| Project/Area Number |
20H00229
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Medium-sized Section 20:Mechanical dynamics, robotics, and related fields
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
青井 伸也 大阪大学, 大学院基礎工学研究科, 教授 (60432366)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中陦 克己 岩手医科大学, 医学部, 教授 (60270485)
荻原 直道 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (70324605)
國府 寛司 京都大学, 理学研究科, 教授 (50202057)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥44,980,000 (Direct Cost: ¥34,600,000、Indirect Cost: ¥10,380,000)
Fiscal Year 2023: ¥8,320,000 (Direct Cost: ¥6,400,000、Indirect Cost: ¥1,920,000)
Fiscal Year 2022: ¥11,050,000 (Direct Cost: ¥8,500,000、Indirect Cost: ¥2,550,000)
Fiscal Year 2021: ¥11,830,000 (Direct Cost: ¥9,100,000、Indirect Cost: ¥2,730,000)
Fiscal Year 2020: ¥13,780,000 (Direct Cost: ¥10,600,000、Indirect Cost: ¥3,180,000)
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| Keywords | ニホンザル / 直立二足歩行 / 不安定性 / 神経筋骨格モデル / 四足歩行 / 二足歩行 / 歩容遷移 / 筋シナジー / 一次運動野 / スパイクトリガー平均 / 非負値行列因子分解 / 最適化 / 予期的姿勢調節 |
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| Outline of Research at the Start |
ヒトは進化の過程で直立二足歩行を獲得したが、その起源は未だ不明確である。ニホンザルは訓練により直立二足歩行を獲得でき、ヒトの直立二足歩行の起源を理解する上で格好のモデルである。また他の哺乳類とは違って体軸を斜めに向けた四足歩行をし、その結果として前後に姿勢が不安定な期間があることを近年明らかにした。本研究ではこの成果に基づき「四足歩行に内在する前後の姿勢不安定性を利用して直立二足歩行を獲得する」という作業仮説を立て、神経生理学、進化人類学・生体力学、システム工学、力学系理論を基盤とする多角的な研究アプローチからこの仮説を検証し、不安定性という力学に基づく独自の視点から直立二足歩行の起源に迫る。
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| Outline of Annual Research Achievements |
令和4年度も昨年度に引き続いて、神経生理学、進化人類学・生体力学、システム工学、力学系理論を基盤とする研究グループが共同して、研究目的の遂行に向けて研究を推進した。
特に、歩行中のニホンザルの一次運動野・下肢領域から記録した神経細胞活動の筋活動に対する効果をスパイクトリガー平均（spike-triggered averaging）法を用いて検討した結果、一次運動野には下肢筋群を支配する運動ニューロンに対して直接的に投射する細胞が存在して、二足歩行中におけるそれらの細胞活動の効果が四足歩行に比べてより大きいことが明らかとなった。これは、サルの一次運動野が歩行中の脊髄の歩行パターン生成器（Central Pattern Generator, CPG）の活動を調節し、さらには支持脚の間での円滑な重心の受け渡しに寄与することを示唆する結果である。
さらに、ニホンザルの四足歩行時と二足歩行時に計測した筋活動を用いた筋シナジー解析の結果に基づいて昨年度までに構築していたニホンザルの神経筋骨格モデルを用いて、四足歩行から二足歩行へ遷移する動力学シミュレーションを実施した。特に、神経制御モデルにおける特定のパラメータの値に応じた歩容遷移時の振る舞いの違いを調べた。歩容遷移時の足の接地位置と質量中心を結ぶ倒立振子の状態に着目してその力学特性を解析すると、倒立振子の有するサドル不安定性を上手く利用することで、転倒することなく歩容遷移を実現できることが明らかとなった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
ニホンザルの神経筋骨格モデルの動力学シミュレーションから、二足歩行の獲得に寄与する不安定性の役割が明らかとなってきたため。
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| Strategy for Future Research Activity |
ニホンザルの神経筋骨格モデルのシミュレーション結果をニホンザルの計測データと比較して、これまでに得られた結果の妥当性を検証していく。
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