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Brain-controlled neuroprosthetic for restoration of upper-limb function

研究課題

研究課題/領域番号 19K23606
研究種目

研究活動スタート支援

配分区分基金
審査区分 0403:人間医工学およびその関連分野
研究機関大阪大学

研究代表者

MILOSEVIC MATIJA  大阪大学, 基礎工学研究科, 助教 (50840188)

研究期間 (年度) 2019-08-30 – 2022-03-31
研究課題ステータス 完了 (2021年度)
配分額 *注記
2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円)
2020年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
2019年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
キーワードbrain-computer interface / neuroprosthetics / upper-limb / rehabilitation / neuroplasticity / neuromodulation / brain-machine interface / neurotechnology
研究開始時の研究の概要

This research program aims to develop an advanced neurotechnology that can use brain signals to control paralyzed hand muscles of individuals with motor impairments by applying electrical stimulation to induce long-term cortical re-organization (neuroplasticity).

研究成果の概要

我々は、ヘブ型学習を用いた上肢運動回復の基礎的なメカニズムを明らかにするために、脳制御型機能的電気刺激(FES)システムを開発した。まず、脳制御型FESシステムの実験を行い、FESが皮質脊髄の興奮性変調を速やかに誘導することを示した。 次に、一次運動野(M1)を用いた脳制御型FESと運動前野を用いたFESを比較した。その結果、M1を用いた介入は皮質脊髄の調節を誘発する上で優れていることが示された。以上のことから、閾値法と機械学習法を用いて85%以上の精度を持つ脳内FESシステムを開発し、テストを行った。この結果は、脳制御FESが中枢神経系の興奮性を迅速に神経調節できることを示すものである。

研究成果の学術的意義や社会的意義

Our research findings elucidated the underlying mechanisms implemented through brain-controlled FES. This can be used in neurorehabilitation practice to rapidly neuromodulate the central nervous system excitability, which could improve motor function after neurological injuries.

報告書

(4件)
  • 2021 実績報告書   研究成果報告書 ( PDF )
  • 2020 実施状況報告書
  • 2019 実施状況報告書
  • 研究成果

    (38件)

すべて 2022 2021 2020 2019 その他

すべて 国際共同研究 (6件) 雑誌論文 (20件) (うち国際共著 18件、 査読あり 18件、 オープンアクセス 11件) 学会発表 (11件) (うち国際学会 6件、 招待講演 4件) 図書 (1件)

  • [国際共同研究] University of Toronto/Toronto Rehabilitation Institute(カナダ)

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [国際共同研究] University of Pittsburgh(米国)

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [国際共同研究] Houston Methodist Research Institute(米国)

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [国際共同研究] University of Toronto/Toronto Rehabilitation Institute(カナダ)

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
  • [国際共同研究] University of Toronto/Toronto Rehabilitation Institute(カナダ)

    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
  • [国際共同研究] Yeungnam University(韓国)

    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
  • [雑誌論文] Preferential activation of proprioceptive and cutaneous sensory fibers compared to motor fibers during cervical transcutaneous spinal cord stimulation: A computational study2022

    • 著者名/発表者名
      de Freitas Roberto M、Capogrosso Marco、Nomura Taishin、Milosevic Matija
    • 雑誌名

      Journal of Neural Engineering

      巻: In press

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Short-term facilitation effects elicited by cortical priming through theta burst stimulation and functional electrical stimulation of upper-limb muscles2022

    • 著者名/発表者名
      Cao Na、Sasaki Atsushi、Yuasa Akiko、Popovic Milos R.、Milosevic Matija、Nakazawa Kimitaka
    • 雑誌名

      Experimental Brain Research

      巻: In press 号: 5 ページ: 1565-1578

    • DOI

      10.1007/s00221-022-06353-3

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Corticospinal excitability and somatosensory information processing of the lower limb muscle during upper limb voluntary or electrically induced muscle contractions2022

