【研究領域課題番号】19H04009 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

足底腱膜 / 歩行 / ヒト / 変形 / アーチ

【研究成果の概要】

本研究全体の目的は、2方向低電圧X線透視イメージング技術を新たに開発し、ヒトが実際に歩いている時の足底腱膜の3次元変形動態を明らかにすることであった。パラメータ最適化の過程において、当初の想定に反し、X線透視装置による低線量撮影は管球の負担増により、画像歪みと装置の寿命短縮をもたらす事が判明した。装置の製造元には低線量撮影の事例がなく、事前に想定できなかった。韓国の装置利用をバックアップとしていたが、2019年末に廃棄することが判明した。研究遂行上、足底腱膜の生体計測が不可欠なため、計画を見直し、X線ではなく、MRIを採用することが必要になった。
新型コロナウィルス感染症の影響により、大学への入構禁止や研究出張の制限などで、2019年度に予定していた実験などの延期を余儀なくされていたが、ヒトを対象とした実験をようやく2021年度に実施することができた。一つ目の実験の準備として、MRガントリー内で使用可能な非磁性体の筋力計を製作した。筋力計自体の素材と筋力発揮時の体を固定する素材をそれぞれ非磁性体で製作しなければならない制約があった。この制約のため、筋力計の剛性が低くなり、筋力発揮時の体動が大きくなってしまう課題があった。非磁性体で製作した筋力計とベルクロのベルトによる体の固定法を用いて、足関節角度が筋力発揮時にどの程度変化するかを実験的に検証することとした。その結果、最大努力での筋力発揮時の足関節角度変化は平均9度となり、MRガントリー内で筋力計を用いた先行研究の結果よりも小さかった。現在、この結果をまとめた論文を執筆しているところである。
二つ目の実験として、静止立位時の足底腱膜のスティフネスを測定し、現在この結果をまとめた論文を雑誌に投稿しているところである。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2019-04-01 - 2022-03-31

【配分額】17,680千円 (直接経費: 13,600千円、間接経費: 4,080千円)

【研究分野】連携探索型数理科学

【研究領域課題番号】15KT0015 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

シナジー / 運動制御 / 神経筋骨格モデル / ヒト / サル / ラット / 歩行 / 走行 / 左右分離型トレッドミル / 転倒 / リズム

【研究成果の概要】

本研究では、生物の運動制御における冗長性を解決する戦略として広く示唆される低次元構造に着目して、ヒト・サル・ラット3種類の異なる生物を対象に、数理科学を中心とした神経生理学とバイオメカニクスとの連携から、歩行に寄与する神経・筋・骨格系の作動原理の数理的な解明を目指した。特に、ヒトの歩行と走行、サルの四足歩行と二足歩行など異なる歩容を形成する低次元構造の共通性と差異、環境変化や外乱に対する低次元構造の制御、転倒を介した歩行と走行の形成原理などが明らかとなった。

【研究の社会的意義】

本研究の成果から、歩行を形成する低次元構造を特徴付ける空間構造（シナジー）と時間構造（リズム）の支配法則の一端が数理的に明らかとなった。数理的な記述は物事の本質を捉えるだけでなく、それができて初めて応用に結びつく。この研究をさらにすすめ、応用していくことで、新たな生活支援器具の開発やリハビリテーション手法の提案などに繋がっていくと期待される。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2015-07-10 - 2020-03-31

【配分額】18,200千円 (直接経費: 14,000千円、間接経費: 4,200千円)

【研究分野】知能機械学・機械システム

【研究領域課題番号】23360111 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

歩行 / 踏破性・頑健性 / 筋骨格・神経機構 / ヒト / サル / ラット / ロボット / シミュレーション / 踏破性 / 頑健性

【研究成果の概要】

脳・身体・環境の相互作用から生み出される歩行の高度踏破性及び頑健性を実現するための筋骨格・神経機構の解明を目指し，ヒト・サル・ラットを対象に，計測データから運動機能を明らかにする解析的研究と，神経筋骨格モデルやロボットを用いて機能的役割を明らかにする構成論的研究を行った．その結果，ヒト運動解析では，位相応答曲線を同定して位相調整機構を明らかにし，サル運動解析では，４足・２足歩行での一次・補足運動野の寄与，ラット運動解析では，障害物跨ぎ越し歩行での小脳皮質の寄与を明らかにした．構成論的研究では，ラット神経筋骨格モデルや２脚ロボットを用いて，高度踏破性・頑健性に寄与する神経制御系の役割を検証した．

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2011-04-01 - 2014-03-31

【配分額】18,850千円 (直接経費: 14,500千円、間接経費: 4,350千円)

