Characterization of age and disease induced alterations in postural and gait dynamics based on data assimilation techniques

2021 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19H04181
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 61040:Soft computing-related
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: Nomura Taishin 大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (50283734)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 佐古田 三郎 独立行政法人国立病院機構大阪刀根山医療センター(臨床研究部), 独立行政法人国立病院機構大阪刀根山医療センター, 名誉院長 (00178625) ; 鈴木 康之 大阪大学, 基礎工学研究科, 講師 (30631874) ; 遠藤 卓行 独立行政法人国立病院機構大阪刀根山医療センター(臨床研究部), 独立行政法人国立病院機構大阪刀根山医療センター, 研究員(移行) (40573225) ; MILOSEVIC MATIJA 大阪大学, 基礎工学研究科, 助教 (50840188)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 間欠制御 / ベイズ推論 / 姿勢制御 / パーキンソン病 / 動的疾患 / データ同化 / 近似ベイス計算

Outline of Final Research Achievements

Falls are a public health issue in the aging societies. Understanding the neural control mechanisms of postural stabilization is a key to assessing the fall risk. Here, we assimilated a model of intermittent feedback control during quiet stance into postural sway data from healthy young and elderly as well as patients with Parkinson's disease to elucidate possible mechanisms of instability. We estimated joint probability distribution of a set of parameters in the model using Bayesian parameter inference for each individual, and showed that the inferred parameter values for individuals are classified into two major groups in the parameter space: one represents the intermittent control mostly for healthy people and patients with mild symptoms and the other the continuous control mostly for patients with severe postural symptoms. The results may be interpreted by postulating that increased postural instability in most Parkinson's patients might be characterized as a dynamical disease.

Free Research Field

生体システム工学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

我々はヒト静止立位姿勢の間欠制御モデルを提唱し，基底核疾患であるパーキンソン病患者の姿勢不安定化は制御から間欠性が欠如することに起因する可能性を示した．数理的に言うと，最も単純な場合の間欠制御モデルは，2つの不安定サブシステム間を確率的にスイッチする確率的ハイブリッド制御系であるが，状態依存的に質的に異なる制御（行動）が選択されることが，柔軟性を保ちつつ立位姿勢が安定化されるために必要不可欠で本質的な性質である．今後，こうした状態依存的行動選択の神経制御メカニズムにアプローチすることで，生体の自動運動と随意運動の制御を統合する新たな研究分野の展開につながることが期待される．