2021 Fiscal Year Annual Research Report
Modelling of hyper adaptability in human postural control considering the role of neurotransmitters
| Project Area | Hyper-adaptability for overcoming body-brain dysfunction: Integrated empirical and system theoretical approaches |
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| Project/Area Number |
19H05730
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
太田 順 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (50233127)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
四津 有人 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (30647368)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2024-03-31
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| Keywords | システム工学 / 数理モデル化 / 適応 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
- 神経系姿勢制御モデルに導入した下行路を模した制御の影響の検証：太田らは，姿勢制御における神経伝達物質の役割を考慮した数理モデル構築を行っている．本年度は，まず，網様体脊髄路と共に姿勢制御を司る前庭脊髄路を模した制御を，計算機モデルに導入し，前庭脊髄路の有無がもたらす影響を調べた．既存の神経系姿勢制御モデルに，以下の知見を基に新たに制御を導入した：1) 身体全体の筋活動を調整する；2) 頭部を安定した垂直位置に維持する；3) 脳幹内の前庭神経核において主に前庭感覚を受け取る；4) 伸筋には興奮性，屈筋には抑制性の効果を持つ．この神経系姿勢制御モデルを用いて，19 の関節自由度と94の筋を持つ筋骨格モデルの立位を維持させたシミュレーションでは，ほぼ全ての筋緊張条件で，前庭脊髄路ありの場合の足圧中心速度の値が，前庭脊髄路無しの場合の値より小さくなった．
- マルチタスク下の姿勢制御における神経伝達物質の役割の検証：四津らは，マルチタスク下の姿勢制御における神経伝達物質の役割を検証している．1) パーキンソン病患者における，神経伝達物質がマルチタスクに与える影響の検証．2名の患者を対象とし，[静止立位]→[静止立位＋計算課題]→[静止立位]のタスクを計測した．神経伝達物質の影響を検証するために，レボドパ製剤内服前および投与後の時点にて計測を行った．症状に日内変動が見られ，Center of pressureや筋電位も，部分的に連動する可能性が見られた．2)健常者の立位における随意動揺の姿勢制御の解析．健常者の立位における随意動揺の解析を行った．若年者10名を対象とし，体幹・骨盤・股関節等の関節角度，center of pressureの軌跡，体幹と下肢の表面筋電位を計測した．結果，健常者は重心移動の速度により体幹，膝の関節角度に違いがあった．
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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
当初設定した，以下の3つの目標を十分に達成できているため．1) 神経伝達物質の姿勢制御における役割の検証．パーキンソン病などの神経変性疾患患者では，マルチタスクの遂行に必要な機能が障害され，その背景には神経細胞の変性や神経伝達物質の異常が存在すると考えられている．そこでパーキンソン病で変化する神経伝達物質に着目し，マルチタスクの遂行における神経伝達物質の役割を検証する．2) 姿勢制御における神経伝達物質の役割を考慮したマルチタスク表現モデルの開発．神経伝達物質というミクロな情報と，その情報処理後の結果として現れる行動-生理反応というマクロな情報の統合を目指す．「マルチタスクの数理モデル」を開発する．3) 構築した数理モデルの検証．生体より得られたデータを用いて構築した「マルチタスクの数理モデル」の検証を行う．
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度提案したモデルを用いて，パーキンソン病患者の異常姿勢の解析を行う．パーキンソン病がもたらす亢進した筋緊張に対し，異常姿勢は他の姿勢と比較し動揺の小さい立位が可能な姿勢の一つとなっている，という仮説を検証する．マルチタスクへの神経伝達物質の影響を調べるため，日内変動のあるパーキンソン病患者を対象に，静止立位（運動課題）×計算課題（認知課題）のパフォーマンスを評価する．
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[Presentation] 計算機モデルを用いた網様体脊髄路の亢進による異常姿勢の表現)2022
Author(s)
尾村 優一郎, 東口 大樹, 上西 康平, 千葉 龍介, 四津 有人, 高草木 薫, 阿部 十也, 高橋 祐二, 花川 隆, 太田 順
Organizer
第34回自律分散システム・シンポジウム資料, (pp.180-184)
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[Presentation] A Computational Model of Human Postural Control Considering the Vestibulospinal Tract2021
Author(s)
Omura,Yuichiro, Kaminisho,Kohei, Chiba,Ryosuke, Takakusaki,Kaoru, & Ota,Jun
Organizer
Proc. The 32nd 2021 International Symposium on Micro-NanoMechatronics and Human Science (MHS2021), MP2_1_2, on-line, December 6-8, 2021
Int'l Joint Research
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[Presentation] Proposal of a neuromusculoskeletal model considering muscle tone in human gait2021
Author(s)
Etoh,Hitohiro, Omura,Yuichiro, Kaminishi,Kohei, Chiba,Ryosuke, Takakusaki,Kaoru, & Ota,Jun
Organizer
Proceedings of the 2021 IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics (SMC). 289-294. 17-20 October, 2021. Melbourne, Australia
Int'l Joint Research
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