歩行制御の中枢神経機構の解明～機械学習に基づく大脳皮質－脊髄連関の包括的理解～

• Project/Area Number: 18J01286
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Developmental mechanisms and the body works (A)
• Research Institution: Tokyo University of Agriculture and Technology
• Principal Investigator: 横山 光 東京農工大学, 大学院工学研究院, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2018-04-25 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2020: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2019: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2018: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: 歩行 / 筋電図 / 脳波 / 機械学習 / 大脳皮質 / 脊髄 / パーキンソン病 / 筋シナジー

Outline of Annual Research Achievements

2020年度における研究活動において、ヒト歩行制御の中枢神経機構の解明のため、筋電図・脳波測定と機械学習を用いて歩行時の筋制御に関する研究を進めた。
昨年に引き続き今年の6月まで、神経疾患患者を対象とした研究を行うためにトロントリハビリテーション研究所に留学し研究を行なった。パーキンソン病患者を対象とした研究に従事し、中脳ドパミン系の機能不全による大脳皮質機能の低下が、大脳皮質と脊髄の神経細胞活動の同期性を低下させ、歩行時の筋活動異常を引き起こすことを示唆する結果を得た。この内容を論文としてまとめ、Journal of Neurophysiology誌に受理された。
6月に帰国した後、脳波と独立成分分析を用いた研究を進め、歩行時の精緻な足部位置制御には感覚運動野、頭頂連合野、視覚野が関わることを明らかにし、European Journal of Neuroscience誌に掲載された。加えて、脳波や筋電図を用いた歩行制御に関わる2つの研究を国際誌に投稿し、査読中である。年度の後半には、歩行時の詳細な筋制御機序を解明するため、60以上の電極を一つの筋の上に貼付し、得られた高密度筋電図信号に独立成分分析を応用して単一の脊髄運動ニューロンの発火タイミングを調べる研究に取り組んだ。シミュレーションと実験から、全身運動時であっても非侵襲的に単一運動ニューロンの発火活動を評価することが可能であるという結果が得られた。
以上のように、多角的なアプローチにより、ヒト歩行の神経制御機序に関する研究を遂行し、特に今年度は有望な新規手法の開発、複数の論文を投稿・発表をするなど大きく研究が進展した。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Toronto rehabilitation institute/University of Toronto(カナダ)
• [Int'l Joint Research] University of Toronto/Toronto Rehabilitation Institute/Krembil Research Institute(カナダ)
• [Int'l Joint Research] University Medical Center Gottingen(ドイツ)
• [Journal Article] Phase dependent modulation of cortical activity during action observation and motor imagery of walking: An EEG study (2021)
  • Author(s): Kaneko Naotsugu、Yokoyama Hikaru、Masugi Yohei、Watanabe Katsumi、Nakazawa Kimitaka
  • Journal Title: NeuroImage Volume: 225 Pages: 117486-117486
  • DOI: 10.1016/j.neuroimage.2020.117486
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Defective corticomuscular connectivity during walking in patients with Parkinson’s disease (2020)
  • Author(s): Yokoyama Hikaru、Yoshida Takashi、Zabjek Karl、Chen Robert、Masani Kei
  • Journal Title: Journal of Neurophysiology Volume: 124 Issue: 5 Pages: 1399-1414
  • DOI: 10.1152/jn.00109.2020
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Speed- and mode-dependent modulation of the center of mass trajectory in human gaits as revealed by Lissajous curves (2020)
  • Author(s): Takiyama Ken、Yokoyama Hikaru、Kaneko Naotsugu、Nakazawa Kimitaka
  • Journal Title: Journal of Biomechanics Volume: 110 Pages: 109947-109947
  • DOI: 10.1016/j.jbiomech.2020.109947
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Gait‐phase‐dependent and gait‐phase‐independent cortical activity across multiple regions involved in voluntary gait modifications in humans (2020)
  • Author(s): Hikaru Yokoyama, Naotsugu Kaneko, Yohei Masugi, Tetsuya Ogawa, Katsumi Watanabe, Kimitaka Nakazawa
  • Journal Title: European Journal of Neuroscience Volume: - Issue: 12 Pages: 652-667
  • DOI: 10.1111/ejn.14867
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Cortical correlates of locomotor muscle synergy activation in humans: an electroencephalographic decoding study. (2019)
  • Author(s): Hikaru Yokoyama, Naotsugu Kaneko, Tetsuya Ogawa, Noritaka Kawashima, Katsumi Watanabe, Kimitaka Nakazawa
  • Journal Title: iScience Volume: 印刷中 Pages: 623-639
  • DOI: 10.1016/j.isci.2019.04.008
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Cortical correlates of locomotor muscle synergy activation in humans: An EEG decoding study (2019)
  • Author(s): Yokoyama H, Kaneko N, Ogawa T, Kawashima N, Watanabe K, Nakazawa K
  • Organizer: SOMBS/CMC Research Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Unidirectional beta connectivity from motor cortex to muscle is involved in voluntary modification of locomotor muscle activity in humans (2019)
  • Author(s): Yokoyama H, Kaneko N, Masugi Y, Ogawa T, Watanabe K, Nakazawa K
  • Organizer: International society for posture and gait research
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Defective corticomuscular connectivity during walking in Parkinson's disease patients (2019)
  • Author(s): Yokoyama H, Yoshida T, Zabjek K, Chen R, Masani K
  • Organizer: Annual meeting of Society for Neuroscience
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 脳波と機械学習を用いたヒト大脳皮質による歩行制御の理解 (2018)
  • Author(s): 横山光
  • Organizer: 第12回 モーターコントロール研究会