Systematic understanding and realization of hyper-adaptive phenomena focusing on cognition and emotion

• Project Area: Hyper-adaptability for overcoming body-brain dysfunction: Integrated empirical and system theoretical approaches
• Project/Area Number: 19H05729
• 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: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 淺間 一 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (50184156)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 井澤 淳 筑波大学, システム情報系, 准教授 (20582349) ; 温 文 立教大学, 現代心理学部, 准教授 (50646601) ; 安 ち 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 准教授 (70747873)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥150,670,000 (Direct Cost: ¥115,900,000、Indirect Cost: ¥34,770,000); Fiscal Year 2023: ¥26,780,000 (Direct Cost: ¥20,600,000、Indirect Cost: ¥6,180,000); Fiscal Year 2022: ¥26,780,000 (Direct Cost: ¥20,600,000、Indirect Cost: ¥6,180,000); Fiscal Year 2021: ¥26,780,000 (Direct Cost: ¥20,600,000、Indirect Cost: ¥6,180,000); Fiscal Year 2020: ¥26,780,000 (Direct Cost: ¥20,600,000、Indirect Cost: ¥6,180,000); Fiscal Year 2019: ¥43,550,000 (Direct Cost: ¥33,500,000、Indirect Cost: ¥10,050,000)
• Keywords: 超適応 / 情動 / リハビリ / 身体意識 / 認知 / 運動適応 / 身体認知 / 数理モデル / 計算論 / 筋シナジー / 運動遂行則 / 運動主体感 / システム論 / 行動遂行則

Outline of Research at the Start

本研究の具体的な手法として、ヒトや実験動物(サル、げっ歯類)を対象としたロボティック介入脳神経科学プラットフォームを開発し、これを用いて情動・認知が行動遂行則の再編成に与える影響を調べる。機能推定可能な脳情報デコーディング法により、情動・認知が運動学習に与える影響を定量的に調査分析して、これを数理モデル化する。さらにこれらの知見を応用して、脳の潜在的適応力(超適応)を効果的に促すことのできるリハビリ手法を開発して、この効果を検証する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究項目では身体認知・情動が超適応の獲得の過程に与える影響を解明し，身体制御の変化を定量的予測可能な数理モデルを構築し，検証することを目的とする．さらに，数理モデルを基づいて，身体認知・情動を介して，超適応機能を促すモデルベースの介入手法の提案と検証を行う．
研究分担者の井澤らのグループ（筑波大学）は，新奇身体構造に対する学習の計算論的モデルを開発した．この結果を検証するために，(1)到達運動課題，(2)データグローブを用いたde novo 運動学習課題，(3)仮想手術課題の３つの実験結果対して，ニューラルネットワークを用いた計算論的モデルを構築し，その学習スピードが運動指令の探索ノイズによって説明できること示した．
研究分担者の安（東京大学）のグループはヒトの起立動作において4つの筋シナジーが存在し，それぞれ上体の前屈，離臀，全身の伸展，姿勢の安定化を担っていることを示してきた．これに対して，視覚や前庭感覚などの感覚情報に加えて，身体認知がヒトの起立動作，特に筋シナジーに与える影響を新たに調査した．
研究代表者淺間，研究分担者温，研究協力者濵田らのグループ（東京大学）では，運動学習中の脳波パワースペクトルの特徴に基づき[5]，ニューロモジュレーション介入の検証を試みた．さらに，淺間らのグループは，脊髄小脳変性症患者に認められる運動制御システムの障害を大脳でどのように代償されているのかを明らかにするために，脳構造画像解析により大脳容積を算出し，可塑的な変化が生じている領域の同定を試みた．最後に，淺間らのグループでは，慶應義塾大学病院の前田貴記講師のグループと共同に，統合失調症患者の運動主体感の失調に焦点を当て，自他判断，制御の検出，運動制御といった3つの下位プロセスを，それぞれ認知課題を用いて解析した．

