運動学習理論に基づく筋力訓練方法の開発

2021 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 21K17633
• Research Institution: National Center of Neurology and Psychiatry
• Principal Investigator: 小杉 亮人 国立研究開発法人国立精神・神経医療研究センター, 神経研究所 モデル動物開発研究部, リサーチフェロー (80834647)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2025-03-31
• Keywords: 運動学習 / 感覚予測誤差 / 筋力発揮 / 光遺伝学 / コモンマーモセット

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、「誤差を減少させるように運動を修正する」脳の運動学習プロセスに着目し、運動学習理論に基づく発揮筋力増大方法を開発することである。この目標を達成するため、小型霊長類モデル動物である、コモンマーモセットを対象に研究を進めている。本年度は、運動指令を評価する新規実験系の確立、ならびに体性感覚予測誤差を人為的に増大させる介入方法の開発を実施した。前者に関しては、目標の高さを提示し、その高さまで到達したら報酬を与えるオペラントジャンプ運動課題を開発した。複数個体を対象に訓練を実施し、十分な回数課題を遂行可能であることを確認した。また、評価指標である床からジャンプする際の鉛直方向床反力を測定し、目標位置に応じて変化することを確認した。以上のことから、本研究の仮説検証を実施する上で必要な実験系が確立したと考えられる。後者に関しては、ウイルスベクターを用いた光遺伝学的手法によって、末梢感覚情報を人為的に制御する手法の開発を進めている。今年度は、予備検討が終了した。具体的には、霊長類の一次求心性線維選択的に外来遺伝子を導入するために最適な投与経路とウイルス血清型を選定した。蛍光タンパクを用いた検証から、AAV9改変ベクターの静脈投与が最適であることが明らかになった。これにより、次年度以降光活性化タンパク質を一次求心性線維に発現させ、末梢感覚情報を人為的に制御する上での技術的基盤が確立した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本年度は、運動指令を評価する新規実験系の確立、ならびに体性感覚予測誤差を人為的に増大させる介入方法の開発を予定していた。運動指令を評価する新規実験系の確立については、当初の計画で予定していた通り実験系の確立が終了した。体性感覚予測誤差を人為的に増大させる介入方法の開発については、実証実験まで進めることはできなかったものの、予備検討は終了した。次年度以降、予定通り実証実験を実施することが可能である。

Strategy for Future Research Activity

次年度は、体性感覚予測誤差を人為的に増大させる介入方法の開発を進める予定である。まずは急性実験を実施し、体性感覚入力を光遺伝学的手法によって減弱可能かどうかの概念実証を実施する。具体的には、ウイルスベクターの静脈投与によって光活性化タンパク質を一次求心性線維に発現させ、一次求心性繊維を電気と光で刺激した際の脊髄での応答を記録する。その後、慢性実験に移行する。随意運動によって励起される体性感覚フィードバックが減弱されていることを示す実験結果を取得する。具体的には、随意運動時の筋活動依存的に一次求心性繊維を光刺激する。

Causes of Carryover

今年度支出を予定していた実験機器について購入を見送ったため、次年度使用額が生じた。この理由としては、実験機器の仕様を決定する上で十分な検証が出来なかったためである。今年度は仕様策定を実施し、予定通り実験機器を購入する予定である。