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2014 年度 実績報告書

身体変化への脳適応機構の解明

計画研究

研究領域脳内身体表現の変容機構の理解と制御
研究課題/領域番号 26120003
研究機関国立研究開発法人国立精神・神経医療研究センター

研究代表者

関 和彦  国立研究開発法人国立精神・神経医療研究センター, 神経研究所モデル動物開発研究部, 部長 (00226630)

研究分担者 内藤 栄一  国立研究開発法人情報通信研究機構, 脳情報通信融合研究センター, 研究マネージャー (10283293)
筧 慎治  公益財団法人東京都医学総合研究所, 運動障害プロジェクト, プロジェクトリーダー (40224365)
研究期間 (年度) 2014-07-10 – 2019-03-31
キーワード筋シナジー / ヒト / サル / 体性感覚 / 身体改変
研究実績の概要

平成26年度は本研究課題を進めるためのセットアップ及び基本となる方法論の開発を行なった。まず、サルの上肢運動の際の筋電図記録法及び、そこから筋シナジーを抽出する方法を確立した。また動物の身体改変に必要な腱移行術の術式開発、さらに末梢神経活動への介入に必要な、ウィルスベクターの開発と、サル隔離飼育装置の導入等を行なった。ヒトの筋シナジー抽出に関しては、ヒト脳活動(BOLD信号)の活動パターンを詳細に解析するための最新のデコーディング技術(iSLR)を開発した。また、長期運動訓練に伴う運動野の可塑的変化に関して、世界的サッカー選手であるネイマールで検証し、彼は足の運動をする際に極めて限局した脳活動しか使っていないことを明らかにした。脳内のシナジー制御器の動作原理の解明についてはまず、運動中のサルに様々な外乱を与え、小脳の学習信号である複雑スパイク活動が関連する座標系を同定する計画であるが、これについては、使用する2頭の動物の訓練がほぼ完成し、H27年度以降の神経活動記録の準備が完成した。さらに、神経疾患患者(パーキンソン病、ジストニア等の基底核疾患,脊髄小脳変性症、小脳梗塞等の小脳疾患)の全身運動を高精度のモーションキャプチャーで記録し、クオータ二オンで記述し、全身運動のシナジーをキネマティクスレベルで分析するための準備を行なった。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

本年度は、次年度からの実験の準備が主目的であったが既に注目すべき結果が得られているので、当初の計画以上に進展の評価とした。具体的には、まず霊長類の上肢運動の評価に必要な筋シナジー解析の方法が確立しただけでなく、従来記録したデータの再解析から、脊髄、赤核、皮質など複数の領域に筋シナジー生成器の存在が示唆された。また次年度以降の身体構造への介入実験を行なうための霊長類関連の機器や施設の準備が完了した。ヒトを対象とした筋シナジー制御器の同定ではiSLRという新しいデコーディング法を開発し、人差し指と中指など従来の脳機能マッピングでは分離することが難しかった微細な脳内身体表現を分離して同定することを可能にした。身体認知に関しては、筋肉の筋紡錘センサーを振動刺激することで人間が体験できる、四肢の運動錯覚現象(姿勢変化知覚)を用い、人間が自己の身体像変化を知覚する場合には、右半球の上縦束第3ブランチで結合された前頭(44野)-頭頂(PF野)ネットワークの活動が本質的であることを明確に示した。筋シナジー制御器の同定の目的の為には2つの柱で研究を進めてきた。まず、外乱実験に使用する2頭のニホンザルの訓練がほぼ完成し、H27年度以降の小脳からの神経活動記録の準備が完成した。この実験では、同定されたプルキンエ細胞での複雑スパイクの記録が特に重要であり、現在同定方法のノウハウを積み重ねつつある。次に、神経疾患の患者でモーションキャプチャーによる精密なキネマティクスの記録を行うが、細かなノウハウの積み重ねで効率良く短時間でデータを取得することが患者での研究成功の鍵を握るため、健常者でのテストを進めている。

