し、脳の静かな準備の声を聴き取る方法を見出したのです。

「魔法の信号」という神話：なぜ脳はスコアを予測できないのか

ここからが面白いところです。チームには第二の、より大きな希望がありました。それは、その脳のカウントダウンの「強さ」が、シュートが入るかどうかを予測できるかどうかを見ることでした。もしかしたら、より強い「カウントダウン」は、プレイヤーがより集中しており、シュートが決まりやすいことを意味し、逆に弱いカウントダウンはミスを意味するのではないか、と考えたのです。

しかし、データは「ノー」と答えました。

成功したショット（ヒット）と失敗したショット（ミス）の脳信号を比較したところ、両者に違いは見られませんでした。脳の「カウントダウン」は、ボールがリングを通り抜けたときも、リムに当たったときも、ほとんど同じでした。チームの計算によれば、脳の信号が成功と失敗の差を説明できる割合は5%未満でした。言い換えれば、脳の準備信号は、バスケットボール選手がスコアを決めるかどうかを教えてくれる「水晶玉」ではないということです。プレイヤーの脳は、ミスをする時もヒットさせる時も、全く同じように準備を行っていたのです。

体は異なる物語を語る

もし脳の信号がスコアを予測できなかったのであれば、体の動きはどうだったのでしょうか？チームはスマートフォンのカメラを使用して、プレイヤーのポーズを分析し、手首、肘、肩がどの瞬間にどこにあるかを調べました。

今回のケースでは、いくつかの手がかりが見つかりましたが、それらは非常に複雑なものでした。プレイヤーの約38%（26人中10人）において、シュートを決めたときと外したときでは、体の構え方に特定の差異がありました。例えば、成功するシューターの中には、シュートの直前に手首を腰に対して少し低く保っている人もいれば、リリース時に手首を高く保っている人もいました。しかし、これらの違いは非常に個人的なものでした。あるプレイヤーにとって有効な動きが、他のプレイヤーにも当てはまらないこともありました。「良いショット」のボディランゲージには、単一の普遍的なルールはなく、それはむしろ個人の「署名（シグネチャー）」のようなものでした。たとえ体のポジションが重要であったプレイヤーであっても、そのポーズが成功の差を説明できたのは、わずか4.5%程度でした。

まとめ：脳を観察するための新しい方法

では、この研究は何を証明したのでしょうか？それは、2台のスマートフォンとワイヤレスキャップさえあれば、安価で持ち運び可能な「脳研究所」を構築でき、それが複雑なスポーツ動作中の脳の「カウントダウン」信号を捉えるのに十分機能するということを証明しました。これは、脳を研究するために椅子に縛り付けられる必要はないことを示す、科学における大きな一歩です。

しかし、この研究は、ある有力な考えを否定しました。それは、この脳信号の強さが、アスリートの成功を予測する単純な指標になるという考えです。脳は準備をしますが、その準備が必ずしもシュートの成功を保証するわけではありません。成功するショットの真の秘密は、単一の大きな脳信号ではなく、各プレイヤーの動きにおける、極めて微細で個性的な癖の中に隠されているようです。

この研究は、現実の世界で脳の準備状態を観察することは可能になったものの、その準備がどのようにして完璧なショットへと変換されるのかを正確に理解することは、依然として複雑なパズルであることを示唆しています。それは単に脳が「ゴー」と言うことだけではありません。その「ゴー」という合図が、プレイヤーごとに異なる、筋肉と関節によるユニークでパーソナルなダンスへと、どのように翻訳されるのかという問題なのです。スポーツ科学の未来は、成功のための「魔法の数字」を見つけることではなく、私たちの脳と体が動きの中でどのようにユニークに、混沌とし、かつ素晴らしい形で連携しているのかを理解することにあるのかもしれません。