実体模型および摘出喉頭による仮声帯振動機構の解明と歌唱、医療、言語進化への展開

2022 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20K11875
• 研究機関: 立命館大学
• 研究代表者: 徳田 功 立命館大学, 理工学部, 教授 (00261389)
• 研究分担者: 石村 憲意 立命館大学, 理工学部, 助教 (50779072) [辞退] ; 西村 剛 京都大学, 霊長類研究所, 准教授 (80452308)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: 仮声帯振動 / 声帯振動 / 実体模型 / 喉歌 / 摘出喉頭吹鳴実験

研究実績の概要

声帯上部に位置する仮声帯は、通常の発声では振動しない。ただし、発声障害がある場合や、特殊な歌唱を行う場合には、声帯と同時に仮声帯も振動する「声帯-仮声帯振動」が生じることが知られている。本課題では、実体模型実験と動物の摘出喉頭吹鳴実験を基軸に、発声時に仮声帯振動を引き起こすメカニズムを明らかにすることを目的として、研究を行なった。
1) 昨年度開発したシリコン製仮声帯物理モデルを、シリコン製声帯(MR I)モデルの上に設置して吹鳴実験を行った。今年度は、喉頭室の大きさを制御パラメータとして変更したところ、喉頭室が大きい場合には声帯と仮声帯の周波数比が1対1の同期現象が見られたのに対して、喉頭室が小さくなると、2対1の同期が起こることが分かった。これは仮声帯が1回振動する間に、声帯が2回振動する状態を表しており、「アンダートーン」と呼ばれる歌唱法に対応している。仮声帯および声帯の張力を変えることなく、喉頭室の変化のみでこのような音高の調整が行えることが分かり、新しい知見を得ることができた。
2)アカゲザルの摘出喉頭を撮像したCTデータに基づき、シリコン製の実体模型を作成した。吹鳴実験を行ったところ、流量および喉頭室の大きさを調整することにより、声帯と仮声帯の1対1および2対1の同期振動が起こり、条件によってはカオス的発声が起こることが分かった。これはアカゲザル摘出喉頭の吹鳴実験結果を再現しており、シリコンモデルが動物のモデルとして妥当であることを示唆している。
3) アカゲザルのIn Vivo実験で撮像された高速動画データを分析したところ、実際の生物でも、仮声帯が声帯と同期的に振動する場合があることが分かり、アカゲザルが低音を発するために、声帯-仮声帯振動を用いている可能性が示唆された。また、アカゲザルには声帯膜があり、膜が振動することで高い音を出すことが可能であることも分かった。

研究成果

• [国際共同研究] CNRS/Grenoble Alpes University(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: CNRS/Grenoble Alpes University
• [国際共同研究] Universitaet Wien(オーストリア)
  • 国名: オーストリア
  • 外国機関名: Universitaet Wien
• [雑誌論文] Dynamic system coupling in voice production (2023)
  • 著者名/発表者名: Christian Thomas Herbst, Coen PH Elemans, Isao T Tokuda, Vasileios Chatziioannou, Jan G Svec
  • 雑誌名: Journal of Voice 巻: - ページ: -
  • DOI: 10.1016/j.jvoice.2022.10.004
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Detecting the dynamical instability of complex time series via partitioned entropy (2023)
  • 著者名/発表者名: Kota Shiozawa, Taisuke Uemura, and Isao T. Tokuda
  • 雑誌名: Physical Review E 巻: 107 ページ: 014207
  • DOI: 10.1103/PhysRevE.107.014207
  • 査読あり
• [雑誌論文] Experimental study on quasi-steady approximation of glottal flows (2022)
  • 著者名/発表者名: Takuto Honda, Mayuka Kanaya, Isao T. Tokuda, Anne Bouvet, Annemie Van Hirtum, Xavier Pelorson
  • 雑誌名: Journal of the Acoustical Society of America 巻: 151 ページ: 3129-3139
  • DOI: 10.1121/10.0010451
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Evolutionary loss of complexity in human vocal anatomy as an adaptation for speech (2022)
  • 著者名/発表者名: Takeshi Nishimura, Isao T. Tokuda, Shigehiro Miyachi, Jacob C. Dunn, Christian T. Herbst, Kazuyoshi Ishimura, Akihisa Kaneko, Yuki Kinoshita, Hiroki Koda, Jaap P. P. Saer, Hirohiko Imai, Tetsuya Matsuda, Ole Naesbye Larsen, Uwe Juergens, Hideki Hirabayashi, Shozo Kojima, W. Tecumseh Fitch
  • 雑誌名: Science 巻: 377 ページ: 760-763
  • DOI: 10.1126/science.abm1574
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Physical modeling of the vocal membranes and their influence on animal voice production (2022)
  • 著者名/発表者名: Mayuka Kanaya, Takuma Matsumoto, Taisuke Uemura, Rei Kawabata, Takeshi Nishimura, and Isao T. Tokuda
  • 雑誌名: JASA Express Letters 巻: 2(11) ページ: 111201
  • DOI: 10.1121/10.0015071
  • 査読あり
• [学会発表] 喉頭室の大きさを考慮した仮声帯発声実験\ (2023)
  • 著者名/発表者名: 韓 聰、松島 大輔、鎌田 将史、徳田 功
  • 学会等名: 日本音響学会2023年春季研究発表会
• [学会発表] アカゲザルの声帯物理モデルで観測された声帯振動から仮声帯振動への遷移現象 (2023)
  • 著者名/発表者名: 吉谷 友紀、上田 可奈子、小畑 大樹、西村 剛、徳田 功
  • 学会等名: 日本音響学会2023年春季研究発表会
• [学会発表] 声帯モデルと仮声帯モデルの固有振動周波数を考慮した片側喉頭吹鳴実験 (2022)
  • 著者名/発表者名: 松島 大輔、韓 聰、金谷 麻由佳、徳田 功
  • 学会等名: 日本音響学会2022年秋季研究発表会
• [学会発表] アカゲザルのマイクロCT 画像を用いた声帯物理モデルの構築 (2022)
  • 著者名/発表者名: 吉谷 友紀、上田 可奈子、小畑 大樹、西村 剛、徳田 功
  • 学会等名: 日本音響学会2022年秋季研究発表会