Roles of the Deep Brain in the Control of Human Bipedal Locomotion: Capturing Deep Brain Activity with Innovative EEG Techniques
| Project/Area Number |
23K21611
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| Project/Area Number (Other) |
21H03340 (2021-2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2021-2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 59030:Physical education, and physical and health education-related
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| Research Institution | Tokyo University of Agriculture and Technology (2022-2024)
The University of Tokyo (2021) |
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Principal Investigator |
横山 光 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (30896832)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
金子 直嗣 東京大学, 大学院総合文化研究科, 助教 (50969285)
中澤 公孝 東京大学, 大学院総合文化研究科, 教授 (90360677)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥15,340,000 (Direct Cost: ¥11,800,000、Indirect Cost: ¥3,540,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2021: ¥9,490,000 (Direct Cost: ¥7,300,000、Indirect Cost: ¥2,190,000)
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| Keywords | 脳波 / 歩行 / 筋電図 / 脳深部 / MRI / 脊髄 / パーキンソン病 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究の目的はヒト二足立位歩行の制御における中脳・視床などの脳深部領域の役割を最新の脳波計測・解析技術を組み合わせ解明することである。
近年、高密度脳波測定とMRI(Magnetic Resonance Imaging)画像に基づく被験者ごとの詳細な脳モデルを組み合わせた手法により、脳深部電気活動を非侵襲的に測ることが可能と証明された。さらに、不可能と考えられていた歩行時の脳波測定も革新的手法により測定が可能となった。これらの手法により歩行時の脳深部活動を測定し、大脳皮質や、脊髄、筋など他領域との関係性からヒト歩行制御における脳深部領域の役割の解明を試みる。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的はヒトの歩行制御における脳深部領域の役割を最新の脳波計測・解析技術を組み合わせ解明することである。 近年 、高密度脳波測定とMRI画像に基づく被験者ごとの詳細な脳モデルを組み合わせた手法により、脳深部電気活動を非侵襲的に測ることが可能と証明された。さらに、不可能と考えられていた歩行時の脳波測定も革新的手法により測定が可能となった。 こ れらの手法により歩行時の脳深部活動を測定し、大脳皮質や筋など他領域との関係性からヒト歩行制御における脳深部領域の役割を解明する。
2023度までに、脳波とMRIを組み合わせた脳深部の電気活動推定手法に関して、骨、脳、皮膚などの頭部組織を分割するため、T1強調画像とT2強調画像を組み合わせた最新の組織分割法を導入した (チャーム法、SimNIBS toolbox)。そして、10組織に分割された頭部画像から頭部導電モデルを有限要素法で作成した。次に、深層学習を使用して、全頭から取得した160chの脳波から脳深部の活動を推定する新規手法の検討を行ない、シミュレーションにて従来手法より高精度に推定可能という結果が得られた。この提案手法の精度を手の神経を電気刺激して誘発される体性感覚誘発電位を用いて調べ、想定される神経経路に沿う活動を提案手法で特定できた。さらにこの手法の妥当性を検証するために、てんかん患者を対象とした脳磁図と脳内に直接留置された電極の同時記録時のデータを用いて、脳磁図から推定した脳深部活動の精度を検証し、従来手法より優れた精度が得られることを確認した。
また、歩行時の脳深部活動を調べるための実験を開始し、7m 歩行課題を200回繰り返した際の160chの脳波データを15名から計測した。
また、脳深部と脊髄活動の関係性を調べるために、脊髄活動を非侵襲的に調べる手法による歩行時の脊髄活動推定を行ない、研究結果を国際誌に発表した。
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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
本年度の大きな進捗としては、本研究の根幹技術である脳波とMRIを組み合わせた脳深部の電気活動推定手法で大きな進歩が見られたことである。具体的には昨年度までにシミュレーションで手法の最適化や精度検証を進めていたが、今年度は実際のヒトから得られたデータで精度検証を進めた。健常者を対象とした脳波と体性感覚誘発電位を利用した検証、てんかん患者を対象とした脳磁図と脳内の侵襲電極による同時記録を利用した検証の二つで精度検証を行い、提案手法の有用性が確認できた。そして、脳深部活動を推定する新規手法を提案すると論文としてまとめ、投稿直前である。以上のように脳深部活動を脳波から推定することは非常に困難であるが、問題を解決し、論文として発表する直前まで進めることができた。
また、この手法を実際の歩行時のデータに適用するための実験も進め、歩行時の高密度脳波データを15名から取得することができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度はまず、脳波とMRIを組み合わせた脳深部の電気活動推定手法の精度検証に関する論文化作業を進める。
次に、歩行開始課題中の脳波計測実験について前年度で15名の計測を行ったが、合計20名となるように追加の実験を行う。そしてMRIから各個人の頭部モデルを作成し、歩行時の脳深部活動の推定を行う予定である。これにより、視床や中脳に存在するであろう歩行誘発野と大脳皮質、脊髄でどのような神経活動が見られるか、また神経領域間の情報のやりとりを調べる。
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Report
(3 results)
Research Products
(5 results)
