心拍・呼吸・歩行リズムの協調とホメオダイナミクス---実験・理論的研究---

1997 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 09680853
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 佐藤 俊輔 大阪大学, 大学院・基礎工学研究科, 教授 (60014015)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): PAKDAMAN Kha 大阪大学, 基礎工学研究科, 助手 (30291438) ; 野村 泰伸 大阪大学, 基礎工学研究科, 助手 (50283734)
• Keywords: ホメオダイナミックス / 心拍・呼吸・歩行 / リズム協調 / 酸素消費量 / 歩行モデル

Research Abstract

ホメオダイナミクスは中枢神経系,自律・体性神経系,内分泌腺系など複数のサブシステムに関係するが,心拍,呼吸,歩行の3つのリズミックな運動はこれらサブシステムの活動状態を反映した可観測量である.これらの可観測量の計測から,逆に生体のホメオダイナミクスの発現メカニズムを解明することが本研究の課題である.この目的のために,以下の課題について研究を行なっている.心拍・呼吸・歩行リズムを観測し,それらの間の協調・相関関係を明らかにする.さらに,観測データから背後の力学系を推定し系のダイナミクスの安定性を評価することを試みている.特に以下の実験を実行し結果の解析を行なってきた.1.外部環境の変化として歩行-走行遷移を含む範囲の歩行速度をパラメータとし,3つのリズムの相関関係および安定性を調べる.2.実験結果を説明する力学系モデルを構築する.1.では,外部環境の動的変化に対する心拍・呼吸・歩行リズム間の協調関係を外部環境の変化の指標として歩行速度をパラメータにとして変化させながら,トレッドミル上を歩行する被験者の,心電図,呼吸流量,酸素消費量,歩行運動の状態を反映する量として脚の3関節の時間変化を同時計測した.その結果,次のことが示された.まず,一般的に知られているように,歩行速度に対して,単位距離移動あたりの酸素消費量をプロットすると歩行領域に対してグラフは下に凸の曲線となる(エネルギー消費最小の歩行速度の存在)ことを確認した.また,心拍,呼吸,歩行のリズムが比較的一定の位相関係を保つような状態が得られることがあることを確認した.さらに,このようなコヒーレントな状態が,酸素消費量の小さい値を与えるような歩行速度の近くで,比較的頻繁に発生することが示唆された.さらに,得られたデータを非線形時系列データ解析の手法を用いて解析し,上に述べた結果を定量的に評価した.2.に関しては,歩行運動に必要な力学的エネルギーを計算し,呼吸運動による酸素消費量と比較することを行なっている.このために,まず,剛体リンクからなる歩行モデルを構築した.さらに,モデルの運動の拘束条件として,様々な歩行速度から得られた関節角の時間変化データを用いて逆ダイナミクスを解き,各関節に対するトルクの時間変化を得た.この力から様々な速度で歩行するときに必要な力学的エネルギーの推定を行なっている.

