身体変容への超適応のモデル化

• 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: 19H05728
• 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: 東京工業大学
• 研究代表者: 小池 康晴 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 教授 (10302978)
• 研究分担者: 舩戸 徹郎 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 准教授 (40512869)
• 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: 121,030千円 (直接経費: 93,100千円、間接経費: 27,930千円); 2023年度: 23,270千円 (直接経費: 17,900千円、間接経費: 5,370千円); 2022年度: 23,270千円 (直接経費: 17,900千円、間接経費: 5,370千円); 2021年度: 23,140千円 (直接経費: 17,800千円、間接経費: 5,340千円); 2020年度: 23,140千円 (直接経費: 17,800千円、間接経費: 5,340千円); 2019年度: 28,210千円 (直接経費: 21,700千円、間接経費: 6,510千円)
• キーワード: 腱付け替え / 仮想手術 / 筋骨格系モデル / 筋シナジー / 機械学習 / モデリング

研究開始時の研究の概要

仮想手術による長期的な身体変容を生じる実験系を実現し、サルの筋再配置による短期的な身体変容を生じる実験系とあわせて、長期/短期の身体変容後の神経系の変化を調べる。さらに、筋再配置の力学シミュレーション及び脳情報デコーディング技術を確立し、実験で得られた生体データの解析を行うことで、身体変容に対する生体構造の再構成過程を明らかにする。

研究実績の概要

本研究では、主に超適応機構の生体構造の再構成の観点から、身体変容に伴う運動の再獲得メカニズムのモデル化の研究を行っている。本年度は、以下の３点に関して研究を行った。
1.筋再配置後の運動回復に伴うサルの脳活動変化の解析：手指の筋再配置後の回復過程におけるこれまでの研究で、筋の同期関係である筋シナジーを単位として筋活動が入れ替わり、その後元の活動に戻るとともに運動のパフォーマンスが改善する段階的な変化が見られていた。本年度、この過程における筋活動と脳活動の関係を調べることで、回復過程における脳活動の変化を捉える研究を行った。
2.サル筋骨格モデルと強化学習による運動獲得過程の再現:筋再配置後の運動回復戦略を調べるために、これまでに筋骨格シミュレーションソフト上でサルの筋骨格筋モデルを構築し、モデル上で筋配置を行った際の筋再配置前後の筋活動及び筋シナジーの変化を調べてきた。本年度は、回復時の運動再獲得過程を再現するために、サルの筋骨格筋モデルに対して、強化学習による到達把持運動の学習環境の構築を行った。
3.運動学習の速度を説明する理論的な枠組み:筋の付け替え手術において、どの筋肉を付け替えたかによって、運動の適応の速度が異なる。これまでの理論では、シナジーの変換後の力ベクトルの方向により「Compatible(互換)」、「incompatible(非互換)」と区分されていた。しかしながらCompatibleなケースであっても運動学習に時間が要する場合も見られた。このことから異なる指標により運動学習の速度を説明できるモデル化を試みた。その結果、「Compatible(互換)」や「incompatible(非互換)」の条件でも同じようにヘッセ行列の固有値の最大値と最小値の比に応じて学習速度が異なることがシミュレーションからも示唆される結果を得た。

現在までの達成度 (段落)

