Modelling of hyper adaptability in human postural control considering the role of neurotransmitters

• Project Area: Hyper-adaptability for overcoming body-brain dysfunction: Integrated empirical and system theoretical approaches
• Project/Area Number: 19H05730
• 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: 太田 順 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (50233127)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 四津 有人 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (30647368)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥134,810,000 (Direct Cost: ¥103,700,000、Indirect Cost: ¥31,110,000); Fiscal Year 2023: ¥24,830,000 (Direct Cost: ¥19,100,000、Indirect Cost: ¥5,730,000); Fiscal Year 2022: ¥24,830,000 (Direct Cost: ¥19,100,000、Indirect Cost: ¥5,730,000); Fiscal Year 2021: ¥24,830,000 (Direct Cost: ¥19,100,000、Indirect Cost: ¥5,730,000); Fiscal Year 2020: ¥24,830,000 (Direct Cost: ¥19,100,000、Indirect Cost: ¥5,730,000); Fiscal Year 2019: ¥35,490,000 (Direct Cost: ¥27,300,000、Indirect Cost: ¥8,190,000)
• Keywords: システム工学 / 数理モデル化 / リハビリテーション医学 / 姿勢制御 / 神経伝達物質 / 適応 / リハビリテーション工学

Outline of Research at the Start

以下の3 点について研究を進める．1) マルチタスク遂行能力の評価法の確立．マルチタスクとして認知負荷下での姿勢制御を想定する．健常者と患者でのマルチタスク遂行能力の評価方法を確立する．マルチタスクの設計，および課題中の生理反応の計測プロトコルを樹立する．2) マルチレイヤ脳活動-身体統合モデルの開発．(a)脳活動ダイナミクスモデル，(b)感覚・運動制御系モデル，(c)身体筋骨格モデルの適切な接続によるモデル構築を目指す．3) モデルの検証 1）のデータを2）のモデルに組み入れ，モデル検証を行う．これより「神経伝達物質を考慮した行動遂行則の変容メカニズムの数理モデル構築」を目指す．

Outline of Annual Research Achievements

- 神経系姿勢制御モデルへの前庭脊髄路を模した制御の導入
A04計画班の高草木，B01計画班の千葉（旭川医科大学）らと共同で，姿勢制御における神経伝達物質の役割を考慮した数理モデル構築を行っている．ヒトの姿勢制御において重要な役割を果たす下行路である前庭脊髄路を模した制御を，計算機モデルに導入することを目指した．前庭脊髄路は，全身の筋緊張を調節する網様体脊髄路と共に，姿勢制御を司る．これまで開発してきた神経系姿勢制御モデルに，以下の知見を基に前庭脊髄路を模した制御を導入した：1) 脊髄全体に投射し，身体全体の筋活動を調整する；2) 身体を垂直位置に保つことで，頭部を安定した垂直位置に維持する；3) 入力として，脳幹内の前庭神経核において主に前庭感覚を受け取る；4) 出力として，伸筋には興奮性，屈筋には抑制性の効果を持つ．この神経系姿勢制御モデルを用いて，19の関節自由度と94の筋を持つ筋骨格モデルを制御するシミュレーションを行い，神経系姿勢制御モデルの妥当性を検証した．
- マルチタスク下の姿勢制御における神経伝達物質の役割の検証
a）姿勢課題と認知課題を用いたマルチタスクの設計．姿勢課題は30秒間の静止立位を採用した．認知課題は，Granacherらの先行研究を参考に与えられた数字から7を引き続ける計算課題を採用した．b）設計したマルチタスク中の運動学・生理学的反応を計測するシステム構築．計測する運動学的データとして，身体各部位の位置データおよびcenter of pressureの軌跡を計測する．生理学的データとして各筋の表面筋電図を計測した．c）構築したシステムを用いたパーキンソン病患者計測．静止立位のみ→静止立位＋計算課題→静止立位のみの3トライアルで計測し，マルチタスクの影響を検証した．パーキンソン病患者2名を対象とした．

