2021 Fiscal Year Research-status Report
Experimental and computational modeling studies to unravel the spinal-cerebellar circuits underlying locomotor adaptation
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20KK0226
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
柳原 大 東京大学, 大学院総合文化研究科, 教授 (90252725)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
青井 伸也 京都大学, 工学研究科, 准教授 (60432366)
結城 笙子 東京大学, 大学院総合文化研究科, 助教 (60828309)
藤木 聡一朗 獨協医科大学, 医学部, 講師 (90770173)
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| Project Period (FY) |
2020-10-27 – 2023-03-31
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| Keywords | 歩行 / 肢間協調 / 運動学シナジー / 左右分離型ベルトトレッドミル / マウス / ラット / 小脳 / 神経筋骨格モデル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、Drexel大学との国際共同研究として、歩行運動における肢運動の協調とその適応的制御に関わる脊髄小脳ループの働きについて、ラット及びマウスを対象に、運動学的解析、電気生理学的解析、光遺伝学を適用した小脳プルキンエ細胞におけるシナプス可塑性の発現阻害操作などの実験研究と、神経筋骨格モデルを用いた動力学シミュレーションによる構成論的研究を組み合わせて解明することを目的としている。
ラット用左右分離型ベルトトレッドミルを用いて、ラットの後肢2足歩行時に、左右のベルト速度を同一にしたtied-belt条件から左右で異なるベルト速度のsplit-belt条件へ移行した際の運動学的特徴について3次元モーションキャプチャシステムを用いて解析した。それらの結果として、ヒト及びネコなどを用いた先行研究で報告されているsplit-belt条件での即時的な適応がラットの後肢2足歩行においても観察された。後肢の関節仰角について特異値分解による運動学シナジー解析の結果、脚軸の回転運動に対応する第一時間協調においては、split-belt条件におけるベルト速度の速い側と遅い側とでそれらのピークタイミングを変化させ、脚軸の伸縮運動に対応する第二時間協調や空間協調については、ベルト速度の速い側の肢に特徴的な変化が観察された。
新たに開発したマウス用の左右分離型ベルトトレッドミルを用いて、マウスの4足歩行時に左右のベルト速度を同一にしたtied-belt条件と左右で異なるベルト速度のsplit-belt条件での肢運動の歩容解析を深層学習技術を適用して行った。その結果、マウスの4足歩行時において、tied-belt条件からsplit-belt条件へ移行した際の運動学的特徴は前肢と後肢とでは質的に大きく異なり、特に、左右の前肢間における時間的協調について適応・学習の動態が明らかにされた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
人的な研究環境の改善を目的として、特任研究員を雇用して実験的研究を進めた結果、昨年度の研究の遅れをほぼ取り戻した。
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| Strategy for Future Research Activity |
独自に設計・製作したマウス用およびラット用の左右分離型ベルトトレッドミルを用いて、ラットにおいては後肢2足歩行時、マウスにおいて４足歩行時に、左右のベルト速度を変化させてそれに対する適応学習課題を課し、その際の運動学的解析から歩行の時空間的なパターンの変化等についてさらに詳細に明らかにする。
ラットにおいては、左右のベルト速度比を1.5倍、2.0倍、2.5倍等に変更した際の後肢の運動学シナジーの変容について、特異値分解により関節角運動を空間的協調と時間的協調に分解して解析する。さらには、UCM 解析（ Uncontrolled Manifold Ana
lysis）も行う。
左右分離型ベルトトレッドミル上での歩行における適応・学習には小脳皮質における長期抑圧が関与していることが以前の我々の研究により推測されているが、長期抑圧がこの適応・学習に必要十分であるかどうかについての問いに結論は得られていない。小脳長期抑圧の発現に際して、その最終過程となるプルキンエ細胞におけるグルタミン酸受容体のエンドサイトーシスを光遺伝学的に阻害することができる遺伝子改変マウスが作製されている(Kakegawa et al., 2018)。そこで、この遺伝子可変マウスを用いて、歩行における適応・学習における長期抑圧の関与について光遺伝学的な小脳領域特異的阻害実験を行う。さらに、マウスにおける左右分離型ベルトトレッドミル上での歩行における適応・学習時の小脳プルキンエ細胞の発火活動の動態について解析を進める。
上記の研究について得られた結果をとりまとめ、成果の発表を行う。
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| Causes of Carryover |
トレッドミル上に配置する特注製作の脳定位固定装置とカルシウムイメージング用顕微鏡システムに必要な部品の発注及び納期等の遅延により次年度の使用額として残余する結果となったが、適宜、発注等を行い、使用する。
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[Journal Article] Quantitative evaluation of posture control in rats with inferior olive lesions.2021
Author(s)
Funato, T., Sato, Y., Sato, Y., Fujiki, S., Aoi, S., Tsuchiya, K., Yanagihara, D.
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Journal Title
Scientific Reports
Volume: 11
Pages: 20362
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Journal Article] A model of predictive postural control against floor tilting in rats.2021
Author(s)
Konosu, A., Funato, T., Matsuki, Y., Fujita, A., Sakai, R., Yanagihara, D.
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Journal Title
Frontiers in Systems Neuroscience
Volume: 15
Pages: 785366
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Presentation] ネコ後肢の神経筋骨格モデルを用いた感覚フィードバックによる歩行適応機序の解析2022
Author(s)
金 勇紀, 青井 伸也, 藤木 聡一朗, Danner, S. M., Ausborn, J., Markin, S. N., Rybak, I. A, 柳原 大, 泉田 啓，土屋 和雄
Organizer
計測自動制御学会関西支部・システム制御情報学会シンポジウム
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[Presentation] SCA31 transgenic mice show pathogenic features similar to human patients2021
Author(s)
Higashi, M., Okita, M., Sato, N., Asaka, M., Aoki, H., Ishii, T., Ishiguro, T., Yanagihara, D., Yokota, T., Ishikawa, K.
Organizer
17th Asian Oceanian Congress of Neurology
Int'l Joint Research