    • 著者名/発表者名
      Kato Tatsuya、Kaneko Naotsugu、Sasaki Atsushi、Endo Nozomi、Yuasa Akiko、Milosevic Matija、Watanabe Katsumi、Nakazawa Kimitaka
    • 雑誌名

      European Journal of Neuroscience

      巻: 55 号: 7 ページ: 1810-1824

    • DOI

      10.1111/ejn.15643

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Evidence That Brain-Controlled Functional Electrical Stimulation Could Elicit Targeted Corticospinal Facilitation of Hand Muscles in Healthy Young Adults2022

    • 著者名/発表者名
      Suzuki Yoshiyuki、Jovanovic Lazar I.、Fadli Rizaldi A.、Yamanouchi Yuki、Marquez-Chin Cesar、Popovic Milos R.、Nomura Taishin、Milosevic Matija
    • 雑誌名

      Neuromodulation: Technology at the Neural Interface

      巻: In press 号: 8 ページ: 1612-1621

    • DOI

      10.1016/j.neurom.2021.12.007

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Task- and Intensity-Dependent Modulation of Arm-Trunk Neural Interactions in the Corticospinal Pathway in Humans2021

    • 著者名/発表者名
      Sasaki Atsushi、Kaneko Naotsugu、Masugi Yohei、Kato Tatsuya、Milosevic Matija、Nakazawa Kimitaka
    • 雑誌名

      eNeuro

      巻: 8 号: 5 ページ: 0111-21

    • DOI

      10.1523/eneuro.0111-21.2021

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Neurophysiological mechanisms of motor rehabilitation using functional electrical stimulation and brain-computer interface technologies2021

    • 著者名/発表者名
      Milosevic Matija、Nomura Taishin、Nakazawa Kimitaka
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Musculoskeletal Medicine

      巻: 32(3)

    • NAID

      40022827379

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Low-Intensity and Short-Duration Continuous Cervical Transcutaneous Spinal Cord Stimulation Intervention Does Not Prime the Corticospinal and Spinal Reflex Pathways in Able-Bodied Subjects2021

    • 著者名/発表者名
      Sasaki Atsushi、de Freitas Roberto M.、Sayenko Dimitry G.、Masugi Yohei、Nomura Taishin、Nakazawa Kimitaka、Milosevic Matija
    • 雑誌名

      Journal of Clinical Medicine

      巻: 10 号: 16 ページ: 3633-3633

    • DOI

      10.3390/jcm10163633

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Cortical Re-organization After Traumatic Brain Injury Elicited Using Functional Electrical Stimulation Therapy: A Case Report2021

    • 著者名/発表者名
      Milosevic Matija、Nakanishi Tomoya、Sasaki Atsushi、Yamaguchi Akiko、Nomura Taishin、Popovic Milos R.、Nakazawa Kimitaka
    • 雑誌名

      Frontiers in Neuroscience

      巻: 15 ページ: 1-15

    • DOI

      10.3389/fnins.2021.693861

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Selectivity and excitability of upper-limb muscle activation during cervical transcutaneous spinal cord stimulation in humans2021

    • 著者名/発表者名
      de Freitas Roberto M.、Sasaki Atsushi、Sayenko Dimitry G.、Masugi Yohei、Nomura Taishin、Nakazawa Kimitaka、Milosevic Matija
    • 雑誌名

      Journal of Applied Physiology

      巻: 131 号: 2 ページ: 746-759

    • DOI

      10.1152/japplphysiol.00132.2021

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Muscle-specific movement-phase-dependent modulation of corticospinal excitability during upper-limb motor execution and motor imagery combined with virtual action observation2021

    • 著者名/発表者名
      Yoshiyuki Suzuki, Naotsugu Kaneko, Atsushi Sasaki, FumiyaTanaka, Kimitaka Nakazawa, Taishin Nomura and Matija Milosevic
    • 雑誌名