Current Status of Research Progress

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

Reason

当初設定した，以下の3つの目標を達成できているため．1) 神経伝達物質の姿勢制御における役割の検証．パーキンソン病などの神経変性疾患患者では，マルチタスクの遂行に必要な機能が障害され，その背景には神経細胞の変性や神経伝達物質の異常が存在すると考えられている．そこでパーキンソン病で変化する神経伝達物質に着目し，マルチタスクの遂行における神経伝達物質の役割を検証する．2) 姿勢制御における神経伝達物質の役割を考慮したマルチタスク表現モデルの開発．神経伝達物質というミクロな情報と，その情報処理後の結果として現れる行動-生理反応というマクロな情報の統合を目指す．「マルチタスクの数理モデル」を開発する．3) 構築した数理モデルの検証．生体より得られたデータを用いて構築した「マルチタスクの数理モデル」の検証を行う．

Strategy for Future Research Activity

神経系姿勢制御モデルへの前庭脊髄路を模した制御の導入については，本年度構築した神経系姿勢制御モデルを用いて，パーキンソン病等，下行路の働きの亢進・低下が見られる疾患の計算機上での表現を目指す．またヒトの実験の結果と合わせて，神経伝達物質，姿勢制御メカニズム，そしてあらわれる挙動の関係を記述することを目指す．
マルチタスク下の姿勢制御における神経伝達物質の役割の検証に関しては，今回得られた実験結果を踏まえて，マルチタスクの与え方の再検討，実験環境の統制の仕方の検討等を行う予定である．

