Elucidation of the synergy reformation mechanism for neural function recovery

• Project Area: Understanding brain plasticity on body representations to promote their adaptive functions
• Project/Area Number: 17H05904
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: The University of Electro-Communications
• Principal Investigator: 舩戸 徹郎 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 准教授 (40512869)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥9,880,000 (Direct Cost: ¥7,600,000、Indirect Cost: ¥2,280,000); Fiscal Year 2018: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000); Fiscal Year 2017: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000)
• Keywords: 筋シナジー / 運動制御 / 脳卒中 / リハビリ / バイオメカニクス / 脳神経疾患 / ラット / シナジー / 姿勢制御 / 神経疾患

Outline of Annual Research Achievements

ヒトや動物が運動を行うとき、複数の関節や筋を協調して動かす協調関係（シナジー）が見られる。このような運動中に観察される運動要素の協調関係は、動作生成において冗長な身体を動かすための低次元表現となっており、脳内身体表現を反映していると考えられる。シナジーは脳卒中及び小脳疾患によってそれぞれ特徴的に変化すると知られており、シナジーを指標とすることで効果的なリハビリテーション（リハビリ）の構築が期待できる。本研究では、神経障害に伴う運動機能低下とシナジー変化の関係を明らかにし、リハビリに応用することを目指して研究を行ってきた。本年度は（１）小脳梗塞ラットの歩行動作解析による運動機能低下のメカニズムの解明、（２）脳卒中患者の筋シナジー解析によるシナジー解析のリハビリへの応用を目指して研究を行い、以下の研究結果を得た。
（１）小脳中間部に小脳梗塞を生じたラットに後肢２足で歩行させ、歩行中のシナジーを解析した。小脳梗塞前と梗塞４日後、７日後、１１日後のシナジーを解析し、比較をした結果、小脳梗塞によってシナジーの時間タイミングが変わり、時間が経つに従って（回復に従って）徐々にタイミングが戻っていくことが分かった。また、この変化は足の回転運動に特異的に影響を与えた。これにより、小脳中間部の梗塞が運動機能を低下させ、その後回復に至る過程を定量的に明らかにした。
（２）脳卒中患者の回復の評価に使われるFMA中の筋シナジーを解析することで、FMAに使われる筋シナジーがそれぞれ異なる身体部位の筋活動によって構成され、FMAではこれらの筋シナジーを順に評価していることを明らかにした。また、健常者のシナジーと患者のシナジーを比較することで、シナジーの融合度に患者の重症度が反映されていることを示した。シナジーを重症度の評価に使うことで、（患者へ負担が少ない）単純なタスクで回復を評価できることを示した。

