Mechanisms underlying the functional shift of brain neural circuitry for behavioral adaptation

• Project Area: Mechanisms underlying the functional shift of brain neural circuitry for behavioral adaptation
• Project/Area Number: 26112004
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Biological Sciences
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 小池 康晴 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 教授 (10302978)
• Project Period (FY): 2014-07-10 – 2019-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥68,640,000 (Direct Cost: ¥52,800,000、Indirect Cost: ¥15,840,000); Fiscal Year 2018: ¥13,260,000 (Direct Cost: ¥10,200,000、Indirect Cost: ¥3,060,000); Fiscal Year 2017: ¥13,260,000 (Direct Cost: ¥10,200,000、Indirect Cost: ¥3,060,000); Fiscal Year 2016: ¥13,260,000 (Direct Cost: ¥10,200,000、Indirect Cost: ¥3,060,000); Fiscal Year 2015: ¥13,130,000 (Direct Cost: ¥10,100,000、Indirect Cost: ¥3,030,000); Fiscal Year 2014: ¥15,730,000 (Direct Cost: ¥12,100,000、Indirect Cost: ¥3,630,000)
• Keywords: 神経科学 / リハビリテーション / 解析・評価 / モデル化

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、数理モデルを用いた解析技術を学習の発達過程での回路の変遷や損傷・障害からの回復における回路の再編に関与する神経機構を明らかにする研究に応用することを目的としている。このとき、身体のダイナミクスを考慮に入れた筋骨格系モデルを用いて、脳活動度運動データとを関連づけ、因果関係を特定することを目指している。

本年度は、大規模データ解析手法の開発では、指の運動タスクを行っているときの運動関連領野の活動から運動を識別するデコーダの作成において、昨年までに行ってきた信号源推定だけで無く、対規模ネットワークを解析するための信号源シナジーという新しい考え方を取り入れ、推定精度をより高めたデコーダを作成することができた。
また、多自由度腕のダイナミクスモデルを用いた大規模データの解析手法の開発では、筋シナジーを用いた腕の運動制御モデルを作成し、手首と指の動きの識別を可能とした。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

脳波から信号源を推定し、さらに、信号源同士の同期的な活動を信号源シナジーとしてデコーデダーを作成した結果、信号源を単独で用いるよりも、指の運動方向識別において精度が高くなることが分かった。回路シフトの動態を調べる上でも、信号源単体の活動変化だけで無く、ネットワークとしての活動変化を可視化することができた。

Strategy for Future Research Activity

課題の前後での活動から、回路シフトを定量的に解析することで、回路シフトの動態を詳しく解析していく。また、計画班、公募班で得られたデータについても、引き続き解析していく。

Research Products

• [Journal Article] Decoding of Ankle Flexion and Extension from Cortical Current Sources Estimated from Non-invasive Brain Activity Recording Methods (2018)
  • Author(s): Mejia Tobar Alejandra、Hyoudou Rikiya、Kita Kahori、Nakamura Tatsuhiro、Kambara Hiroyuki、Ogata Yousuke、Hanakawa Takashi、Koike Yasuharu、Yoshimura Natsue
  • Journal Title: Front Neurosci Volume: 11 Pages: 1-12
  • DOI: 10.3389/fnins.2017.00733
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Versatile locomotion control of a hexapod robot using a hierarchical network of non-linear oscillator circuits (2018)
  • Author(s): Minati Ludovico、Frasca Mattia、Yoshimura Natsue、Koike Yasuharu
  • Journal Title: IEEE Accesss Volume: 6 Pages: 8042-8065
  • DOI: 10.1109/access.2018.2799145
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Decoding finger movement in humans using synergy of EEG cortical current signals. (2017)
  • Author(s): Yoshimura Natsue、Tsuda Hayato、Kawase Toshihiro、Kambara Hiroyuki、Koike Yasuharu
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 7 Pages: 1-11
  • DOI: 10.1038/s41598-017-09770-5
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Decoding of emotional responses to user-unfriendly computer interfaces via electroencephalography signals (2017)
  • Author(s): Yoshimura Natsue、Koga Osamu、Katsui Yu、Ogata Yousuke、Kambara Hiroyuki、Koike Yasuharu
  • Journal Title: ACTA IMEKO Volume: 6 Pages: 93-93
  • DOI: 10.21014/acta_imeko.v6i2.383