Research Products

• [Publications] BZ Stiber, S.Sato: "Visualization of EEG Using Time-Frequency Distributions" Methods of Information in Medicine. 36. 298-301 (1997)
• [Publications] Epifanio Bagarinao,Jr, T.Nomura, K.Pakdaman, S.Sato: "Interpolation of the system bahavior from a finite number of time series" 統計数理研究所共同研究リポート. 106. (1998)
• [Publications] J.Inoue, S.Sato, L.M.Ricciardi: "A note on the moments of the first-passage time of the Ornstein-Uhlenbeck process with a reflecting boundary" Richerche di Matematica. XL VI (1). 87-99 (1997)
• [Publications] Y.Maeda, K.Pakdaman, T.Nomura, S.Doi, S.Sato: "Reduction of a model for an Onchidium pacemaker neuron" Biological Cybernetics. (in press).
• [Publications] S.Sato, T.Nomura, K.Pakdaman, S.Doi, Y.Maeda, T.Yamanobe, H.Fukai: "A mathematical aspect of neural coding" Proc.International Conference of Mathematical Biology. (in press).
• [Publications] S.Sato, T.Nomura, S.Doi, T.Yamanobe: "On the behavior of mRIC --- a simple model of living pacemakers driven by periodic pulse trains" BioSystems. 40. 169-176 (1997)
• [Publications] M.Stiber, J.F.Vibert, E.Boussard, K.Pakdaman, J.P.Segundo, T.Nomura, S.Sato, S.Doi: "Complex responses of living neurons to pacemaker inhibition : a comparison of dynamical models" BioSystems. 40. 177-188 (1997)
• [Publications] 深井英和, 野村泰伸, Khashayar Pakdaman, 土居伸二, 佐藤俊輔: "Hodgkin-Huxley方程式の大域的分岐構造" 日本神経回路学会誌. 4-2. 83-91 (1997)
• [Publications] 中島崇量, 野村泰伸, 佐藤俊輔: "二足歩行運動の力学系モデル" 電子情報通信学会技術報告,MEとバイオサイバネティックス研究会. MBE97-49. 71-78 (1997)
• [Publications] 小林誠, 野村泰伸, Khashayar Pakdaman, 佐藤俊輔: "二足歩行運動の動的安定性" 電子情報通信学会技術報告,MEとバイオサイバネティックス研究会. MBE97-48. 63-70 (1997)
• [Publications] 濱口幸子, 野村泰伸, Khashayar Pakdaman, 佐藤俊輔: "1次元興奮性ケーブルの興奮波伝導特性" 電子情報通信学会技術報告,MEとバイオサイバネティックス研究会. MBE97-47. 55-62 (1997)
• [Publications] 山野辺貴信, Khashayar Pakdaman, 野村泰伸, 佐藤俊輔: "過渡的パルス入力に対するペースメーカー細胞モデルの応答" 第12回生体生理工学シンポジウム報告集. 45-48 (1997)
• [Publications] 深井英和, 野村泰伸, Khashayar Pakdaman, 土居伸二, 佐藤俊輔: "Hodgkin-Huxley方程式における多安定な周期解およびその大域的分岐構造" 第12回生体生理工学シンポジウム報告集. 77-80 (1997)
• [Publications] 前田義信, Khashayar Pakdaman, 野村泰伸, 土居伸二, 佐藤俊輔: "神経細胞の簡約化に対する考察" 第12回生体生理工学シンポジウム報告集. 81-84 (1997)
• [Publications] 野村泰伸, 佐伯泰広, 佐藤俊輔: "心臓不整脈の力学系モデル" 第12回生体生理工学シンポジウム報告集. 137-140 (1997)
• [Publications] 坂本修一, 野村泰伸, Khashayar Pakdaman, 佐藤俊輔: "心拍・歩行・呼吸リズム間の相互作用と協調" 電子情報通信学会技術報告,MEとバイオサイバネティックス研究会. MBE97-8. 53-60 (1997)
• [Publications] 吉野公三, 野村泰伸, Khashayar Pakdaman, 佐藤俊輔: "周期パルス刺激に対する興奮性振動性膜モデルの応答特性" 電子情報通信学会技術報告,MEとバイオサイバネティックス研究会. MBE97-11. 75-82 (1997)
• [Publications] 下川哲也, Khashayar Pakdaman, 野村泰伸, 佐藤俊輔: "正弦波プラスノイズ入力に対するLeaky Integratorモデルの応答特性" 電子情報通信学会技術報告,MEとバイオサイバネティックス研究会. MBE97-14. 99-106 (1997)
• [Publications] 野村泰伸: "不整脈の力学系モデル" BME誌. 11. 56-65 (1997)
• [Publications] T.Nomura, L.Glass: "Entrainment and Annihilation of Reentrant Excitation in a Periodically Stimulated Ring of Excitable Media" Methods of Information in Medicine. 36. 290-293 (1997)
• [Publications] N.Nomura, S.Saeki, S.Sato: "Dynamical system modelling and control of a cardiac arrhythmia" Proceeding of Ischia International Conference on Noise and Chaos in Medicine and Biology. (in press).