Hyper-adaptability to altered musculoskeletal system: cortical and subcortical mechanism.

• Project Area: Hyper-adaptability for overcoming body-brain dysfunction: Integrated empirical and system theoretical approaches
• Project/Area Number: 19H05724
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: National Center of Neurology and Psychiatry
• Principal Investigator: 関 和彦 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, 部長 (00226630)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥94,120,000 (Direct Cost: ¥72,400,000、Indirect Cost: ¥21,720,000); Fiscal Year 2023: ¥15,730,000 (Direct Cost: ¥12,100,000、Indirect Cost: ¥3,630,000); Fiscal Year 2022: ¥16,120,000 (Direct Cost: ¥12,400,000、Indirect Cost: ¥3,720,000); Fiscal Year 2021: ¥17,550,000 (Direct Cost: ¥13,500,000、Indirect Cost: ¥4,050,000); Fiscal Year 2020: ¥12,610,000 (Direct Cost: ¥9,700,000、Indirect Cost: ¥2,910,000); Fiscal Year 2019: ¥32,110,000 (Direct Cost: ¥24,700,000、Indirect Cost: ¥7,410,000)
• Keywords: マカクサル / 可塑性 / 筋シナジー / 筋電図 / 筋再配置 / tendon transfer / macaque monkey / muscle synergy / sensorimotor / ECoG / EMG / 超適応 / 霊長類 / 運動 / 感覚予測誤差 / 身体改変

Outline of Research at the Start

身体の障害や疾病などによってヒトの身体構造が急激に変化する場合がある。そのような状態でも短時間のリハビリテーション訓練などによって意図したとおりに運動を行うことができるのは，身体運動に関わる脳神経構造が、変化した身体に適応して再構成されているからである。身体の急激な変化は後天的で個体にとって未経験の現象であり、それに対する適応は超適応として定義することができる。この、超適応時の脳神経構造の再構成のメカニズムは明らかでない。そこで、本研究ではヒトと筋骨格構造が類似しているサルを対象に、身体構造を変化させ、それに対する中枢神経系の適応を神経細胞レベルで神経生理学的に評価する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究項目の具体的な目的はヒトと筋骨格構造が類似しているサルを対象に、筋再配置手術によって急激に身体構造を変化させ、それに対する中枢神経系の適応を神経細胞レベルで神経生理学的に評価することである。前年度までに動物モデルを作出する手技はほぼ確立したので、今年度は適応の背景メカニズムの研究に必要な実験技術を導入した。具体的には、まず筋電図計測技術を確立した。これまでの有線による方法では、記録途中で感染事故などにより記録チャンネル数が減少し、それが筋活動制御系の適応戦略評価を困難にする例があった。そこで新たに無線多チャンネル筋電図記録システムを構築した。そして16筋から無線で安定的に筋電図信号が計測可能なことを明らかにした。第二に、筋電図活動変化の背景にある神経系の超適応を直接評価するため、ECOG電極の慢性埋め込み技術を確立した。現役の脳外科医師と共同し、ヒトの手術プロトコルを参考にしながら、補足運動野、感覚運動野、高次感覚野から同時に皮質電位を記録するための電極埋め込み術式を確立した。並行して、筋電図記録に関する解析結果の論文化を進めた。領域内共同研究によって、その超適応のパタンを単一筋電図記録と筋シナジー解析から類型化し、適応にearly phaseとlate phaseがあることを発見した。そして前者がmal adaptationで後者が、探索を伴う超適応である証拠を発見した。これらの結果について論文化を進めた。

Current Status of Research Progress

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

Reason

本研究は概ね順調に進捗している。現在まで2頭の個体に対して、屈筋と伸筋の組み替え手術を施し、その結果の筋電図を用いた解析が終了している。そして2頭共通の発見として、早期と晩期では異なった変化パタンが認められることが判明した。前者は、筋シナジーが変化してしまう不適切な変化であり、後者はその状態からの最適解としての適応であった。そして、早期変化とトリガーが感覚予測誤差である可能性が示唆され、次年度以降の実験課題を提示できた。また、ECOGインプラントは当初、感染事故などにより遅延していたが、脳外科医の参加によって術式を変更したことによりその遅延が挽回された。また、新型コロナウィルス感染蔓延の影響で、タスク制御装置の導入が遅延していたが、その間、簡便な装置での別タスクを開発することで遅延の影響を最小限に抑えた。