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Controlling an electromyography-based power-assist device for the wrist using electroencephalography cortical currents. (2017)
  • Author(s): Kawase T., Yoshimura N., Kambara H., Koike Y
  • Journal Title: Advanced Robotics Volume: 31 Pages: 88-96
  • DOI: 10.1080/01691864.2016.1215935
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Mapping ECoG channel contributions to trajectory and muscle activity prediction in human sensorimotor cortex. (2017)
  • Author(s): Nakanishi Y., Yanagisawa T., Shin D., Kambara H., Yoshimura N., Tanaka M., Fukuma R., Kishima H., Hirata M., and Koike Y
  • Journal Title: SCIENTIFIC REPORTS Volume: 7 Pages: 1-13
  • DOI: 10.1038/srep45486
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Yoshimura N, Nishimoto A, Belkacem AN, Shin D, Kambara H, Hanakawa T, Koike Y: Decoding of covert vowel articulation using electroencephalography cortical currents (2016)
  • Author(s): Natsue Yoshimura, Atsushi Nishimoto, Abdelkader Nasreddine Belkacem, Duk Shin, Hiroyuki Kambara, Takashi Hanakawa, Yasuharu Koike
  • Journal Title: Front Neurosci Neuroprosthetics Volume: 10 Pages: 1-15
  • DOI: 10.3389/fnins.2016.00175
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Individual weight perception from motion on a slope (2016)
  • Author(s): Kalanyu Zintus-Art, Duk Shin, Hiroyuki Kambara, Natsue Yoshimura, Yasuharu Koike
  • Journal Title: SCIENTIFIC REPORTS Volume: 6:25432 Pages: 1-11
  • DOI: 10.1038/srep25432
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Decoding of covert vowel articulation using electroencephalography cortical currents (2016)
  • Author(s): Natsue Yoshimura, Atsushi Nishimoto, Abdelkader Nasreddine Belkacem, Duk Shin, Hiroyuki Kambara, Takashi Hanakawa, Yasuharu Koike
  • Journal Title: Frontiers Volume: 印刷中
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Relationship between muscle synergies and physical performance in patients with hemiparesis (2017)
  • Author(s): Toshihiro Kawase, Atsuko Nishimura, Atsuko Nisimoto, Fumio Liu, Yeongdae Kim, Hiroyuki Kambara, Natsue Yoshimura, Yasuharu Koike
  • Organizer: 47th annual meeting of the Society for Neuroscience (SfN)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Classification of Movement Direction from EEG Signals before Movement (2017)
  • Author(s): Hyeonseok Kim, Yasuharu Koike
  • Organizer: 4th International Conference on Biomedical and Bioinformatics Engineering (ICBBE2017)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Brain activity synergy analysis for motion decoding (2017)
  • Author(s): Natsue Yoshimura, Hayato Tsuda, Toshihiro Kawase, Hiroyuki Kambara, Yasuharu Koike
  • Organizer: Yamada Symposium 2017 on “Neuroimaging of Natural Behaviors”
• [Presentation] Multi-Class Decoding of Ankle Movements Usin Non-Invasive Brain Acitvity Recording Methods (2017)
  • Author(s): Alejandra Mejia Tobar, Rikiya Hyoudo, Kahori Kita, Tatsuhiro Nakamura, Hiroyuki Kambara, Takashi Hanakawa, Yasuharu Koike, Natsue Yoshimura
  • Organizer: 7th Graz Brain-Cmonputer interface Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Motor learning model adapting to velocity force-field reaching task (2017)
  • Author(s): Hiroyuki Kambara, Haruka Shimizu, Atsushi Takagi, Tosihiro Kawase, Natsue Yoshimura, Yasuharu Koike
