小脳内部順モデル仮説に基づく歩行運動のデータ駆動型同定と小脳障害評価への応用

• 研究課題/領域番号: 21K11200
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分59010:リハビリテーション科学関連
• 研究機関: 東京都市大学
• 研究代表者: 田中 宏和 東京都市大学, 情報工学部, 教授 (00332320)
• 研究分担者: 三苫 博 東京医科大学, 医学部, 主任教授 (20453730) ; 筧 慎治 実践女子大学, 生活科学部, 教授 (40224365)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2023年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円); 2022年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円); 2021年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円)
• キーワード: 小脳 / 内部順モデル / 小脳失調 / 計算論的神経科学 / 歩行運動 / モーションキャプチャ / 四元数 / 成分分析 / 力学系 / 小脳性振戦 / 力学系モデリング / 神経疾患 / データ駆動型

研究開始時の研究の概要

神経疾患に伴い特徴的な運動障害が生じることはよく知られており、そのため神経疾患の臨床診断には運動障害の適切な評価が不可欠である。本研究の目的は、基礎神経科学での小脳機能の理解に基づいた運動失調の評価法の開発である。小脳は身体の状態予測をする内部順モデルという計算処理を行っていると考えられている。全身歩行データをデータ駆動的に力学系でモデル化し、運動の背後にある制御信号を推定する信号解析法を開発する。その制御信号に含まれる予測成分とその異常を評価することで、小脳機能の病態評価を定量的かつ客観的に行える。本研究は基礎神経科学の知見を臨床診断に応用する独自のアプローチである。

研究成果の概要

令和3年度には、四元数を用いた歩行運動データの多変量成分分析法を開発し、対数変換により各成分が独立するようにした。これにより、標準的な多変量成分分析法が適用可能となり、左右対称成分と非対称成分が明確に抽出された。令和4年度は、低次元表現の歩行運動データを力学系としてモデル化し、身体自由度の相互作用を明らかにした。成果は国内外で発表され、小脳の予測モデルと失調に関する論文も発表した。令和5年度には、力学系モデリングを神経疾患、特に小脳性振戦の理解に応用し、振戦の原因を議論した。これにより、小脳障害の理解と運動障害の定量的評価法の開発に成功した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究は基礎神経科学の知見を臨床診断に応用する独自のアプローチである。 神経疾患に伴い特徴的な運動障害が生じることはよく知られており、そのため神経疾患の臨床診断には運動障害の適切な評価が不可欠である。小脳は身体の状態予測をする内部順モデルという計算処理を行っていると考えられている。一方、臨床で広く使われている診断基準は医師の主観に依存した定性的なものが多く、客観的かつ定量的な運動障害の評価法が望まれている。本研究の意義は基礎神経科学における小脳機能の理解（内部順モデル）に基づき、運動失調の定量評価法の開発を通して臨床診断に貢献できることである。

