2016 Fiscal Year Annual Research Report
Understanding the adaptive brain function in relation to the alteration of posture-locomotor synergies
| Project Area | Understanding brain plasticity on body representations to promote their adaptive functions |
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| Project/Area Number |
26120004
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| Research Institution | Asahikawa Medical College |
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Principal Investigator |
高草木 薫 旭川医科大学, 医学部, 教授 (10206732)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中陦 克己 近畿大学, 医学部, 講師 (60270485)
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| Project Period (FY) |
2014-07-10 – 2019-03-31
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| Keywords | 先行性姿勢制御 / 姿勢筋シナジー / 皮質網様体投射 / 網様体脊髄路 / 身体認知 / 前頭ー頭頂ネットワーク / 運動プログラム / 歩行運動 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
平成28年度は以下の４項目の研究を遂行した．
Ⅰ．ヒトの先行性姿勢制御（旭川医科大学）：歩行や上肢リーチング動作に伴う姿勢変化を重心の指標である圧力中心(COP)を用いて評価した．その結果，予期的姿勢調節に対応するCOPの変化には各動作に特有の時空間パターンが存在すること，各動作の条件変更に伴ってCOPパターンが修飾されることが明らかとなった．これは予期的姿勢調節が動作特異的な運動プログラムで遂行されること，そして，COPパターンが脳内身体表現マーカーとして有用であることを示唆する．
Ⅱ．ネコの先行性姿勢制御（旭川医科大学）：ターゲットへの前肢リーチング動作を学習したネコの姿勢制御をCOPを用いて評価した．その結果，前肢挙上直前におけるCOPとリーチング遂行時のCOPがほぼ等しいこと，ネコの前肢リーチングとヒトの上肢リーチングの予期的姿勢調節には共通の時空間パターンが存在することが明らかとなった．即ち，動物種を超えて共通の神経機構が予期的姿勢調節に関与する．
Ⅲ．サルの姿勢-歩行戦略の変更における補足運動野の活動（近畿大学）：サルの二足および四足歩行における姿勢筋シナジーと皮質運動関連野ニューロンの活動を解析した．四足から二足への歩容変化に先行活動を示す補足運動野ニューロンを同定した．また，二足歩行では四足歩行よりも抗重力筋活動が顕著であり，これは補足運動野ニューロンの発射活動と対応していた．従って，予期的姿勢調節と立位維持の筋シナジー制御には補足運動野から下行する皮質-網様体脊髄路が関与すると考えられる．
Ⅳ．共同研究：B02項目との共同研究では，ヒト型筋骨格シミュレーターを構築し，立位姿勢制御における網様体脊髄路の機能的役割を評価した．また，モントリオール大学との国際共同研究では，実験動物（ネコ）における姿勢と歩行の制御に関与する皮質および皮質下構造の機能解析を遂行した．
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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
Ⅰ．以下の３研究では顕著な進展が得られた．①異なる動物種における先行性姿勢制御の共通性：歩行や上肢リーチング動作に対応する予期的姿勢調節の時空間パターンにおいて，ヒト，サル，ネコに共通する特徴を見出すことができた．この成績は身体性の異なる動物種においても姿勢制御には共通する神経機構が関与することを示唆する．また，予期的姿勢調節が随意運動の開始前に終了することを証明できたことは，このプロセスが皮質-網様体脊髄路を介して誘発されるという当初の作業仮説の妥当性を強く支持する．②脳内身体表現マーカーとしての予期的姿勢調節の有用性：本研究では圧力中心(COP)を姿勢変化のパラメータとして利用し，これが目的動作に特異的な時空間パターンで構成されることを見出した．姿勢制御が自己身体と環境空間の認知情報に基づく運動プログラムで遂行されることを考慮すると，運動によって誘発されるCOPの変化は脳内身体表現マーカーとして極めて有用であると考えられる．即ち，COPの時空間パターンの異常を検出することにより，神経疾患や認知機能の障害に基づく運動の異常（例えば転倒）を予測することが可能となる．③共同研究：他の計画研究や分担研究との共同研究の中で，B01ならびにB02との共同研究では，ヒトの立位維持における網様体脊髄路系の機能の一部を構成論的手法（シミュレータ）によって証明することができた．
Ⅱ．進展の遅れている研究．実験動物における脳内身体表現神経機構（サル）と予期的姿勢調節の神経機構（ネコ）に関する研究は必ずしも順調に進捗していない．これは，① 解析に必要な動物モデルの確立に必要以上の時間を要した（当初では1-2年，実際には2年以上）こと，及び ② 旭川医大の動物実験施設改修に伴う遺伝分子学的研究の遅れに起因すると分析している．
これらの研究進捗を踏まえ，その状況を「概ね順調に進展している」と評価した．
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は，動物実験において先行性姿勢制御の基盤である前頭-頭頂ネットワークと皮質-網様体脊髄路の解明を最優先する．その成績に基づいて，予期的姿勢調節が脳内身体表現マーカーとして有用であることの論理的根拠を確立したい．そのため，以下の３研究を遂行する．
Ⅰ．空間情報の変化に伴うネコ前肢リーチングに随伴する姿勢制御機構の解明（旭川医科大学）；予期的姿勢調節が前頭-頭頂ネットワークと皮質-網様体脊髄路で実現されることを証明する．具体的には，①標的の空間座標やネコの起立支持面などの環境変化に対応する姿勢制御の解析，②姿勢制御における前頭-頭頂皮質の活動解析と同領域の不活化（薬物注入や光遺伝学的手法）に伴う姿勢制御の解析，③光遺伝学的手法で皮質-網様体脊髄路を不活化させた際の姿勢制御の解析，を行う．一部はモントリオール大学との共同研究として実施する．
Ⅱ．サルの姿勢-歩行戦略の変更に伴う前頭-頭頂ネットワークの動的適応機能の解明（近畿大学）；運動関連領野ならびに頭頂連合野ニューロン活動に影響を及ぼす感覚入力プロファイルを同定する．次いで，障害物回避歩行や歩行戦略の変更（四足歩行 vs 二足歩行）に伴う前頭-頭頂ネットワークの活動を解析する．さらに，薬物投与によって前頭ー頭頂ネットワークの活動を修飾させた際の姿勢-歩行パターンの変化を解析する．
Ⅲ．ヒト歩行動作に随伴する先行性制御機構の解析（旭川医科大学）；健常被験者において平地歩行ならびに階段昇降など，異なる環境における歩行動作に先行して出現する姿勢制御を解析し，動作特異的な予期的姿勢調節の時空間パターンを同定する．また，神経疾患患者において同様の解析を試み，疾患特異的な姿勢制御パターンの有無を評価する．研究成績から脳内身体表現マーカーとしての予期的姿勢調節が神経疾患の検出に有用であるか否かを検討する．この研究はB02項目と共同で実施する．
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[Journal Article] Physiology of freezing of gait2016
Author(s)
Snijders AH, Takakusaki K, Debu B, Lozano AM, Krishna V, Fasano A, Aziz TZ, Papa SM, Factor SA, Hallett M.
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Journal Title
Ann Neurol.
Volume: 80(5)
Pages: 644-659
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
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[Presentation] 姿勢制御2016
Author(s)
高草木 薫
Organizer
第６回ボバース学会学術大会
Place of Presentation
大阪
Year and Date
2016-07-30 – 2016-07-31
Invited
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