身体変容への超適応の神経機構の解明

• 研究領域: 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
• 研究課題/領域番号: 19H05724
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 複合領域
• 研究機関: 国立研究開発法人国立精神・神経医療研究センター
• 研究代表者: 関 和彦 国立研究開発法人国立精神・神経医療研究センター, 神経研究所 モデル動物開発研究部, 部長 (00226630)
• 研究期間 (年度): 2019-06-28 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 94,120千円 (直接経費: 72,400千円、間接経費: 21,720千円); 2023年度: 15,730千円 (直接経費: 12,100千円、間接経費: 3,630千円); 2022年度: 16,120千円 (直接経費: 12,400千円、間接経費: 3,720千円); 2021年度: 17,550千円 (直接経費: 13,500千円、間接経費: 4,050千円); 2020年度: 12,610千円 (直接経費: 9,700千円、間接経費: 2,910千円); 2019年度: 32,110千円 (直接経費: 24,700千円、間接経費: 7,410千円)
• キーワード: マカクサル / 可塑性 / 筋シナジー / 筋電図 / 筋再配置 / tendon transfer / macaque monkey / muscle synergy / sensorimotor / ECoG / EMG / 超適応 / 霊長類 / 運動 / 感覚予測誤差 / 身体改変

研究開始時の研究の概要

身体の障害や疾病などによってヒトの身体構造が急激に変化する場合がある。そのような状態でも短時間のリハビリテーション訓練などによって意図したとおりに運動を行うことができるのは，身体運動に関わる脳神経構造が、変化した身体に適応して再構成されているからである。身体の急激な変化は後天的で個体にとって未経験の現象であり、それに対する適応は超適応として定義することができる。この、超適応時の脳神経構造の再構成のメカニズムは明らかでない。そこで、本研究ではヒトと筋骨格構造が類似しているサルを対象に、身体構造を変化させ、それに対する中枢神経系の適応を神経細胞レベルで神経生理学的に評価する。

研究成果の概要

研究期間中、筋シナジーの複雑な様式とその背景メカニズムを解明し、脊髄や脳幹レベルでの神経細胞の感覚運動連関機構を明らかにした。マカクサルの腱再配置術式を開発し、筋シナジー解析で中枢神経系の構造再編成とその時定数を推定した。さらに、筋シナジーの可塑的変化の神経基盤として感覚予測誤差や感覚抑制に注目し、中枢神経系の各領域で異なった感覚運動変換過程が存在することを示した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

ヒトの一生の中で私達の身体は様々な理由により変容してゆく。私達が、その変化した身体構造を使って日常生活を過ごすことができるのは、身体運動を制御する脳神経系構造の再構成が起こっているからである。しかし、その神経メカニズムは本研究の開始時点では十分明らかにされていなかった。本研究で発見した複雑な中枢神経系の適応パタン、つまり、早いダイナミクスと遅いダイナミクスが相互作用しながら変化してゆく変容は、上記の身体変容に対する脳神経構造の再編成パタンの多くを内包していると思われる。したがって、本研究で提案されたモデルによって、疾患や障害からの回復過程を評価することにより、新たな介入方法の開発が期待できる。

研究成果

• [雑誌論文] Modulation of somatosensory signal transmission in the primate cuneate nucleus during voluntary hand movement (2024)
  • 著者名/発表者名: Kubota Shinji、Sasaki Chika、Kikuta Satomi、Yoshida Junichiro、Ito Sho、Gomi Hiroaki、Oya Tomomichi、Seki Kazuhiko
  • 雑誌名: Cell Reports 巻: 43 号: 3 ページ: 113884-113884
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2024.113884
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 脳卒中に伴う上肢運動機能障害の神経機構と，それに基づく新たな機能回復評価方法の確立 (2023)
  • 著者名/発表者名: Kosugi Akito、Funato Tetsuro、Seki Kazuhiko
  • 雑誌名: The Japanese Journal of Rehabilitation Medicine 巻: 60 号: 9 ページ: 754-761
  • DOI: 10.2490/jjrmc.60.754
  • ISSN: 1881-3526, 1881-8560
  • 年月日: 2023-09-18
• [雑誌論文] Presynaptic gating of monkey proprioceptive signals for proper motor action (2023)
  • 著者名/発表者名: Tomatsu Saeka、Kim GeeHee、Kubota Shinji、Seki Kazuhiko
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 14 号: 1
  • DOI: 10.1038/s41467-023-42077-w
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Time course of recovery of different motor functions following a reproducible cortical infarction in non-human primates (2023)
  • 著者名/発表者名: Kosugi Akito、Saga Yosuke、Kudo Moeko、Koizumi Masashi、Umeda Tatsuya、Seki Kazuhiko
  • 雑誌名: Frontiers in Neurology 巻: 14 ページ: 1094774-1094774
  • DOI: 10.3389/fneur.2023.1094774
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Muscle synergy analysis yields an efficient and physiologically relevant method of assessing stroke (2022)
