運動制御における筋の冗長性制御則の解明

• Project/Area Number: 13J00233
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Physical education
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 萩生 翔大 京都大学, 人間・環境学研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2015)
• Budget Amount: ¥3,600,000 (Direct Cost: ¥3,600,000); Fiscal Year 2015: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2014: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2013: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
• Keywords: 運動制御 / 筋シナジー / 表面筋電図 / 神経回路モデル / 筋骨格系 / ニューラルネットワークモデル

Outline of Annual Research Achievements

冗長大自由度を有する筋骨格系の制御を簡略化するための戦略として，幾つかの筋をまとめて支配するための神経制御機構である筋シナジーという概念が提唱されてきた．しかし，その存在は未だ概念であるという問題点がある．そこで申請者は，生体内における筋シナジーの神経制御メカニズムを明らかにすることを目的として研究を行ってきた．
昨年度はまず，個々の筋シナジーの活動によって終端位置でどのような力が生成されるのかを生理学実験を通して明らかにした．下肢での等尺性力発揮課題中に取得された筋電図より解析的に推定された個々の筋シナジーの活動度と，測定された３次元空間における力変動との相互相関関係から，個々の筋シナジーの力ベクトルを定量した．この結果から，上位中枢は個々の筋シナジーの力ベクトルを組み合わせて，少ない筋シナジーで広範囲の力発揮を可能にしていることが示唆された．この結果は，国際誌Frontiers in Bioengineering and Biotechnologyに採択された．
また，申請者は神経回路モデルを用いて，新しい運動を習得する際の筋シナジーがある場合とない場合の運動学習パフォーマンスの比較を行った．その結果，筋シナジーがあるモデルは，筋シナジーのないモデルに比べて学習速度が向上するという結果が示された．ヒトの筋骨格系は主に二関節筋の存在により構造上の偏りが存在するが，筋シナジーがその偏りを軽減させるようにして神経回路内に構築されたことにより，多方向への運動学習速度が向上したことが示唆された．この結果とこれまでの学術論文が総合的に評価され，国際バイオメカニクス学会でEmerging Scientist Awardを受賞した．さらに，日本体育学会においてもこの研究が評価され，若手研究奨励賞を受賞した．
最後に，申請者のこれまでの研究業績が高く評価され，京都大学総長賞が授与された．

