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--

1998 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 09680853
• 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, 大学院・基礎工学研究科, 助手 (30291438) ; 野村 泰伸 大阪大学, 大学院・基礎工学研究科, 講師 (50283734)
• Keywords: ホメオダイナミックス / 心拍・呼吸・歩行 / リズム協調 / 歩行モデル / 動的安定性

Research Abstract

ホメオダイナミクスは,中枢神経系,自律神経系,体性感覚,内分泌系など複数のサブシステムに関係する.心拍リズム,歩行リズムなどは,これらのサブシステムの活動状態を反映した可観測量であり,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発現のメカニズムを解明することが本研究の課題である.これら3つのリズム現象に共通の性質として,動的安定性が挙げられる.これは,系の状態は時間的に変化しているが,その変化している状態が外的摂動に対して安定であるといった安定性で,非線形システムに特徴的な性質である.課題を達成するためには,こうした性質をもつ非線形システムの同定とその機能的役割を明らかにする必要がある.本研究ではこの線に沿って,以下の研究を行なった.
1. 上記の生体リズム現象の動的安定性の評価.ここでは,2つの具体例について検討した.一つは,計測データに基づく歩行運動リズムの動的安定性の評価およびモデル化である.実験データに基づいた動的安定性の定量的評価に関する研究は少なく,この意味で一定の成果が得られた.もう一つはモデルを用いた心臓拍動リズムの動的安定性とその崩壊に関するシミュレーションである.心臓拍動の通常の安定性の崩壊は,不整脈の発生(すなわち,通常と異なる動的安定な状態への遷移)を意味しており,シミュレーションの結果は,ホメオダイナミクスに特有の現象を例示している.これらの研究成果は,いくつかの技術報告で発表し,現在学術論文として投稿中である.
2. データの背後にある未知非線形システムの同定(モデル化).ここでは,時系列データから背後にある未知非線形システムをモデル化する解析手法の開発を行なった.開発した手法の有効性を実際の心循環系の計測データに適用する前にいくつかの既知の非線形システムの数値データを用いて検証した.非線形系では,系のパラメータの値が変化すると,上記の不整脈発生のように,ある動的に安定な状態が不安定化し,他の安定な状態に遷移することがある.このとき,実験的には,定性的な性質が異なる時系列データが得られるが,このような複数の定性的性質の異なるデータから,実際に変化したパラメータによってパラメータ付けられた形でシステム同定を行なった.結果は,国際学術誌2編に発表した.
3. 動的に安定な状態をとることの機能的意義の考察.特に,歩行運動に伴うエネルギー消費量の推定を行なった.様々な負荷を与えることで,動的に安定な様々な歩行状態(歩容)を実現・計測し,各場合の力学的エネルギー消費を推定した.現在,結果に基づき,動的安定状態の変化とエネルギー消費量の変化の相関を考察中である.

