生体の筋・神経系における運動単位制御原理に関する研究

1999 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 10680787
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 二見 亮弘 東北大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (20156938)
• 研究分担者: 加納 慎一郎 東北大学, 大学院・工学研究科, 助手 (00282103) ; 渡辺 高志 東北大学, 大学院・工学研究科, 助手 (90250696) ; 星宮 望 東北大学, 大学院・工学研究科, 教授 (50005394) ; 半田 康延 東北大学, 未来科学技術共同研究センター, 教授 (00111790)
• キーワード: 筋収縮ダイナミクス / カルシウムイオン濃度 / potentiation / catch-like effect / モデル / 機能的電気刺激

研究概要

生体の筋・神経系が持つ時変性・非線形性をより正しく理解し,機能的電気刺激による運動機能再建をより精緻なものとするためには,筋繊維における収縮のダイナミクスのうち特にカルシウムイオン濃度変化のダイナミクスを正しく理解することが重要である。さて,筋繊維は電気刺激パルス列に対して,強化現象(potentiation)や保持効果(catch-like effect)を示すことがある。これらの現象の発生機序を明らかにするために,我々は筋繊維を構成する筋小胞体でのカルシウムイオンの放出と取り込みに注目し,筋繊維の活性化モデルをカルシウムイオン濃度ダイナミクスのレベルで作成した。
モデルはカルシウム誘導型カルシウム放出(CICR)チャネルを含んでおり,内部的な正帰還効果のためにカルシウム濃度の安定平衡点が2つ存在する。低濃度の安定平衡点から高濃度の安定平衡点への遷移は,高頻度の刺激パルス列で生じ,強化現象に対応させることができる。CICRチャネルはその後,数秒間かかって不活性状態(低濃度の安定平衡点)に戻る。また,このモデルで遅筋に相当するパラメータを用い,長時間刺激の後でカルシウム濃度の安定平衡点が1つとなっている状況下では,刺激パルス列に追加された単一のパルスによってその後の筋張力が数秒間にわたって増強されるという保持効果を再現することもできた。

研究成果

• [文献書誌] T.Watanabe,R.Futami,N.Hoshimiya,Y.Handa: "An Approach to Muscle Model with a Stimulus Frequency-Force Relationship for FES Applications"IEEE Trans. Rehab. Eng.. 7・1. 12-18 (1999)
• [文献書誌] 古瀬,渡辺,二見,星宮,半田: "運動機能麻痺者のための残存運動機能を用いた制御命令入力システム"医用電子と生体工学. 37・2. 152-160 (1999)
• [文献書誌] H.Nakatani,T.Watanabe,S.Ohba,R.Futami,N.Hoshimiya,Y.Handa: "Automatic Classification of Nerve Action Potentials Recorded from Peripheral Nerves with Cuff Electrodes for a Closed Loop FES"Proc. 4th Annual Conf. of International FES Society. 85 (1999)
• [文献書誌] GH.Otazu,T.Watanabe,R.Futami,N.Hoshimiya: "A Physiologically Based Non-linear Muscle Activation Model of Variable Stimulation Frequency Response"Proc. 4th Annual Conf. of International FES Society. 109-112 (1999)
• [文献書誌] T.Watanabe,K.Iibuchi,R.Futami,N.Hoshimiya,Y.Handa: "Feedback FES Control Using Jacobian Matrix of the Musculoskeletal System"Proc. 4th Annual Conf. of International FES Society. 295-298 (1999)
• [文献書誌] G.Eom,T.Watanabe,R.Futami,N.Hoshimiya,Y.Handa: "A Basic Study of Long-Term Potentiation during Constant Stimulation for Use in Prediction of FES-Induced Movement"Proc. 4th Annual Conf. of International FES Society. 323 (1999)