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2021 Fiscal Year Annual Research Report

運動の学習に伴う脳内誤差信号の情報表現の変容とそれを基盤とした学習指導方法の開発

Research Project

Project/Area Number 21H03339
Allocation TypeSingle-year Grants
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

柳原 大  東京大学, 大学院総合文化研究科, 教授 (90252725)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 柿澤 昌  京都大学, 薬学研究科, 准教授 (40291059)
舩戸 徹郎  電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 准教授 (40512869)
Project Period (FY) 2021-04-01 – 2025-03-31
Keywords歩行 / 適応 / 小脳 / 下オリーブ核 / マウス / ラット / 肢間協調
Outline of Annual Research Achievements

本研究では、左右分離型ベルトトレッドミルにおける歩行運動の適応において、小脳皮質プルキンエ細胞への下オリーブ核-登上線維系による誤差信号の時空間的な情報表現について、統計的機械学習技術を適用し、運動学的データにおける潜在的な説明変数を抽出し、被説明変数としての登上線維系がプルキンエ細胞に伝送する信号の活動パターンとの関係性について定量的に明らかにすることを目標としている。
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条件での四肢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左右における肢間協調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。
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。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

マウスにおける左右分離型ベルトトレッドミルでの歩行の適応について、deep learning toolを用いた座標検出法を適用し、四肢の歩容解析については、ほぼ自動化できるところまでシステム構築することができた。

Strategy for Future Research Activity

小脳プルキンエ特異的mTOR(mammalian target of rapamycin)活性化マウスや脊髄小脳変性症6型モデルマウスを対象に同様な歩行課題を課して、適応学習の機能的障害について運動学的に解析する。また、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。

  • Research Products

    (13 results)

All 2022 2021 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 1 results) Presentation (10 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Invited: 1 results)

  • [Int'l Joint Research] Drexel University(米国)

    • Country Name
      U.S.A.
    • Counterpart Institution
      Drexel University
  • [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.
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 11 Pages: 20362

    • DOI

      10.1038/s41598-021-99785-w

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [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.
    • Journal Title

      Frontiers in Systems Neuroscience

      Volume: 15 Pages: 785366

    • DOI

      10.3389/fnsys.2021.785366

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 転倒に関わる神経機構:主としてモデル動物の知見から2022

    • Author(s)
      柳原 大
    • Organizer
      第18回姿勢と歩行研究会
    • Invited
  • [Presentation] マウスにおける左右分離型ベルトトレッドミルでの歩行適応2022

    • Author(s)
      小松 拓実, 淺香 明子, 結城 笙子, 石川 欽也, 柳原 大
    • Organizer
      第18回姿勢と歩行研究会
  • [Presentation] Photothrombosis 法を用いた小脳梗塞による歩行障害2022

    • Author(s)
      井上 桂輔, 淺香 明子, 李 佐知子, 石川 欽也, 柳原 大
    • Organizer
      第18回姿勢と歩行研究会
  • [Presentation] 小脳中間部片側傷害による歩行における運動学シナジーへの影響2022

    • Author(s)
      酒井 隆太郎, 淺香 明子, 鴻巣 暁, 青井 伸也, 舩戸 徹郎, 柳原 大
    • Organizer
      第18回姿勢と歩行研究会
  • [Presentation] 予測的姿勢制御における小脳虫部の役割 ―ラットにおける実験課題の構築と数理シミュレーション―2022

    • Author(s)
      鴻巣 暁, 舩戸 徹郎, 松木 勇磨, 酒井 隆太郎, 柳原 大
    • Organizer
      日本小脳学会第12回学術集会・総会
  • [Presentation] ラットの歩行運動制御系の解明のための筋骨格モデルの構築2022

    • Author(s)
      遠藤 啓輔,酒井 隆太郎,柳原 大,舩戸 徹郎
    • Organizer
      第34回自律分散システム・シンポジウム
  • [Presentation] 職業性局所性ジストニア発症原理に関する神経数理モデルシミュレーション2022

    • Author(s)
      村松 海渡,結城 笙子,郡 宏,柳原 大
    • Organizer
      第34回自律分散システム・シンポジウム
  • [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
  • [Presentation] Development of a new metacognitive task for rats2021

    • Author(s)
      Yuki, S., Sakurai, Y., Yanagihara, D.
    • Organizer
      日本動物心理学会第81回大会
  • [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

URL: 

Published: 2022-12-28  

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