上肢-体幹協調運動を制御する神経基盤の解明とリハビリテーションへの応用

• Project/Area Number: 22KJ2106
• Project/Area Number (Other): 22J01084 (2022)
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Multi-year Fund (2023); Single-year Grants (2022)
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 59010:Rehabilitation science-related
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 佐々木 睦 大阪大学, 基礎工学研究科, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2023-03-08 – 2024-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000); Fiscal Year 2024: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2023: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2022: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
• Keywords: 機能的電気刺激 / 経頭蓋磁気刺激 / 脳波 / 運動制御 / FES / TMS / EEG

Outline of Research at the Start

ヒトの体幹筋は日常生活からスポーツ活動に至るまであらゆる運動において身体を支える役割を担う。例えば、前方に上肢を挙げる単純動作でさえ、上肢運動に協調して体幹筋が姿勢保持をすることで、初めて遂行可能となる。この場合、動作の意識は上肢を挙げることにあり、体幹筋の活動は意識されることはない。それにもかかわらず、体幹筋は上肢の運動に協調し、適切なタイミング・強さで活動する。本研究では、こうした円滑な上肢-体幹筋の協調運動を制御する神経メカニズムを経頭蓋磁気刺激(TMS)などの神経生理学的手法を用いて解明することを目指す。さらに、得られた基礎知見を応用し、新たなリハビリテーションの開発を試みる。