  • 著者名/発表者名: Funato Tetsuro、Hattori Noriaki、Yozu Arito、An Qi、Oya Tomomichi、Shirafuji Shouhei、Jino Akihiro、Miura Kyoichi、Martino Giovanni、Berger Denise、Miyai Ichiro、Ota Jun、Ivanenko Yury、d’Avella Andrea、Seki Kazuhiko
  • 雑誌名: Brain Communications 巻: 4 号: 4
  • DOI: 10.1093/braincomms/fcac200
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Musculoskeletal Modeling and Inverse Dynamic Analysis of Precision Grip in the Japanese Macaque (2021)
  • 著者名/発表者名: Saito Tsuyoshi、Ogihara Naomichi、Takei Tomohiko、Seki Kazuhiko
  • 雑誌名: Frontiers in Systems Neuroscience 巻: 15 ページ: 774596-774596
  • DOI: 10.3389/fnsys.2021.774596
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Distribution of Large and Small Dorsal Root Ganglion Neurons in Common Marmosets (2021)
  • 著者名/発表者名: Kudo Moeko、Wupuer Sidikejiang、Kubota Shinji、Seki Kazuhiko
  • 雑誌名: Frontiers in Systems Neuroscience 巻: 15
  • DOI: 10.3389/fnsys.2021.801492
  • 査読あり
• [雑誌論文] Specific gene expression in unmyelinated dorsal root ganglion neurons in nonhuman primates by intranerve injection of adeno-associated virus 6 vector. (2021)
  • 著者名/発表者名: Kudo M, Wupuer S, Fujiwara M, Saito Y, Kubota S, Inoue K, Takada M, Seki K
  • 雑誌名: Molecular Therapy - Methods & Clinical Development 巻: 23 ページ: 11-22
  • DOI: 10.1016/j.omtm.2021.07.009
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Approaches to Revealing the Neural Basis of Muscle Synergies: A Review and A Critique (2021)
  • 著者名/発表者名: Cheung Vincent C. K.、Seki Kazuhiko
  • 雑誌名: Journal of Neurophysiology 巻: - 号: 5 ページ: 1580-1597
  • DOI: 10.1152/jn.00625.2019
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Forelimb force direction and magnitude independently controlled by spinal modules in the macaque (2020)
  • 著者名/発表者名: Yaron Amit、Kowalski David、Yaguchi Hiroaki、Takei Tomohiko、Seki Kazuhiko
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: 117 号: 44 ページ: 27655-27666
  • DOI: 10.1073/pnas.1919253117
  • NAID: 120006892060
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Distinct sensorimotor feedback loops for dynamic and static control of primate precision grip (2020)
  • 著者名/発表者名: Tomomichi Oya, Tomohiko Takei, and Kazuhiko Seki
  • 雑誌名: Communications Biology 巻: 3 号: 1 ページ: 156-156
  • DOI: 10.1038/s42003-020-0861-0
  • NAID: 120006823945
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Characterization of Brain-Targeted Drug Delivery Enhanced by a Combination of Lipid-Based Microbubbles and Non-Focused Ultrasound (2020)
  • 著者名/発表者名: Omata Daiki、Hagiwara Fumiko、Munakata Lisa、Shima Tadamitsu、Kageyama Saori、Suzuki Yuno、Azuma Takashi、Takagi Shu、Seki Kazuhiko、Maruyama Kazuo、Suzuki Ryo
  • 雑誌名: Journal of Pharmaceutical Sciences 巻: 109 号: 9 ページ: 2827
  • DOI: 10.1016/j.xphs.2020.06.008
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Decoding of muscle activity from the sensorimotor cortex in freely behaving monkeys (2019)
  • 著者名/発表者名: Umeda Tatsuya、Koizumi Masashi、Katakai Yuko、Saito Ryoichi、Seki Kazuhiko
  • 雑誌名: NeuroImage 巻: 197 ページ: 512-526
  • DOI: 10.1016/j.neuroimage.2019.04.045
  • 査読あり
• [雑誌論文] Optogenetic recruitment of spinal reflex pathways from large‐diameter primary afferents in non‐transgenic rats transduced with AAV9/Channelrhodopsin 2 (2019)