今後の研究の推進方策

平成27年度からは、本格的に身体変化に対する生体神経系の適応から、脳内身体表現のスローダイナミクス、ファーストダイナミクスについてそれぞれ神経表現を実験的に証明するための実験を本格化する。まず、サルの上肢の異なった機能を有する筋(腱)をつけかえ、それらに対する中枢神経系の適応の時定数を知る。また、その際、末梢神経入力が重要な事を証明するため、末梢神経活動を人工的に修飾する実験も行なう。またこのようなプロセスにおいて筋シナジー生成器や制御器がどのように変化するのかを特に注目する。シナジー制御器の学習をモデル化し、小脳や大脳基底核でこれらがどのように表現されているのかを実験的に明らかにする。ヒトを対象とした筋シナジー制御器の同定は、iSLR法を用いた、音楽家ジストニア患者の手指脳内表現の変容の解明の実験からスタートし、第一次運動野や体性感覚野で見られる指表現の異常な重複が患者のmaladaptiveな脳内身体表現の実態であることを解明しつつある。このmaladaptiveな領域と筋シナジー制御器との関連性を明らかにする。

  • 研究成果

    (46件)

すべて 2015 2014 その他

すべて 国際共同研究 (4件) 雑誌論文 (11件) (うち国際共著 2件、 査読あり 9件、 謝辞記載あり 6件、 オープンアクセス 5件) 学会発表 (27件) (うち国際学会 3件、 招待講演 11件) 図書 (4件)

  • [国際共同研究] Johns Hopkins University/Arizona University(米国)

    • 国名
      米国
    • 外国機関名
      Johns Hopkins University/Arizona University
  • [国際共同研究] University of Tubingen(ドイツ)

    • 国名
      ドイツ
    • 外国機関名
      University of Tubingen
  • [国際共同研究] University College London(英国)

    • 国名
      英国
    • 外国機関名
      University College London
  • [国際共同研究] Ferara University/Institute of Fondazione Santa Lucia/Insitute in Padova(イタリア)

    • 国名
      イタリア
    • 外国機関名
      Ferara University/Institute of Fondazione Santa Lucia/Insitute in Padova
    • 他の機関数
      1
  • [雑誌論文] Modulation of spinal motor output by initial arm postures in anesthetized Monkeys2015

    • 著者名/発表者名
      Yaguchi H, Takei T, Kowalski D, Suzuki T, Mabuchi K, Seki K
    • 雑誌名

      The Journal of Neuroscience

      巻: 35(17) ページ: 6937-6945

    • DOI

      10.1523/JNEUROSCI.3846-14.2015

    • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] An empirical solution for over-pruning with a novel ensemble-learning method for fMRI decoding2015

    • 著者名/発表者名
      Hirose S, Nambu , Naito E
    • 雑誌名

      Journal of Neuroscience Methods

      巻: 239 ページ: 238-245

    • DOI

      10.1016/j.jneumeth.2014.10.023.

    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Internal capsule stroke in the common marmoset2015

    • 著者名/発表者名
      Puentes S, Kaido T, Hanakawa T, Ichinohe N, Otsuki T, Seki K.
    • 雑誌名

      Neuroscience

      巻: 284 ページ: 400-411

    • DOI

      10.1016/j.neuroscience.2014.10.015

    • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] 中脳赤核と運動機能―系統発生的観点から― Red Nucleus and Its Motor Function -A Phylogenetic Perspective-2014

    • 著者名/発表者名
      大屋知徹・関和彦
    • 雑誌名

      Spinal Surgery

      巻: 28(3) ページ: 258-263

  • [雑誌論文] Neural processes distinguishing elite from expert and novice athletes2014

    • 著者名/発表者名
      Callan DE* and Naito E
    • 雑誌名

      Cognitive and Behavioral Neurology

      巻: 27(4) ページ: 183-188

    • DOI

      10.1097/WNN.0000000000000043

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Efficient foot motor control by Neymar’s brain2014