研究成果

• [国際共同研究] CHU-Charleroi/Universite de Mons(ベルギー)
• [国際共同研究] CHU-Charleroi/University of Mons(ベルギー)
• [国際共同研究] Universite Claude Bernard Lyon/Hopital Neurologique(フランス)
• [雑誌論文] (R)-ketamine restores anterior insular cortex activity and cognitive deficits in social isolation-reared mice (2024)
  • 著者名/発表者名: Yokoyama Rei、Ago Yukio、Igarashi Hisato、Higuchi Momoko、Tanuma Masato、Shimazaki Yuto、Kawai Takafumi、Seiriki Kaoru、Hayashida Misuzu、Yamaguchi Shun、Tanaka Hirokazu、Nakazawa Takanobu、Okamura Yasushi、Hashimoto Kenji、Kasai Atsushi、Hashimoto Hitoshi
  • 雑誌名: Molecular Psychiatry 巻: - 号: 5 ページ: 1-11
  • DOI: 10.1038/s41380-024-02419-6
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Elementary proof of Funahashi’s theorem (2024)
  • 著者名/発表者名: MITSUO IZUKI, TAKAHIRO NOI, YOSHIHIRO SAWANO, AND HIROKAZU TANAKA
  • 雑誌名: CONSTRUCTIVE MATHEMATICAL ANALYSIS 巻: NA
  • 査読あり
• [雑誌論文] Morphological and Functional Principles Governing the Plasticity Reserve in the Cerebellum: The Cortico-Deep Cerebellar Nuclei Loop Model (2023)
  • 著者名/発表者名: Mitoma Hiroshi、Kakei Shinji、Tanaka Hirokazu、Manto Mario
  • 雑誌名: Biology 巻: 12 号: 11 ページ: 1435-1435
  • DOI: 10.3390/biology12111435
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Zebrafish Meets the Ising Model: Statistical Mechanics of Collective Fish Motion (2023)
  • 著者名/発表者名: Hirokazu Tanaka
  • 雑誌名: HCI International 2023 巻: NA
  • 査読あり
• [雑誌論文] Consensus paper: Ataxic gait. (2023)
  • 著者名/発表者名: Cabaraux P, Agrawal SK, Cai H, Calabro RS, Casali C, Damm L, Doss S, Habas C, Horn AKE, Ilg W, Louis ED, Mitoma H, Monaco V, Petracca M, Ranavolo A, Rao AK, Ruggieri S, Schirinzi T, Serrao M, Summa S, Strupp M, Surgent O, Synofzik M, Tao S, Terasi H, Torres-Russotto D, Travers B, Roper JA, Manto M.
  • 雑誌名: Cerebellum 巻: 22 号: 3 ページ: 394-430
  • DOI: 10.1007/s12311-022-01373-9
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Development of Cerebellar Reserve. (2022)
  • 著者名/発表者名: Mitoma H, Kakei S, Manto M.
  • 雑誌名: Cells 巻: 11(19) 号: 19 ページ: 3013-3013
  • DOI: 10.3390/cells11193013
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] LTDpathies: a novel clinical concept. (2022)
  • 著者名/発表者名: Mitoma H, Honnorat J, Yamaguchi K, Manto M.
  • 雑誌名: Cerebellum 巻: 20 号: 6 ページ: 948-951
  • DOI: 10.1007/s12311-021-01259-2
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Two years into the pandemic: what did we learn about the COVID-19 and cerebellum? (2022)
  • 著者名/発表者名: Shaikh AG, Manto M, Mitoma H.
  • 雑誌名: Cerebellum 巻: 21 号: 1 ページ: 19-22
  • DOI: 10.1007/s12311-021-01351-7
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] The Clinical Concept of LTDpathy: Is Dysregulated LTD Responsible for Prodromal Cerebellar Symptoms? (2022)
  • 著者名/発表者名: Mitoma, H., Yamaguchi, K., Honnorat, J., & Manto, M.
  • 雑誌名: Brain Sciences 巻: 12(3) 号: 3 ページ: 303-303
  • DOI: 10.3390/brainsci12030303