Research Products

• [Journal Article] A neural controller model considering the vestibulospinal tract in human postural control (2022)
  • Author(s): Omura,Yuichiro, Kaminishi,Kohei, Chiba,Ryosuke, Takakusaki,Kaoru, & Ota,Jun.
  • Journal Title: Frontiers in Computational Neuroscience Volume: 16
  • DOI: 10.3389/fncom.2022.785099
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] ロボットリハビリテーション (2022)
  • Author(s): 高草木 薫, 千葉 龍介, 野口 智弘, 村田 哲, 淺間 一, 太田 順
  • Journal Title: 佐久間一郎, 編集代表, 秋吉 一成, 津本 浩平, 編集幹事, 医用工学ハンドブック Volume: 1 Pages: 280-293
• [Journal Article] Relationship between total weight-bearing response of the navicular and talus bones and weight-bearing response of hindfoot valgus in normal foot arch (2021)
  • Author(s): Maruyama Masafumi、Yozu Arito、Okamoto Yoshikazu、Shiraki Hitoshi
  • Journal Title: The Journal of Physical Fitness and Sports Medicine Volume: 10 Issue: 2 Pages: 75-84
  • DOI: 10.7600/jpfsm.10.75
  • NAID: 130007997341
  • ISSN: 2186-8123, 2186-8131
  • Year and Date: 2021-03-25
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Evaluation of Postural Sway in Post-stroke Patients by Dynamic Time Warping Clustering (2021)
  • Author(s): Li Dongdong、Kaminishi Kohei、Chiba Ryosuke、Takakusaki Kaoru、Mukaino Masahiko、Ota Jun
  • Journal Title: Frontiers in Human Neuroscience Volume: 15
  • DOI: 10.3389/fnhum.2021.731677
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Multistream Temporal Convolutional Network for Correct/Incorrect Patient Transfer Action Detection Using Body Sensor Network (2021)
  • Author(s): Zhong Zhihang、Lin Chingszu、Kanai-Pak Masako、Maeda Jukai、Kitajima Yasuko、Nakamura Mitsuhiro、Kuwahara Noriaki、Ogata Taiki、Ota Jun
  • Journal Title: IEEE Internet of Things Journal Volume: 8 Issue: 23 Pages: 17000-17013
  • DOI: 10.1109/jiot.2021.3075477
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Increase in muscle tone promotes the use of ankle strategies during perturbed stance (2021)
  • Author(s): Kaminishi Kohei、Chiba Ryosuke、Takakusaki Kaoru、Ota Jun
  • Journal Title: Gait & Posture Volume: 90 Pages: 67-72
  • DOI: 10.1016/j.gaitpost.2021.08.003
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Effects of medication and dual tasking on postural sway in Parkinson’s disease: A pilot case study (2021)
  • Author(s): Yozu Arito、Kaminishi Kohei、Ishii Daisuke、Omura Yuichiro、Matsushita Akira、Kohno Yutaka、Chiba Ryosuke、Ota Jun
  • Journal Title: Advanced Robotics Volume: 35 Issue: 13-14 Pages: 889-897
  • DOI: 10.1080/01691864.2021.1948353
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Evaluating quiet standing posture of post-stroke patients by classifying cerebral infarction and cerebral hemorrhage patients (2021)
  • Author(s): Li Dongdong、Kaminishi Kohei、Chiba Ryosuke、Takakusaki Kaoru、Mukaino Masahiko、Ota Jun
  • Journal Title: Advanced Robotics Volume: 35 Issue: 13-14 Pages: 878-888
  • DOI: 10.1080/01691864.2021.1893218
  • Peer Reviewed
• [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] Ipsilesional spatial bias after a focal cerebral infarction in the medial agranular cortex: A mouse model of unilateral spatial neglect (2021)
  • Author(s): Daisuke Ishii, Hironobu Osaki, Arito Yozu, Kiyoshige Ishibashi, Kenta Kawamura, Satoshi Yamamoto, Mariko Miyata, Yutaka Kohno
  • Journal Title: Behavioural Brain Research Volume: 401 Pages: 113097-113097
  • DOI: 10.1016/j.bbr.2020.113097
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Investigation of the effect of tonus on the change in postural control strategy using musculoskeletal simulation (2020)
  • Author(s): Kaminishi Kohei、Chiba Ryosuke、Takakusaki Kaoru、Ota Jun
  • Journal Title: Gait & Posture Volume: 76 Pages: 298-304
  • DOI: 10.1016/j.gaitpost.2019.12.015
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Towards a simplified estimation of muscle activation pattern from MRI and EMG using electrical network and graph theory (2020)
  • Author(s): Enrico Piovanelli, Davide Piovesan, Shouhei Shirafuji, Becky Su, Natsue Yoshimura, Yousuke Ogata, Jun Ota
  • Journal Title: Sensors Volume: 20 Issue: 3 Pages: 724-724
  • DOI: 10.3390/s20030724
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Robotic rehabilitation of the paralyzed upper limb for a stroke patient using the single-joint hybrid assistive limb: a case study assessed by accelerometer on the wrist (2020)
  • Author(s): Oga Kenya、Yozu Arito、Kume Yu、Seki Hiroyuki、Tsuchiya Nobuhito、Nakai Kei、Matsushita Akira、Mutsuzaki Hirotaka、Kohno Yutaka
  • Journal Title: Journal of Physical Therapy Science Volume: 32 Issue: 2 Pages: 192-196
  • DOI: 10.1589/jpts.32.192
  • NAID: 130007798024
  • ISSN: 0915-5287, 2187-5626
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Gait training using the Honda Walking Assist Device[○!R] for individuals with trans-femoral amputation : A report of two cases. (2020)
