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運動の学習に伴う脳内誤差信号の情報表現の変容とそれを基盤とした学習指導方法の開発

研究課題

研究課題/領域番号 23K21610
補助金の研究課題番号 21H03339 (2021-2023)
研究種目

基盤研究(B)

配分区分基金 (2024)
補助金 (2021-2023)
応募区分一般
審査区分 小区分59030:体育および身体教育学関連
研究機関東京大学

研究代表者

柳原 大  東京大学, 大学院総合文化研究科, 教授 (90252725)

研究分担者 柿澤 昌  地方独立行政法人東京都健康長寿医療センター(東京都健康長寿医療センター研究所), 東京都健康長寿医療センター研究所, 研究部長 (40291059)
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) 2021-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
17,420千円 (直接経費: 13,400千円、間接経費: 4,020千円)
2024年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)
2023年度: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)
2022年度: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)
2021年度: 7,800千円 (直接経費: 6,000千円、間接経費: 1,800千円)
キーワード歩行 / 小脳 / プルキンエ細胞 / 誤差情報 / シナプス可塑性 / 適応 / 肢間協調 / 脊髄小脳変性症 / 誤差 / 脳梗塞 / スプリットベルトトレッドミル / 運動学習 / 下オリーブ核 / マウス / ラット / 登上線維
研究開始時の研究の概要

運動の適応・学習には誤差信号が重要な役割を果たしており、小脳においては下オリーブ核‐登上線維系がプルキンエ細胞に誤差信号を伝えている。本研究では、左右分離型ベルトトレッドミルにおける運動の適応・学習において、登上線維系による信号の時空間的な分解能など情報表現の変容について、運動学習の際のプルキンエ細胞のカルシウムイメージング法による解析を行う。情報理論的観点から、被説明変数として登上線維系がプルキンエ細胞に伝送する誤差信号の活動パターンと、運動学的データにおける潜在的な説明変数を抽出し、被説明変数との関係を詳細に調べる。

研究実績の概要

スポーツ及び日常生活における種々の運動技能は、繰り返しの練習・学習によって脳に獲得される。運動の学習を導くためには、脳において生成される誤差信号が重要な役割を果たしており、運動の制御及び学習に重要な役割を果たしている小脳においては、延髄の下オリーブ核ニューロンの軸索である登上線維が小脳プルキンエ細胞に誤差信号を伝えていると考えられている。
本研究においては、マウスを対象に運動の適応・学習パラダイムとして、左右分離型ベルトトレッドミル(split-belt treadmill)における歩行課題を課し、左右のベルト速度を変化させたsplit-belt条件での適応と、その後で左右のベルト速度を同一に戻したtied-belt条件の際の後効果(after-effect)を運動学的に解析した。この歩行課題における小脳の役割を明らかにするために、小脳プルキンエ細胞の変性・脱落を生じている脊髄小脳失調症6型モデルマウス、プルキンエ特異的mTOR活性化マウスを調べた結果、適応や後効果に顕著な障害が認められた。
さらに、この適応に関わる小脳の領域を特定するために、ローズベンガル (rose bengal)と緑色レーザー光を用いたphotothrombosis法による小脳梗塞を小脳の特定の領域において誘発する実験系を確立した。
研究計画においては、in vivoカルシウムイメージングとして、活動依存性マンガン造影MRIを適用して、運動学習時にプルキンエ細胞集団としてカルシウム濃度の増大が生じているhotspotsを同定し、時空間的なパターンについて調べる予定であったが、マウス用MRIの故障により、他の代替方法によるカルシウムイメージングを準備している。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

4: 遅れている

理由

特注製作したマウス用左右分離型ベルトトレッドミルの動作不全により、マウスを対象にした歩行実験に遅れが生じた。また、in vivoカルシウムイメージングの1つの方法として活動依存性マンガン造影MRIによる小脳皮質のカルシウムイメージングを行う予定であったが、MRI装置が故障して稼働できなくなったために大きな遅れが生じたことによる。

今後の研究の推進方策

マウスにおける歩行中の小脳皮質のカルシウムイメージングとして、蛍光カルシウムセンサーを発現するトランスジェニックマウスを用いて、小脳皮質のニューロン活動を大規模に計測する超広視野高速イメージング技術を適用する予定で準備を進めている。

報告書

(2件)
  • 2022 実績報告書
  • 2021 実績報告書
  • 研究成果

    (19件)

すべて 2022 2021 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (15件) (うち国際学会 1件、 招待講演 2件) 図書 (1件)

  • [国際共同研究] Drexel University(米国)

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [雑誌論文] Quantitative evaluation of posture control in rats with inferior olive lesions2021