    • 著者名/発表者名
      Naito E* and Hirose S
    • 雑誌名

      Frontier in Human Neuroscience

      巻: 594

    • DOI

      10.3389/fnhum.2014.00594, 2014

    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Different impressions of other agents obtained through social interaction uniquely modulate dorsal and ventral pathway activities in the social human brain2014

    • 著者名/発表者名
      Takahashi H, Terada K, Morita T, Suzuki S, Haji T, Kojima H, Yoshikawa M, Matsumoto Y, Omori T, Asada M, and Naito E
    • 雑誌名

      Cortex

      巻: 58 ページ: 289-300

    • DOI

      10.1016/j.cortex.2014.03.011

    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] ossy fibers in the cerebellar hemisphere show activity during an instructed delay period2014

    • 著者名/発表者名
      Takahiro I, Tomatsu S, Tsunoda Y, Hoffman DS, Kakei S
    • 雑誌名

      Neuroscience Research

      巻: 87 ページ: 84-89

    • DOI

      10.1016/j.neures.2014.07.006

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Releasing dentate nucleus cells from Purkinje cell inhibition generates output from the cerebrocerebellum2014

    • 著者名/発表者名
      Ishikawa T, Tomatsu S, Tsunoda Y, Lee J, Hoffman DS, Kakei S
    • 雑誌名

      PLoS ONE

      巻: 9(10) ページ: e108774

    • DOI

      10.1371/journal.pone.0108774

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Functional evaluation of motor commands based on a simple linear model in human wrist movements and its clinical application2014

    • 著者名/発表者名
      Lee J, Kakei S
    • 雑誌名

      ISITC 2014 proceeding

      巻: 3 ページ: 92-95

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 小脳症状の解析‐predictive control and feedback control (Chapter 1の2)2014

    • 著者名/発表者名
      筧 慎治, 李 鍾昊
    • 雑誌名

      Annual Review 神経 2014

      巻: 2014 ページ: 11-17

  • [学会発表] 筋肉に由来する身体的自己意識2015

    • 著者名/発表者名
      内藤栄一
    • 学会等名
      大阪大学小児連合研究会
    • 発表場所
      大阪
    • 年月日
      2015-03-26
  • [学会発表] 脳科学とリハビリテーション2015

    • 著者名/発表者名
      内藤栄一
    • 学会等名
      市民公開講座 脳科学と リハビリテーション 先端的システム工学による融合
    • 発表場所
      仙台
    • 年月日
      2015-03-21
    • 招待講演
  • [学会発表] 視覚誘導性追跡運動における予測的成分とフィードバック的成分の分離と評価—健常者と小脳障害患者の比較2015

    • 著者名/発表者名
      筧 慎治
    • 学会等名
      第1回身体性システム講演会「予測制御とフィードバック制御」
    • 発表場所
      同志社大学先端バイオメカニクス研究センター
    • 年月日
      2015-03-19
    • 招待講演
  • [学会発表] Kinesthetic illusion: one way to recover motor function by restoring corporeal identity of immobile and paralyzed limbs2015

    • 著者名/発表者名
      Naito E
    • 学会等名
      Conference on Systems Neuroscience and Rehabilitation
    • 発表場所
      所沢
    • 年月日
      2015-03-12
  • [学会発表] ネイマールに学ぶ、身体を動かす脳の仕組み2015

    • 著者名/発表者名
      内藤栄一
    • 学会等名
      世界脳
    • 発表場所
      奈良
    • 年月日
      2015-02-14
    • 招待講演
  • [学会発表] 脳の感覚運動制御の仕組みと損傷脳の運動機能回復の ルール ~上肢、手の運動に着目して~2015

    • 著者名/発表者名
      内藤栄一
    • 学会等名
      誠愛リハビリテーション病院 脳生理研修会
    • 発表場所
      福岡
    • 年月日
      2015-02-01
    • 招待講演
  • [学会発表] 手首の動きから探る脳内の運動制御器の状態ー基礎と臨床応用2015