Current Status of Research Progress

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

Reason

B03項目では本年度において，運動適応における身体構造認識の役割と探索の計算論的役割を解明し，身体認知が筋シナジーに与える影響を調査した．また，運動学習の過程において，脳刺激を与えることによる加入の可能性を実証的に検討した．さらに，脊髄小脳変性患者と統合失調症患者の神経基盤と行動メカニズムを調査し，臨床の分野から身体意識のモデル化に重要な知見を提供した．国際学術誌，国内外の学会で積極的に成果を公表した．以上のことかrあ、研究はおおむね順調に進展していると言えるでしょう。

Strategy for Future Research Activity

B03項目は身体認知・情動といった認知的な側面に注目し，新たな介入手法が身体認知・情動を介して，超適応機能を動員する過程をシステム論的に理解し，超適応を実現するための介入手法を提案することを目指す．超適応過程を定量的に測定し，数理モデルを構築するため，意味推定可能な脳情報デコーディング技術を開発し，身体認知・情動を定量的測定する手法を確立する．さらに，モデルベースの介入手法を検証するために，ロボティック介入脳神経科学プラットフォームの開発を行う．具体的に，脳損傷後の片麻痺の患者において，超適応過程の定量化測定とモデル化を行う．超適応の数理モデルに基づき，モデルベースの介入手法を提案し，検証する．
今後の研究の推進方策として，これまでの行動実験，臨床研究から得られた成果に基づいて，モデル化研究に注力していく予定．特にモデルベースの予測，測定，および介入手法の設計に取り組む予定である．

