2021 Fiscal Year Annual Research Report
Hyper-adaptability to altered musculoskeletal system: cortical and subcortical mechanism.
| Project Area | Hyper-adaptability for overcoming body-brain dysfunction: Integrated empirical and system theoretical approaches |
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| Project/Area Number |
19H05724
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| Research Institution | National Center of Neurology and Psychiatry |
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Principal Investigator |
関 和彦 国立研究開発法人国立精神・神経医療研究センター, 神経研究所 モデル動物開発研究部, 部長 (00226630)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2024-03-31
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| Keywords | tendon transfer / macaque monkey / muscle synergy / sensorimotor / ECoG / EMG |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究項目の具体的な目的はヒトと筋骨格構造が類似しているサルを対象に、筋再配置手術によって急激に身体構造を変化させ、それに対する中枢神経系の適応を神経細胞レベルで神経生理学的に評価することである。前年度までに動物モデルを作出する手技はほぼ確立したので、今年度は適応の背景メカニズムの研究に必要な実験技術を導入した。具体的には、まず筋電図計測技術を確立した。これまでの有線による方法では、記録途中で感染事故などにより記録チャンネル数が減少し、それが筋活動制御系の適応戦略評価を困難にする例があった。そこで新たに無線多チャンネル筋電図記録システムを構築した。そして16筋から無線で安定的に筋電図信号が計測可能なことを明らかにした。第二に、筋電図活動変化の背景にある神経系の超適応を直接評価するため、ECOG電極の慢性埋め込み技術を確立した。現役の脳外科医師と共同し、ヒトの手術プロトコルを参考にしながら、補足運動野、感覚運動野、高次感覚野から同時に皮質電位を記録するための電極埋め込み術式を確立した。並行して、筋電図記録に関する解析結果の論文化を進めた。領域内共同研究によって、その超適応のパタンを単一筋電図記録と筋シナジー解析から類型化し、適応にearly phaseとlate phaseがあることを発見した。そして前者がmal adaptationで後者が、探索を伴う超適応である証拠を発見した。これらの結果について論文化を進めた。
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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
本研究は概ね順調に進捗している。現在まで2頭の個体に対して、屈筋と伸筋の組み替え手術を施し、その結果の筋電図を用いた解析が終了している。そして2頭共通の発見として、早期と晩期では異なった変化パタンが認められることが判明した。前者は、筋シナジーが変化してしまう不適切な変化であり、後者はその状態からの最適解としての適応であった。そして、早期変化とトリガーが感覚予測誤差である可能性が示唆され、次年度以降の実験課題を提示できた。また、ECOGインプラントは当初、感染事故などにより遅延していたが、脳外科医の参加によって術式を変更したことによりその遅延が挽回された。また、新型コロナウィルス感染蔓延の影響で、タスク制御装置の導入が遅延していたが、その間、簡便な装置での別タスクを開発することで遅延の影響を最小限に抑えた。
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度は、第一に筋電図解析に関する論文出版を実現する。筋再配置手術は臨床的にはルーチーンとなっているが、その背景にある適応メカニズムは現在まで確立していない。この論文は、この外科手技にとどまらず、広く運動学習やリハビリテーションの神経機序について、示唆を与えることができるはずである。そのため、さまざまな分野の読者に引用される論文を目指す。第二に、皮質活動についての実験を進展させる。具体的には2頭について皮質脳波ー筋電図記録の実験を完了し、2ステップ適応の背景にある神経機序の解明を目指す。解析は領域内連携も用いながら行う。具体的には皮質ー皮質活動にはグレンジャー因果解析、また筋電図と皮質活動の関係についてはスパース回帰方法を用いて、超適応の脳内ダイナミクスを明らかにする。
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[Presentation] Bio-Electrical Signals for Motor Control in Robotics: Standardization of Muscle Synergy Analysis2021
Author(s)
Alvaro Costa, Massimo Sartori, Qi An, Kazuhiko Seki, Andrea d`Avella, Diego Torricelli, Yuri Ivanenko, Andres Ubeda, Fady Alnajjar, Emel Demircan, Juan C. Moreno, Shingo Shimoda
Organizer
2021 IEEE/RSJ International conference on intelligent robots and systems
Int'l Joint Research / Invited
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