2022 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 – 2024-03-31
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| Keywords | 歩行 / 小脳 / 脊髄 / パターン生成 / 神経筋骨格モデル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
歩行を円滑かつ安定に遂行するためには肢内及び肢間における時空間的な協調が重要であり、種々の環境変化に応じて適応を生じるためには脊髄小脳ループが重要な役割を持つと推測される。本研究では、左右分離型ベルトトレッドミル(Split-belt treadmill)を用いてマウス及びラットの歩行運動の神経生理学的実験を行い、肢運動及び小脳プルキンエ細胞活動の動態について詳細に解析する。また、計算論的神経科学的研究として、歩行制御に関わる小脳及び脊髄における神経制御モデルを作成し、筋骨格モデルと統合した神経筋骨格モデルを構築する。さらに、光遺伝学による小脳プルキンエ細胞活動の時空間的な阻害実験と、神経筋骨格モデルにおける機能阻害の動力学シミュレーションを検証し、脊髄小脳ループにおける適応制御に関わるメカニズムを解明することを目的としている。
独自に設計・製作した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、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適応と後効果の動態について明らかにした。脊髄小脳変性症6型モデルマウスにおいては、適応の障害が観察された。また、ラットにおける後肢2足歩行においては、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し、特に、速いベルトと遅いベルト上の肢においては時間的協調が顕著に変化することが示された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
4: Progress in research has been delayed.
Reason
マウス及びラットの各左右分離型ベルトトレッドミルに故障等が生じ、その修繕工事に関わる機器の納品と作業にかなりの時間を要したために、当初計画していた実験を十分に遂行することができなかったため。
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| Strategy for Future Research Activity |
マウス及びラットの各左右分離型ベルトトレッドミルにおける修繕作業が終了し、安定な稼働が確保されているので、今後は、当初予定していた実験について再開する。特に、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。長期抑圧の発現に必要不可欠な、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。本研究計画にお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 |
小脳プルキンエ細胞に対する光遺伝学的活動阻害操作のための実験機器と、活動依存性マンガン造影MRIを用いた神経活動履歴のマッピングに必要な機器の納品が遅れたことによるが、適宜速やかに発注及び受領し、実験を進める。
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[Journal Article] Contribution of afferent feedback to adaptive hindlimb walking in cats: a neuromusculoskeletal modeling study.2022
Author(s)
Kim, Y., Aoi, S., Fujiki, S., Danner, S. M., Markin, S. N., Ausborn, J., Rybak, I. A., Yanagihara, D., Senda, K., Tsuchiya, K.
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Journal Title
Frontiers in Bioengineering and Biotechnology
Volume: 10
Pages: 825149
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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