Research Products

• [Journal Article] Analysis of Muscle Activity in the Sit-to-Stand Motion When Knee Movability is Disturbed (2022)
  • Author(s): Yoshida Kazunori、An Qi、Hamada Hiroyuki、Yamakawa Hiroshi、Tamura Yusuke、Yamashita Atsushi、Asama Hajime、The University of Tokyo 7-3-1 Hongo, Bunkyo-ku, Tokyo 113-8656, Japan、Tohoku University 6-6-01 Aramaki Aza Aoba, Aoba-ku, Sendai 980-8579, Japan
  • Journal Title: Journal of Robotics and Mechatronics Volume: 34 Issue: 4 Pages: 767-776
  • DOI: 10.20965/jrm.2022.p0767
  • ISSN: 0915-3942, 1883-8049
  • Year and Date: 2022-08-20
• [Journal Article] Computational role of exploration noise in error-based de novo motor learning (2022)
  • Author(s): Dal’Bello Lucas Rebelo、Izawa Jun
  • Journal Title: Neural Networks Volume: 153 Pages: 349-372
  • DOI: 10.1016/j.neunet.2022.06.011
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Transcranial magnetic stimulation on the dorsal premotor cortex facilitates human visuomotor adaptation (2022)
  • Author(s): Sugiyama Taisei、Nakae Keita、Izawa Jun
  • Journal Title: NeuroReport Volume: 33 Issue: 16 Pages: 723-727
  • DOI: 10.1097/wnr.0000000000001838
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Accounting for the valley of recovery during post-stroke rehabilitation training via a model-based analysis of macaque manual dexterity (2022)
  • Author(s): Izawa Jun、Higo Noriyuki、Murata Yumi
  • Journal Title: Frontiers in Rehabilitation Sciences Volume: 3 Pages: 1042912-1042912
  • DOI: 10.3389/fresc.2022.1042912
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] The sense of agency in perception, behaviour and human?machine interactions (2022)
  • Author(s): Wen Wen、Imamizu Hiroshi
  • Journal Title: Nature Reviews Psychology Volume: 1 Issue: 4 Pages: 211-222
  • DOI: 10.1038/s44159-022-00030-6
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The over-estimation of distance for self-voice versus other-voice (2022)
  • Author(s): Wen Wen、Okon Yuta、Yamashita Atsushi、Asama Hajime
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 12 Issue: 1
  • DOI: 10.1038/s41598-021-04437-8
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Clarify Sit-to-Stand Muscle Synergy and Tension Changes in Subacute Stroke Rehabilitation by Musculoskeletal Modeling (2022)
  • Author(s): Wang Ruoxi、An Qi、Yang Ningjia、Kogami Hiroki、Yoshida Kazunori、Yamakawa Hiroshi、Hamada Hiroyuki、Shimoda Shingo、Yamasaki Hiroshi R.、Yokoyama Moeka、Alnajjar Fady、Hattori Noriaki、Takahashi Kouji、Fujii Takanori、Otomune Hironori、Miyai Ichiro、Yamashita Atsushi、Asama Hajime
  • Journal Title: Frontiers in Systems Neuroscience Volume: 16 Pages: 1-16
  • DOI: 10.3389/fnsys.2022.785143
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The role of motor memory dynamics in structuring bodily self-consciousness (2021)
  • Author(s): Ishikawa Ryota、Ayabe-Kanamura Saho、Izawa Jun
  • Journal Title: iScience Volume: 24 Issue: 12 Pages: 103511-103511
  • DOI: 10.1016/j.isci.2021.103511
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Task-relevant and task-irrelevant variability causally shape error-based motor learning (2021)
  • Author(s): Dal’Bello Lucas Rebelo、Izawa Jun
  • Journal Title: Neural Networks Volume: 142 Pages: 583-596
  • DOI: 10.1016/j.neunet.2021.07.015
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Analysis of muscle synergy and kinematics in sit-to-stand motion of hemiplegic patients in subacute period (2021)
  • Author(s): Kogami Hiroki、An Qi、Yang Ningjia、Wang Ruoxi、Yoshida Kazunori、Hamada Hiroyuki、Yamakawa Hiroshi、Tamura Yusuke、Shimoda Shingo、Yamasaki Hiroshi、Yokoyama Moeka、Alnajjar Fady、Hattori Noriaki、Takahashi Koji、Fujii Takanori、Otomune Hironori、Miyai Ichiro、Yamashita Atsushi、Asama Hajime
  • Journal Title: Advanced Robotics Volume: 35 Issue: 13-14 Pages: 867-877
  • DOI: 10.1080/01691864.2021.1928547
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Classification of Motor Impairments of Post-Stroke Patients Based on Force Applied to a Handrail (2021)