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] University of Southern California(米国)
• [国際共同研究] 西安交通大学(中国)
• [国際共同研究] University Southern California(米国)
• [雑誌論文] Roles of the cerebellar vermis in predictive postural controls against external disturbances (2024)
  • 著者名/発表者名: Konosu Akira、Matsuki Yuma、Fukuhara Kaito、Funato Tetsuro、Yanagihara Dai
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 14 号: 1 ページ: 3162-3162
  • DOI: 10.1038/s41598-024-53186-x
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Theoretical limits on the speed of learning inverse models explain the rate of adaptation in arm reaching tasks (2024)
  • 著者名/発表者名: Barradas Victor R.、Koike Yasuharu、Schweighofer Nicolas
  • 雑誌名: Neural Networks 巻: 170 ページ: 376-389
  • DOI: 10.1016/j.neunet.2023.10.049
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] The control of the arm’s equilibrium position (2024)
  • 著者名/発表者名: Takagi Atsushi、Burdet Etienne、Koike Yasuharu
  • 雑誌名: Journal of Neurophysiology 巻: 131 号: 4 ページ: 750-756
  • DOI: 10.1152/jn.00011.2024
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Computational prediction of muscle synergy using a finite element framework for a musculoskeletal model on lower limb (2023)
  • 著者名/発表者名: Wang Sentong、Hase Kazunori、Funato Tetsuro
  • 雑誌名: Frontiers in Bioengineering and Biotechnology 巻: 11 ページ: 1-13
  • DOI: 10.3389/fbioe.2023.1130219
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Partial maximum correntropy regression for robust electrocorticography decoding (2023)
  • 著者名/発表者名: Li Yuanhao、Chen Badong、Wang Gang、Yoshimura Natsue、Koike Yasuharu
  • 雑誌名: Frontiers in Neuroscience 巻: 17
  • DOI: 10.3389/fnins.2023.1213035
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] EMG space similarity feedback promotes learning of expert-like muscle activation patterns in a complex motor skill (2023)
  • 著者名/発表者名: Barradas Victor R.、Cho Woorim、Koike Yasuharu
  • 雑誌名: Frontiers in Human Neuroscience 巻: 16 ページ: 805867-805867
  • DOI: 10.3389/fnhum.2022.805867
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [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] Biomechanical effects of medial meniscus radial tears on the knee joint during gait: A concurrent finite element musculoskeletal framework investigation (2022)
  • 著者名/発表者名: Sentong Wang, Kazunori Hase, Shunsuke Kita, Shinya Ogaya
  • 雑誌名: Frontiers in Bioengineering and Biotechnology 巻: 10 ページ: 957435-957435
  • DOI: 10.3389/fbioe.2022.957435
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Continuous Estimation of Finger and Wrist Joint Angles Using a Muscle Synergy Based Musculoskeletal Model. (2022)
  • 著者名/発表者名: He Z, Qin Z, Koike Y.
  • 雑誌名: Applied Sciences. 巻: 12 号: 8 ページ: 3772-3772
  • DOI: 10.3390/app12083772
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Design of an Isometric End-Point Force Control Task for Electromyography Normalization and Muscle Synergy Extraction From the Upper Limb Without Maximum Voluntary Contraction (2022)
  • 著者名/発表者名: Cho W, Barradas VR, Schweighofer N, Koike Y.
  • 雑誌名: Frontiers in Human Neuroscience 巻: 16 ページ: 805452-805452
  • DOI: 10.3389/fnhum.2022.805452
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A CW-CNN regression model-based real-time system for virtual hand control (2022)
  • 著者名/発表者名: Qin Z, He Z, Li Y, Saetia S, Koike Y.
  • 雑誌名: Front Neurorobot 巻: 16 ページ: 1072365-1072365
  • DOI: 10.3389/fnbot.2022.1072365