  • Organizer: 第27回日本神経回路学会全国大会（JNNS2017）
• [Presentation] シナジー解析による運動識別 (2017)
  • Author(s): 吉村奈津江, 川瀬利弘, 小池康晴
  • Organizer: 第40回日本神経科学大会
• [Presentation] BMIによるニューロリハビリテーションと日常動作補助のための外骨格ロボット：肘と手関節に対するEMGとSSVEPを用いたハイブリッド制御 (2017)
  • Author(s): 川瀬利弘, 小池康晴, 神作憲司
  • Organizer: 第40会日本神経科学大会
• [Presentation] 力場適応を行う到達運動学習モデル (2017)
  • Author(s): 神原裕行, 吉村奈津江, 小池康晴
  • Organizer: 第29回自律分散システム・シンポジウム
  • Place of Presentation: 調布クレストンホテル（東京都調布市）
• [Presentation] 非侵襲脳計測による運動推定 (2016)
  • Author(s): 小池康晴
  • Organizer: 第59回日本手外科学会学術集会
  • Place of Presentation: 広島国際会議場（広島県広島市）
• [Presentation] Electromyographic activity reconstruction of ankle flexors and extensors from estimated cortical currents (2016)
  • Author(s): Alejandra Mejia Tobar, Rikiya Hyoudo, Kahori Kita, Tatsuhiro Nakamura, Hiroyuki Kambara, Takashi Hanakawa, Yasuharu Koike, Natsue Yoshimura
  • Organizer: The 1st International Symposium on Embodied-Brain Systems Science (EmboSS2016)
  • Place of Presentation: 東京大学（東京都文京区）
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Force field adaptation using computational model without trajectory planning (2016)
  • Author(s): Yasuharu Koike, Hiroyuki Kambara, Natsue Yoshimura
  • Organizer: Biomechanics and Neural Control of Movement 2016
  • Place of Presentation: Columbus, USA
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Rehabilitation robot using muscle activity and neural decoding (2016)
  • Author(s): Toshihiro Kawase, Duk Shin, Hiroyuki Kambara, Natsue Yoshimura, Yasuharu Koike
  • Organizer: The XXI International Society of Electrophysiology and Kinesiology（ISEK）
  • Place of Presentation: Chicago, USA
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Human’s Episodic Learning : Subsequent Memory Analysis on Large fMRI Dataset (2016)
  • Author(s): Supat Saetia, Natsue Yoshimura, Yasuharu Koike
  • Organizer: 第39回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川県横浜市）
• [Presentation] A BMI-based robotic exoskeleton for neurorehabilitation and daily actions: effects of hybrid BMI-based assistance on muscle activities in a stroke patient (2016)
  • Author(s): Toshihiro Kawase, Yasuharu Koike, Kenji Kansaku
  • Organizer: 第39回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川県横浜市）
• [Presentation] 片麻痺患者と健常者のシナジーによる運動解析 (2016)
  • Author(s): Toshihiro Kawase, Yasuharu Koike
  • Organizer: 日本運動制御・ニューロリハビリテーション研究会2016（JSMC&NR2016）
  • Place of Presentation: 淡路夢舞台（兵庫県淡路市）
• [Presentation] Evaluating sensory prediction errors: a new technique for decoding movement intention (2016)
  • Author(s): Keigo Nakamura, Ganesh Gowrishankar, Alejandra Mejia Tobar, Supat Saetia, Natsue Yoshimura, Eiichi Yoshida, Hideyuki Ando, Yasuharu Koike
  • Organizer: 第10回モーターコントロール研究会
  • Place of Presentation: 慶應義塾大学（神奈川県横浜市）
• [Presentation] Human Interface based on Musculoskeletal model (2016)
  • Author(s): Yasuharu Koike, Hiroyuki Kambara, Natsue Yoshimura
  • Organizer: 3rd Tokyo Tech - Uppsala University Joint Symposium
  • Place of Presentation: Uppsala University（Uppsala, Sweden）
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Muscle synergy analysis for motor control (2016)
  • Author(s): Yasuharu Koike, Hiroyuki Kambara, Natsue Yoshimura
  • Organizer: The 23rd International Conference on Neural Information Processing (ICONIP2016)