  • Author(s): An Qi、Yang Ningjia、Yamakawa Hiroshi、Kogami Hiroki、Yoshida Kazunori、Wang Ruoxi、Yamashita Atsushi、Asama Hajime、Ishiguro Shu、Shimoda Shingo、Yamasaki Hiroshi、Yokoyama Moeka、Alnajjar Fady、Hattori Noriaki、Takahashi Kouji、Fujii Takanori、Otomune Hironori、Miyai Ichiro、Kurazume Ryo
  • Journal Title: IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering Volume: 29 Pages: 2399-2406
  • DOI: 10.1109/tnsre.2021.3127504
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Modeling of hyper-adaptability: from motor coordination to rehabilitation (2021)
  • Author(s): Eberle Harry、Hayashi Yoshikatsu、Kurazume Ryo、Takei Tomohiko、An Qi
  • Journal Title: Advanced Robotics Volume: 35 Issue: 13-14 Pages: 802-817
  • DOI: 10.1080/01691864.2021.1943710
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Artificial neural network that modifies muscle activity in sit-to-stand motion using sensory input (2021)
  • Author(s): Yoshida Kazunori、An Qi、Hamada Hiroyuki、Yamakawa Hiroshi、Tamura Yusuke、Yamashita Atsushi、Asama Hajime
  • Journal Title: Advanced Robotics Volume: 35 Issue: 13-14 Pages: 858-866
  • DOI: 10.1080/01691864.2021.1917452
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Modified sensory feedback enhances the sense of agency during continuous body movements in virtual reality (2021)
  • Author(s): Aoyagi Kei、Wen Wen、An Qi、Hamasaki Shunsuke、Yamakawa Hiroshi、Tamura Yusuke、Yamashita Atsushi、Asama Hajime
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 11 Issue: 1 Pages: 2553-2553
  • DOI: 10.1038/s41598-021-82154-y
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Experience of After-Effect of Memory Update Reduces Sensitivity to Errors During Sensory-Motor Adaptation Task (2021)
  • Author(s): Tanamachi Kenya、Izawa Jun、Yamamoto Satoshi、Ishii Daisuke、Yozu Arito、Kohno Yutaka
  • Journal Title: Frontiers in Human Neuroscience Volume: 15 Pages: 1-8
  • DOI: 10.3389/fnhum.2021.602405
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Categorical Perception of Control (2020)
  • Author(s): Wen Wen、Shimazaki Naoto、Ohata Ryu、Yamashita Atsushi、Asama Hajime、Imamizu Hiroshi
  • Journal Title: eneuro Volume: 7 Issue: 5 Pages: ENEURO.0258-20.2020
  • DOI: 10.1523/eneuro.0258-20.2020
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] The Active Sensing of Control Difference (2020)
  • Author(s): Wen Wen、Shibata Hiroshi、Ohata Ryu、Yamashita Atsushi、Asama Hajime、Imamizu Hiroshi
  • Journal Title: iScience Volume: 23 Issue: 5 Pages: 101112-101112
  • DOI: 10.1016/j.isci.2020.101112
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Temporal Muscle Synergy Features Estimate Effects of Short-Term Rehabilitation in Sit-to-Stand of Post-Stroke Patients (2020)
  • Author(s): Yang Ningjia、An Qi、Kogami Hiroki、Yoshida Kazunori、Yamakawa Hiroshi、Tamura Yusuke、Shimoda Shingo、Yamasaki Hiroshi、Sonoo Moeka、Itkonen Matti、Shibata-Alnajjar Fady、Hattori Noriaki、Kinomoto Makoto、Takahashi Kouji、Fujii Takanori、Otomune Hironori、Miyai Ichiro、Yamashita Atsushi、Asama Hajime
  • Journal Title: IEEE Robotics and Automation Letters Volume: 5 Issue: 2 Pages: 1796-1802
  • DOI: 10.1109/lra.2020.2969942
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Prediction error and regularity detection underlie two dissociable mechanisms for computing the sense of agency (2020)
  • Author(s): Wen Wen、Haggard Patrick
  • Journal Title: Cognition Volume: 195 Pages: 104074-104074
  • DOI: 10.1016/j.cognition.2019.104074
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Temporal Features of Muscle Synergies in Sit-to-Stand Motion Reflect the Motor Impairment of Post-Stroke Patients (2019)
  • Author(s): Yang Ningjia、Shibata-Alnajjar Fady、Shimoda Shingo、Hattori Noriaki、Fujii Takanori、Otomune Hironori、Miyai Ichiro、Yamashita Atsushi、Asama Hajime、An Qi、Kogami Hiroki、Yamakawa Hiroshi、Tamura Yusuke、Takahashi Kouji、Kinomoto Makoto、Yamasaki Hiroshi、Itkonen Matti
