eスポーツを科学する #2：試合前の脳活動から勝敗がわかってしまう？

試合直前の脳波の観察から、勝ちパターンを発見

――2024年に報道発表されたeスポーツに関する研究がSNSで大バズりしていましたね。世界で初めて、対戦直前の脳波から、勝敗と強く関わるパターンを発見、実証したということですが、具体的にどのような内容なのか教えてください。

柏野　こちらも、論文の筆頭著者である南宇人さんから解説してもらいましょう。

南　これは、前回と同じく、格闘ゲーム（以下、格ゲー）の「ストリートファイターⅤ アーケードエディション」（カプコン）の対戦中に、実験参加者の脳波をEEGと呼ばれる脳波検査で測定した結果、勝敗と強く関連する脳波を発見した、というものになります。

前回もご説明した通り、ストリートファイターは、二人のキャラクターが攻撃と防御を繰り返して、相手の「体力ゲージ」をゼロにしたほうが勝つ、というゲームです。これを、格ゲーの熟練者20人の方にプレイしてもらい、実戦と同じく2ラウンド先取制、つまり、2ラウンド先に取ったほうが勝ちというルールで進めました。最初の2ラウンドで1勝1敗だった場合、最大3ラウンド戦うことになります。なお、試合はオンラインで行い、一人ずつ個別に計測するため、対戦相手が誰なのかはお互いわかりません。

このとき、プレイヤーには電極がついたヘッドキャップを装着してもらい、それぞれの試合の直前の脳波を計測しました。脳波というのは、脳活動に伴う電気的な変化を示す波形のことです。

実はこのゲームでは、各ラウンドごとに試合前に8秒間のインターバルがあり、手元のボタンなどを何も操作することなく待機する時間があるんですね。この何もしていない時間の脳活動というのは、身体の動きに邪魔されることがないので、ある意味、プレイヤーのメンタルの状態を見ている、と言えます。

そして計測の結果、最初の1ラウンド目（序盤）の直前と、終盤までもつれ込んだときの3ラウンド目直前の脳波のパターンが、試合の勝敗に関連することを明らかにしたというわけです。

南 宇人さん（NTTコミュニケーション科学基礎研究所　研究主任）

――勝った人の試合直前の脳波に共通のパターンが現れた、ということですか？　それは驚きですね。

南　実は、序盤と終盤では、それぞれ関連している脳波が異なっています。図1は脳活動を頭上から見下ろした図になりますが、序盤では左側の前頭領域にγ波と呼ばれる30H以上の高周波帯域の脳波が強く出ているプレイヤーの方が勝つ傾向があることを突き止めました。このγ波というのは、作戦の立案や戦略判断に関連している脳波とされています。

図１　試合序盤直前の脳波（左）と、試合終盤直前の脳波（右）

一方、終盤直前では、こちらも脳波が活発に活動している領域は同じく左側の前頭領域なのですが、ここでは感情制御と関連するとされるα波（7〜13Hz）が強く出ているかどうかが勝敗に影響することを突き止めました。

――勝ちのパターンとして、1ラウンド目直前と3ラウンド目直前で脳波の出方が違うというのは、どういうことでしょうか？

南　1ラウンドが始まる直前には、初めて対戦する相手の特徴を踏まえてさまざまに戦略的な選択肢を検討する必要があります。相手がどんなキャラクターを選んできたのかとか、どういう攻め方をしてくるのかを予想しながら、どういった戦い方をするのか、試合前に作戦を練るわけですが、それがうまくいったかどうかが勝敗に影響するということだと思います。

一方、終盤については、2ランドまで１対1で引き分けていて、3ラウンドまでもつれ込むと、プレイヤーには大きなプレッシャーがかかります。その際に、「負けるんじゃないか」といったネガティブな感情を制御して平常心を保てるかどうかが、勝つためのカギになるということかと。

柏野　実際に実験参加者のプレイヤーに聞き取りをしたところ、1ラウンド直前の戦略的判断が重要だと答えた人ほど、そのときの前頭部のγ波のパワーが大きく、また3ラウンド前の感情のコントロールが重要だと答えたプレイヤーほどα波のパワーが大きくなる、という傾向が見られました。そして、そうした人たちが勝つ傾向にある。つまり、熟練のプレイヤーたちが主観的に感じているメンタルの状態について、実際の脳波計測で定量的に確認できたと言えます。[★01]★01