  • Author(s): Koseki K, Yozu A, Takano H, A be A, Yoshikawa K, Maezawa T, Kohno Y, Mutsuzaki H.
  • Journal Title: Journal of Back and Musculoskeletal Rehabilitation Volume: 33 Issue: 2 Pages: 339-344
  • DOI: 10.3233/bmr-191726
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Nutritional improvement is associated with better functional outcome in stroke rehabilitation: A cross-sectional study using controlling nutritional status (2020)
  • Author(s): Kishimoto H, Yozu A, Kohno Y, Oose H
  • Journal Title: J Rehabil Med Volume: 52 Pages: 1-4
  • DOI: 10.2340/16501977-2655
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Proposal of a neuromusculoskeletal model considering muscle tone in human gait (2021)
  • Author(s): Etoh,Hitohiro, Omura,Yuichiro, Kaminishi,Kohei, Chiba,Ryosuke, Takakusaki,Kaoru, and & Ota,Jun
  • Organizer: 2021 IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics (SMC)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A Computational Model of Human Postural Control Considering the Vestibulospinal Tract (2021)
  • Author(s): Omura,Yuichiro, Kaminisho,Kohei, Chiba,Ryosuke, Takakusaki,Kaoru, & Ota,Jun
  • Organizer: The 32nd 2021 International Symposium on Micro-NanoMechatronics and Human Science (MHS2021)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 脳神経筋骨格シミュレーションによる筋緊張の影響の解析 (2021)
  • Author(s): 江藤 人拓, 尾村 優一郎, 上西 康平, 千葉 龍介, 高草木 薫, 太田 順
  • Organizer: 2021年度精密工学会春季大会学術講演会
• [Presentation] 前庭脊髄路を考慮した神経系コントローラによるヒトの姿勢制御のモデル化 (2021)
  • Author(s): 尾村 優一郎, 上西 康平, 千葉 龍介, 高草木 薫, 太田 順
  • Organizer: 第33回自律分散システム・シンポジウム
• [Presentation] Hyper-adaptability for overcoming body-brain dysfunction and development of a new rehabilitation device (2021)
  • Author(s): Ota,Jun
  • Organizer: Workshop program KSU (King Saud University) & U Tokyo
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Science of hyper-adaptability: An Overview (2021)
  • Author(s): Ota,Jun
  • Organizer: Scientific Lectures in South China University of Technology
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 身体性システム科学とリハビリテーション - 超適応の科学解明に向けて - (2021)
  • Author(s): 太田 順
  • Organizer: BiNI Perspective Conference 2021 ～創造的進化のための洞察を求めて～
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Muscle activation patterns estimation during repeated wrist movements from MRI and sEMG (2020)
  • Author(s): Piovanelli,Enrico, Piovesan,Davide, Shirafuji,Shouhei, Yoshimura,Natsue, Ogata,Yousuke, & Ota,Jun
  • Organizer: 2020 8th IEEE International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics (BioRob)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 外力に対する立位姿勢維持における腕の役割を理解するための筋骨格シミュレーション (2020)
  • Author(s): 上西 康平, 千葉 龍介, 高草木 薫, 太田 順
  • Organizer: 第38回日本ロボット学会学術講演会
• [Presentation] Investigation of effects of vestibulospinal tract on muscle tone by musculoskeletal simulation (2020)
  • Author(s): Omura,Yuichiro, Kaminishi,Kohei, Chiba,Ryosuke, Takakusaki,Kaoru, & Ota,Jun
  • Organizer: 2020 42nd Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 身体性システム科学と超適応の科学 (2020)
  • Author(s): 太田 順
  • Organizer: 第30回 日本神経回路学会全国大会(JNNS2020)
  • Invited
• [Presentation] 超適応の科学：概要 (2020)
  • Author(s): 太田 順
  • Organizer: 第50回 日本臨床神経生理学会学術大会 関連学会合同シンポジウム 超適応の臨床生理学
• [Presentation] 超適応プロジェクトの概要説明 (2020)
  • Author(s): 太田 順
  • Organizer: 文部科学省新学術領域研究「身体ー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」第1回一般公開シンポジウム
• [Presentation] Hyper-Adaptability for Overcoming Body-Brain Dysfunction: Integrated Empirical and System Theoretical Approaches (2020)
  • Author(s): Ota,Jun
  • Organizer: 42nd Annual International Conferences of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC 2022)
• [Presentation] 床面水平外乱時の筋緊張が姿勢制御戦略に及ぼす影響 (2020)
  • Author(s): 上西 康平，千葉 龍介，高草木 薫，太田 順
  • Organizer: 第32回自律分散システム・シンポジウム
• [Presentation] パーキンソン病の静止立位中の重心動揺：服薬前後の変動と日差変動 (2020)
  • Author(s): 四津有人，石井大典，金澤淳史，松下明，河野 豊
  • Organizer: 第32回自律分散システム・シンポジウム
• [Presentation] パーキンソン病の姿勢制御モデル構築のための計算機モデルにおける姿勢異常の表現 (2020)
  • Author(s): 尾村 優一郎，上西 康平，千葉 龍介，高草木 薫，太田 順
  • Organizer: 第32回自律分散システム・シンポジウム
• [Presentation] 人を長期的に支えるロボット技術 (2020)
  • Author(s): 太田 順
  • Organizer: 東京大学国際オープンイノベーションフォーラム ロボティクスの新展開
  • Invited
• [Presentation] Correlation Analysis between Functional Rocker Transition and Walking Gait (2019)
  • Author(s): Shirafuji,Shohei and Ota,Jun
  • Organizer: 1st IFAC Workshop on Robot Control (IFAC WROCO 2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Afferent pathway to the ipsilateral somatosensory cortex in human (2019)
  • Author(s): Daisuke Ishii, Kiyoshige Ishibashi, Yuki Kaku, Hiroshi Yuine, Satoshi Yamamoto, Arito Yozu, Yutaka Kohno
  • Organizer: Society for Neuroscience 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 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 (2019)
  • Author(s): 太田 順
  • Organizer: NEURO2019（第42回日本神経科学大会／第62回日本神経化学会大会）
• [Remarks] 移動ロボティクス研究室ホームページ
  • URL: https://otalab.race.t.u-tokyo.ac.jp/