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2013 年度 実績報告書

歩行における高度踏破性及び頑健性を実現するための筋骨格・神経機構の構成論的解明

研究課題

研究課題/領域番号 23360111
研究機関京都大学

研究代表者

青井 伸也  京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (60432366)

研究分担者 中陦 克己  近畿大学, 医学部, 講師 (60270485)
柳原 大  東京大学, 総合文化研究科, 准教授 (90252725)
土屋 和雄  京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 名誉教授 (70227429)
舩戸 徹郎  電気通信大学, 情報理工学(系)研究科, 助教 (40512869)
研究期間 (年度) 2011-04-01 – 2014-03-31
キーワード歩行 / 踏破性 / 頑健性 / 筋骨格・神経機構 / ヒト / サル / ラット / シミュレーション
研究概要

昨年度に引き続き,脳・身体・環境の動的相互作用から生成される歩行の高度踏破性及び頑健性を実現するための筋骨格・神経機構の解明を目指して,ヒト・サル・ラットを対象に運動計測データに基づいて運動機能を明らかにする解析的研究と,神経筋骨格モデルに基づくシミュレーションやロボットを用いて機能的役割を明らかにする構成論的研究を行った.
ヒトの運動解析では,外乱を負荷できるトレッドミルを用いて,ランダムな速度外乱が頻繁に入る環境下での計測を行い,位相応答曲線の同定を行った.その結果,ベルトの加速と減速による外乱が,共に遊脚期間を短縮して支持脚期間を延長させるという同一の運動変化を生じさせることが明らかになった.
サルの運動解析では,無拘束状態でトレッドミル上を四足と二足で交互に歩行する際の大脳皮質・補足運動野から単一神経細胞活動を記録した.その結果,補足運動野は体幹姿勢と肢のステッピングとの協調的制御に寄与し,前頭葉性歩行障害の病態を説明し得る神経基盤の一つであることが示唆された.
ラットの運動解析では,障害物跨ぎ越し歩行での小脳外側半球部片側破壊の影響を調べた.その結果,小脳外側半球部は平面歩行時の前肢及び後肢の制御にはほとんど寄与せず,障害物を最初に跨ぎ越す前肢において,肘関節の運動に関わる筋活動のタイミング制御と爪先の軌道生成に関与することが示唆された.
構成論的研究では,昨年度までにヒト歩行解析とロボット実験から明らかにした左右分離型トレッドミル上での適応メカニズムを更に明確にするため,ラットの後肢神経筋骨格モデルのシミュレーションを行った.その結果,左右のベルト速度が異なる特殊な環境でも,生理学的知見に基づく位相リセットにより適応的に歩行を継続でき,左右の位相差やデューティー比などがベルトの速度差に応じて適応的に変化し,ヒトや4足動物で見られる適応と同様の現象が起こることを確認した.

現在までの達成度 (区分)
理由

25年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

25年度が最終年度であるため、記入しない。

  • 研究成果

    (42件)

すべて 2014 2013

すべて 雑誌論文 (9件) (うち査読あり 8件) 学会発表 (27件) (うち招待講演 6件) 図書 (6件)

  • [雑誌論文] Simple legged robots that reveal biomechanical and neuromechanical functions in locomotion dynamics2014

    • 著者名/発表者名
      Shinya Aoi
    • 雑誌名

      Journal of Robotics and Mechatronics

      巻: 26 ページ: 98-99

    • 査読あり
  • [雑誌論文] ニホンザルの二足歩行と一次運動野:重力との戦いの足跡2014

    • 著者名/発表者名
      中陦克己
    • 雑誌名

      バイオメカニズム学会誌

      巻: 38 ページ: -

  • [雑誌論文] 運動学シナジーに基づくヒトの歩行制御構造の構成論的理解2013

    • 著者名/発表者名
      舩戸徹郎, 青井伸也, 冨田望, 土屋和雄
    • 雑誌名

      日本ロボット学会誌

      巻: 31(8) ページ: 739-746

    • DOI

      10.7210/jrsj.31.739

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Lesion in the lateral cerebellum specifically produces overshooting of the toe trajectory in leading forelimb during obstacle avoidance in the rat2013

    • 著者名/発表者名
      S. Aoki, Y. Sato, and D. Yanagihara
    • 雑誌名

      J. Neurophysiol

      巻: 110(7) ページ: 1511-1524

    • DOI

      10.1152/jn.01048

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Postural dysfunction in a transgenic mouse model of spinocerebellar ataxia type 32013

