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 |
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| Project/Area Number |
19H05730
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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 | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
太田 順 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (50233127)
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| 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)
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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 |
¥134,810,000 (Direct Cost: ¥103,700,000、Indirect Cost: ¥31,110,000)
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)
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| 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 / リハビリテーション工学 |
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| 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．
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| Outline of Annual Research Achievements |
- 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た．本年度は，神経変性疾患のひとつであるパーキンソン病患者に特有の姿勢異常を，計算機モデル上で表現することを目指した．既存の下肢に重きを置いていた筋骨格モデルに頸部の関節自由度と筋肉を追加し，19 の関節自由度と94 の筋を持つ筋骨格モデルを構築した．筋緊張を調節する機能を持つ網様体脊髄路をモデル化した神経系姿勢制御モデルを用いて，構築した筋骨格モデルを制御した．目的としていたパーキンソン病患者特有の姿勢異常を計算機モデル上で表現することができた．直立姿勢・異常姿勢それぞれを可能とするような筋緊張を網羅的に探索した結果を比較したところ，異常姿勢ではより大きな筋緊張が必要であることが分かった．
- 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を検証している．本年度は，a）姿勢課題と認知課題を用いたマルチタスクの設計を行った．健常高齢者やパーキンソン病患者でも遂行可能な課題とするため，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を構築した．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，健常者およびパーキンソン病患者で計測を開始した．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する．静止立位のみを再度行うのは，立位に対する学習効果を検証するためである．
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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
取り組む項目として想定している以下の3つの課題に対して，それらを解決するための第一歩をきちんと開始し，初期的な知見が得られていることから，おおむね順調に進展していると考えられる．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．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．
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| Strategy for Future Research Activity |
- 神経系制御モデルに，身体を垂直に保つ機能を持つ前庭脊髄路を導入し，姿勢異常と姿勢制御異常との関係の解明を目指す．また，実際にヒトを対象とした実験を行い，構築した数理モデルの検証を目指す．
- 少人数のパーキンソン病患者に対して薬剤投与，未投与それぞれの状況における計測を行う．その後，データ解析を行い，特徴について考察する．
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Report
(1 results)
Research Products
(12 results)