Strategy for Future Research Activity

次年度は、第一に筋電図解析に関する論文出版を実現する。筋再配置手術は臨床的にはルーチーンとなっているが、その背景にある適応メカニズムは現在まで確立していない。この論文は、この外科手技にとどまらず、広く運動学習やリハビリテーションの神経機序について、示唆を与えることができるはずである。そのため、さまざまな分野の読者に引用される論文を目指す。第二に、皮質活動についての実験を進展させる。具体的には2頭について皮質脳波ー筋電図記録の実験を完了し、2ステップ適応の背景にある神経機序の解明を目指す。解析は領域内連携も用いながら行う。具体的には皮質ー皮質活動にはグレンジャー因果解析、また筋電図と皮質活動の関係についてはスパース回帰方法を用いて、超適応の脳内ダイナミクスを明らかにする。

Research Products

• [Journal Article] Musculoskeletal Modeling and Inverse Dynamic Analysis of Precision Grip in the Japanese Macaque (2021)
  • Author(s): Saito Tsuyoshi、Ogihara Naomichi、Takei Tomohiko、Seki Kazuhiko
  • Journal Title: Frontiers in Systems Neuroscience Volume: 15 Pages: 774596-774596
  • DOI: 10.3389/fnsys.2021.774596
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Distribution of Large and Small Dorsal Root Ganglion Neurons in Common Marmosets (2021)
  • Author(s): Kudo Moeko、Wupuer Sidikejiang、Kubota Shinji、Seki Kazuhiko
  • Journal Title: Frontiers in Systems Neuroscience Volume: 15
  • DOI: 10.3389/fnsys.2021.801492
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Specific gene expression in unmyelinated dorsal root ganglion neurons in nonhuman primates by intranerve injection of adeno-associated virus 6 vector. (2021)
  • Author(s): Kudo M, Wupuer S, Fujiwara M, Saito Y, Kubota S, Inoue K, Takada M, Seki K
  • Journal Title: Molecular Therapy - Methods & Clinical Development Volume: 23 Pages: 11-22
  • DOI: 10.1016/j.omtm.2021.07.009
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Approaches to Revealing the Neural Basis of Muscle Synergies: A Review and A Critique (2021)
  • Author(s): Cheung Vincent C. K.、Seki Kazuhiko
  • Journal Title: Journal of Neurophysiology Volume: - Issue: 5 Pages: 1580-1597
  • DOI: 10.1152/jn.00625.2019
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Distinct sensorimotor feedback loops for dynamic and static control of primate precision grip (2020)
  • Author(s): Tomomichi Oya, Tomohiko Takei, and Kazuhiko Seki
  • Journal Title: Communications Biology Volume: 3 Issue: 1 Pages: 156-156
  • DOI: 10.1038/s42003-020-0861-0
  • NAID: 120006823945
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Decoding of muscle activity from the sensorimotor cortex in freely behaving monkeys (2019)
  • Author(s): Umeda Tatsuya、Koizumi Masashi、Katakai Yuko、Saito Ryoichi、Seki Kazuhiko
  • Journal Title: NeuroImage Volume: 197 Pages: 512-526
  • DOI: 10.1016/j.neuroimage.2019.04.045
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Optogenetic recruitment of spinal reflex pathways from large‐diameter primary afferents in non‐transgenic rats transduced with AAV9/Channelrhodopsin 2 (2019)
  • Author(s): Kubota Shinji、Sidikejiang Wupuer、Kudo Moeko、Inoue Ken‐ichi、Umeda Tatsuya、Takada Masahiko、Seki Kazuhiko
  • Journal Title: The Journal of Physiology Volume: 597 Issue: 19 Pages: 5025-5040
  • DOI: 10.1113/jp278292
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Sensory gain modulation at the primate cuneate nucleus; top-down and bottom-up neural mechanisms. (2021)
  • Author(s): Seki K
  • Organizer: NCM2021
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Modulation of somatosensory signal transmission in the primate cuneate nucleus during voluntary hand movement. (2021)
  • Author(s): Kubota S, Sasaki C, Ito S, Gomi H, Oya T, Seki K
  • Organizer: NCM2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Elucidation of neural mechanisms of hyper-adaptabilityto body change (2021)
  • Author(s): Seki K