試合直前の脳波から8割もの精度で勝敗を予測できる

南　そしてわれわれはさらに、先ほどの成果で勝敗に関連する脳波のパターンがあることを踏まえて、試合直前の脳波計測の結果をもとに機械学習で勝敗の予測値を決定し、それと試合直前の脳波を照らし合わせることで勝敗を予測しました。なお、先ほどの実験とは違って、こちらは1ラウンド先取制としました。

具体的には、20人の熟練プレイヤーに戦っていただいた4000試合分のEEGデータをランダムに5分割し、そのうちの4つ分を学習データとして予測器をつくり、残る1つ分をテストのためのデータセットとして勝敗予測の正答率を求めました。これは、学習していないデータを予測できるかを調べることで、モデルの妥当性を確認する「交差検証」と呼ばれる手法によるものです。その結果、試合直前の脳波データから、勝敗を80％という高精度で予測することに成功したのです。

――8割!?　それはすごいですね。

南　すでに、試合結果を予測するといった試みはたくさん行われていますが、それらは、過去の試合の結果から統計的に予測するものがほとんどです。われわれも、過去の試合の成績に基づいた従来データで予測してみたところ、正答率は63％でした。ただしこの場合、プレイヤーのレベルがほぼ互角のときは、チャンスレベル（偶然に起こる確率）を超えませんでした。さらに、弱いプレイヤーが強いプレイヤーに勝った「番狂わせ」の試合では、予測はチャンスレベルを下回りました。つまり後の二つは、いずれもほとんど予測は当たらなかったというわけです。

一方、われわれが開発した機械学習による脳波の予測では、同レベルのプレイヤー同士の対戦であっても、あるいは番狂わせのような試合であっても、前評判に左右されることなく、約8割という高い精度で予測できる。つまり、試合直前の脳波というのは、プレイヤーのその日のその瞬間の調子を表している、と言っていいでしょう。

図2 試合前の脳波から勝敗を高精度で予測可能

図3 従来技術が苦手な試合展開も予測可能

――先ほどは2ラウンド先取制でしたが、1ラウンド先取制にしたのはどういう意図からですか？

南　これは、機械学習で予測するのに必要なデータ量を確保するのが難しかったという現実的な事情もあるのですが、最初のとっかかりとして、まずはシンプルなルールでどこまで予測できるのか試してみようと考えたためです。思いがけず高い精度で予測できることがわかったため、今後は、実際の試合と同じ2ラウンド先取制で実験したいと思っているところです。

――ということは、1ラウンドで勝敗が決してしまうので、最初の成果、つまり戦略判断とか感情制御に関連する脳波のパターンとは違うものが見えていたのでしょうか？

南　はい。詳しく解析した結果、脳波のなかで、とくに頭頂部のβ波（13〜30Hz）が勝敗予測にもっとも貢献していることがわかりました。この脳波は、集中力に関わる脳波とされています。1ラウンドだけなので、プレイヤーの皆さんはスパーリングに近いかたちで臨まれていたようで、作戦を立てるとか、感情をコントロールするといったことよりも、目の前の一戦にいかに集中できるかどうかが、勝利の決め手になったようです。

柏野　この頭頂β波は、ダーツや野球のバッティングなどを対象とした実験でも、パフォーマンスの良し悪しに相関する脳波として報告されています。これは、目の前の課題とは無関係な脳活動の情報処理を抑制し、必要な行動を促進する役割を担うとされています。まさに、集中力が発揮されているかどうかが、試合の勝敗に結びついたわけですね。

図4　勝ったときと負けたときでは、脳波の出方が大きく異なる

――実際に図を見ると、勝ったときと負けたときではパターンが全然違うんですね。

南　脳波の出方が真逆になっていますよね。先ほども言ったように、実験参加者20名はプロに近い熟練者で、その人たちに共通のパターンが見られたというのは、非常に興味深いことだと思います。

柏野　この結果は、ゲームに勝つうえで必要な共通のメンタル的な側面があり、その重要性を示唆するものと言えます。そして、こうした脳活動が、単一の動作だけでなく、試合という長いコンテクストの勝敗にまで影響するということ。試合の勝敗というのは、やはりメンタルに左右される部分が非常に大きいわけですね。[★02]★02