Research Progress Status

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Santa Lucia Foundation(イタリア)
• [Int'l Joint Research] Santa Lucia Foundation(イタリア)
• [Journal Article] Neuromusculoskeletal model that walks and runs across a speed range with a few motor control parameter changes based on the muscle synergy hypothesis (2019)
  • Author(s): S. Aoi，T. Ohashi，R. Bamba，S. Fujiki，D. Tamura，T. Funato，K. Senda，Y. Ivanenko，K. Tsuchiya
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 9 Issue: 1 Pages: 369-369
  • DOI: 10.1038/s41598-018-37460-3
  • NAID: 120006550439
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Adaptive hindlimb split-belt treadmill walking in rats by controlling basic muscle activation patterns via phase resetting (2018)
  • Author(s): S. Fujiki，S. Aoi，T. Funato，Y. Sato，K. Tsuchiya，D. Yanagihara
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 8 Issue: 1 Pages: 17341-17341
  • DOI: 10.1038/s41598-018-35714-8
  • NAID: 120006546011
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Construction of Experimental Environment for Muscle Synergy Analysis of Bipedal Walking in Rats (2018)
  • Author(s): Ryutaro Sakai, Tetsuro Funato, Soichiro Fujiki, Akira Konosu, Shinya Aoi, Dai Yanagihara
  • Journal Title: Proceedings of the IEEE International symposium on micro-nano mechatronics and human science Volume: - Pages: 316-317
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Investigation of Phase Resetting Effect on Phase Response Curve in Human Walking using a Neuromusculoskeletal Model (2018)
  • Author(s): Daiki Tamura, Shinya Aoi, Tetsuro Funato, Soichiro Fujiki, Kei Senda, Kazuo Tsuchiya
  • Journal Title: Proceedings of the IEEE International symposium on micro-nano mechatronics and human science Volume: - Pages: 318-320
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Postural control during quiet bipedal standing in rats (2017)
  • Author(s): T. Funato，Y. Sato，S. Fujiki，Y. Sato，S. Aoi，K. Tsuchiya，D. Yanagihara
  • Journal Title: PLoS ONE Volume: 12 Issue: 12 Pages: e0189248-e0189248
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0189248
  • NAID: 120006534630
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] The Method and Application of Synergy Analysis (2017)
  • Author(s): 舩戸 徹郎, 青井 伸也
  • Journal Title: Journal of The Society of Instrument and Control Engineers Volume: 56 Issue: 3 Pages: 193-198
  • DOI: 10.11499/sicejl.56.193
  • NAID: 130005457915
  • ISSN: 0453-4662, 1883-8170
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Gait analysis in rat with cerebellar stroke (2017)
  • Author(s): R. Sakai，T. Funato，S. Fujiki，M. Asaka，S. Aoi，D. Yanagihara
  • Journal Title: Proceedings of IEEE International Symposium on Micro-NanoMechatronics and Human Science (MHS2017) Volume: - Pages: 199-202
  • DOI: 10.1109/mhs.2017.8305255
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Spatial and temporal correlation of muscle synergies in human walk-run transition (2017)
  • Author(s): H. Takahashi，H. Oshima，S. Aoi，T. Funato，N. Tsujiuchi，A. Ito，K. Tsuchiya
  • Journal Title: Proceedings of IEEE International Symposium on Micro-NanoMechatronics and Human Science Volume: - Pages: 195-198
  • DOI: 10.1109/mhs.2017.8305187
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Construction of Experimental Environment for Muscle Synergy Analysis of Bipedal Walking in Rats (2018)
  • Author(s): Ryutaro Sakai, Tetsuro Funato, Soichiro Fujiki, Akira Konosu, Shinya Aoi, Dai Yanagihara
  • Organizer: IEEE International Symposium on Micro-NanoMechatronics and Human Science
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Investigation of Phase Resetting Effect on Phase Response Curve in Human Walking using a Neuromusculoskeletal Model (2018)