  • Place of Presentation: 京都大学（京都府左京区）
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 計算機シミュレーションによる位置制御と力制御の運動学習 (2016)
  • Author(s): 小池康晴
  • Organizer: 第31回生体・生理工学シンポジウム (LE2016)
  • Place of Presentation: 大阪国際交流センター（大阪府大阪市）
• [Presentation] Modulation of muscle synergy activation during arm movements in patients with hemiparesis (2016)
  • Author(s): Toshihiro Kawase, Atsuko Nishimura, Atsuko Nishimoto, Fumio Liu, Yeongdae Kim, Hiroyuki Kambara, Natsue Yoshimura, Yasuharu Koike
  • Organizer: The 46th annual meeting of the Society for Neuroscience (SfN2016)
  • Place of Presentation: San Diego Convention Center（San Diego, USA）
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Muscle activity reconstruction of ankle flexors and extensors using non-invasive brain activity recording methods (2016)
  • Author(s): Alejandra Mejia Tobar, Rikiya hyoudou, Kahori Kita, Tatsuhiro Nakamura, Hiroyuki Kambara, Takashi Hanakawa, Yasuharu Koike, Natsue Yoshimura
  • Organizer: The 46th annual meeting of the Society for Neuroscience (SfN2016)
  • Place of Presentation: San Diego Convention Center（San Diego, USA）
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Directionally tuned signals in human EEG during step-tracking wrist movement (2016)
  • Author(s): Hiroyuki Kambara, Hirokazu Tanaka, Makoto Miyakoshi, Natsue Yoshimura, Yasuharu Koike
  • Organizer: The 46th annual meeting of the Society for Neuroscience (SfN2016)
  • Place of Presentation: San Diego Convention Center（San Diego, USA）
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Overview of Brain Circulation Program (Program for Advancing Strategic International Networks to Accelerate the Circulation of Talented Researchers) (2016)
  • Author(s): Yasuharu Koike
  • Organizer: MoBI(Mobile Brain/Body Imaging) Workshop
  • Place of Presentation: University of California San Diego（San Diego, USA）
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 片麻痺患者のシナジーによる運動解析 (2015)
  • Author(s): 川瀬利弘, 西村温子, 西本敦子, 里宇文生, 神原裕行, 吉村奈津江, 小池康晴
  • Organizer: 電子情報通信学会ニューロコンピューティング研究会
  • Place of Presentation: 東北大学（宮城県）
  • Year and Date: 2015-11-20
• [Presentation] 跳躍時における下肢部の筋シナジー (2015)
  • Author(s): 松村聖司, 川瀬利弘, 木村聡貴, 柏野牧夫, 吉村奈津江, 小池康晴
  • Organizer: 計測自動制御学会 システム・情報部門 学術講演会2015（SSI2015）
  • Place of Presentation: 函館アリーナ（北海道）
  • Year and Date: 2015-11-19
• [Presentation] Learnig time-to-contact in ball catching without haptic information (2015)
  • Author(s): Hiroyuki Kambara, Noto hama, Toshihiro Kawase, Natsue Yoshimura, Yasuharu Koike
  • Organizer: The 45th annual meeting of the Society for Neuroscience
  • Place of Presentation: Chicago, USA
  • Year and Date: 2015-10-21
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ブレインマシンインタフェースとその工学的な応用 (2015)
  • Author(s): 小池康晴
  • Organizer: 電子情報通信学会音声研究会
  • Place of Presentation: 神戸大学（兵庫県）
  • Year and Date: 2015-10-15
  • Invited
• [Presentation] Reversing Weight-Perception in Motion on Slope (2015)
  • Author(s): Kalanyu Zintus-art, Hiroyuki Kambara, Duk Shin, Natsue Yoshimura, Yasuharu Koike
  • Organizer: 37th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society
  • Place of Presentation: Milano, Italy
  • Year and Date: 2015-08-29