    • 著者名/発表者名
      H. Yamaura, H. Hirai, and D. Yanagihara
    • 雑誌名

      Neuroscience

      巻: 243 ページ: 126-135

    • DOI

      10.1016/j.neuroscience.2013.03.044

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Hysteresis in the metachronal-tripod gait transition of insects: A modeling study2013

    • 著者名/発表者名
      Soichiro Fujiki, Shinya Aoi, Tetsuro Funato, Nozomi Tomita, Kei Senda, and Kazuo Tsuchiya
    • 雑誌名

      Physical Review E

      巻: 88 ページ: 012717-1-7

    • DOI

      10.1103/PhysRevE.88.012717

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Neuromusculoskeletal model of human running based on muscle synergy2013

    • 著者名/発表者名
      Shinya Aoi, Tetsuro Funato, Nozomi Tomita, and Kazuo Tsuchiya
    • 雑誌名

      Proceedings of 5th International Symposium on Measurement, Analysis and Modelling of Human Functions

      巻: - ページ: 6-9

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Experimental validation of nonlinear PID control model for human sway during standing2013

    • 著者名/発表者名
      Tetsuro Funato, Koji Hashizume, Shinya Aoi, Nozomi Tomita, and Kazuo Tsuchiya
    • 雑誌名

      Proceedings of 5th International Symposium on Measurement, Analysis and Modelling of Human Functions

      巻: - ページ: 10-13

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Estimating the phase response curve of human walking using WSTA method2013

    • 著者名/発表者名
      Tetsuro Funato, Yuki Yamamoto, Shinya Aoi, Nozomi Tomita, Takashi Imai, Toshio Aoyagi, and Kazuo Tsuchiya
    • 雑誌名

      Proceedings of SICE Annual Conference 2013

      巻: - ページ: 1298-1299

    • 査読あり
  • [学会発表] 無拘束ニホンザルのトレッドミル歩行に関連した補足運動野の神経細胞活動2014

    • 著者名/発表者名
      中陦克己,森大志,村田哲,稲瀬正彦
    • 学会等名
      第91回日本生理学会大会
    • 発表場所
      鹿児島市・鹿児島大学
    • 年月日
      20140316-20140318
  • [学会発表] Locomotion dynamics and control in humans and animals2014

    • 著者名/発表者名
      Shinya Aoi
    • 学会等名
      RIMS Conference / The 6th CREST-SBM International Conference
    • 発表場所
      Kyoto University
    • 年月日
      20140310-20140310
    • 招待講演
  • [学会発表] 自律分散システム論としての「移動知」研究2014

    • 著者名/発表者名
      土屋和雄
    • 学会等名
      第26回自律分散システム・シンポジウム ワークショップ
    • 発表場所
      東京大学 山上会館
    • 年月日
      20140124-20140124
  • [学会発表] ラットの神経筋骨格モデルに基づく後肢スプリットベルト・トレッドミル歩行2014

    • 著者名/発表者名
      藤木聡一朗, 青井伸也, 柳原大, 舩戸徹郎, 冨田望, 荻原直道, 泉田啓, 土屋和雄
    • 学会等名
      第26回自律分散システム・シンポジウム
    • 発表場所
      東京大学 山上会館
    • 年月日
      20140124-20140124
  • [学会発表] 数理モデルと運動計測データに基づくヒトの走行における脚剛性の推定2014

    • 著者名/発表者名
      藤原直, 石塚駿太朗, 青井伸也, 舩戸徹郎, 大島裕子, 冨田望, 辻内伸好, 小泉孝之, 土屋和雄
    • 学会等名
      第26回自律分散システム・シンポジウム
    • 発表場所
      東京大学 山上会館
    • 年月日
      20140124-20140124
  • [学会発表] ヒトの自然歩容遷移時における筋電位解析2014

    • 著者名/発表者名
      冨田望, 勝部晃將, 舩戸徹郎, 青井伸也, 土屋和雄
    • 学会等名
      第26回自律分散システム・シンポジウム
    • 発表場所
      東京大学 山上会館
    • 年月日
      20140124-20140124
  • [学会発表] 生物の適応的歩行制御機構の構成論的理解2013

    • 著者名/発表者名
      青井伸也
    • 学会等名
      H25年度第5回ブレインウェア研究会
    • 発表場所
      東北大学 電気通信研究所
    • 年月日
      20131224-20131224
    • 招待講演
  • [学会発表] Contribution of primary motor cortex to the control of locomotion in Japanese monkeys2013

