【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】21K03932 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

姿勢制御 / 予期的姿勢調節 / 小脳 / 学習 / モデル予測制御 / 予測制御 / 姿勢 / 歩行 / ラット

【研究成果の概要】

ヒトや動物は直立や歩行中に将来の自己の状態を予測して動作を生成する。予測動作の生成には自己の身体内部モデルに基づく予測が必要である。内部モデルは自身の運動状態を表すモデルであり、生物はこのモデルを学習的に獲得する。本研究では、このような姿勢制御・運動制御における予測制御系の原理解明を目指して、予測制御系および内部モデルの学習系のモデル構築と動物の神経系における予測制御機構の原理に迫る研究を行っている。本年度は(１）予測可能な外乱に対するラットの直立予測動作の計測と神経メカニズムの検証、（２）直立予測制御モデルの構築とラットの直立姿勢制御動作の評価、（３）学習にかかわる神経系の障害による直立姿勢動作の影響とモデルによる評価を行い、以下の研究結果を得た。
（１）光刺激を与えた後に傾斜外乱を与える環境を繰り返し経験させることで、予測可能な外乱に対するラットの予測的姿勢制御動作を詳細に計測する環境を構築した。さらに、（２）ラットの身体力学モデルとモデル予測制御に基づくラットの姿勢制御モデルを構築し、実験で得られたラットの予測動作を数理シミュレーションと比較した。その結果、モデル予測制御による数理モデルがラットの予測制御をよく再現できることが示された(Konosu, Funato, et al. Front Sys Neurosci. 2021)。
（３）内部モデルの学習に使われる下オリーブ核を薬理学的に障害したラットの直立動作を計測し、健常ラットと比較したところ、下オリーブ核障害ラットでは重心動揺の特徴周波数の低下とパワースペクトラムの上昇がみられた。この結果を基に数理シミュレーションに基づく制御系の定量評価を行ったところ、下オリーブ核障害ラットでは、（予測制御と考えられる）非線形制御機能の低下がみられることが分かった（Funato, et al., Sci Rep, 2021）。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2021-04-01 - 2024-03-31

【配分額】4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)

【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】身体教育学

【研究領域課題番号】15K01498 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

歩行 / 小脳 / 脊髄 / 適応 / 筋骨格モデル / 神経制御モデル / 動力学シミュレーション / 位相調節 / 感覚情報 / 股関節 / 神経筋骨格モデル / 運動スキル / ラット / シナジー / 脳梗塞

【研究成果の概要】

運動の生成における神経・筋系の冗長多自由度性の問題に対して、実際の運動においては複数の関節が時間的・空間的関係性を保ちながら動くというように、関節間の協調としての運動学シナジーを環境の変化に適応的に制御することにより運動スキルは達成される。本研究は、歩行運動の際の環境の変化に応じた新たなスキルの発現と獲得における脊髄小脳ループの役割について、ラットを用いた神経生理学的実験と、ラットにおける神経筋骨格モデルによる動力学シミュレーションの両面から解析した。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2015-04-01 - 2018-03-31

【配分額】4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円)

【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)