Development of an experimental system for motor learning using virtual reality technology

Research Project

Project/Area Number	19K12186
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Allocation Type	Multi-year Fund
Section	一般
Review Section	Basic Section 61060:Kansei informatics-related
Research Institution	Mejiro University
Principal Investigator	尾崎繁目白大学, 保健医療学部, 教授 (60292546)
Project Period (FY)	2019-04-01 – 2024-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help	¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000) Fiscal Year 2021: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000) Fiscal Year 2020: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000) Fiscal Year 2019: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
Keywords	プリズム適応 / 運動学習 / ヘッドマウントディスプレイ / VR空間 / 感性脳科学 / 生理学実習
Outline of Research at the Start	失敗を繰り返しながら運動を学習する機構を探究するための研究教育システムを仮想現実(VR)技術を活用して開発する。本研究では、VR空間でダーツ(球)投げを再現し、運動学習効果を観察するシステムを構築する。ハンドコントローラを介した腕の動きからダーツ(球)の軌道をヘッドマウントディスプレイ(HMD)に投影する。その軌道を対照条件(物理的放物運動)と実験条件(方向シフトや非物理的放物運動)に設定し、様々な運動学習効果を観察する実験システムを開発する。本研究は、脳の学習機能を学ぶ生理学教育の効果向上と一般啓発を促すとともに、運動の小脳内部モデル獲得機構の解明とその臨床応用に向けた研究基盤を提供する。
Outline of Annual Research Achievements	スポーツのように練習によってスキルの上達を図るためには“失敗に学びながら覚える”ことが重要である。例えば、視覚目標に向かって手を伸ばす運動（到達運動）は、ガラスプリズムを用いて視野を水平方向にずらすと、初めは虚像に手を伸ばすので目標との間に誤差が生じるが、この誤差は運動を繰り返しながら減少していく（プリズム適応）。次にプリズムをはずして到達運動を行うと、当初は逆方向の誤差が生じ（後効果）、再び運動を繰り返しながら回復する。この過程は脳の可塑性による「運動学習」で説明されている（Kitazawa et al., J. Neurosci. 1995）。本研究課題は、プリズム適応の誘発と解析にヘッドマウントディスプレイ（HMD）とバーチャルリアリティ（VR）技術を組合せ、次の仕様を備えた実験システムを開発する。(1) ガラスプリズムを使わない視界シフト、(2) シフトの方向と大きさを可変、(3) 視界遮断等の映像効果の付加、(4) ハンドコントローラによる運動の検出、(5) ダーツ(ボール当て)ゲームのVR空間、(6) 様々な条件下のVR空間で運動学習を誘導。(1)から(3)の仕様を満たす２種類のプロトタイプシステムは構築済みである。2022年度は、これらシステムの有効性の検証と改良のための健常被験者実験の実施と、所属機関のオープンキャンパス等を利用した脳科学の啓発を視野に入れた研究展開を予定した。新型コロナウイルス感染症の影響が続き、十分な研究成果を得るには至らなかった。一方、健常被験者実験を実施し、視界を遮断する映像効果がプリズム適応に影響することを確認した。また、所属機関オープンキャンパスにおいて、本システムを活用した運動学習の体験コーナーを実施し、参加者の好評を得た。しかしながら、研究計画の大幅な遅延を解消することはできず、研究計画全体の４０％程度の達成に留まっている。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 4: Progress in research has been delayed. Reason 2022年度は、既に構築した次の(1)～(3)の要件を満たすプロトタイプシステムを使用して健常被験者にプリズム適応を誘発し、システムの有効性の確認と改良に活用するための実験データ取得を計画した。そして、取得データをフィードバックしてシステム開発を進めるとともに、VR空間における運動学習の実験パラダイムを構築することを目指した。【プロトタイプシステム要件】(1) ガラスプリズムを使わない視界シフト、(2) シフトの方向と大きさを可変、(3) 視界遮断等の映像効果の付加 2022年度も新型コロナウイルス感染症の影響が続き、十分な人数の健常被験者から研究成果を得るには至らなかったが、プロトタイプシステムによる視界遮断の映像効果がプリズム適応に影響することを確認した。また、所属機関オープンキャンパスにおいて、本システムを活用した小脳の運動学習機能に関わる脳科学の啓発活動を実施した。しかしながら、VR空間においてプリズム適応の誘発する研究展開に大幅な遅延が生じていると判断せざるを得ない。
Strategy for Future Research Activity	2023年度は停滞中の研究計画の早期実施を図る。本研究のプロトタイプシステムがプリズム適応と同様の運動学習効果を誘発することは確認できているので、健常被験者による実験を推進する。視界遮断の映像効果の有無が腕の到達運動の学習に与える影響に着目して、本研究システムに適した実験パラダイムを開発する。また、その成果を所属機関のオープンキャンパス等の一般参加活動に活用し、脳科学の啓発活動も進めていく。本来、本研究の第１段階であるプロトタイプシステムの検証後に第２段階として着手を予定していたVR空間でプリズム適応を誘発する実験システムの開発を2023年度は並行して実施する。そのソフトウエア開発についてはソフトウエア開発業者への外注も検討したが、費用対効果の観点から当該分野に精通した研究分担者を追加することで解決を図る(学振承認済)。