【研究領域課題番号】21H03339 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

歩行 / スプリットベルトトレッドミル / 適応 / 運動学習 / 小脳 / 下オリーブ核 / マウス / ラット / 肢間協調 / 登上線維 / 誤差情報

【研究成果の概要】

本研究では、左右分離型ベルトトレッドミルにおける歩行運動の適応において、小脳皮質プルキンエ細胞への下オリーブ核－登上線維系による誤差信号の時空間的な情報表現について、統計的機械学習技術を適用し、運動学的データにおける潜在的な説明変数を抽出し、被説明変数としての登上線維系がプルキンエ細胞に伝送する信号の活動パターンとの関係性について定量的に明らかにすることを目標としている。
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条件での四肢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左右における肢間協調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。
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。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2021-04-01 - 2025-03-31

【配分額】17,420千円 (直接経費: 13,400千円、間接経費: 4,020千円)

【研究領域課題番号】20KK0226 (KAKENデータベースで見る）

【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)

【研究分野】神経生理学・神経科学一般

【研究領域課題番号】15K06695 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

脊髄 / 歩行 / マウス / 歩行運動 / 運動ニューロン / リズム形成回路 / 神経回路

【研究成果の概要】

本研究では、マウス新生仔から腰髄1髄節を摘出した組織標本の運動ニューロン群に、それぞれの個体の後肢の実際の歩行と類似した活動パターンをもつリズム活動誘発できることを見出した。これによりリズムを形成するモジュールが脊髄1髄節内に局在していることが示唆された。また、単一運動ニューロンから記録された膜電位の変化を元に、歩行運動の際のシナプス入力を推定する方法を開発した。これにより、歩行運動の際には、それぞれの運動ニューロンにおいて、支配する筋が収縮するタイミングで興奮性シナプス入力が、弛緩するタイミングで抑制性シナプス入力が強くなることでリズムが形成されていることが推定できた。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2015-04-01 - 2018-03-31

【配分額】4,940千円 (直接経費: 3,800千円、間接経費: 1,140千円)

【研究分野】身体教育学

【研究領域課題番号】25560295 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

作業記憶 / アルツハイマー病 / 歩行 / 障害物回避動作 / マウス / 身体性 / 3xTg マウス / 障害物回避歩行 / 障害物回避

【研究成果の概要】

運動を行う際に、事前に行った動作による感覚情報及び動作の生成に関わった情報を、後の動作の生成に利用すると考えられ、この身体性に関わる作業記憶が重要な役割を持つであろうと推測される。
本研究では、アルツハイマー病（AD）発症に伴う作業記憶の障害が歩行時の障害物回避動作に与える影響をAD発症に伴う神経病理学的変化との関係から明らかにするため、マウスを用いた新たな障害物回避歩行課題を構築した。3xTg マウスはAD発症により障害物回避課題を行う際に後肢の接触率が高いこと、歩行時の後肢の制御に重要な役割を果たす作業記憶を評価した結果、AD発症後の3xTgマウスにおいて顕著な作業記憶の障害が判明した。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2013-04-01 - 2015-03-31

【配分額】3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円)

【研究分野】体育学

【研究領域課題番号】12780018 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

小脳 / 代謝型グルタミン酸受容体 / 自律神経系 / マウス / 歩行 / 運動学習

【研究成果の概要】

自転車の乗り方や水泳の動作といった運動スキルの記憶は、ニューロンからニューロンへの情報伝達の場であるシナプスの可塑性を基礎過程としていると考えられている。現在までに、中枢神経系において運動スキルの記憶に重要な役割を果たしている場所としては小脳があり、実際に歩行の適応制御や前庭動眼反射の適応制御に小脳長期抑圧が重要な役割を果たしていることが証明されている。ところで、小脳は歩行や眼球運動などの体性運動の制御のみならず、心臓・血管系をはじめとする自律神経系の制御にも関与している。以前の研究は、ウサギまたはラットを対象に条件刺激として音刺激、無条件刺激として耳あるいは尾への電気刺激の呈示を組み合わせ、数秒間の音刺激呈示中に漸進的に心拍数が低下する徐脈を観察し、この条件付け徐脈反応が小脳虫部の破壊により減弱されることを報告している。本研究では長期抑圧の発現にも深く関わる代謝型グルタミン酸受容体1型(mGluR1)が条件付け徐脈の発現においてどのように機能しているのか明らかにすることを目的とした。逆進性遺伝学的手法によりmGluR1を欠損させたmGluR1ノックアウトマウス、小脳プルキンエ細胞だけにmGluR1が発現し、他の脳組織には発現していないmGluR1レスキューマウスを用いて、その条件付け徐脈について詳細に調べた。条件刺激(音刺激)と無条件刺激(尾部への電気刺激)を組み合わせた恐怖条件付けパラダイムにより、すべてのマウスにおいて条件付け徐脈の獲得・保持・消去が同様に観察されたが、音刺激呈示中の徐脈において、mGluR1ノックアウトマウスに顕著な特徴が観察された。mGluR1ノックアウトマウスは野生型マウスに比べて著しく大きな徐脈を示した。一方、小脳プルキンエ細胞にのみmGluR1が発現しているmGluR1レスキューマウスは野生型マウスと同様のレベルの徐脈を示した。これらの結果より、小脳プルキンエ細胞におけるmGluR1は、小脳が介在した自律神経系の制御に関与し、条件付け徐脈において、条件刺激に対する心拍応答(徐脈)の大きさの調節に関与していることが結論される。

【研究種目】奨励研究(A)

【研究期間】2000 - 2001

【配分額】2,100千円 (直接経費: 2,100千円)