2022 Fiscal Year Research-status Report

Elucidating the facilitation mechanism of robotic rehabilitation by measuring cortical activities in rats

Research Project

Project/Area Number	21K11331
Research Institution	National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
Principal Investigator	金子秀和国立研究開発法人産業技術総合研究所, 情報・人間工学領域, 主任研究員 (20356801)
Project Period (FY)	2021-04-01 – 2024-03-31
Keywords	リハビリテーション / 学習 / アシスト / フィードバック / 脳損傷
Outline of Annual Research Achievements	近年、ロボット技術を用いたリハビリテーション（以下、リハビリ）への期待が高まっている。しかし、ヒトでは障害の程度や訓練に対するモチベーションなどを一定にすることが困難であるため、その効果の検証は容易ではない。実験動物を用いれば、損傷部位を再現性良く作成することや提案する訓練法の効果のみを評価することが可能となる。本研究では、脳梗塞片麻痺および健常ラットに選択反応時間タスクを学習させる際、応答動作に同期して誤反応動作及び正反応動作を強制的に誘発し、その際に生じる脳活動が学習過程の促進及び遅延現象と関連していることを明らかにし、運動企図の生じるタイミングに対してどのように外力を加えることが有効であるのか、そのメカニズムを明らかにする。我々は、健常ラットおよび片側大脳皮質脳梗塞ラットに左右一方の前肢への空圧刺激に対してレバー離しによって応答するという選択反応時間タスクを学習させ、タスクのキューとなる空圧刺激の一定時間後にレバーを駆動してラット前肢に外力を加え、“誤”応答動作を強制的に誘発することにより、学習過程を促進させうることを実証している。今年度は、応答動作に同期してレバーを駆動した場合の効果に関する知見が得られた。その結果、応答動作に同期してレバーを駆動する場合には“正”応答動作を強制的に誘発することによって学習過程が促進されていた。先に得られている結果との違いは、レバー駆動によって誘発される脳活動と空圧刺激からのタイミングとの関係の違いによって生じたものと考えられる。今後、硬膜外電位計測の結果との関係に基づいて、タスク学習の促進メカニズムについて検討する。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 3: Progress in research has been slightly delayed. Reason これまでにタスクのキューとなる空圧刺激の一定時間後にレバーを駆動してラット前肢に外力を加え、正応答動作あるいは誤応答動作を強制的に誘発する場合のラット学習実験データを得てきている。今年度は、本研究の主目的であった応答動作に同期してレバーを駆動した場合の学習実験データを片側大脳皮質脳損傷ラットから得て、それらラットの脳損傷部位とレバー駆動のタイミングが応答動作に同期していることを確認し、実験条件に合うラットについて統計解析した。その結果、先の概要に述べたような結果を得てきている。そのメカニズムを解明する上で脳神経活動の計測は重要と考えられるが、昨年度実施した硬膜外電位計測では硬膜外電極の突出量0.2mmの直下において微小な虚血領域ができているケースの多いことが分かったことから、硬膜外電極の突出量を低減して再度大脳皮質上硬膜外電位計測を試みる予定である。
Strategy for Future Research Activity	硬膜外電位計測を実施したラットにおいて硬膜外電極の位置、埋め込みに伴う神経組織学的な変化、脳梗塞ラットにおいては脳損傷部位の広がりとの関係を確認したところ、硬膜外電極の突出量を低減しなければならないことが分かった。また、硬膜外電位をタスク関連イベントと関連付けて解釈する必要があるが、タスクの逐次的なイベント間では時間的に一定の間隔となっているものもあり、それらをランダムに変動させなければ結果の解釈が難しいということも分かってきた。さらに、レバー駆動によって引き起こされる脳活動を比較検討する上で、同一個体のラットに対して異なるタイミングでレバー駆動を行う必要もある。これら課題を解決するように硬膜外電極とタスク制御プログラムを改良して引き続き本研究課題に取り組む。
Causes of Carryover	本研究は実験動物を用いた学習実験を含んでいるので、思うようにデータが収集できていない部分がある。また、自作している硬膜外電極の形状は頭蓋の形状に合わせて作成したものであったが、電極の突出部によって生じてしまった微小虚血領域は予想外の失敗であった。その解決のための方策を検討していたため、やや遅れて研究は進捗しており、実験に必要な消耗品等の購入の時期が遅れたため、次年度使用額が生じてしまった。今後、硬膜外電極の突出量を低減し、再度、硬膜外電位計測実験を試みるために本残額を使用する。