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Action direction of muscle synergies in three-dimensional force space. (2015)
  • Author(s): Hagio S, Kouzaki M
  • Journal Title: Frontiers in Bioengineering and Biotechnology Volume: 3-187
  • DOI: 10.3389/fbioe.2015.00187
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] 筋シナジーによる冗長な神経系の簡略化 (2015)
  • Author(s): 萩生翔大，神崎素樹
  • Journal Title: トレーニング科学 Volume: 26-2
  • Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Identification of muscle synergies associated with gait transition in humans (2015)
  • Author(s): Shota Hagio, Mizuho Fukuda, Motoki Kouzaki
  • Journal Title: Frontiers in Human Neuroscience Volume: 9(48) Pages: 1-12
  • DOI: 10.3389/fnhum.2015.00048
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Recruitment of muscle synergies is associated with endpoint force fluctuations during multi-directional isometric contractions (2015)
  • Author(s): Shota Hagio, Motoki Kouzaki
  • Journal Title: Experimental Brain Research Volume: in press
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] The flexible recruitment of muscle synergies depends on the required force generating capability (2014)
  • Author(s): Shota Hagio, Motoki Kouzaki
  • Journal Title: Journal of Neurophysiology Volume: 112(2) Issue: 2 Pages: 316-327
  • DOI: 10.1152/jn.00109.2014
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Identification of gait transition based on muscle synergies between walking and running in humans (2014)
  • Author(s): Shota Hagio, Motoki Kouzaki
  • Journal Title: The Proceedings of the 22nd Annual Meetings of Japan Society of Exercise and Sports Physiology Volume: 20(4) Pages: 113-113
• [Journal Article] Muscle synergies of human lower limb based on motor output (2013)
  • Author(s): Shota Hagio, Motoki Kouzaki
  • Journal Title: Advances in exercise and sports physiology Volume: Vol.19,No.1 Pages: 1-6
• [Presentation] Different formation of muscle synergies associated with the desired motor output: simulation study using neural network model including muscle synergies (2015)
  • Author(s): Hagio S, Kouzaki M
  • Organizer: Society for Neuroscience
  • Place of Presentation: Chicago, USA
  • Year and Date: 2015-10-21
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 運動学習における筋シナジーの機能的意義の解明 (2015)
  • Author(s): 萩生翔大，神崎素樹
  • Organizer: 日本体育学会
  • Place of Presentation: 国士舘大学，東京
  • Year and Date: 2015-08-25
• [Presentation] Muscle synergies as a strategy for coordinating redundant motor system (2015)
  • Author(s): Hagio S, Kouzaki M
  • Organizer: The 25th Congress of the International Society of Biomechanics, Emerging Scientist Award Lecture
  • Place of Presentation: Glasgow, Scotland
  • Year and Date: 2015-07-16
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Existence of muscle synergies increases learning speed: simulation study based on neural network model (2015)
  • Author(s): Hagio S, Kouzaki M
  • Organizer: The 25th Congress of the International Society of Biomechanics
  • Place of Presentation: Glasgow, Scotland
  • Year and Date: 2015-07-13
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Neural network model including muscle synergies constructed based on redundant motor control simulation (2014)
  • Author(s): Shota Hagio, Motoki Kouzaki
  • Organizer: Society for Neuroscience
  • Place of Presentation: Washington DC, U.S.A
  • Year and Date: 2014-11-15 – 2014-11-18
• [Presentation] シミュレーションによる筋シナジーを捉えたニューラルネットワークモデルの構築 (2014)
  • Author(s): 萩生翔大・神崎素樹
  • Organizer: 日本バイオメカニクス学会
  • Place of Presentation: 国立スポーツ科学センター，東京
  • Year and Date: 2014-09-13 – 2014-09-15
• [Presentation] 筋シナジーに基づく歩行と走行の相転移の解明 (2014)
  • Author(s): 萩生翔大・神崎素樹
  • Organizer: 日本運動生理学会
  • Place of Presentation: 川崎医療福祉大学，岡山
  • Year and Date: 2014-07-19 – 2014-07-20
• [Presentation] Identification of gait transition in humans based on muscle synergies (2014)
  • Author(s): Shota Hagio, Motoki Kouzaki
  • Organizer: European College of Sports Science
  • Place of Presentation: Amsterdam, the Netherlands
  • Year and Date: 2014-07-02 – 2014-07-05
• [Presentation] 筋シナジーの基づく歩行と走行の相転移の解明 (2014)
  • Author(s): 萩生翔大, 福田瑞穂, 神崎素樹
  • Organizer: 第143回京都滋賀体育学会
  • Place of Presentation: 京都大学(京都府)
  • Year and Date: 2014-03-08
• [Presentation] Action direction of lower limb muscle synergies in 3-dimensional space (2013)
  • Author(s): Shota Hagio, Motoki Kouzaki
  • Organizer: SfN (Society for Neuroscience)
  • Place of Presentation: アメリカ, サンディエゴ
  • Year and Date: 2013-11-13
• [Presentation] 関節角度変化に伴う下肢筋シナジーの融合 (2013)
  • Author(s): 萩生翔大, 神崎素樹
  • Organizer: 第68回日本体力医学学会大会
  • Place of Presentation: 日本教育会館(東京都)
  • Year and Date: 2013-09-22
• [Presentation] 三次元空間における下肢筋シナジーの至適活動方位の定量 (2013)
  • Author(s): 萩生翔大, 神崎素樹
  • Organizer: 日本体育学会第64回大会
  • Place of Presentation: 立命館大学(滋賀県)
  • Year and Date: 2013-08-30
• [Presentation] Action direction of muscle synergies during multi-directional activities in 3-dimensional force space (2013)
  • Author(s): Shota Hagio, Motoki Kouzaki
  • Organizer: ECSS (European College of Sport Science)
  • Place of Presentation: スペイン, バルセロナ
  • Year and Date: 2013-06-28
• [Book] 体育の科学「筋電図からみた筋活動の冗長自由度」 (2013)
  • Author(s): 萩生翔大, 神崎素樹
  • Total Pages: 8
  • Publisher: 杏林書院