空間表現に基づく身体運動の統一的計算論的モデルと運動野ネットワーク神経活動の解明

• 研究課題/領域番号: 25430007
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 神経生理学・神経科学一般
• 研究機関: 北陸先端科学技術大学院大学
• 研究代表者: 田中 宏和 北陸先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 准教授 (00332320)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2017-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2016年度)
• 配分額: 5,330千円 (直接経費: 4,100千円、間接経費: 1,230千円); 2015年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円); 2014年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円); 2013年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
• キーワード: 計算論モデル / 脳科学 / 神経科学 / 運動制御 / 感覚処理 / 最適制御 / 最適推定 / 内部モデル / 計算論的神経科学 / 第一次運動野 / 前頭頭頂運動ネットワーク / 神経活動 / 視覚運動変換 / 到達運動 / 運動適応 / 小脳 / 空間ベクトル表現

研究成果の概要

身体の空間ベクトル表現に基づくニュートン・オイラー力学により第一次運動野（M1）が視覚運動変換を行っているという計算論モデルを提案し、M1神経活動における多様な性質を統一的に説明した。このモデルはヒト運動適応実験の汎化パターンなど様々な結果も説明できることを示した。M1に加えて、頭頂葉や小脳を含む運動野ネットワークのモデル化も試みた。小脳の神経活動をモデル化し、小脳の入力である苔状繊維から出力である小脳核で予測的な変換が行われていることが分かった。これらの計算論モデルから、運動野ネットワークにおける身体運動の予測と制御に関する神経表現や計算アルゴリズムを解明することができた。