  • 著者名/発表者名: Kubota Shinji、Sidikejiang Wupuer、Kudo Moeko、Inoue Ken‐ichi、Umeda Tatsuya、Takada Masahiko、Seki Kazuhiko
  • 雑誌名: The Journal of Physiology 巻: 597 号: 19 ページ: 5025-5040
  • DOI: 10.1113/jp278292
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Somatosensory gain modulation in primate hand movement (2024)
  • 著者名/発表者名: Seki K
  • 学会等名: Sensorimotor circuits for limb control
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 霊長類における体性感覚運動統合の神経メカニズム (2024)
  • 著者名/発表者名: 関和彦
  • 学会等名: 京都大学ヒト行動進化研究センター国際脳科学シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] Modulation of cutaneous sensory signal transmission in the primate cuneate nucleus during voluntary hand movement (2024)
  • 著者名/発表者名: Kubota S, Kudo M, Kikuta S, Yoshida J, Oya T, Watakabe A, Inoue K, Takada M. Seki K
  • 学会等名: Sensorimotor circuits for limb control
  • 国際学会
• [学会発表] High-density neural recording reveals populational dynamics of the cervical spinal cord in rats performing target-reaching task. Sensorimotor circuits for limb control (2024)
  • 著者名/発表者名: 江川史朗
  • 学会等名: Sensorimotor circuits for limb control
  • 国際学会
• [学会発表] Muscle synergy analysis yields an efficient and physiologically relevant way of assessing stroke (2023)
  • 著者名/発表者名: Seki K
  • 学会等名: 26th Thai Neuroscience Society International Conference
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Centrally generated presynaptic inhibition selectively modulates proprioceptive and tactile reafferent signals at the spinal cord of behaving monkeys (2023)
  • 著者名/発表者名: Seki K
  • 学会等名: Motor Control: Spinal Circuits and Beyond2023
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Neural Adaptation in Response to Tendon Transfer in the Primate Forearm (2023)
  • 著者名/発表者名: Philipp R, Uchida N, Ohta N, Oya T, Hara Y, Funato T, Seki K
  • 学会等名: The 2nd International Symposium on Hyper-Adaptability 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Neural adaptation to a physically-modified body in non-human primates (2023)
  • 著者名/発表者名: Seki K
  • 学会等名: The 2nd International Symposium on Hyper-Adaptability 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Neuropixels recording in the Spinal Cord of Behaving Rats (High-density neural recording reveals cervical spinal cord neuronal circuits in awake behaving rats) (2023)
  • 著者名/発表者名: Egawa S, Kosugi A, Maeda K, Yaron A, Seki K
  • 学会等名: Neuroscience 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Development of a novel behavioral task paradigm for somatosensory-guided motor learning in macaque monkeys (2023)
  • 著者名/発表者名: Yoshida J, Kubota S, Seki K
  • 学会等名: The 2nd International Symposium on Hyper-Adaptability 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Optogenetic activation of somatosensory afferents in non-human primates by systemic AAV administration (2023)
  • 著者名/発表者名: Kosugi A, Kudo M, Inoue K, Takada M, Seki K
  • 学会等名: Motor Control: Spinal Circuits and Beyond2023
  • 国際学会
• [学会発表] Modulation of somatosnesory signals through a cortico-cuneate pathway during voluntary hand movement (2023)
  • 著者名/発表者名: Kubota S, Kudo M, Kikuta S, Yoshida J, Oya T, Seki K
