2018 Fiscal Year Annual Research Report
Learning and recovery mechanism of posture control in the cerebellum
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18H01393
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| Research Institution | The University of Electro-Communications |
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Principal Investigator |
舩戸 徹郎 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 准教授 (40512869)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
柳原 大 東京大学, 大学院総合文化研究科, 教授 (90252725)
青井 伸也 京都大学, 工学研究科, 講師 (60432366)
藤木 聡一朗 獨協医科大学, 医学部, 助教 (90770173)
四津 有人 茨城県立医療大学, 保健医療学部, 准教授 (30647368)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 姿勢制御 / 予期的姿勢調節 / 小脳 / モデル予測制御 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
小脳における障害は姿勢維持機能の低下を生じることから、小脳における姿勢維持機能の低下と回復のメカニズムを明らかにすることが、効果的なリハビリテーションへとつながる。斜面におけるヒトの直立動作の応答から、ヒトが床状態に応じて予測的、学習的に姿勢を変化することが示唆されており、小脳が姿勢におけるこの予測及び学習に貢献していると考えられる。そこで本研究では、小脳障害動物とヒトの実験、及び力学モデルを基に、姿勢制御に関わる予測と学習制御メカニズムの解明を目指して研究を行ってきた。本年度は（１）ヒトの傾斜床実験系の構築と姿勢動作の計測、（２）ラットの運動計測と評価、（３）予測を有する姿勢制御モデルの構築を行い、以下の研究結果を得た。
（１）台の上にヒトを載せてゆっくりと床を前後に傾斜させる実験装置を製作し、傾斜後の姿勢の応答を調べた。その結果、斜床上でしばらくの間直立した後に床面が水平に戻ると、ヒトの身体は傾斜面上と同じ足首角度を維持するように傾き、60秒程度の時間をかけて垂直に戻っていった。この時の動作を解析したところ、姿勢の動作は足首を中心とした動作と体幹を中心とした動作によって構成され、そのうち体幹を中心とした動作が、ゆっくりとした応答を生成していることがわかった。（２）ラットに対して、レバーを押して一定時間後に床が傾斜する実験装置を製作し、外乱の予測ができる状況での姿勢実験を行った。また、ラットの小脳中部を吸引除去する手術を行い、同様の実験を行った。トレーニングによって、ラットは傾斜直前に傾斜と逆方向へと動く予期的姿勢調節を示した。計測された予測的姿勢動作の原理を解明するため、ラットの身体力学モデルとモデル予測制御による制御系からなるシステムモデルを構築し、力学シミュレーションを行った。その結果、このシステムモデルがラットと同様の予測的動作を生じることを明らかにした。
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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
平成３０年度の研究として、（A）ヒトの傾斜実験装置を構築して、傾斜に対するヒトのゆっくりとした姿勢の応答を明らかにすること、（B）ラットの姿勢における予期的姿勢調節を計測する実験環境の構築と小脳障害ラットの運動を計測すること、（C）実験で見られた予測を伴う姿勢制御を表すシステムモデルを構築し、これらの研究を基に姿勢制御における予測の原理解明への道筋を作ることを目標としていた。これらの研究はそれぞれ以下のように進捗している。
（A）計画通り、ヒトを上に載せて前後方向に傾斜する実験装置を製作し、ヒトの動作を計測した。計測の結果、当初の期待通り、傾斜後にすぐに姿勢が戻らず、姿勢が垂直に戻るまでに60秒程度の時間がかかる姿勢のアフターエフェクトが観察された。また、このアフターエフェクトの有無を調べることで、体幹の動作が関与していることを示した。このように、実験環境の構築と解析を予定通り行うことができたことから、おおむね順調に進展していると言える。
（B）ラットに対して、レバーを押して一定時間後に傾斜が開始する実験環境を構築し、ラットをトレーニングすることで、ラットが傾斜の開始を予測して傾斜前に姿勢の調節を行う予測的姿勢調節が見られるようになった。さらに、健常状態での実験後に小脳虫部を吸引除去し、同じ実験を行うことで、予測的姿勢調節における小脳の影響が調べられるようになった。従って、おおむね順調に進展していると言える。
（C）ラットのシステムモデルをモデル予測制御によって構築し、実験で得られた動作のデータと比較できるようになった。システムモデルはラットの実験と同様の予期的姿勢調節を示し、ラットのデータとの比較によって、モデルの主要なパラメータの一つである予測周期を評価できるようになった。このことから、おおむね順調に進展していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成３０年度までに、ヒト、ラットの姿勢実験を行う環境が整い、それぞれの運動解析ができるようになった。今後、構築した実験系を基に、姿勢における予測と学習の原理にアプローチを行う。（１）ヒトの姿勢傾斜実験、（２）ラットの予期的姿勢調節の実験、（３）システムモデルの解析において、それぞれ以下の方策をとる。
（１）ヒトの実験では、平成３０年度に調べたヒトの姿勢における学習の原理に対して、システムモデルの構築と、小脳疾患患者の運動計測の２点を中心にアプローチを行う。システムモデルの構築においては、平成３０年度に明らかにした体幹の寄与がわかるような多リンクの姿勢制御モデルの解析とラットと同様のモデル予測制御を有する制御系の構築を行い、ヒトの姿勢応答がどのように表されるかを調べる。さらに、小脳疾患患者の傾斜応答を計測、解析することで、小脳の寄与を調べる。
（２）ラットの実験では、小脳虫部除去の予測と姿勢への影響に迫る。この際、平成３０年度の実験で用いたレバーを基にした外乱情報の提示が、姿勢に影響を与える可能性が考えられたため、外乱情報を光で与える様に実験系を再構築し、さらにラットにかかる外力をすべて計測する。これによって、小脳障害が姿勢に与える影響を詳細に計測できるようにする。
（３）システムモデルの解析においては、安定解析を中心に行う。これまでの研究で、ラットの予期的姿勢調節の動作がモデル予測制御によって表せること、この動作が予測周期のようなパラメータによって決まることを示してきた。このようなパラメータがどのように姿勢の安定性に寄与しているのかを明らかにし、姿勢の安定化において予測が寄与するメカニズムを明らかにする。
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