研究成果

• [国際共同研究] Salk Institute/University of California, San Diego(米国)
• [雑誌論文] 総説 脳を理解するとはどういうことか-ある計算論的神経科学者の頭の中 (2016)
  • 著者名/発表者名: 田中宏和
  • 雑誌名: BRAIN and NERVE 巻: 68 号: 11 ページ: 1379-1384
  • DOI: 10.11477/mf.1416200601
  • ISSN: 1344-8129, 1881-6096
  • 年月日: 2016-11-01
• [雑誌論文] Modeling the motor cortex: Optimality, recurrent neural networks, and spatial dynamics (2016)
  • 著者名/発表者名: Tanaka, H.
  • 雑誌名: Neuroscience Research 巻: 104 ページ: 64-71
  • DOI: 10.1016/j.neures.2015.10.012
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Coordinate Systems in the Motor System: Computational Modeling and EEG Experiment (2016)
  • 著者名/発表者名: Tanaka, H., Miyakoshi, M., & Makeig, S.
  • 雑誌名: Advances in Cognitive Neurodynamics 巻: V ページ: 85-92
  • DOI: 10.1007/978-981-10-0207-6_14
  • ISBN: 9789811002052, 9789811002076
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Coordinate Systems in the Motor System: Computational Modeling and EEG experiment (2015)
  • 著者名/発表者名: Tanaka H., Miyakoshi M. & Makeig S.
  • 雑誌名: The 5th International Conference on Cognitive Neurodynamics 2015 (ICCN 2015) 巻: 印刷中
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Motor adaptation and generalization of reaching movements using motor primitives based on spatial coordinates (2014)
  • 著者名/発表者名: Tanaka, H., & Sejnowski, T. J.
  • 雑誌名: Journal of Neurophysiology 巻: なし 号: 4 ページ: 1-5
  • DOI: 10.1152/jn.00002.2014
  • 査読あり
• [雑誌論文] Task-related oxygenation and cerebral blood volume changes estimated from NIRS signals in motor and cognitive tasks (2014)
  • 著者名/発表者名: Tanaka H., Katura T., H. Sato
  • 雑誌名: NeuroImage 巻: 94 ページ: 107-119
  • DOI: 10.1016/j.neuroimage.2014.02.036
  • NAID: 120005526725
  • 査読あり
• [雑誌論文] Computing reaching dynamics in motor cortex with Cartesian spatial coordinates (2013)
  • 著者名/発表者名: Tanaka H., Sejnowski T.J.
  • 雑誌名: Journal of Neurophysiology 巻: 109 号: 4 ページ: 1182-1201
  • DOI: 10.1152/jn.00279.2012
  • 査読あり
• [学会発表] Dynamics of directional tuning and reference frames in humans: A high-density EEG study (2016)
  • 著者名/発表者名: Tanaka H., Miyakoshi M., & Makeig S.
  • 学会等名: Neuroscience 2016 Annual Meeting
  • 発表場所: San Diego, U.S.A.
  • 年月日: 2016-11-12
  • 国際学会
• [学会発表] Directionally tuned signals in human EEG during step-tracking wrist movement (2016)
  • 著者名/発表者名: Kambara, H., Tanaka, H., Miyakoshi M., Yoshimura, N., Koike, Y., Makeig S.
  • 学会等名: Neuroscience 2016 Annual Meeting
  • 発表場所: San Diego, U.S.A.
  • 年月日: 2016-11-12
  • 国際学会
• [学会発表] Directional tuning and reference frames revealed by noninvasive EEG in humans: a computational MoBI study (2016)
  • 著者名/発表者名: Tanaka H.
  • 学会等名: The 31st International Congress of Psychology
  • 発表場所: パシフィコ横浜（神奈川県横浜市）
  • 年月日: 2016-07-24
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Dynamics of directional tuning and reference frames in humans: A mobile brain/body imaging study (2016)
  • 著者名/発表者名: Tanaka H.
  • 学会等名: The Japan-Europe International Meeting about Embodied Brain
  • 発表場所: Taormina, Italy
  • 年月日: 2016-05-30
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Temporal dynamics of directional tuning and reference frames in human reaching task revealed with high-density EEG (2016)
  • 著者名/発表者名: Tanaka H.
  • 学会等名: The 1st International Symposium on Embodied-Brain Systems Science (EmboSS 2016)
  • 発表場所: 東京大学（東京都文京区）
  • 年月日: 2016-05-08
  • 国際学会
• [学会発表] Directional tuning and reference frames revealed by noninvasive EEG in humans: a computational MoBI study (2016)
  • 著者名/発表者名: Tanaka H.
  • 学会等名: 第55回日本生体医工学会大会
  • 発表場所: 富山国際会議場（富山県富山市）
  • 年月日: 2016-04-26
  • 招待講演
• [学会発表] Mobile Brain/Body Imaging for Natural Movements (2016)
  • 著者名/発表者名: Tanaka H.
  • 学会等名: MoBI (Mobile Brain/Body Imaging) Workshop
  • 発表場所: San Diego, U.S.A.
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Is movement duration predetermined in visually guided reaching? A comparison of finite- and infinite-horizon optimal feedback control (2015)
  • 著者名/発表者名: Li L., Imamizu H. and Tanaka H.
  • 学会等名: International Conference on Advanced Mechatronics (ICAM) 2015
  • 発表場所: Waseda University, Tokyo, Japan
  • 年月日: 2015-12-06
  • 国際学会
• [学会発表] Formation of internal forward model with sensory and reward prediction errors: A behavioral confirmation (2015)
  • 著者名/発表者名: Satou H., Sasaki A., Nozaki D. and Tanaka H