    • 著者名/発表者名
      筧 慎治
    • 学会等名
      第6回神経科学・リハビリテーション・ロボット工学のシナジー効果に関する研究会
    • 発表場所
      九州工業大学
    • 年月日
      2015-01-28
    • 招待講演
  • [学会発表] 脳内運動制御器の非侵襲的分析を利用した高齢者の転倒リスク早期発見・対応システムの開発2015

    • 著者名/発表者名
      筧 慎治
    • 学会等名
      厚生労働科学研究費補助金 難治性疾患等克服研究事業「運動失調症の分子病態解明・治療法の開発に関する研究班」班会議
    • 発表場所
      JA共催カンファレンスホール
    • 年月日
      2015-01-15
    • 招待講演
  • [学会発表] 運動駆動細胞群の筋シナジー創出機構2015

    • 著者名/発表者名
      大屋知徹、武井智彦、関和彦
    • 学会等名
      平成26年度生理学研究所研究会「行動システム脳科学の新展開」
    • 発表場所
      生理学研究所 1階大会議室
    • 年月日
      2015-01-09
    • 招待講演
  • [学会発表] Subcortical control of voluntary movement2014

    • 著者名/発表者名
      K. Seki
    • 学会等名
      18th Thai Neuroscience Society Conference 2014 and 2 nd CU-NIPS Symposium “Frontier in Neuroscience Research”
    • 発表場所
      Bangkok, Thailand Chulalongkorn University
    • 年月日
      2014-12-22
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 大脳小脳における出力生成メカニズム2014

    • 著者名/発表者名
      石川享宏,筧 慎治
    • 学会等名
      包括脳ネットワーク 冬のシンポジウム
    • 発表場所
      東京医科歯科大学
    • 年月日
      2014-12-12
  • [学会発表] ネイマールに学ぶ脳の効率的運動制御2014

    • 著者名/発表者名
      内藤栄一
    • 学会等名
      日本生体医工学 関西支部講演会
    • 発表場所
      京都
    • 年月日
      2014-12-06
    • 招待講演
  • [学会発表] ネイマールに学ぶ、身体を動かす脳の仕組み2014

    • 著者名/発表者名
      内藤栄一
    • 学会等名
      NICTオープンハウス特別講演
    • 発表場所
      東京
    • 年月日
      2014-11-28
    • 招待講演
  • [学会発表] Posture dependency of the twitch responses induced by intraspinal microstimulation to the primate spinal cord2014

    • 著者名/発表者名
      H. Yaguchi, D. Kowalski, T. Takei and K. Seki
    • 学会等名
      Society for Neuroscience2014
    • 発表場所
      Washington D.C., US Walter E. Washington Convention Center
    • 年月日
      2014-11-17
    • 国際学会
  • [学会発表] 身体性の脳科学2014

    • 著者名/発表者名
      内藤栄一
    • 学会等名
      東京医科歯科大学講義
    • 発表場所
      東京
    • 年月日
      2014-11-14
  • [学会発表] Dissociation and evaluation of outputs from predictive and feedback controllers for tracking movements in normal subjects and patients with neurological disorders2014

    • 著者名/発表者名
      Kakei S
    • 学会等名
      INCF Japan Node International Workshop, Admvances in Neuroinformatics 2014
    • 発表場所
      RIKEN BSI
    • 年月日
      2014-09-25
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] ネイマールに学ぶ脳の効率的運動制御-CiNetにおける脳活動センシング技術の展開-2014

    • 著者名/発表者名
      内藤栄一
    • 学会等名
      NICT理事長記者説明会
    • 発表場所
      東京
    • 年月日
      2014-09-24
  • [学会発表] 3次元筋骨格モデルに基づくニホンザル精密把握動作の逆動力学解析2014

    • 著者名/発表者名
      荻原直道、斉藤剛、武井智彦、関和彦
    • 学会等名
      第37回日本神経科学大会
    • 発表場所
      パシフィコ横浜
    • 年月日
      2014-09-11
  • [学会発表] 異なる下行路系から生み出される筋投射構造と筋シナジーへの収斂2014