      Neuroscience Letters

      巻: 755 ページ: 135907-135907

    • DOI

      10.1016/j.neulet.2021.135907

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Long-lasting event-related beta synchronizations of electroencephalographic activity in response to support-surface perturbations during upright stance: A pilot study associating beta rebound and active monitoring in the intermittent postural control2021

    • 著者名/発表者名
      Akihiro Nakamura, Yasuyuki Suzuki, Matija Milosevic and Taishin Nomura
    • 雑誌名

      Frontiers in Systems Neuroscience

      巻: - ページ: 660434-660434

    • DOI

      10.3389/fnsys.2021.660434

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Contribution of Each Motor Point of Quadriceps Femoris to Knee Extension Torque During Neuromuscular Electrical Stimulation2021

    • 著者名/発表者名
      Derrick Lim, Mikael Del Castillo, Austin J Bergquist, Matija Milosevic and Kei Masani
    • 雑誌名

      IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering

      巻: 29 ページ: 389-396

    • DOI

      10.1109/tnsre.2021.3052853

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Why brain-controlled neuroprosthetics matter: Mechanisms underlying electrical stimulations of muscles and nerves in rehabilitation2020

    • 著者名/発表者名
      Matija Milosevic, Cesar Marquez-Chin, Kei Masani, Masayuki Hirata, Taishin Nomura, Milos R. Popovic and Kimitaka Nakazawa
    • 雑誌名

      BioMedical Engineering OnLine

      巻: 19 (81) 号: 1 ページ: 81-81

    • DOI

      10.1186/s12938-020-00824-w

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Postural instability via a loss of intermittent control in elderly and patients with Parkinson’s disease: A model-based and data-driven approach2020

    • 著者名/発表者名
      Suzuki Yasuyuki、Nakamura Akihiro、Milosevic Matija、Nomura Kunihiko、Tanahashi Takao、Endo Takuyuki、Sakoda Saburo、Morasso Pietro、Nomura Taishin
    • 雑誌名

      Chaos: An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science

      巻: 30 号: 11 ページ: 113140-113140

    • DOI

      10.1063/5.0022319

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Cortical and subcortical neural interactions between trunk and upper-limb muscles in humans2020

    • 著者名/発表者名
      Atsushi Sasaki, Matija Milosevic and Kimitaka Nakazawa
    • 雑誌名

      Neuroscience

      巻: 451 ページ: 126-136

    • DOI

      10.1016/j.neuroscience.2020.10.011

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Interlimb neural interactions in corticospinal and spinal reflex circuits during preparation and execution of isometric elbow flexion2020

    • 著者名/発表者名
      Atsushi Sasaki, Naotsugu Kaneko, Yohei Masugi, Matija Milosevic and Kimitaka Nakazawa
    • 雑誌名

      Journal of Neurophysiology

      巻: 124(3) 号: 3 ページ: 652-667

    • DOI

      10.1152/jn.00705.2019

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Changes in corticospinal excitability during bilateral and unilateral lower-limb force control tasks2020

    • 著者名/発表者名
      Akiko Yamaguchi, Atsushi Sasaki, Yohei Masugi, Matija Milosevic and Kimitaka Nakazawa
    • 雑誌名

      Experimental Brain Research

      巻: 238(9) 号: 9 ページ: 1977-1987

    • DOI

      10.1007/s00221-020-05857-0

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Cortical re-organization after traumatic brain injury elicited using functional electrical stimulation therapy: A case report2020

    • 著者名/発表者名
      Matija Milosevic, Tomoya Nakanishi, Atsushi Sasaki, Akiko Yamaguchi, Taishin Nomura, Milos R. Popovic and Kimitaka Nakazawa
    • 雑誌名

      medRxiv

      巻: -

    • DOI

      10.1101/2020.05.31.20118323

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Effects of neuromuscular electrical stimulation and voluntary commands on the spinal reflex excitability of remote limb muscles2019

    • 著者名/発表者名
      Kato Tatsuya、Sasaki Atsushi、Yokoyama Hikaru、Milosevic Matija、Nakazawa Kimitaka
    • 雑誌名