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Clinical features of Parkinson’s disease in patients with early-onset freezing of gait. (2022)
  • 著者名/発表者名: Terashi H, Ueta Y, Taguchi T, Mitoma H, Aizawa H.
  • 雑誌名: Parkinsons Dis 巻: 4732020 ページ: 1-7
  • DOI: 10.1155/2022/4732020
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Rare etiologies in immune-mediated cerebellar ataxias: diagnostic challenges. (2022)
  • 著者名/発表者名: Hadjivassiliou M, Manto M, Mitoma H.
  • 雑誌名: Brain Sci 巻: 12 号: 9 ページ: 1165-1165
  • DOI: 10.3390/brainsci12091165
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Scale for ocular motordisorders in ataxia (SODA). (2022)
  • 著者名/発表者名: Shaikh AG, Kim JS, Froment C, Koo YJ, Dupre N, Hadjivassiliou M, Honnorat J, Kothari S, Mitoma H, Rodrigue X, Soong BW, Subramony SH, Strupp M, Schmahmann J, Manto M.
  • 雑誌名: J Neurol Sci. 巻: 443 ページ: 120472-120472
  • DOI: 10.1016/j.jns.2022.120472
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Pathophysiology of Cerebellar Tremor: The Forward Model-Related Tremor and the Inferior Olive Oscillation-Related Tremor (2021)
  • 著者名/発表者名: Kakei Shinji、Manto Mario、Tanaka Hirokazu、Mitoma Hiroshi
  • 雑誌名: Frontiers in Neurology 巻: 12 ページ: 954-954
  • DOI: 10.3389/fneur.2021.694653
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Neural Predictive Computation in the Cerebellum (2021)
  • 著者名/発表者名: Tanaka Hirokazu、Ishikawa Takahiro、Kakei Shinji
  • 雑誌名: Cerebellum as a CNS Hub 巻: NA ページ: 371-390
  • DOI: 10.1007/978-3-030-75817-2_18
  • ISBN: 9783030758165, 9783030758172
• [雑誌論文] The Input-Output Organization of the Cerebrocerebellum as Kalman Filter (2021)
  • 著者名/発表者名: Kakei Shinji、Tanaka Hirokazu、Ishikawa Takahiro、Tomatsu Saeka、Lee Jongho
  • 雑誌名: Cerebellum as a CNS Hub 巻: NA ページ: 391-411
  • DOI: 10.1007/978-3-030-75817-2_19
  • ISBN: 9783030758165, 9783030758172
• [学会発表] 社会的報酬処理における皮質―皮質下間の部分空間相互作用 (2023)
  • 著者名/発表者名: 則武厚、田中宏和、磯田昌岐
  • 学会等名: 第100回日本生理学会大会
  • 招待講演
• [学会発表] Zebrafish Meets the Ising Model: Statistical Mechanics of Collective Fish Motion (2023)
  • 著者名/発表者名: Tanaka, H.
  • 学会等名: HCII2023, Cohenhagen, Denmark
  • 国際学会
• [学会発表] Mobile Brain/Body Imaging of three-ball juggling: Dynamics of neurobehavioral interactions between motor execution and perception (2023)
  • 著者名/発表者名: Iversen, J. R., Kim, H., Miyakoshi, M., Kambara, H., Tanaka, H., Kagawa, T., Cho, W., Makeig, S., Yoshimura, N.
  • 学会等名: MoBI 2024, Piran, Slovenia.
  • 国際学会
• [学会発表] 非正弦的な神経振動成分の周期成分分析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 保志航輝・丸山大地・梶本翔太郎・田中宏和
  • 学会等名: 電子情報通信学会 ニューロコンピューティング研究会 (NC)
• [学会発表] 強化学習による動物知能の再現のWorld Modelを用いた向上 (2023)
  • 著者名/発表者名: 深谷拓実・田中宏和
  • 学会等名: 電子情報通信学会 ニューロコンピューティング研究会 (NC)
• [学会発表] A Quaternion-Based Analysis of Joint Rotations in Whole-Body Gait Cycles (2022)
  • 著者名/発表者名: Shinji Kakei, Masaya Watanabe, Toshiyuki Kondo, Hirokazu Tanaka
  • 学会等名: Neuro 2022, Okinawa, Japan.