    • 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

    • 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
  • [雑誌論文] A Model of Predictive Postural Control Against Floor Tilting in Rats2021

    • 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

    • 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
  • [学会発表] 実験と神経筋骨格モデルによる歩行の適応メカニズムの解明2022

    • 著者名/発表者名
      柳原 大
    • 学会等名
      第45回日本神経科学大会 (neuro2022)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] マウスにおける左右分離型ベルトトレッドミルでの歩行適応2022

    • 著者名/発表者名
      小松 拓実, 淺香 明子, 結城 笙子, 石川 欽也, 柳原 大
    • 学会等名
      第45回日本神経科学大会 (neuro2022)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Photothrombosis法を用いた小脳梗塞モデルマウスにおける歩行障害2022

    • 著者名/発表者名
      井上 桂輔, 淺香 明子, 李 佐知子, 石川 欽也, 柳原 大
    • 学会等名
      第45回日本神経科学大会 (neuro2022)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 二足立ちラットにおける予測的姿勢制御:小脳虫部の役割と数理シミュレーション2022

    • 著者名/発表者名
      鴻巣 暁, 舩戸 徹郎, 松木 勇磨, 酒井 隆太郎, 柳原 大
    • 学会等名
      第45回日本神経科学大会 (neuro2022)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] ラットは不確実性が高い状況下において情報希求行動を増加させる2022

    • 著者名/発表者名
      結城笙子, 櫻井芳雄, 柳原 大
    • 学会等名
      第45回日本神経科学大会 (neuro2022)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 転倒に関わる神経機構:主としてモデル動物の知見から2022

    • 著者名/発表者名
      柳原 大
    • 学会等名
      第18回姿勢と歩行研究会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] マウスにおける左右分離型ベルトトレッドミルでの歩行適応2022

    • 著者名/発表者名
      小松 拓実, 淺香 明子, 結城 笙子, 石川 欽也, 柳原 大
    • 学会等名
      第18回姿勢と歩行研究会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Photothrombosis 法を用いた小脳梗塞による歩行障害2022

    • 著者名/発表者名
      井上 桂輔, 淺香 明子, 李 佐知子, 石川 欽也, 柳原 大
    • 学会等名
      第18回姿勢と歩行研究会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 小脳中間部片側傷害による歩行における運動学シナジーへの影響2022

    • 著者名/発表者名
      酒井 隆太郎, 淺香 明子, 鴻巣 暁, 青井 伸也, 舩戸 徹郎, 柳原 大
    • 学会等名
      第18回姿勢と歩行研究会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 予測的姿勢制御における小脳虫部の役割 ―ラットにおける実験課題の構築と数理シミュレーション―2022

    • 著者名/発表者名
      鴻巣 暁, 舩戸 徹郎, 松木 勇磨, 酒井 隆太郎, 柳原 大
    • 学会等名
      日本小脳学会第12回学術集会・総会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] ラットの歩行運動制御系の解明のための筋骨格モデルの構築2022

    • 著者名/発表者名
      遠藤 啓輔,酒井 隆太郎,柳原 大,舩戸 徹郎
    • 学会等名
      第34回自律分散システム・シンポジウム
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 職業性局所性ジストニア発症原理に関する神経数理モデルシミュレーション2022

    • 著者名/発表者名
      村松 海渡,結城 笙子,郡 宏,柳原 大
    • 学会等名
      第34回自律分散システム・シンポジウム
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] ネコ後肢の神経筋骨格モデルを用いた感覚フィードバックによる歩行適応機序の解析2022

    • 著者名/発表者名
      金 勇紀, 青井 伸也, 藤木 聡一朗, Danner, S. M., Ausborn, J., Markin, S. N., Rybak, I. A, 柳原 大, 泉田 啓,土屋 和雄
    • 学会等名
      計測自動制御学会関西支部・システム制御情報学会シンポジウム
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Development of a new metacognitive task for rats2021

    • 著者名/発表者名
      Yuki, S., Sakurai, Y., Yanagihara, D.
    • 学会等名
      日本動物心理学会第81回大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] SCA31 transgenic mice show pathogenic features similar to human patients2021

    • 著者名/発表者名
      Higashi, M., Okita, M., Sato, N., Asaka, M., Aoki, H., Ishii, T., Ishiguro, T., Yanagihara, D., Yokota, T., Ishikawa, K.
    • 学会等名
      17th Asian Oceanian Congress of Neurology
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [図書] 姿勢・運動制御と運動学習理論に基づく機能的活動2022

    • 著者名/発表者名
      柳原 大, 瀬戸川 将
    • 総ページ数
      346
    • 出版者
      市村出版
    • ISBN
      9784902109603
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書

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公開日: 2021-04-28   更新日: 2024-12-25  

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