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Muscle Activity Reconstruction for Ankle Flexor and Extensor (2015)
  • Author(s): Alejandra Mejia Tobar, Rikiya Hyoudou, Kahori Kita, Tatsuhiro Nakamura, Hiroyuki Kambara, Takashi Hanakawa, Yasuharu Koike, Natsue Yoshimura
  • Organizer: 第38回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場（兵庫県）
  • Year and Date: 2015-07-30
• [Presentation] BMIによるニューロリハビリテーションと日常動作補助のための外骨格ロボット：EMGとSSVEPを用いたハイブリッド制御の脳卒中患者による使用 (2015)
  • Author(s): 川瀬利弘, 小池康晴, 神作憲司
  • Organizer: 第38回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場（兵庫県）
  • Year and Date: 2015-07-29
• [Presentation] 三次元空間の到達運動学習・制御モデル (2015)
  • Author(s): 神原裕行, 川瀬利弘, 辛徳, 吉村奈津江, 小池康晴
  • Organizer: 電子情報通信学会ニューロコンピューティング研究会
  • Place of Presentation: 沖縄科学技術大学院大学（沖縄県）
  • Year and Date: 2015-06-25
• [Presentation] Directional tuning patterns in human EEG during wrist movement (2015)
  • Author(s): Hiroyuki Kambara, Hirokazu Tanaka, Makoto Miyakoshi, Scott Makeig
  • Organizer: 21st Annual Meeting of The Organization for Human Brain Mapping (OHBM2015)
  • Place of Presentation: Hawaii, USA
  • Year and Date: 2015-06-15
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Brain-machine interface for forces and motion based on musculo-skeletal model (2015)
  • Author(s): Yasuharu Koike
  • Organizer: 2015 International Workshop on Clinical Brain Neural-Machine interface Systems (CBMI2015)
  • Place of Presentation: 全社協灘尾ホール（東京都）
  • Year and Date: 2015-03-14
  • Invited
• [Presentation] Neural representations of wrist motion in human motor cortices (2015)
  • Author(s): Yasuharu Koike, Hiroyuki Kambara, Natsue Yoshimura
  • Organizer: システム脳神経科学とリハビリテーション研究会（SNR2015）
  • Place of Presentation: 国立障害者リハビリテーションセンター（埼玉県）
  • Year and Date: 2015-03-11
  • Invited
• [Presentation] 脳波と運動制御 (2014)
  • Author(s): 小池康晴
  • Organizer: 第44回日本臨床神経生理学会学術大会
  • Place of Presentation: 福岡国際会議場（福岡県）
  • Year and Date: 2014-11-21
  • Invited
• [Presentation] 脳波を用いた手指の動作識別 (2014)
  • Author(s): 奥下竜太郎，吉村奈津江，神原裕行，辛徳，Abdelkader Nasreddine Belkacem，小池康晴
  • Organizer: 電子情報通信学会ニューロコンピューティング研究会
  • Place of Presentation: 東北大学（宮城県）
  • Year and Date: 2014-11-21
• [Presentation] 脳波を用いた感性の定量化と応用に関する基礎検討 (2014)
  • Author(s): 古賀理，吉村奈津江，Abdelkader Nasreddine Belkacem，辛徳，神原裕行，小池康晴
  • Organizer: 電子情報通信学会ニューロコンピューティング研究会
  • Place of Presentation: 東北大学（宮城県）
  • Year and Date: 2014-11-21
• [Presentation] Eye-movement-based Communication System: A Comparison between Classification of Eye Movements Using EOG and EEG Sensors (2014)
  • Author(s): Abdelkader Nasreddine Belkacem, Natsue Yoshimura, Duk Shi, Hiroyuki Kambar, Yasuharu Koike
  • Organizer: 電子情報通信学会ニューロコンピューティング研究会
  • Place of Presentation: 大阪電気通信大学（大阪府）
  • Year and Date: 2014-10-08
• [Presentation] Prediction of upper arm motion based on computational model (2014)
  • Author(s): Yasuharu Koike
  • Organizer: 1st Clinical Movement Analysis World Conference
  • Place of Presentation: ANGELICUM CONGRESS CENTRE（Itary）
  • Year and Date: 2014-10-03
  • Invited
• [Book] 脳計算論における運動学習理論 (2015)
  • Author(s): 小池康晴
  • Total Pages: 19
  • Publisher: ニューロリハビリテーション 医学書院
• [Book] Motor Control Theory and Brain-machine Interface (2015)
  • Author(s): Yasuharu Koike, Natsue Yoshimura, Duk Shin, Hiroyuki Kambara
  • Total Pages: 14
  • Publisher: Clinical Systems Neuroscience, Springer