      Experimental Brain Research

      巻: 237 号: 12 ページ: 3195-3205

    • DOI

      10.1007/s00221-019-05660-6

    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Contractile properties of superficial skeletal muscle affect postural control in healthy young adults: A test of the rambling and trembling hypothesis2019

    • 著者名/発表者名
      Shin Sunghoon、Milosevic Matija、Chung Chul-min、Lee Yungon
    • 雑誌名

      PLOS ONE

      巻: 14 号: 10 ページ: 0223850-0223850

    • DOI

      10.1371/journal.pone.0223850

    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
  • [学会発表] Development of an anatomically realistic cervical transcutaneous spinal cord stimulation model2021

    • 著者名/発表者名
      de Freitas Roberto M、Nomura Taishin、Milosevic Matija
    • 学会等名
      23rd Conference of International Functional Electrical Stimulation Society
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Longer duration cortical and peripheral stimulation may enhance corticospinal facilitation2021

    • 著者名/発表者名
      Cao Na、Sasaki Atsushi、Yuasa Akiko、Popovic Milos R.、Milosevic Matija、Nakazawa Kimitaka
    • 学会等名
      23rd Conference of International Functional Electrical Stimulation Society
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Computational model of nerve fiber activations during transcutaneous spinal cord stimulation2021

    • 著者名/発表者名
      de Freitas Roberto M、Milosevic Matija、Nomura Taishin
    • 学会等名
      Japanese Society for Motor Control 2021
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Mechanisms of brain-controlled functional electrical stimulation of muscles in neurorehabilitation2021

    • 著者名/発表者名
      Matija Milosevic
    • 学会等名
      Webinar - International Functional Electrical Stimulation Society (IFESS)
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] How brain-controlled electrical stimulation of muscles can be used to elicit neural plasticity2020

    • 著者名/発表者名
      Matija Milosevic
    • 学会等名
      Invited presentations at the Center for Information and Neural Networks (CiNet) - Osaka University
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
  • [学会発表] Development of an upper-limb virtual reality system for brain-computer interface2020

    • 著者名/発表者名
      Yoshiyuki Suzuki, Fumiya Tanaka, Matija Milosevic and Taishin Nomura
    • 学会等名
      ME and Bio Cybernetics Virtual Forum
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
  • [学会発表] Validation of the effectiveness of functional electric stimulation (FES) therapy by using fMRI and TMS: Interventional study on a traumatic brain injury patient2020

    • 著者名/発表者名
      Tomoya Nakanishi, Matija Milosevic, Atsushi Sasaki, Akiko Yamaguchi and Kimitaka Nakazawa
    • 学会等名
      Japanese Society for Brain Function and Rehabilitation
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
  • [学会発表] Neurophysiology of brain-machine interface rehabilitation2020

    • 著者名/発表者名
      Matija Milosevic
    • 学会等名
      42nd International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Neural interactions between the trunk and the upper-limb muscles in humans: Effects of cortical and subcortical contributions2020

    • 著者名/発表者名
      Atsushi Sasaki, Matija Milosevic and Kimitaka Nakazawa
    • 学会等名
      13th FENS Forum
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Neuroplasticity after electrical stimulation of muscles and nerves2020

    • 著者名/発表者名
      Milosevic Matija
    • 学会等名
      NYC Neuromodulation Online 2020 Conference
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Neuromodulation technologies for restoration of upper-limb motor function2019

    • 著者名/発表者名
      Milosevic Matija
    • 学会等名
      Kakunodate General Hospital, Akita, Japan
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [図書] Functional Electrical Stimulation Therapy: Mechanisms for Recovery of Function Following Spinal Cord Injury and Stroke2022

    • 著者名/発表者名
      Popovic Milos R.、Masani Kei、Milosevic Matija
    • 総ページ数
      37
    • 出版者
      Springer
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書

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公開日: 2019-09-03   更新日: 2023-01-30  

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