  • 国際学会
• [学会発表] Zebrafish meets the Ising model: statistical modeling of collective motion (2022)
  • 著者名/発表者名: Hirokazu Tanaka
  • 学会等名: Neuro 2022, Okinawa, Japan.
  • 国際学会
• [学会発表] Zebrafish meets the Ising model: Inferring the interactions from group-motion data (2022)
  • 著者名/発表者名: 田中 宏和
  • 学会等名: 第16回モータコントロール研究会 (MC16), 東京.
• [学会発表] Mobile Brain/Body Imaging of three-ball juggling: Dynamics of neurobehavioral interactions between motor execution and perception (2022)
  • 著者名/発表者名: J. Iversen, H. Kim, M. Miyakoshi, H. Kambara, H. Tanaka, T. Kagawa, M. Sato, S. Makeig, N. Yoshimura
  • 学会等名: Neuroscience 2022, San Diego, U.S.A.
  • 国際学会
• [学会発表] Juggling skills trained in VR transfer to the real world (2022)
  • 著者名/発表者名: H. Kambara, W. Cho, H. Kim, R. Oya, Y. Kitami, M. Kobayashi, S. Saetia, T. Kagawa, H. Tanaka, M. Miyakoshi, J. R. Iversen, S. Makeig, M. Sato, N. Yoshimura
  • 学会等名: Neuroscience 2022, San Diego, U.S.A.
  • 国際学会
• [学会発表] Effects of head movements on EEG while wearing VR goggles (2022)
  • 著者名/発表者名: T. Kagawa, H. Kambara, M. Miyakoshi, S. Saetia, H. Kim, H. Tanaka, J. R. Iversen, N. Yoshimura
  • 学会等名: Neuroscience 2022, San Diego, U.S.A.
  • 国際学会
• [学会発表] Juggling on the Moon: A VR Yystem for Complex Motor Skill Learning (2022)
  • 著者名/発表者名: Hiroyuki Kambara, Wanhee Cho, Hyeonseok Kim, Rikiya Oya, Yusuke Kitami, Makoto Kobayashi, Supat Saetia, Takahiro Kagawa, Hirokazu Tanaka, Makoto Miyakoshi, John Iversen, Scott Makeig, Makoto Sato, Natsue Yoshimura
  • 学会等名: The 30th International Display Workshops, Niigata, Japan (IDW '22 Best Paper Award Winners).
  • 国際学会
• [学会発表] Subspace interactions between cortical and subcortical brain regions in social reward processing (2022)
  • 著者名/発表者名: Atsushi Noritake, Hirokazu Tanaka, Masaki Isoda
  • 学会等名: 第100回日本生理学会大会、京都.
  • 国際学会
• [学会発表] 脳と行動の計算モデリング:小脳とカルマンフィルタ、ゼブラフィッシュとイジングモデル (2022)
  • 著者名/発表者名: 田中 宏和
  • 学会等名: 感情のかけ橋シンポジウム2022
  • 招待講演
• [学会発表] A Quaternion-Based Analysis of Joint Rotations in Whole-Body Gait Cycles (2021)
  • 著者名/発表者名: Tanaka, H., Watanabe, M., Kagawa, T., Mitoma, H., & Kakei, S.
  • 学会等名: 第15回 モーターコントロール研究会 オンライン
• [図書] International Conference on Human-Computer Interaction (2023)
  • 著者名/発表者名: Tanaka, H.
  • 総ページ数: 9
  • 出版者: Cham: Springer Nature Switzerland.
  • ISBN: 9783031351310
• [図書] Mechanisms and Emerging Therapies in Tremor Disorders (2023)
  • 著者名/発表者名: Kakei, S., Manto, M., Tanaka, H., & Mitoma, H.
  • 総ページ数: 4
  • 出版者: Cham: Springer International Publishing.
  • ISBN: 9783031261275
• [図書] Mechanism and Emerging Therapies in Tremor Disorders (2023)
  • 著者名/発表者名: Kakei S, Manto M, Tanaka H, Mitoma H.
  • 出版者: Springer Nature
  • ISBN: 9781461440277
• [図書] Cerebellum as a CNS Hub (Contemporary Clinical Neuroscience) (2021)
  • 著者名/発表者名: Hidehiro Mizusawa, Shinji Kakei
  • 総ページ数: 564
  • 出版者: Springer
  • ISBN: 9783030758165