適応的歩行の基盤としての脊髄―小脳回路の解明：実験と計算論的モデリングによる研究
【研究キーワード】
歩行 / 肢間協調 / 運動学シナジー / 左右分離型ベルトトレッドミル / マウス / ラット / 小脳 / 神経筋骨格モデル / 脊髄 / 中枢パターン生成器
【研究成果の概要】
本研究は、Drexel大学との国際共同研究として、歩行運動における肢運動の協調とその適応的制御に関わる脊髄小脳ループの働きについて、ラット及びマウスを対象に、運動学的解析、電気生理学的解析、光遺伝学を適用した小脳プルキンエ細胞におけるシナプス可塑性の発現阻害操作などの実験研究と、神経筋骨格モデルを用いた動力学シミュレーションによる構成論的研究を組み合わせて解明することを目的としている。
ラット用左右分離型ベルトトレッドミルを用いて、ラットの後肢2足歩行時に、左右のベルト速度を同一にしたtied-belt条件から左右で異なるベルト速度のsplit-belt条件へ移行した際の運動学的特徴について3次元モーションキャプチャシステムを用いて解析した。それらの結果として、ヒト及びネコなどを用いた先行研究で報告されているsplit-belt条件での即時的な適応がラットの後肢2足歩行においても観察された。後肢の関節仰角について特異値分解による運動学シナジー解析の結果、脚軸の回転運動に対応する第一時間協調においては、split-belt条件におけるベルト速度の速い側と遅い側とでそれらのピークタイミングを変化させ、脚軸の伸縮運動に対応する第二時間協調や空間協調については、ベルト速度の速い側の肢に特徴的な変化が観察された。
新たに開発したマウス用の左右分離型ベルトトレッドミルを用いて、マウスの4足歩行時に左右のベルト速度を同一にしたtied-belt条件と左右で異なるベルト速度のsplit-belt条件での肢運動の歩容解析を深層学習技術を適用して行った。その結果、マウスの4足歩行時において、tied-belt条件からsplit-belt条件へ移行した際の運動学的特徴は前肢と後肢とでは質的に大きく異なり、特に、左右の前肢間における時間的協調について適応・学習の動態が明らかにされた。
【研究代表者】
【研究分担者】 |
| 青井 伸也 | 京都大学 | 工学研究科 | 准教授 | (Kakenデータベース) |
| 結城 笙子 | 東京大学 | 大学院総合文化研究科 | 助教 | (Kakenデータベース) |
| 藤木 聡一朗 | 獨協医科大学 | 医学部 | 講師 | (Kakenデータベース) |
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【研究種目】国際共同研究加速基金(国際共同研究強化(B))
【研究期間】2020-10-27 - 2023-03-31
【配分額】18,200千円 (直接経費: 14,000千円、間接経費: 4,200千円)