  • Journal Title: IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering Volume: 27 Issue: 10 Pages: 2118-2127
  • DOI: 10.1109/tnsre.2019.2939193
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Does delay in feedback diminish sense of agency? A review (2019)
  • Author(s): Wen Wen
  • Journal Title: Consciousness and Cognition Volume: 73 Pages: 102759-102759
  • DOI: 10.1016/j.concog.2019.05.007
  • Peer Reviewed
• [Presentation] EEG Power Spectra Changes with the Proficiency of Motor Learning (2022)
  • Author(s): Hamada, H., Wen, W., Kawasaki, T., Yamashita, A. & Asama, H.
  • Organizer: NEURO2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 脳構造画像解析に基づく脊髄小脳変性症患者の大脳による制御メカニズムの理解 (2022)
  • Author(s): 濵田 裕幸, 菊地 豊, 温 文, 山下 淳, 淺間 一
  • Organizer: 第40回日本ロボット学会学術講演会
• [Presentation] 脳構造画像解析に基づく脊髄小脳変性症患者の大脳の制御システムの理解 (2022)
  • Author(s): 濵田 裕幸, 菊地 豊, 温 文, 安 琪，山下 淳, 淺間 一
  • Organizer: 第35回自律分散システム・シンポジウム
• [Presentation] The sense of agency as active causal inference at an abstract action plan level (2022)
  • Author(s): Chang, A. Y-C., Oi, H., Maeda, T. and Wen, W.
  • Organizer: 第35回自律分散システム・シンポジウム
• [Presentation] 運動学習の習熟に関与する脳波パワースペクトルの特徴 (2022)
  • Author(s): 濵田 裕幸， 温 文，川﨑 翼，山下 淳，淺間 一
  • Organizer: 第34回自律分散システム・シンポジウム
• [Presentation] 運動補助課題におけるパフォーマンスと運動主体感が自己効力感に与える影響 (2021)
  • Author(s): 温 文, 青柳 恵, 濵田 裕幸, 山下 淳, 淺間 一
  • Organizer: 第22回計測自動制御学会システムインテグレーション部門講演会
• [Presentation] Muscle tension analysis in stroke patient sit-to-stand motion by joint torque-based normalization (2020)
  • Author(s): Ruoxi Wang, Qi An, Ningjia Yang, Hiroki Kogami, Kazunori Yoshida, Hiroyuki Hamada, Shingo Shimoda, Hiroshi Yamasaki, Moeka Sonoo, Fady Alnajjar, Noriaki Hattori, Kouji Takahashi, Takanori Fujii, Hironori Otomune, Ichiro Miyai, Atsushi Yamashita, and Hajime Asama
  • Organizer: The 5th International Conference on NeuroRehabilitation (ICNR2020)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Two dissociable processes for detecting gaining and losing control in human brain (2019)
  • Author(s): W. Wen, R. Ohata, M. Tanaka, A. Yamashita, H. Asama, and H. Imamizu
  • Organizer: The 23rd Annual Meeting of Association for the Scientific Study of Consciousness (ASSC23)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Improvement of sense of agency during upper-limb movement for motor rehabilitation using virtual reality (2019)
  • Author(s): Aoyagi, K., Wen, W., An, Q., Hamasaki, S., Yamakawa, H., Tamura, Y., Yamashita, A., & Asama, H.
  • Organizer: The 41st Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine & Biology Society (EMBC)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Assistive Chair to Support Hip Rising of Elderly People Improves Body Movement of Sit-to-Stand Motion (2019)
  • Author(s): Hiroki Kogami, Qi An, Hiroshi Yamakawa, Ningjia Yang, Shingo Shimoda, Makoto Kinomoto, Noriaki Hattori, Kouji Takahashi, Takanori Fujii, Hironori Otomune, Ichiro Miyai, Shu Ishiguro, Takashi Saigusa, Yoshikazu Nozaki, Haruhisa Maruyama, Atsushi Yamashita, and Hajime Asama
  • Organizer: The 1st Workshop on Robot Control (WROCO2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The Effect of Visual, Auditory, Tactile and Cognitive Feedback in Motor Skill Training: A Pilot Study based on VR Gaming (2019)
  • Author(s): Fady Alnajjar, Qi An, Mohit Saravanan, Khaled Khalil, and Shingo Shimoda
  • Organizer: The 1st Workshop on Robot Control (WROCO2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 片麻痺患者の起立動作における縦手すりにかかる力の解析 (2019)
  • Author(s): Qi An, 山川博司，楊濘嘉，湖上碩樹，吉田和憲，山下淳, 石黒周, 下田真吾，山崎弘嗣，園尾萌香，Fady S. Alnajjar，木野本誠， 服部憲明，高橋幸治，藤井崇典，乙宗宏範，宮井一郎，淺間一
  • Organizer: 計測自動制御学会 システム・情報部門 学術講演会2019（SSI2019）
• [Presentation] 片麻痺患者の起立動作における手すりにかかる力を用いた筋シナジーの推定 (2019)
  • Author(s): Qi An, 山川博司，楊濘嘉，湖上碩樹，吉田和憲，山下淳, 石黒周, 下田真吾，山崎弘嗣，園尾萌香，Fady S. Alnajjar，木野本誠， 服部憲明，高橋幸治，藤井崇典，乙宗宏範，宮井一郎，淺間一
  • Organizer: 第37回日本ロボット学会・学術講演会
• [Remarks] 超適応：身体－脳の機能不全を克服する潜在的適応力のシステム論的理解
  • URL: https://www.hyper-adapt.org/