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Modulation of wrist stiffness caused by adaptation to stochastic environment (2021)
  • 著者名/発表者名: H. Kambara, H. Ogawa, A. Takagi, D. Shin, N. Yoshimura, Y. Koike
  • 雑誌名: Advanced Robotics 巻: - 号: 13-14 ページ: 1-17
  • DOI: 10.1080/01691864.2021.1900913
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Computational reproductions of external force field adaption without assuming desired trajectories (2021)
  • 著者名/発表者名: Hiroyuki Kambara, Atsushi Takagi, Haruka Shimizu, Toshihiro Kawase, Natsue Yoshimura, Nicolas Schweighofer, Yasuharu Koike
  • 雑誌名: Neural Networks 巻: 139 ページ: 179-198
  • DOI: 10.1016/j.neunet.2021.01.030
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Quantitative evaluation of posture control in rats with inferior olive lesions (2021)
  • 著者名/発表者名: Funato Tetsuro、Sato Yota、Sato Yamato、Fujiki Soichiro、Aoi Shinya、Tsuchiya Kazuo、Yanagihara Dai
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 11 号: 1 ページ: 20362-20362
  • DOI: 10.1038/s41598-021-99785-w
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A Model of Predictive Postural Control Against Floor Tilting in Rats (2021)
  • 著者名/発表者名: Konosu Akira、Funato Tetsuro、Matsuki Yuma、Fujita Akihiro、Sakai Ryutaro、Yanagihara Dai
  • 雑誌名: Frontiers in Systems Neuroscience 巻: 15 ページ: 141-141
  • DOI: 10.3389/fnsys.2021.785366
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Multi-Joint Angles Estimation of Forearm Motion using a Regression Model (2021)
  • 著者名/発表者名: Zixuan Qin, Sorawit Stapornchaisit, Zixun He, Natsue Yoshimura, Yasuharu Koike
  • 雑誌名: Frontiers in Neurorobotics, Frontiers Media SA 巻: 1 ページ: 685961-685961
  • DOI: 10.3389/fnbot.2021.685961
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Restricted Minimum Error Entropy Criterion for Robust Classification (2021)
  • 著者名/発表者名: Y. Li , B. Chen, N. Yoshimura , Y. Koike
  • 雑誌名: IEEE TRANSACTIONS ON NEURAL NETWORKS AND LEARNING SYSTEMS 巻: 33 号: 11 ページ: 6599-6612
  • DOI: 10.1109/tnnls.2021.3082571
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Brain activity reflects subjective response to delayed input when using an electromyography-controlled robot (2021)
  • 著者名/発表者名: Hyeonseok Kim, Yeongdae Kim, Makoto Miyakoshi, Sorawit Stapornchaisit, Natsue Yoshimura, Yasuharu Koike
  • 雑誌名: Frontiers in Systems Neuroscience, Frontiers 巻: 1 ページ: 767477-767477
  • DOI: 10.3389/fnsys.2021.767477
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] ラットの直立姿勢制御の構成原理 (2021)
  • 著者名/発表者名: 舩戸徹郎, 鴻巣暁, 柳原大
  • 雑誌名: Medical Science Digest 巻: 47 ページ: 52-55
• [雑誌論文] Development of Multi-sensor Array Electrodes for Measurement of Deeper Muscle Activation (2020)
  • 著者名/発表者名: Koike Yasuharu、Kim Yeongdae、Stapornchaisit Sorawit、Qin Zixuan、Kawase Toshihiro、Yoshimura Natsue
  • 雑誌名: Sensors and Materials 巻: 32 号: 3 ページ: 959
  • DOI: 10.18494/SAM.2020.2636
  • ISSN: 0914-4935, 2435-0869
  • 年月日: 2020-03-19
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] When 90% of the variance is not enough: residual EMG from muscle synergy extraction influences task performance (2020)
  • 著者名/発表者名: Barradas Victor R.、Kutch Jason J.、Kawase Toshihiro、Koike Yasuharu、Schweighofer Nicolas
  • 雑誌名: Journal of Neurophysiology 巻: 123 号: 6 ページ: 2180-2190
  • DOI: 10.1152/jn.00472.2019
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Independent control of cocontraction and reciprocal activity during goal-directed reaching in muscle space (2020)