    • 著者名/発表者名
      中陦克己
    • 学会等名
      Professor Roger Lemon 退官記念シンポジウム
    • 発表場所
      ロンドン・神経学研究所
    • 年月日
      20131205-06
    • 招待講演
  • [学会発表] アルツハイマー病による作業記憶の障害が障害物回避歩行時に及ぼす影響2013

    • 著者名/発表者名
      瀬戸川将, 山浦洋, 遠藤昌吾, 柳原大
    • 学会等名
      第11回日本ワーキングメモリ学会大会
    • 発表場所
      京都
    • 年月日
      20131130-20131130
  • [学会発表] Neuromusculoskeletal models and legged robots to reveal adaptive functions in locomotion dynamics2013

    • 著者名/発表者名
      S. Aoi
    • 学会等名
      Swiss-Kyoto Symposium
    • 発表場所
      ETH Zurich Zentrum Campus, Swiss
    • 年月日
      20131121-20131121
  • [学会発表] 神経筋骨格モデルを用いた筋シナジーに基づくヒトの歩行制御2013

    • 著者名/発表者名
      青井伸也, 舩戸徹郎, 冨田望, 土屋和雄
    • 学会等名
      システム・情報部門学術講演会
    • 発表場所
      大津市・ピアザ淡海
    • 年月日
      20131119-20131119
  • [学会発表] サル一次運動野と歩行運動とのかかわり2013

    • 著者名/発表者名
      中陦克己,村田哲,稲瀬正彦
    • 学会等名
      システム・情報部門学術講演会
    • 発表場所
      大津市・ピアザ淡海
    • 年月日
      20131119-20131119
  • [学会発表] Deficits in working memory related to obstacle avoidance during locomotion in Alzheimer's disease mutant mice2013

    • 著者名/発表者名
      S. Setogawa, H. Yamaura, S. Endo, and D. Yanagihara
    • 学会等名
      The Society for Neuroscience Annual Meeting 2013
    • 発表場所
      San Diego, USA
    • 年月日
      20131112-20131112
  • [学会発表] アルツハイマー病による障害物回避歩行時の身体情報に関わる作業記憶の障害2013

    • 著者名/発表者名
      瀬戸川将, 山浦洋, 遠藤昌吾, 柳原大
    • 学会等名
      第68回日本体力医学会大会
    • 発表場所
      東京
    • 年月日
      20130921-20130921
  • [学会発表] ラットの平面歩行運動における小脳皮質中間部の薬理学的不活化の影響2013

    • 著者名/発表者名
      青木祥, 佐藤和, 柳原大
    • 学会等名
      第68回日本体力医学会大会
    • 発表場所
      東京
    • 年月日
      20130921-20130921
  • [学会発表] 平面歩行における下オリーブ核‐登上線維系破棄の影響2013

    • 著者名/発表者名
      佐藤和, 柳原大
    • 学会等名
      第68回日本体力医学会大会
    • 発表場所
      東京
    • 年月日
      20130921-20130921
  • [学会発表] Estimating the phase response curve of human walking using WSTA method2013

    • 著者名/発表者名
      T. Funato, Y. Yamamoto, S. Aoi, N. Tomita, T. Imai, T. Aoyagi, and K. Tsuchiya
    • 学会等名
      SICE Annual Conference 2013
    • 発表場所
      Nagoya, Japan
    • 年月日
      20130916-20130916
  • [学会発表] Evaluation of physiological hypothesis of motor control in human walking and running using a neuromusculoskeletal model2013

    • 著者名/発表者名
      S. Aoi, N. Tomita, T. Funato, and K. Tsuchiya
    • 学会等名
      ライフエンジニアリング部門シンポジウム
    • 発表場所
      慶応義塾大学 日吉キャンパス
    • 年月日
      20130912-20130912
  • [学会発表] 神経筋骨格モデルを用いた筋シナジーに基づくヒトの歩行・走行制御2013

    • 著者名/発表者名
      青井伸也, 冨田望, 舩戸徹郎, 土屋和雄
    • 学会等名
      第7回Motor Control研究会
    • 発表場所
      東京大学 弥生講堂・アネックス
    • 年月日
      20130907-20130907
  • [学会発表] ヒト歩行走行遷移時の筋電位解析2013

    • 著者名/発表者名
      冨田望, 勝部晃將, 舩戸徹郎, 青井伸也, 土屋和雄
    • 学会等名
      第7回Motor Control研究会
    • 発表場所
      東京大学 弥生講堂・アネックス
    • 年月日
      20130907-20130907
  • [学会発表] WSTA法によるヒト歩行リズムの位相応答曲線の推定2013