    • 著者名/発表者名
      大屋知徹、武井智彦、関和彦
    • 学会等名
      第37回日本神経科学大会
    • 発表場所
      パシフィコ横浜
    • 年月日
      2014-09-11
  • [学会発表] Introduction for Elsevier-NSR Symposium: Somatosensory: Fundamental sensory system for bodily alert, motor control, development, and self-consciousness2014

    • 著者名/発表者名
      Naito E
    • 学会等名
      Neuro2014
    • 発表場所
      パシフィコ横浜
    • 年月日
      2014-09-11
  • [学会発表] 遅延運動課題における小脳半球部への苔状線維入力2014

    • 著者名/発表者名
      石川享宏,戸松彩花,筧 慎治
    • 学会等名
      第37回日本神経科学大会
    • 発表場所
      パシフィコ横浜
    • 年月日
      2014-09-11
  • [学会発表] Estimation of pulling directions of wrist prime movers on the wrist with a musculoskeletal model2014

    • 著者名/発表者名
      閔庚甫, 李鍾昊, 筧 慎治
    • 学会等名
      第37回日本神経科学大会
    • 発表場所
      パシフィコ横浜
    • 年月日
      2014-09-11
  • [学会発表] Evaluation of motor symptoms of patients with Parkinson's disease in terms of three components of tracking movement of the wrist2014

    • 著者名/発表者名
      李鍾昊, 織茂智之, 筧 慎治
    • 学会等名
      第37回日本神経科学大会
    • 発表場所
      パシフィコ横浜
    • 年月日
      2014-09-11
  • [学会発表] 歯状核ニューロンのバースト活動は脱抑制によって形成される2014

    • 著者名/発表者名
      石川享宏,筧 慎治
    • 学会等名
      第8回Motor Control研究会
    • 発表場所
      筑波大学大学会館 総合交流会館
    • 年月日
      2014-08-09
  • [学会発表] 筋電図信号からの関節の総拮抗度の推定に関する研究2014

    • 著者名/発表者名
      閔庚甫, 李鍾昊, 筧 慎治
    • 学会等名
      第8回Motor Control研究会
    • 発表場所
      筑波大学大学会館 総合交流会館
    • 年月日
      2014-08-09
  • [学会発表] ネイマールの脳から見える長期運動練習に伴う運動野の効率的運動制御2014

    • 著者名/発表者名
      内藤栄一、廣瀬智士
    • 学会等名
      第8回MotorControl研究会
    • 発表場所
      筑波大学大学会館 総合交流会館
    • 年月日
      2014-08-08
  • [学会発表] 赤核の回路と機能における推察2014

    • 著者名/発表者名
      大屋知徹, 武井智彦, 関和彦
    • 学会等名
      第8回Motor Control研究会
    • 発表場所
      筑波大学大学会館 総合交流会館
    • 年月日
      2014-08-07 – 2014-08-09
  • [図書] 35章 脊髄反射 カンデル神経科学2014

    • 著者名/発表者名
      翻訳 関和彦
    • 総ページ数
      21
    • 出版者
      株式会社 メディカル・サイエンス・インターナショナル
  • [図書] 「脳内表現」ニュー運動生理学(I) 宮村実晴編 第1章 運動と中枢神経2014

    • 著者名/発表者名
      内藤栄一、南部功夫、廣瀬智士
    • 総ページ数
      12
    • 出版者
      真興交易医書出版部
  • [図書] ヒトの身体図式の脳内表現と身体的自己意識2014

    • 著者名/発表者名
      内藤栄一、守田知代
    • 総ページ数
      14
    • 出版者
      BRAIN and NERVE
  • [図書] 17章 神経細胞から認知へ:空間と行動の内的表象 カンデル神経科学2014

    • 著者名/発表者名
      翻訳 内藤栄一
    • 総ページ数
      22
    • 出版者
      株式会社 メディカル・サイエンス・インターナショナル

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公開日: 2017-01-06   更新日: 2022-02-16  

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