Research Products

• [Publications] E.Bagarinao,K.Pakdaman,T.Nomura,and S.Sato: ":Time series-based bifurcation diagram reconstruction" Physica D. (in press).
• [Publications] Shimokawa T.,Pakdaman K.,Sato S.: "Time-scale matching in the response of a leaky integrate-and-fire neuron model to periodic stimulation with additive noise" Physical Review E. (in press).
• [Publications] Shimokawa T.,Rogel A.,Pakdaman K.,Sato S.: "Stochastic resonance and spike timing precision in an ensemble of leaky integrate and fire neuron models" Physical Review E. (in press).
• [Publications] P.Lansky,S.Sato: ":The Stochastic Diffusion Models of Nerve Membrane Depolarization and Interspike Interval Generation." Journal in Peripheral Nervous Systems. (in press).
• [Publications] K.Yoshino,T.Nomura,K.Pakdaman,S.Sato: "Synthetic analysis of periodically stimulated excitable and oscillatory membrane models" Physical Review E. 59(1). 956-969 (1999)
• [Publications] Capurro A.,Pakdaman K.,Nomura T.,Sato S.: "Aperiodic stochastic resonance with correlated noise." Physical Review E. 58. 4820-4827 (1999)
• [Publications] Takanobu Yamanobe,K. Pakdaman,Taishin Nomura,Shunsuke Sato: "Analysis of the response of a pacemaker neuron model to transient inputs" Biosystems. 48. 287-295 (1998)
• [Publications] E.Bagarinao,T.Nomura,K.Pakdaman,and S.Sato: "Generalized one-parameter bifurcation diagram reconstruction using time series" Physica D. 124. 258-270 (1998)
• [Publications] Y.Maeda,K.Pakdaman,T.Nomura,S.Doi,S.Sato: "Reduction of a model for an Onchidium pacemaker neuron" Biological Cybernetics. 78. 265-276 (1998)
• [Publications] 野村泰伸: "FitzHugh-Nagumo方程式の結合系が示す非線形ダイナミックス" BME. 12(5). 37-48 (1998)
• [Publications] T.Nonura,M.Kobayashi,J.Kozuka,S.Sato: "Coordinated Responses of Limb Movement during Human Bipedal locomotion to External Perturbation" Proc.of the 20th Ann.Int.Conf.of the IEEE Eng.in Med.and Biol.Soc.20. 2422-2425 (1998)
• [Publications] 坂本修一,野村泰伸,佐藤俊輔: "歩行運動に伴う力学的エネルギー消費量の評価" 第13回生体生理工学シンポジウム論文集. 133-136 (1998)
• [Publications] 中島崇量,小林誠,野村泰伸,佐藤俊輔: "二足歩行運動の外乱に対する応答とその力学系モデル" 第13回生体生理工学シンポジウム論文集. 125-128 (1998)
• [Publications] 下川哲也,K.Pakdaman,佐藤俊輔: "Noise induced synchronization and array enhanced stochastic resonance in neuron models" 統計数理研究所共同研究リポート. 114. 65-72 (1998)
• [Publications] E.Bagarinao,K.Pakdaman,T.Nomura,and S.Sato: "A study on reconstructing bifurcation diagrams using time series from randomly forced maps" 統計数理研究所共同研究リポート. 114. 46-55 (1998)
• [Publications] 山野辺貴信,K.Pakdaman,野村泰伸,佐藤俊輔: "甲殻類伸長受容器の非線形ダイナミクス" 電子情報通信学会技術研究報告. MBE98-14. 93-100 (1998)
• [Publications] 田辺誠司,K.Pakdaman,佐藤俊輔: "ノイズ存在下におけるLeaky Integrate-and-Fire神経モデルのアンサンブルのダイナミクスとパルス入力に対する応答" 信学技報. 41-48 (1998)
• [Publications] E.Bagarinao,T.Nomura,K.Pakdaman,and S.Sato: "Learning dynamical systems by neural networks" ICONIP98 Proceedings. 1. 225-228 (1998)
• [Publications] T.Nomura,M.Kobayashi,T.Nakashima,S.Sato: "Phase-dependent Walking Rhythm Reset and Bilateral Leg Coordination during Human Gait" Proc.of 5 international conference on neural information processing'98. 1196-1199 (1998)
• [Publications] H.Fukai,Y.Maeda,K.Pakdaman,T.Nomura,S.Sato: "Double impulse solutions in reduced Hodgkin-Huxley model" Proc.of 5 international conference on neural information processing'98. 1263-1266 (1998)
• [Publications] 淺井義之,野村泰伸,佐藤俊輔: "Z_{2}+Z_{2}対称性をもつ退化した分岐問題の不偏開折" 信学技報. NLP98-16. 57-64 (1998)
• [Publications] 深井英和,前田義信,K.Pakdaman,野村泰伸,佐藤俊輔: "Hodgkin-Huxley方程式の分岐構造が簡約化によって受ける影響" 信学技報. NLP98-15. 49-56 (1998)
• [Publications] 山野辺貴信,K.Pakdaman,野村泰伸,佐藤俊輔: "甲殻類伸長受容器の非線型ダイナミクス" 信学技報. MBE98-15. 93-100 (1998)
• [Publications] 小林誠、小塚淳、野村泰伸,佐藤俊輔: "二足歩行運動の外乱に対する左右脚の協調的な応答" 信学技報. MBE98-15. 101-108 (1998)
• [Publications] 吉野公三,野村泰伸,K.Pakdaman,佐藤俊輔: "周期パルス入力を受ける興奮性・振動性膜モデルのダイナミクス" 信学技報. NLP98-12. 25-32 (1998)
• [Publications] 下川哲也,K.Pakdaman,野村泰伸,佐藤俊輔: "Leaky Integrate-and-Fire神経モデルにおける確率共振" 信学技報. NLP98-13. 33-40 (1998)
• [Publications] 竹内英二,山野辺貴信,K.Pakdaman,野村泰伸,佐藤俊輔: "甲殻類伸長受容器の数理モデル" 信学技報. MBE98-13. 85-92 (1998)