【研究分野】リハビリテーション科学・福祉工学

【研究領域課題番号】16500356 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

H反射 / ひと / 歩行 / 筋電図 / Ib inhibition / 足底神経 / ヒラメ筋 / ヒト / 免荷 / 下肢荷重 / Ia inhibition / 皮膚反射

【研究成果の概要】

過去の報告では、足底神経から下腿筋への投射についての報告は少ない。足底筋から下腿筋や大腿筋への投射回路の研究についての研究を行い、足底神経から下腿筋への投射について検討した。その研究結果より、母指底屈筋である短母指屈筋(FHB)からヒラメ筋に対する短潜時の抑制は、その一部分にIb inhibitory pathwayを含んでいるものと考えられた。また、歩行中にはIb群線維からの抑制は立脚期に促通に転じ、下肢伸筋活動量を増加させるものと考えられた。なお猫による動物実験でも同様なことが報告されている。ヒトにおいても同様の機序が働いており、この機序にはIb群線維が受容器となって荷重量の変化の検出に関与しているものと考えられた。本年度は、下肢への加重を体のつり上げ装置を利用し、歩行中体重を免荷し、足底神経からヒラメ筋への抑制およびIa抑制、Ib抑制について、表面筋電図による解析を行った。体重免荷を0%、30%、60%と変化させ、それぞれの抑制にどのような変化が起こるのかについて、歩行中とくに立脚期において検討した。その結果によると、拮抗筋である前脛骨筋(TA)からヒラメ筋へのIa抑制については、体重免荷によって抑制量に変化は認めなかったが、協働筋である内側腓腹筋(MG)からヒラメ筋へのIb抑制および足底神経からヒラメ筋への抑制については、体重免荷によって、立脚期の抑制から促通への変化は消失し、免荷の程度によって、抑制量は大きくなった。これによって3年間の研究により、ネコにおける研究でも、Ib群線維からの抑制は立脚期に促通に転じ、下肢伸筋活動量を増加させることが報告されているが、ヒトにおいても同様の機序が働いており、この機序にはIb群線維が受容器となって荷重量の変化の検出に関与しているものと考えられた。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2004 - 2006

【配分額】3,500千円 (直接経費: 3,500千円)

【研究分野】人類学(含生理人類学)

【研究領域課題番号】06304009 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

歩行 / 成熟 / 退行性変化 / 個体発達 / 系統発達 / ヒト / 霊長類 / Morpho physiology / Morphophysiology / 歩行能 / 加齢変化 / 形態と機能

【研究成果の概要】

本研究はライフサイクルにおける歩行能の変化の過程をMorphophysiologyの立場から捉えようと考えた。ヒト歩行能の成熟過程について、中野は現生ヒトの関節運動域を化石人類と同等の範囲に制限する実験から系統発達的な成熟を検討した。また、熊倉らは足部の3次元的運動におけるヒトの歩行成熟過程の検討を行うとともに、この成績を他の霊長類の運動と比較した。山崎は、年齢による体型の変化に注目し、それぞれの体型に応じた力学的パラメータと神経制御パラメータから発達過程そのものをコンピュータ上でシミュレートする研究を行った。このような運動能の変化の背景には運動器の形態学的変化が存在することはいうまでもない。ヒトの運動器系の形態学的発達を考える上でヒトと系統的に近縁でかつ運動負荷の異なる他種霊長類の運動器系の発達の検討は重要な示唆を与えるだろう。国松はリスザルの四肢骨端の癒合を歯牙年齢との対照から精細に分析した。また中野はニホンザルの四肢骨、特に運動能と関連の深い関節面の発達過程について詳細な形態学的分析を行なった。藤野は骨形態の変化に伴って変化する筋線維の3次元構築に着目し、個体発達と系統発達の両側面における線維構築変化の機能的意義について考察した。一方、ライフサイクルの後半における運動器の形態学的・生理学的退行性変化とこれに対抗する調節の問題について、真家は高齢者歩行における足の接地状態の分析を、足立らは高齢者歩行の下肢の運動について3次元的な運動解析を行い、それぞれの立場から高齢者歩行の特徴を明らかにした。発達の場合と同様に、加齢変化の背景にも上腕骨と大腿骨について、発達過程以後の形態変化の様相を検討した。また、伊藤は現代日本人高齢者の下肢筋の重量変化の特徴を報告するとともに、組織学的変化についても予感的な検討を加えた。

【研究種目】総合研究(A)

【研究期間】1994 - 1995

【配分額】11,800千円 (直接経費: 11,800千円)