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2015 年度 実施状況報告書

運動スキルの発現と獲得における脊髄小脳ループの役割の解明

研究課題

研究課題/領域番号 15K01498
研究機関東京大学

研究代表者

柳原 大  東京大学, 総合文化研究科, 准教授 (90252725)

研究分担者 舩戸 徹郎  電気通信大学, 情報理工学(系)研究科, 助教 (40512869)
青井 伸也  京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 講師 (60432366)
研究期間 (年度) 2015-04-01 – 2018-03-31
キーワード歩行 / 運動スキル / 小脳 / ラット / 神経筋骨格モデル / 動力学シミュレーション
研究実績の概要

本研究は、歩行運動の際の環境の変化に応じた新たなスキルの発現と獲得における脊髄小脳ループの役割について、ラットを用いた生理学的実験とその神経筋骨格モデルによる動力学シミュレーションの両面から解明することを目的としている。本研究では、運動スキルを構成する多くの要素のなかで特に運動学シナジーに焦点を当てるが、運動の生成における神経・筋系の冗長多自由度性の問題に対して、実際の運動においては複数の関節が時間的・空間的関係性を保ちながら動くというように、関節間の協調としての運動学シナジーを環境の変動に適応的に、あるいは目的に最適化することにより運動スキルは達成されると考えられるからである。
歩行運動時の運動学シナジーは、外乱を加えることによって顕著に具現される。予測できない外乱を歩行中に加えれば、それに対する運動学シナジーの動態を観察することができ、さらに、外乱を予測して適応する過程、すなわち歩行における運動の適応・学習を調べることができる。左右分離型ベルトトレッドミル、すなわち、左右のベルトが分離され、各ベルトを独立に制御できるトレッドミルは、そのような研究目的に適合した実験システムといえる。
本年度は、正常無処置のラットを対象に、左右分離型ベルトトレッドミルにおいて後肢での2足歩行時の運動学について詳細に解析した。左右のベルトの速度が同一の条件、左右のベルトの速度比が1.5倍、1.7倍、2.0倍の際においては、ラットにおいてもヒトと同様に左右肢の相対位相や歩行duty比を調節していることが判明した。また、神経筋骨格モデルを構築するための筋・骨格系の解剖学的データを収集し、接地タイミングの予測的制御を小脳機能として組み込んだ神経筋骨格モデルを構築した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

ラットをできる限り無拘束な状態で、後肢のみでの2足歩行を行わせる実験系を構築するのにかなりの時間を費やしてしまったが、ほぼ実験系は確立してきたと考えられる。

今後の研究の推進方策

今後の研究として、脊髄小脳ループを構成する小脳虫部及び中間部のプルキンエ細胞の活動をムシモルやグルタミン酸受容体阻害薬を微量投与することにより可逆的に阻害し、運動学シナジーへの影響を調べる。また、筋シナジーの解析のために、後肢の主要な7筋群(腸腰筋、外側広筋、大臀筋、大腿二頭筋、腓腹筋、ヒラメ筋、前脛骨筋)の筋電図活動を記録し、記録した筋活動電位に対して両側の筋の時系列、片側の筋の時系列からなる行列を構成し、非負値行列因子分解を施すことで、両側・片側の筋活動を構成するパターンを抽出する。
このように、ラットを用いた神経生理学的、運動学的解析と、解剖学的データから構築した神経筋骨格系の数理モデルによる動力学シミュレーションを用いて検証する構成論的手法を緊密に連携させることにより、歩行運動の際の環境の変化に応じた新たなスキルの発現と獲得における脊髄小脳ループの役割について統合的に理解することが可能になると考えている。

次年度使用額が生じた理由

実験の進捗状況から、筋電位記録における電極等の消耗品の購入費用を次年度のために使用せずに保留したため。

次年度使用額の使用計画

筋電位記録のための電極等消耗品代として使用する。

  • 研究成果

    (8件)

すべて 2016 2015

すべて 雑誌論文 (3件) 学会発表 (5件) (うち国際学会 2件)

  • [雑誌論文] ネコの歩行運動と四脚歩行ロボット2015

    • 著者名/発表者名
      柳原 大, 藤木 聡一朗
    • 雑誌名

      体育の科学

      巻: 65 ページ: 467-471

  • [雑誌論文] げっ歯類(マウス・ラット)の障害物回避歩行2015

    • 著者名/発表者名
      佐藤 和, 瀬戸川 将, 青木 祥, 柳原 大
    • 雑誌名

      体育の科学

      巻: 65 ページ: 461-466

  • [雑誌論文] 姿勢と歩行の制御における新たな小脳機能2015

    • 著者名/発表者名
      柳原 大
    • 雑誌名

      Clinical Neuroscience

      巻: 33 ページ: 763-766

  • [学会発表] ラットの神経筋骨格モデルに基づく左右分離型トレッドミル歩行における長期適応の生成2016

    • 著者名/発表者名
      藤木聡一朗, 青井伸也, 舩戸徹郎, 柳原 大, 土屋和雄
    • 学会等名
      第28回自律分散システムシンポジウム
    • 発表場所
      広島大学東広島キャンパス学士会館(広島県 東広島市)
    • 年月日
      2016-01-21 – 2016-01-22
  • [学会発表] 筋シナジー制御を用いた四肢神経筋骨格モデルの歩容生成とエネルギー効率の考察2015

    • 著者名/発表者名
      戸枝美咲, 青井伸也, 舩戸徹郎, 土屋和雄, 柳原 大
    • 学会等名
      第70回日本体力医学会大会
    • 発表場所
      和歌山県民文化会館(和歌山県 和歌山市)
    • 年月日
      2015-09-18 – 2015-09-20
  • [学会発表] 腹側被蓋野破壊が歩行時の障害物回避動作へ及ぼす影響2015

    • 著者名/発表者名
      瀬戸川 将, 柳原 大
    • 学会等名
      第70回日本体力医学会大会
    • 発表場所
      和歌山県民文化会館(和歌山県 和歌山市)
    • 年月日
      2015-09-18 – 2015-09-20
  • [学会発表] Investigation of adaptive split-belt treadmill walking by the hindlimbs of rats.2015

    • 著者名/発表者名
      Fujiki, S., Aoi, S., Yanagihara, D., Funato, T., Sato, Y., Senda, K., Tsuchiya, K.
    • 学会等名
      The 37th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society
    • 発表場所
      Milano Conference Center (Milan, Italy)
    • 年月日
      2015-08-25 – 2015-08-29
    • 国際学会
  • [学会発表] Investigating adaptation in hindlimb split-belt treadmill walking by rats using kinematic measurement and a neuromusculoskeletal model.2015

    • 著者名/発表者名
      Aoi, S., Fujiki, S., Yanagihara, D., Funato, T., Sato, Y., Tomita, N., Ogihara, N., Senda, K., Tsuchiya, K.
    • 学会等名
      2015 ISPGR World Congress
    • 発表場所
      Melia Sevilla Hotel (Seville, Spain)
    • 年月日
      2015-06-28 – 2015-07-02
    • 国際学会

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公開日: 2017-01-06  

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