Outline of Annual Research Achievements

2023年度は4月から6月にかけ、ブレイン・コンピュータ・インターフェース（brain computer interface: BCI）と機能的電気刺激（functional electrical stimulation: FES）を組み合わせた介入法を用いた実験の準備を進めていた。年度途中で現在の職を辞職することが決まったため、研究の中断をした。昨年度から引き続き行なっているBCI-FES研究については基盤技術の開発および予備実験が済んでいるため、今後、それらの技術を用いて新たな研究を開始することを目指している。
BCI-FESの介入効果を検証するために使用予定であった経頭蓋磁気刺激(transcranial magnetic stimulation: TMS)による異なる筋間の神経的結合性の評価に関する研究は研究成果を論文としてまとめ、現在国際学術誌への投稿準備を行なっている。
FESに関しては、皮質脊髄路興奮性や脊髄興奮性を効果的に変調させる最適な刺激周波数を検討するために、さまざまな刺激周波数を用いたFES介入が神経興奮性に及ぼす影響を調べた。これらの結果は2023年9月にシンガポールで行われるInternational Functional Electrical Stimulation Societyで発表することが決まっている。
研究期間全体を通してBCI-FESに関する基盤技術を構築することができた。研究期間途中で異動が決まったため、早期に本研究を中断することになったが、これまでに得られた知見をもとに更なる発展研究が可能であると考えている。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Toronto(カナダ)
• [Journal Article] Muscle synergy patterns as altered coordination strategies in individuals with chronic low back pain: a cross-sectional study (2023)
  • Author(s): Saito Hiroki、Yokoyama Hikaru、Sasaki Atsushi、Nakazawa Kimitaka
  • Journal Title: Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation Volume: 20 Issue: 1 Pages: 69-69
  • DOI: 10.1186/s12984-023-01190-z
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Variability of trunk muscle synergies underlying the multidirectional movements and stability trunk motor tasks in healthy individuals (2023)
  • Author(s): Saito Hiroki、Yokoyama Hikaru、Sasaki Atsushi、Matsushita Kazuya、Nakazawa Kimitaka
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 13 Issue: 1 Pages: 1193-1193
  • DOI: 10.1038/s41598-023-28467-6
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] F-waves induced by motor point stimulation are facilitated during handgrip and motor imagery tasks (2023)
  • Author(s): Kaneko Naotsugu、Sasaki Atsushi、Fok Kai Lon、Yokoyama Hikaru、Nakazawa Kimitaka、Masani Kei
  • Journal Title: Experimental Brain Research Volume: 241 Issue: 2 Pages: 527-537
  • DOI: 10.1007/s00221-022-06537-x
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Disinhibition of short-latency but not long-latency afferent inhibition of the lower limb during upper-limb muscle contraction (2023)
  • Author(s): Kato Tatsuya、Sasaki Atsushi、Nakazawa Kimitaka
  • Journal Title: NeuroReport Volume: 34 Issue: 5 Pages: 280-286
  • DOI: 10.1097/wnr.0000000000001889
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Low-level voluntary input enhances corticospinal excitability during ankle dorsiflexion neuromuscular electrical stimulation in healthy young adults (2023)
  • Author(s): Yamaguchi Akiko、Sasaki Atsushi、Popovic Milos R.、Milosevic Matija、Nakazawa Kimitaka
  • Journal Title: PLOS ONE Volume: 18(3) Issue: 3 Pages: e0282671-e0282671
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0282671
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Effects of trunk neuromuscular electrical stimulation on the motor circuits of able-bodied individuals (2023)
  • Author(s): Sasaki Atsushi、Cao Na、Yuasa Akiko、Popovic Milos R.、Nakazawa Kimitaka、Milosevic Matija
  • Journal Title: Experimental Brain Research Volume: 241(4) Issue: 4 Pages: 979-990
  • DOI: 10.1007/s00221-023-06585-x
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Distinct contribution of interneuronal circuits in the human motor cortex during interlimb interactions: A transcranial magnetic stimulation study (2023)
  • Author(s): Sasaki Atsushi、Kato Tatsuya、Kaneko Naotsugu、Masugi Yohei、Milosevic Matija、Nakazawa Kimitaka
  • Journal Title: Brain Stimulation Volume: 16(1) Issue: 1 Pages: 246-247
  • DOI: 10.1016/j.brs.2023.01.389
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Short-term facilitation effects elicited by cortical priming through theta burst stimulation and functional electrical stimulation of upper-limb muscles (2022)
  • Author(s): Cao Na、Sasaki Atsushi、Yuasa Akiko、Popovic Milos R.、Milosevic Matija、Nakazawa Kimitaka
  • Journal Title: Experimental Brain Research Volume: In press Issue: 5 Pages: 1565-1578
  • DOI: 10.1007/s00221-022-06353-3
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Effects of action observation and motor imagery of walking on the corticospinal and spinal motoneuron excitability and motor imagery ability in healthy participants (2022)
  • Author(s): Kaneko Naotsugu、Sasaki Atsushi、Yokoyama Hikaru、Masugi Yohei、Nakazawa Kimitaka
  • Journal Title: PLOS ONE Volume: 17 Issue: 4 Pages: 0266000-0266000
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0266000
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Changes in corticospinal and spinal reflex excitability through functional electrical stimulation with and without observation and imagination of walking (2022)
  • Author(s): Kaneko Naotsugu、Sasaki Atsushi、Yokoyama Hikaru、Masugi Yohei、Nakazawa Kimitaka
  • Journal Title: Frontiers in Human Neuroscience Volume: 16 Pages: 994138-994138
  • DOI: 10.3389/fnhum.2022.994138
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Effective corticospinal excitability neuromodulation elicited by short-duration concurrent and synchronized associative cortical and neuromuscular stimulations (2022)
  • Author(s): Cao Na、Sasaki Atsushi、Yuasa Akiko、Popovic Milos R.、Milosevic Matija、Nakazawa Kimitaka
  • Journal Title: Neuroscience Letters Volume: 790 Pages: 136910-136910
  • DOI: 10.1016/j.neulet.2022.136910
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Short-and long-latency afferent inhibition of the human leg motor cortex by H-reflex subthreshold electrical stimulation at the popliteal fossa (2022)
  • Author(s): Kato Tatsuya、Sasaki Atsushi、Nakazawa Kimitaka
  • Journal Title: Experimental Brain Research Volume: 241 Issue: 1 Pages: 249-261
  • DOI: 10.1007/s00221-022-06497-2
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Firing behavior of single motor units of the tibialis anterior in human walking as non-invasively revealed by HDsEMG decomposition (2022)
  • Author(s): Yokoyama Hikaru、Kaneko Naotsugu、Sasaki Atsushi、Saito Akira、Nakazawa Kimitaka
  • Journal Title: Journal of Neural Engineering Volume: 19(6) Issue: 6 Pages: 066033-066033
  • DOI: 10.1088/1741-2552/aca71b
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Distinct contribution of interneuronal circuits in the human motor cortex during interlimb interactions: A transcranial magnetic stimulation study (2023)
  • Author(s): Sasaki Atsushi、Kato Tatsuya、Kaneko Naotsugu、Masugi Yohei、Milosevic Matija、Nakazawa Kimitaka
  • Organizer: 5th International Brain Stimulation Conference
  • Int'l Joint Research