柏野牧夫さん（NTTコミュニケーション科学基礎研究所　NTTフェロー）

なぜ、脳波を測るのか

――そもそも、なぜ脳波を測るだけでそんなことがわかってしまうのでしょうか？

柏野　まず前提として、脳というのはつねにさまざまな場所が活動していて、ある瞬間にこの部分だけが活動しています、といった単純なものではないんですね。そうしたさまざまな活動があるなかで、いまの状況下でのあるタスクと一番相関しているのはどの部分なのか、ということをわれわれは見ています。それを解析し、可視化したものが先ほど見ていただいたパターン図になります。

それから、脳波とは何か、というところも少し補足が必要かもしれませんね。先ほど南さんが言ったように、脳波は周波数帯域によってγ波とかα波とかそれぞれ名付けられていて、先行研究により周波数帯域ごとにどんな機能を担っているのかがある程度わかってきているのです。また、脳波は記憶の想起や注意の方向の変化、さらには視覚や聴覚の刺激などの事象に対して、特有の変化を起こす場合もあります。それがいつ、脳のどこで見られるか、ということが脳活動を調べるうえで重要な手掛かりになるのです。

たとえば、γ波だったら高度な認知機能に関わっているとか、α波だったら安静覚醒や感覚抑制に関係するとか、おおよその機能がわかっている。もっとも、その機能は単一ではありません。そう単純ではない、ということは言っておく必要があります。

図5 脳波の周波数スペクトラム

いずれにせよ、脳のどこがどういった役割を担っているのかという知見もさまざまにあり、そうした知見をもとに、脳波を観察することで、いま、脳がどういう状態にあるのか、ということをある程度予測できるようになってきているのは確かです。

ただし、EEGで見ているのはあくまでも頭皮に到達した電気信号であって、一つひとつのニューロン（神経細胞）の活動までを見ているわけではありません。電極の辺りのたくさんのニューロンの活動を足し合わせたものというややラフな情報をキャッチしている。しかも、頭皮から近いところの活動なら強いけれど、深いところなら弱い信号しかキャッチできませんし、さまざまな信号が同時に、さらにはノイズなども混ざって届く。その混合信号から、ちょっと専門的な言い方をすると「逆問題」を解いて所望の脳波を取り出し、解析していくという慎重な取り組みが必要になるのです。

――脳波を計測することも、計測された脳波から脳活動を推測することも一筋縄ではいかないわけですね。

柏野　脳では無数のニューロンが情報を伝達する際にパルスを発生させ、その活動のタイミングが連動することでネットワークを形成して機能を果たせるようになります。それは狭いエリアだけでなく、離れたところにあるニューロン同士も同じです。そして、タイミングが揃えば揃うほど、その機能が高まり、脳波のオシレーション（振動）のパワーも強くなる。それをわれわれは現実に起こっている状況と照らし合わせながら、いま脳内で何が起こっているのかを解析している、ということなんですね。

――脳の活動計測をする場合、fMRI（磁気共鳴機能画像法）など、ほかの手法もありますよね？　EEGは何が優れているのでしょうか？

柏野　そもそも、脳活動を測るといった際に、通常の実験参加者の場合、開頭して直接、脳に電極を刺すわけにはいきませんから、どうしたって非侵襲な方法になります。そのなかで、EEGは電極のついたヘッドキャップをかぶることで、脳活動の電気信号の集合体を見ることができるため、実環境の計測に使いやすいのです。

南　fMRIだと専用の測定器に寝そべって測らなければなりませんからね。eスポーツでは手元しか動かさないとはいえ、実環境での脳活動の計測には適さないのです。

柏野　また、fMRIは脳の神経活動そのものではなく、それに付随する血流や代謝の変化を見ているので、観測できる信号変化が始まるまでに1～3秒くらいかかり、神経活動の細かい時間変化を見るには不向きです。とくにスポーツのような瞬時の判断など、脳の速い活動を調べるのは難しい。もっとも、fMRIは脳のどこで活動が起きているのかという空間分解能は非常に優れています。逆にEEGは空間分解能はあまり高くないのです。