  • Organizer: 1st International Symposium on Hyper-Adaptability
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Hyper-adaptation after tendon transfer of upper limb: Neural mechanisms inducing hyper-adaptation (2021)
  • Author(s): Philipp R, Uchida N, Hara Y, Funato T, Seki K
  • Organizer: 第44回日本神経科学大会 シンポジウム「脳の超適応」
• [Presentation] マカクサルの上肢筋腱移植手術に伴う中枢神経系の長期適応様式 (2021)
  • Author(s): 関和彦
  • Organizer: 令和3年度 京都大学 霊長類研究所 共同利用研究会
  • Invited
• [Presentation] 随意運動の制御における脊髄神経回路の新機能 (2021)
  • Author(s): 関和彦
  • Organizer: 日本脊髄外科学会
  • Invited
• [Presentation] Bio-Electrical Signals for Motor Control in Robotics: Standardization of Muscle Synergy Analysis (2021)
  • Author(s): Alvaro Costa, Massimo Sartori, Qi An, Kazuhiko Seki, Andrea d`Avella, Diego Torricelli, Yuri Ivanenko, Andres Ubeda, Fady Alnajjar, Emel Demircan, Juan C. Moreno, Shingo Shimoda
  • Organizer: 2021 IEEE/RSJ International conference on intelligent robots and systems
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Hyper-adaptation after tendon transfer of upper limb: Neural mechanisms inducing hyper-adaptation (2021)
  • Author(s): Philipp R, Uchida N, Hara Y, Funato T, Seki K
  • Organizer: 1st International Symposium on Hyper-Adaptability
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Modular control of limb movement: from neural correlates to clinical relevance (2019)
  • Author(s): Seki K
  • Organizer: WORKSHOP on NEUROROBOTICS
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Neural adaptation to surgical relocation of primate hand muscles (2019)
  • Author(s): Seki K
  • Organizer: Tokyo Hand Meeting(NCM Ancillary Meeting)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Spinal and cortical neural mechanism for active inference in volitional movement. (2019)
  • Author(s): Seki K
  • Organizer: The Satellite Meeting/29th NCM Annual Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Decoding muscle activity using electrocorticographic signals in freely behaving marmosets (2019)
  • Author(s): Umeda T, Koizumi M, Katakai Y, Saito R, Seki K
  • Organizer: 29th NCM Annual Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Emergence of spinomuscular and corticomuscular loops in dynamic vs. static phases of precision grip. (2019)
  • Author(s): Oya T, Takei T, Seki K
  • Organizer: 29th NCM Annual Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Linear summation of spinally-induced forearm force field in macaque monkeys. (2019)
  • Author(s): Yaron A, Yaguchi H, Kowalski D, Takei T, Seki K
  • Organizer: 29th NCM Annual Meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Gain control of spinal proprioceptive reflex in awake, behaving monkeys. (2019)
  • Author(s): Seki K
  • Organizer: Neuroscience 2019
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Mini-symposium “Gain Control in the Sensorimotor System: From Neural Circuit Organization to Behavioral Function (2019)
  • Author(s): Seki K, E. Azim
  • Organizer: Neuroscience 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 協調的筋活動を作り出す神経機構 (2019)
  • Author(s): 関 和彦
  • Organizer: 第58回日本運動障害研究会
  • Invited
• [Presentation] 自由行動下における皮質脳波から筋活動のデコーディング (2019)
  • Author(s): 梅田 達也, 小泉 昌司 , 片貝 祐子, 齋藤 亮一, 関 和彦
  • Organizer: 第42回日本神経科学大会
• [Presentation] 後根神経節（DRG）細胞への細胞種特異的遺伝子導入法: 齧歯類と霊長類における比較 (2019)
  • Author(s): 工藤もゑこ, Wupuer Sidikejiang, 井上 謙一, 高田 昌彦, 関 和彦
  • Organizer: 第42回日本神経科学大会
• [Presentation] 筋電解析による身体変化に対する神経適応メカニズムの解明 (2019)
  • Author(s): 内田直輝, Roland Philipp, 大屋知徹, 舩戸徹郎, 関和彦
  • Organizer: 第13回Motor Control研究会