  • 著者名/発表者名: Takagi Atsushi、Kambara Hiroyuki、Koike Yasuharu
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 10 号: 1 ページ: 22333-22333
  • DOI: 10.1038/s41598-020-79526-1
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Towards a simplified estimation of muscle activation pattern from MRI and EMG using electrical network and graph theory (2020)
  • 著者名/発表者名: Enrico Piovanelli, Davide Piovesan, Shouhei Shirafuji, Becky Su, Natsue Yoshimura, Yousuke Ogata, Jun Ota
  • 雑誌名: Sensors 巻: 20 号: 3 ページ: 724-724
  • DOI: 10.3390/s20030724
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Muscle Synergy and Musculoskeletal Model-Based Continuous Multi-Dimensional Estimation of Wrist and Hand Motions (2020)
  • 著者名/発表者名: Kim Yeongdae、Stapornchaisit Sorawit、Kambara Hiroyuki、Yoshimura Natsue、Koike Yasuharu
  • 雑誌名: Journal of Healthcare Engineering 巻: 2020 ページ: 1-13
  • DOI: 10.1155/2020/5451219
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Muscle Synergy Analysis for Rehabilitation (2020)
  • 著者名/発表者名: Koike Yasuharu
  • 雑誌名: Examines in Physical Medicine & Rehabilitation 巻: 2 号: 5 ページ: 1-2
  • DOI: 10.31031/epmr.2019.02.000550
• [雑誌論文] Characteristics of Kinematic Parameters in Decoding Intended Reaching Movements Using Electroencephalography (EEG) (2019)
  • 著者名/発表者名: Kim Hyeonseok、Yoshimura Natsue、Koike Yasuharu
  • 雑誌名: Frontiers in Neuroscience 巻: 13 ページ: 1-13
  • DOI: 10.3389/fnins.2019.01148
• [雑誌論文] Finger Angle Estimation From Array EMG System Using Linear Regression Model With Independent Component Analysis (2019)
  • 著者名/発表者名: Stapornchaisit Sorawit、Kim Yeongdae、Takagi Atsushi、Yoshimura Natsue、Koike Yasuharu
  • 雑誌名: Frontiers in Neurorobotics 巻: 13 ページ: 1-12
  • DOI: 10.3389/fnbot.2019.00075
  • 査読あり
• [学会発表] Theoretical limits on the speed of learning inverse models explain the rate of adaptation in arm reaching tasks (2023)
  • 著者名/発表者名: Barradas, V.
  • 学会等名: IEEE EMBC2023
  • 国際学会
• [学会発表] 表面筋電図の統計的解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 小池 康晴
  • 学会等名: 第 21 回日本電気生理運動学会大会
• [学会発表] 歩行の予期的動作の解明のためのラットのVR実験環境の構築 (2020)
  • 著者名/発表者名: 三ツ木 知愛, 舩戸 徹郎, 小松 拓実, 酒井 隆太郎, 鴻巣 暁, 柳原 大
  • 学会等名: 第32回自律分散システム・シンポジウム
• [学会発表] 予測可能な傾斜外乱に対するラットの姿勢動作学習の解析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 藤田 章寛, 鴻巣 暁, 舩戸 徹郎, 柳原 大
  • 学会等名: 第32回自律分散システム・シンポジウム
• [学会発表] Design Isometric Force Rotating Task for EMG Normalization of Stroke Patients, (2020)
  • 著者名/発表者名: Cho Woorim, Nicolas Schweighofer, Barradas Victor, Yasuharu Koike
  • 学会等名: ISEK XXIII Virtual Congress
  • 国際学会
• [学会発表] Assessment of event-related potential of independent components for intended direction classification (2020)
  • 著者名/発表者名: Hyeonseok Kim, Natsue Yoshimura, Yasuharu Koike
  • 学会等名: IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics
  • 国際学会
• [学会発表] 脳波による手の把握動作の識別(Hand grasping / opening classification using EEG) (2019)
  • 著者名/発表者名: 岡田幸樹, 吉村奈津江, 小池康晴,
  • 学会等名: 第42回日本神経科学大会
• [学会発表] Brain machine interface (2019)
  • 著者名/発表者名: 小池康晴
  • 学会等名: ASPIRE Forum 2019
  • 招待講演
• [学会発表] Non-clinical brain computer interface applications (2019)
  • 著者名/発表者名: Yasuharu Koike
  • 学会等名: The First UAE Workshop on Clinical and Non-clinical Brain Computer Interface (WBCI2019)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Motor Learning and Control Mechanism of the Brain (2019)
  • 著者名/発表者名: Yasuharu Koike
  • 学会等名: 2019 Workshop on Brain-inspired Artificial Intelligence
  • 国際学会 / 招待講演