近赤外光を用いるNIRSという計測方法もありますが、この場合は、脳の表層の血液量の変化を見るものなので、脳の奥の方の活動を見ることはできません。また、脳磁図（MEG）［★03］★03といって磁気で脳活動を見る方法もあるのですが、現状は大掛かりな磁気シールドルームの中で頭部をスキャナーに入れて計測しなければならないため、やはり実環境の計測には向かない。脳活動の何を見たいのかによって、どの手法を使うかが決まってくるということなんですね。

「メンタル」ってなんだろう？

――ところで、ここではメンタルの状態を見ているということですが、そもそもメンタルって何なのでしょう？

柏野　確かに、メンタルという言葉は非常に多義的に使われていますよね。「自分はちょっとメンタルが弱くて」などと言ったりすることもあるけれど、それが何を表すのか、かなりあやふやです。われわれのスタンスとしては、心理状態がパフォーマンスに影響を与えるにも、神経科学的な基盤があるはずだと考えています。そしてそれは、脳や身体の生理的な状態や、身体動作といった、客観的に計測できるものからある程度捉えられるだろうと。われわれとしてはあくまでも、サイエンスの土壌に乗せるために、測れるものから論じようとしているのです。

一方で測れるものにだけ焦点を当てようとすると、どうしても主観的な部分が弱くなりがちです。そうした批判があるのは当然で、それを補うべく、プレイヤーに聞き取り調査などをしています。

南　たとえば、試合が終わった後に、「一ラウンドの直前ではどういうことを考えていましたか？」といったかたちで10段階評価でのアンケート調査をしています。すると、勝った人の場合、「一ラウンド目直前の戦略判断がうまくいったから勝てた」「最終ラウンド直前では感情制御がうまくできたから勝てた」と答える人が多かったのです。先ほど、柏野さんが言ったように、脳波の計測結果と主観の相関性はある程度はわかっています。だから、実験結果をプレイヤーにフィードバックした際も、「かなり納得できる」といった感想をいただいていました。特に、ストリートファイターは「カッとなったら終わり。土壇場でいかに平常心を保てるかが勝敗を分ける」という認識は、上級者ほど持っていらっしゃるようでした。つまるところ、サイエンスの土壌で解析した結果を、実際のプレイヤーの主観で答え合わせをしにいったと言ってもいいかもしれません。

――今後はどのような研究をされようとしているのですか？

南　一つには、勝てる脳波のパターンが見えてきたので、たとえば試合前に脳波の状態をモニタリングして、その状態をプレイヤーにフィードバックすることで、脳活動やパフォーマンスを変えることができないかと考えています。実際に、なんらかの介入をして、脳の状態を変えることができたとして、それが本当にパフォーマンスの向上に結びつくとしたらすごいことですよね。

柏野　逆に、もし外から脳活動に介入することでパフォーマンスを変えることができるとしたら、結局、われわれが「メンタル」と呼んできたものはなんなのか、ということにもなりえますよね。たとえば、試合の前に深呼吸したり、あるいは何かカッとなって怒ったりしたことで身体の状態が変わり、結果として勝てたとしたら、メンタルというものは随伴的なものかもしれない、となる。ジェームズ=ランゲ説で言われるように、「悲しいから泣くのではなくて、泣くから悲しい」んだとしたら、そもそも「メンタル」とは何なのか。そもそもメンタルがどこからやってくるのか、という問いの答をいまだに誰も持っていないわけですからね。それこそが研究上の非常に大きな問いであり、われわれもその問いを探している最中なのです。

（＃3へつづく）

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もとーる・ラボ　eスポーツを科学する

#1 盲目のゲーマーが勝てる理由
#2 試合前の脳活動から勝敗がわかってしまう？
#3 チームワークの良し悪しまで脳からわかる？

★01 Minami, S., Watanabe, K., Saijo, N., Kashino, M.: Neural oscillation amplitude in the frontal cortex predicts esport results. iScience 26 (6): 106845, 2023. doi.org/10.1016/j.isci.2023.106845 ★02 Minami, S., Haruki, K., Watanabe, K., Saijo, N., Kashino, M.: Prediction of esports competition outcomes using EEG data from expert players. Computers in Human Behavior 160: 108351, 2024. doi.org/10.1016/j.chb.2024.108351. ★03 現在、シールドルーム外で動いていても計測できるOPM-MEGが開発されており、国内でもいくつかの機関で導入が検討されている。柏野さんたちのチームでも、今後、使用を予定しているという。