  • Author(s): Daiki Tamura, Shinya Aoi, Tetsuro Funato, Soichiro Fujiki, Kei Senda, Kazuo Tsuchiya
  • Organizer: IEEE International Symposium on Micro-NanoMechatronics and Human Science
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Muscle activity coordination of upper limbs, trunk, and lower limbs during bipedal and quadrupedal walking in the Japanese macaque (2018)
  • Author(s): Hiroko Oshima, Shinya Aoi, Katsumi Nakajima, Yasuo Higurashi, Tetsuro Funato, Nobutaka Tsujiuchi, Akihito Ito, Kazuo Tsuchiya
  • Organizer: 2nd International Symposium on Embodied-Brain Systems Science
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Investigating energy efficiency of gait in rat based on the muscle synergy hypotheses using a neuromusculoskeletal model (2018)
  • Author(s): Misaki Toeda, Shinya Aoi, Soichiro Fujiki, Tetsuro Funato, Kazuo Tsuchiya, Dai Yanagihara
  • Organizer: 2nd International Symposium on Embodied-Brain Systems Science
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Muscle Synergy Analysis of Bipedal Walking in Rats (2018)
  • Author(s): Ryutaro Sakai, Tetsuro Funato, Akira Konosu, Soichiro Fujiki, Shinya Aoi, Dai Yanagihara
  • Organizer: 2nd International Symposium on Embodied-Brain Systems Science
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Muscle synergy analysis of upper limb movements for evaluating motor recovery after stroke (2018)
  • Author(s): Tetsuro Funato and Arito Yozu
  • Organizer: Workship in IEEE-EMBC
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] An approach to the mechanism of postural dysfunction of rats with lesion in inferior olivary nuclei (2017)
  • Author(s): Tetsuro Funato, Yota Sato, Soichiro Fujiki, Yamato Sato, Shinya Aoi, Kazuo Tsuchiya, and Dai Yanagihara
  • Organizer: The 8th International Symposium on Adaptive Motion of Animals and Machines
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Gait Analysis in Rat with Cerebellar Stroke (2017)
  • Author(s): Ryutaro Sakai, Tetsuro Funato, Soichiro Fujiki, Meiko Asaka, Shinya Aoi, and Dai Yanagihara
  • Organizer: IEEE International Symposium on Micro-NanoMechatronics and Human Science
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Spatial and temporal correlation of muscle synergies in human walk-run transition (2017)
  • Author(s): Hiromune Takahashi, Hiroko Oshima, Shinya Aoi, Tetsuro Funato, Nobutaka Tsujiuchi, Akihito Ito, and Kazuo Tsuchiya
  • Organizer: IEEE International Symposium on Micro-NanoMechatronics and Human Science
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ラットの二足直立実験環境の構築と下オリーブ核障害の影響評価 (2017)
  • Author(s): 舩戸 徹郎, 佐藤 陽太, 藤木 聡一朗, 佐藤 和, 青井 伸也, 土屋 和雄, 柳原 大
  • Organizer: 第１７回姿勢と歩行研究会
• [Presentation] ラットにおける新たな姿勢制御課題の構築と小脳虫部の脳梗塞の影響 (2017)
  • Author(s): 松本 知晃，鴻巣 暁，淺香 明子，山田 桃子，舩戸 徹郎，青井 伸也，深代 千之，柳原 大
  • Organizer: 第１７回姿勢と歩行研究会
• [Presentation] ラットの左右分離型トレッドミル歩行計測に基づく神経制御モデルの構築 (2017)
  • Author(s): 藤木 聡一朗, 青井 伸也, 舩戸 徹郎, 土屋 和雄 柳原 大
  • Organizer: 第１７回姿勢と歩行研究会
• [Presentation] ニホンザルの二足・四足歩行時の筋活動に見られる上肢・体幹・下肢の協調 (2017)
  • Author(s): 大島 裕子, 青井 伸也, 中陦 克己, 日暮 泰男, 舩戸 徹郎, 辻内 伸好, 伊藤 彰人, 土屋 和雄
  • Organizer: 第３０回自律分散システム・シンポジウム
• [Presentation] 筋シナジー仮説に基づくヒトの神経筋骨格モデルを用いた走行－歩行遷移シミュレーション (2017)
  • Author(s): 馬場 量子, 青井 伸也, 藤木 聡一朗, 舩戸 徹郎, 泉田 啓, 土屋 和雄
  • Organizer: 第３０回自律分散システム・シンポジウム
• [Presentation] 小脳梗塞ラットの歩行解析 (2017)
  • Author(s): 酒井 隆太郎, 舩戸 徹郎, 藤木 聡一朗, 淺香 明子, 青井 伸也, 柳原 大
  • Organizer: 第23回創発システム・シンポジウム
• [Presentation] ヒトの歩行・走行遷移時の筋シナジー解析 (2017)
  • Author(s): 八切 宗矩, 高橋 弘宗, 辻内 伸好, 伊藤 彰人, 大島 裕子, 青井 伸也, 舩戸 徹郎, 土屋 和雄
  • Organizer: 第23回創発システム・シンポジウム
• [Presentation] 歩行のslow dynamicsのモデル化 (2017)
  • Author(s): 藤木 聡一朗, 青井 伸也, 舩戸 徹郎, 柳原 大, 土屋 和雄
  • Organizer: 第23回創発システム・シンポジウム
• [Presentation] 筋電信号解析のための非負値行列因子分解 (2017)
  • Author(s): 大島 裕子, 辻内 伸好, 伊藤 彰人, 中陦 克己, 日暮 泰男, 青井 伸也, 舩戸 徹郎, 土屋 和雄
  • Organizer: 2017年度機械学会年次大会