  • 学会等名: International Conference on Advanced Mechatronics (ICAM) 2015
  • 発表場所: Waseda University, Tokyo, Japan
  • 年月日: 2015-12-06
  • 国際学会
• [学会発表] How motor cortex represents body movements: Optimality, recurrent neural networks and spatial dynamics (2015)
  • 著者名/発表者名: Tanaka, H., Miyakoshi, M., & Makeig, S.
  • 学会等名: IEEE The 24th International Symposium on Robot and Human Interactive Communication (RO-MAN)
  • 発表場所: Kobe Convention Center, Kobe, Japan
  • 年月日: 2015-08-31
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Movement Representation in the Motor System: Computational Modeling and EEG experiment (2015)
  • 著者名/発表者名: Tanaka, H., Miyakoshi, M., & Makeig, S.
  • 学会等名: Brain Connectivity Workshop 2015
  • 発表場所: San Diego, U.S.A.
  • 年月日: 2015-06-12
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Coordinate Systems in the Motor System: Computational Modeling and EEG experiment (2015)
  • 著者名/発表者名: Tanaka, H., Miyakoshi, M., & Makeig, S.
  • 学会等名: The 5th International Conference on Cognitive Neurodynamics
  • 発表場所: Sanya, China
  • 年月日: 2015-06-04
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 到達運動の運動方程式と頭頂前頭運動野の座標系 (2015)
  • 著者名/発表者名: 田中 宏和
  • 学会等名: 第92回日本生理学学会 第120回日本解剖学会 合同大会、神戸国際会議場
  • 発表場所: 神戸国際会議場 兵庫県 神戸市
  • 年月日: 2015-03-21
  • 招待講演
• [学会発表] Computing Reaching Dynamics in Motor Cortex with Cartesian Spatial Coordinates (2014)
  • 著者名/発表者名: 田中 宏和
  • 学会等名: Fetz博士記念シンポジウム - Frontier of Systems Neuroscience of Motor Control（運動制御にかかわるシステム神経科学の最前線）
  • 発表場所: 国立精神・神経医療センター 東京都 小平市
  • 年月日: 2014-09-14
  • 招待講演
• [学会発表] 第一次運動野は空間ベクトルを用いて到達運動ダイナミクスを計算する (2014)
  • 著者名/発表者名: 田中 宏和
  • 学会等名: SICE中部支部制御理論研究委員会ワーキングセミナー
  • 発表場所: 名古屋大学 東山キャンパス 愛知県 名古屋市
  • 年月日: 2014-09-11
  • 招待講演
• [学会発表] Directional tuning and reference frames revealed by non-invasive EEG in humans (2014)
  • 著者名/発表者名: 田中 宏和
  • 学会等名: 第8回モーターコントロール研究会
  • 発表場所: 筑波大学 茨城県 つくば市
  • 年月日: 2014-08-09
• [学会発表] Directional tuning and reference frames revealed by non-invasive EEG in humans (2014)
  • 著者名/発表者名: 田中 宏和
  • 学会等名: Organization of Human Brain Mapping 2014 Annual Meeting
  • 発表場所: Hamburg, Germany
  • 年月日: 2014-06-12
• [学会発表] Task-related component analysis for fuctional neuroimaging (2013)
  • 著者名/発表者名: Tanaka H., Katura T., Sato H.
  • 学会等名: Mobile Brain/Body Imaging (MoBI) Workshop
  • 発表場所: Delmenhorst, Germany
  • 招待講演
• [学会発表] Motor cortex computes reaching dynamics using Cartesian spatial coordinates (2013)
  • 著者名/発表者名: Tanaka H., Sejnowski T.J.
  • 学会等名: Mobile Brain/Body Imaging (MoBI) Workshop
  • 発表場所: Delmenhorst, Germany
  • 招待講演
• [学会発表] 第一次運動野は空間ベクトルを用いて到達運動ダイナミクスを計算する
  • 著者名/発表者名: 田中宏和, Terrence J Sejnowski
  • 学会等名: 視覚科学統合研究センターシンポジウム「視覚情報処理の新展開ー局所回路から認知へ」
  • 発表場所: 立命館大学 びわこキャンパス
  • 招待講演
• [学会発表] アンダーサンプリングNIRS信号からの瞬時心拍数測定法
  • 著者名/発表者名: 田中宏和、小幡亜希子、桂卓成
  • 学会等名: 第16回日本ヒト脳機能マッピング学会
  • 発表場所: 仙台国際ホテル
• [学会発表] 田中宏和、桂卓成、佐藤大樹
  • 著者名/発表者名: 脱酸素化ヘモグロビンの共変動を用いた課題関連成分分析による血液量と血中酸素濃度変化の推定法
  • 学会等名: 第16回日本ヒト脳機能マッピング学会
  • 発表場所: 仙台国際ホテル
• [学会発表] 第一次運動野は空間ベクトルを用いて到達運動ダイナミクスを計算する
  • 著者名/発表者名: 田中宏和, Terrence J Sejnowski
  • 学会等名: 脳と心のメカニズム 第14回冬のワークショップ
  • 発表場所: 北海道 ルスツ
  • 招待講演
• [学会発表] 第一次運動野は何を表現し計算しているのか
  • 著者名/発表者名: 田中宏和
  • 学会等名: Autumn School of Computational Neuroscience (ASCONE)
  • 発表場所: 長野 諏訪
  • 招待講演
• [学会発表] 運動野の情報表現ー計算論的モデルー
  • 著者名/発表者名: 田中宏和
  • 学会等名: 身体性基盤研究会
  • 発表場所: 東北大学 電気通信研究所
  • 招待講演
• [学会発表] 課題関連成分分析法によるNIRS信号のヘモダイナミクス反応成分と全身性変動成分の課題および刺激応答性
  • 著者名/発表者名: 田中宏和、桂卓成、佐藤大樹
  • 学会等名: 第15回日本ヒト脳機能マッピング学会
  • 発表場所: 東京大学
• [学会発表] Understanding movement representations in the motor cortex for functional recovery
  • 著者名/発表者名: Tanaka H., Sejnowski T.J.
  • 学会等名: Neuro2013 公募シンポジウム「計算論的間隔運動制御とリハビリテーションの統合」
  • 発表場所: 京都国際会議場
• [備考] 北陸先端科学技術大学院大学 研究者紹介
  • URL: https://www.jaist.ac.jp/profiles/info.php?profile_id=592
• [備考] 研究紹介 youtube チャンネル
  • URL: https://www.youtube.com/user/ht2022columbia
• [備考] 計算論的神経科学研究室
  • URL: http://www.jaist.ac.jp/~hirokazu/Site/Welcome.html
• [備考] 計算論的神経科学YouTubeチャンネル
  • URL: https://www.youtube.com/user/ht2022columbia
• [備考] 計算論的神経科学研究室
  • URL: http://www.jaist.ac.jp/~hirokazu/Site/Welcome.html
• [備考] 計算論的神経科学YouTubeチャンネル
  • URL: https://www.youtube.com/user/ht2022columbia
• [学会・シンポジウム開催] IEEE The 24th International Symposium on Robot and Human Interactive Communication (RO-MAN) (2015)
  • 発表場所: Kobe Convention Center, Kobe, Japan
  • 年月日: 2015-08-31