  • 学会等名: NCM2023
  • 国際学会
• [学会発表] Analysis of muscle activity related to long-term adaptation after tendon-transfer in a macaque monkey (2023)
  • 著者名/発表者名: Ota N, Philipp R, Hara Y, Funato T, Seki K
  • 学会等名: NCM2023
  • 国際学会
• [学会発表] Neural adaptation in response to a tendon cross-union of an antagonistic muscle pair in the forearm of the macaque: An EMG and EGoG study (2023)
  • 著者名/発表者名: Philipp R, Ohta N, Takayama Y, Hara Y, Funato T, Seki K
  • 学会等名: 第46回日本神経科学大会
• [学会発表] Modulation of sensory evoked potentials in the sensory motor cortex during voluntary movement (2023)
  • 著者名/発表者名: Yoshida J, Kubota S, Kikuta S, Seki K
  • 学会等名: 第46回日本神経科学大会
• [学会発表] Spinal motor modules for primate arm and hand movement. (2022)
  • 著者名/発表者名: Seki K
  • 学会等名: WCB2022
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Gating of Somatosensory Signals in the Primate Cuneate Nucleus During Voluntary Hand Movement (2022)
  • 著者名/発表者名: Kubota S, Sasaki C, Kikuta S, Oya T, Seki K
  • 学会等名: Motor Systems Symposium 2022 - Salk Institute for Biological Studies,
  • 国際学会
• [学会発表] Neural adaptation in response to tendon cross-union of an antagonistic muscle pair in the primate forearm (2022)
  • 著者名/発表者名: Philipp R, Uchida N, Hara Y, Funato T, Seki K
  • 学会等名: Neuroscience 2022
  • 国際学会
• [学会発表] Proprioceptive sensory attenuation in area 3a during voluntary movement and action observation in macaque (2022)
  • 著者名/発表者名: Seki K, Kikuta S, Kubota S, Confais J, Yaron A, Oya T
  • 学会等名: Neuroscience 2022
  • 国際学会
• [学会発表] Gating of proprioceptive signals in the primate cuneate nucleus during voluntary hand movement (2022)
  • 著者名/発表者名: Kubota S, Sasaki C, Kikuta S, Oya T, Seki K
  • 学会等名: Neuroscience 2022
  • 国際学会
• [学会発表] 筋シナジー及びその制御の神経機構 (2022)
  • 著者名/発表者名: 関和彦
  • 学会等名: 第20回日本神経理学療法学会学術大会
  • 招待講演
• [学会発表] パネルディスカッション3「骨を繋ぎ、稼働させる筋と腱を俯瞰する」 (2022)
  • 著者名/発表者名: 関和彦
  • 学会等名: 第40回日本骨代謝学会
  • 招待講演
• [学会発表] 無意識下でつながる感覚と運動 (2022)
  • 著者名/発表者名: 関和彦
  • 学会等名: さきがけ「生体多感覚システム」領域公開シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] Sensory gain modulation at the primate cuneate nucleus; top-down and bottom-up neural mechanisms. (2021)
  • 著者名/発表者名: Seki K
  • 学会等名: NCM2021
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Modulation of somatosensory signal transmission in the primate cuneate nucleus during voluntary hand movement. (2021)
  • 著者名/発表者名: Kubota S, Sasaki C, Ito S, Gomi H, Oya T, Seki K
  • 学会等名: NCM2021
  • 国際学会
• [学会発表] Elucidation of neural mechanisms of hyper-adaptabilityto body change (2021)
  • 著者名/発表者名: Seki K
  • 学会等名: 1st International Symposium on Hyper-Adaptability
  • 国際学会
• [学会発表] Hyper-adaptation after tendon transfer of upper limb: Neural mechanisms inducing hyper-adaptation (2021)
  • 著者名/発表者名: Philipp R, Uchida N, Hara Y, Funato T, Seki K
  • 学会等名: 第44回日本神経科学大会 シンポジウム「脳の超適応」
• [学会発表] マカクサルの上肢筋腱移植手術に伴う中枢神経系の長期適応様式 (2021)
  • 著者名/発表者名: 関和彦
  • 学会等名: 令和3年度 京都大学 霊長類研究所 共同利用研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 随意運動の制御における脊髄神経回路の新機能 (2021)
  • 著者名/発表者名: 関和彦
  • 学会等名: 日本脊髄外科学会
  • 招待講演
• [学会発表] Bio-Electrical Signals for Motor Control in Robotics: Standardization of Muscle Synergy Analysis (2021)