    • 著者名/発表者名
      舩戸徹郎, 山本雄基, 青井伸也, 冨田望, 今井貴史, 青柳富誌生, 土屋和雄
    • 学会等名
      第31回日本ロボット学会学術講演会
    • 発表場所
      首都大学東京 南大沢キャンパス
    • 年月日
      20130904-20130904
  • [学会発表] Neuromusculoskeletal model of human running based on muscle synergy2013

    • 著者名/発表者名
      S. Aoi, T. Funato, N. Tomita, and K. Tsuchiya
    • 学会等名
      5th International Symposium on Measurement, Analysis and Modelling of Human Functions
    • 発表場所
      Vancouver, Canada
    • 年月日
      20130627-20130627
  • [学会発表] Experimental validation of nonlinear PID control model for human sway during standing2013

    • 著者名/発表者名
      T. Funato, K. Hashizume, S. Aoi, N. Tomita, and K. Tsuchiya
    • 学会等名
      5th International Symposium on Measurement, Analysis and Modelling of Human Functions
    • 発表場所
      Vancouver, Canada
    • 年月日
      20130627-20130627
  • [学会発表] cbln1-null miceにおける歩行失調の動作学的解析2013

    • 著者名/発表者名
      竹内絵理, 石田綾, 山浦洋, 柚崎通介, 加藤明, 柳原大
    • 学会等名
      第36回日本神経科学大会
    • 発表場所
      京都
    • 年月日
      20130620-20130620
  • [学会発表] 生物の歩行適応機能の構成論的理解2013

    • 著者名/発表者名
      青井伸也
    • 学会等名
      第5回Beyond Robotics
    • 発表場所
      大阪大学 吹田キャンパス
    • 年月日
      2013-12-07
    • 招待講演
  • [学会発表] Role of the cerebellum in adaptive control of posture and locomotion2013

    • 著者名/発表者名
      D. Yanagihara
    • 学会等名
      Luncheon Seminar in 2nd Joint World Congress of ISPGR and Gait & Mental Function
    • 発表場所
      Akita, Japan
    • 年月日
      2013-06-26
    • 招待講演
  • [学会発表] システムバイオメカニクス2013

    • 著者名/発表者名
      土屋和雄
    • 学会等名
      同志社大学先端バイオメカニクス研究センター2013年度研究成果発表会
    • 発表場所
      同志社大学 京田辺キャンパス
    • 年月日
      2013-03-07
    • 招待講演
  • [図書] 8章 歩行制御のシステム論的理解, ヒトの動きの神経科学シリーズ・II 歩行と走行の脳・神経科学 -その基礎から臨床まで- (大築立志, 鈴木三央, 柳原大 編)2013

    • 著者名/発表者名
      青井伸也
    • 総ページ数
      13
    • 出版者
      市村出版
  • [図書] Chapter 1. Adaptive walking of a biped robot using nonlinear oscillators with phase resetting, Advances in Robotics - Modeling, Control and Applications, C. Ciufudean and L. García (Eds.)2013

    • 著者名/発表者名
      Shinya Aoi
    • 総ページ数
      18
    • 出版者
      iConcept Press
  • [図書] Chapter 3. Biologically inspired CPG-based locomotion control system of a biped robot using nonlinear oscillators with phase resetting, Interdisciplinary Mechatronics: Engineering Science and Research Development, M.K. Habib and J.P. Davim (Eds.)2013

    • 著者名/発表者名
      Shinya Aoi
    • 総ページ数
      32
    • 出版者
      Wiley-ISTE
  • [図書] Chapter 2. Gait transition control of a biped robot from quadrupedal to bipedal locomotion based on central pattern generator, phase resetting, and kinematic synergy, Engineering Creative Design in Robotics and Mechatronics, M.K. Habib and J.P. Davim (Eds.)2013

    • 著者名/発表者名
      Shinya Aoi
    • 総ページ数
      14
    • 出版者
      IGI Global
  • [図書] Chapter 6. Low-dimensional structures embedded in human locomotion: Data analysis and modeling, Self-organization: Theories and Methods, W.J. Zhang (Ed.)2013

    • 著者名/発表者名
      Shinya Aoi
    • 総ページ数
      16
    • 出版者
      Nova Science Publishers
  • [図書] ヒトの動きの神経科学シリーズ・II 歩行と走行の脳・神経科学 -その基礎から臨床まで- (大築立志, 鈴木三央, 柳原大 編)2013

    • 著者名/発表者名
      柳原大
    • 総ページ数
      232
    • 出版者
      市村出版

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公開日: 2015-05-28  

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