Modeling of hyper-adaptability to altered musculoskeletal system
| Project Area | Hyper-adaptability for overcoming body-brain dysfunction: Integrated empirical and system theoretical approaches |
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| Project/Area Number |
19H05728
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Review Section |
Complex systems
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
小池 康晴 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 教授 (10302978)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
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)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥121,030,000 (Direct Cost: ¥93,100,000、Indirect Cost: ¥27,930,000)
Fiscal Year 2022: ¥23,270,000 (Direct Cost: ¥17,900,000、Indirect Cost: ¥5,370,000)
Fiscal Year 2021: ¥23,140,000 (Direct Cost: ¥17,800,000、Indirect Cost: ¥5,340,000)
Fiscal Year 2020: ¥23,140,000 (Direct Cost: ¥17,800,000、Indirect Cost: ¥5,340,000)
Fiscal Year 2019: ¥28,210,000 (Direct Cost: ¥21,700,000、Indirect Cost: ¥6,510,000)
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| Keywords | 腱付け替え / 筋シナジー / 機械学習 / 仮想手術 / 筋骨格系モデル / モデリング |
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| Outline of Research at the Start |
仮想手術による長期的な身体変容を生じる実験系を実現し、サルの筋再配置による短期的な身体変容を生じる実験系とあわせて、長期/短期の身体変容後の神経系の変化を調べる。さらに、筋再配置の力学シミュレーション及び脳情報デコーディング技術を確立し、実験で得られた生体データの解析を行うことで、身体変容に対する生体構造の再構成過程を明らかにする。
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| Outline of Annual Research Achievements |
人の身体変容に伴う運動機能の変化をVirtual Realityを用いて仮想的に実現する実験系の構築と力学シミュレーション環境の構築を行う。これにより、長期/短期の身体変容に伴う生体情報を得る実験系と身体変容の力学過程を扱う情報処理環境を整備し、身体変容後の生体情報の変化のメカニズムに迫るためのシステムを確立する。
「仮想手術」による人の身体変容実験の実現では、指の運動データに関して、筋活動および脳波からそれぞれ指の運動方向を識別するデコーダーを作成した。指の運動方向は、筋シナジーを用いることで、精度良く推定できることがわかった。また、脳活動と筋シナジーの関係も調べることで、身体変容の過程を、筋活動レベルおよび、脳活動レベルで解析できる可能性が示唆された。これにより、脳情報デコーディング技法を用いて解析するための準備が整った。
サルの筋再配置をシミュレートする筋骨格系モデルの構築では、サルの筋配置を元にした上肢の筋骨格系のモデルを計算機上に構築し、到達及び把持運動をシミュレートする計算環境を構築し、力学シミュレーションを行った。
また、実際の動物実験の結果を、腱付け替え前後の筋活動を筋シナジーを用いて解析することで、運動の回復過程での筋シナジーの変化を観測することができた。さらに、運動能力が回復していく過程で、付け替え前とは異なるシナジーが現れること、さらに学習が進むと、筋シナジーがさらに変化していく過程も捉えることができた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
動物実験により得られた筋再配置実験の前後の筋シナジーを解析し、数理モデルによる検証を行なった。その結果、付け替え前後での筋シナジーの変化を確認した。また、動物実験の結果を人でも検証可能にするため、既存のヒトの上肢筋骨格モデルによる運動のシミュレーションを行った。
さらに、指の運動中の筋活動、脳波を同時計測し、筋シナジーを用いて運動方向の推定を行った。その結果、筋シナジーから指の運動方向を推定することに成功した。また、そのときの脳波から信号源を計算し指の運動方向の識別に関連する部位を探索し、シナジーとの関係を調べた。
このように、実験計画通り、順調に進んでいる。
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| Strategy for Future Research Activity |
計算機シミュレーションなどを行う環境が整い、生理実験のグループとの共同研究により、実験データも収集できている。今後は、実験データの解析とシミュレーションモデルの作成を進める。
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Report
(2 results)
Research Products
(17 results)