  • 著者名/発表者名: Alvaro Costa, Massimo Sartori, Qi An, Kazuhiko Seki, Andrea d`Avella, Diego Torricelli, Yuri Ivanenko, Andres Ubeda, Fady Alnajjar, Emel Demircan, Juan C. Moreno, Shingo Shimoda
  • 学会等名: 2021 IEEE/RSJ International conference on intelligent robots and systems
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Hyper-adaptation after tendon transfer of upper limb: Neural mechanisms inducing hyper-adaptation (2021)
  • 著者名/発表者名: Philipp R, Uchida N, Hara Y, Funato T, Seki K
  • 学会等名: 1st International Symposium on Hyper-Adaptability
  • 国際学会
• [学会発表] Are primates just big frogs? Forelimb force direction and amplitude are independently controlled by spinal motor modules (2020)
  • 著者名/発表者名: Yaron A, Kowalski D, Yaguchi H, Takei T, Seki K
  • 学会等名: Neuromatch meeting
  • 国際学会
• [学会発表] 自由行動下における皮質脳波から筋活動情報を解読する ―野生型及び脳梗塞モデルサルにおける検討例― (2020)
  • 著者名/発表者名: 関和彦
  • 学会等名: 第22回日本ヒト脳機能マッピング学会
  • 招待講演
• [学会発表] 生物の感覚運動機能を左右する閉ループ神経回路とその非侵襲的制御 (2020)
  • 著者名/発表者名: 関和彦、高木周、東隆、丸山和雄、鈴木亮
  • 学会等名: 第43回日本神経科学大会
  • 招待講演
• [学会発表] Modular control of limb movement: from neural correlates to clinical relevance (2019)
  • 著者名/発表者名: Seki K
  • 学会等名: WORKSHOP on NEUROROBOTICS
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Neural adaptation to surgical relocation of primate hand muscles (2019)
  • 著者名/発表者名: Seki K
  • 学会等名: Tokyo Hand Meeting(NCM Ancillary Meeting)
  • 国際学会
• [学会発表] Spinal and cortical neural mechanism for active inference in volitional movement. (2019)
  • 著者名/発表者名: Seki K
  • 学会等名: The Satellite Meeting/29th NCM Annual Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Decoding muscle activity using electrocorticographic signals in freely behaving marmosets (2019)
  • 著者名/発表者名: Umeda T, Koizumi M, Katakai Y, Saito R, Seki K
  • 学会等名: 29th NCM Annual Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Emergence of spinomuscular and corticomuscular loops in dynamic vs. static phases of precision grip. (2019)
  • 著者名/発表者名: Oya T, Takei T, Seki K
  • 学会等名: 29th NCM Annual Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Linear summation of spinally-induced forearm force field in macaque monkeys. (2019)
  • 著者名/発表者名: Yaron A, Yaguchi H, Kowalski D, Takei T, Seki K
  • 学会等名: 29th NCM Annual Meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Gain control of spinal proprioceptive reflex in awake, behaving monkeys. (2019)
  • 著者名/発表者名: Seki K
  • 学会等名: Neuroscience 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Mini-symposium “Gain Control in the Sensorimotor System: From Neural Circuit Organization to Behavioral Function (2019)
  • 著者名/発表者名: Seki K, E. Azim
  • 学会等名: Neuroscience 2019
  • 国際学会
• [学会発表] 協調的筋活動を作り出す神経機構 (2019)
  • 著者名/発表者名: 関 和彦
  • 学会等名: 第58回日本運動障害研究会
  • 招待講演
• [学会発表] 自由行動下における皮質脳波から筋活動のデコーディング (2019)
  • 著者名/発表者名: 梅田 達也, 小泉 昌司 , 片貝 祐子, 齋藤 亮一, 関 和彦
  • 学会等名: 第42回日本神経科学大会
• [学会発表] 後根神経節（DRG）細胞への細胞種特異的遺伝子導入法: 齧歯類と霊長類における比較 (2019)
  • 著者名/発表者名: 工藤もゑこ, Wupuer Sidikejiang, 井上 謙一, 高田 昌彦, 関 和彦
  • 学会等名: 第42回日本神経科学大会
• [学会発表] 筋電解析による身体変化に対する神経適応メカニズムの解明 (2019)
  • 著者名/発表者名: 内田直輝, Roland Philipp, 大屋知徹, 舩戸徹郎, 関和彦
  • 学会等名: 第13回Motor Control研究会