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2013 年度 実績報告書

運動の制御と学習に関わる小脳・脳幹ループの役割理解と実機制御への応用

研究課題

研究課題/領域番号 24300115
研究機関中部大学

研究代表者

平田 豊  中部大学, 工学部, 教授 (30329669)

研究期間 (年度) 2012-04-01 – 2016-03-31
キーワード運動学習 / 眼球運動 / 小脳 / モデル / BMI / 適応制御 / ロボット
研究概要

本研究の目的は,脳で実現される適応運動制御機構を理解し,ロボットや医療機器等に用いられる実機モータ制御に応用することにある.これにより,小脳を中核とする運動の制御と学習に関する神経科学的理解が進むと同時に,生物と同等の運動学習機能を有する新たなモータ制御やロボット制御技術の開発に繋がるものと期待できる.本目的を達成するために,以下の具体的研究項目について研究を実施する:1) 前庭動眼反射(VOR), 眼球運動神経積分器(ONI)運動学習時の小脳,脳幹神経活動評価,2) 小脳―脳幹ループを陽に記述したVOR, ONI運動学習モデルの構築,3) 小脳―脳幹型コントローラの構築,4) 小脳・脳幹BMIによるロボット制御.平成25年度は, 平成24年度に得られた実験データならびにこれまでの解剖・生理学的知見をもとに, 主に構成論的アプローチにより研究を進め, 研究項目2)の達成を目指した.また, 研究遂行過程で得られた予測の確認のため, 適宜上記1)の実験を実施した.まず, これまでに構築し, 眼球運動ならびにPurkinje細胞活動を忠実に再現できることを確認したVORモデルに, 最新の知見に基づき小脳皮質神経回路網内シナプス可塑性を実装した.次に,これまでに構築したONIを実現する脳幹神経回路モデルを両眼ならびに耳側・鼻側別の記述に拡張した.これにより,小脳・脳幹ループを陽に記述したVOR・ONI両眼球運動ならびにそれらの運動学習をシミュレート可能なモデルが一通り実装された.現在,このモデルを用い,実装した小脳皮質内シナプス可塑性の組合せにより, 初年度の実験に用いたVOR・ONIに関する複雑適応制御課題をシミュレートしている.

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

平成24年度ならびに25年度に実施した行動ならびに神経生理学実験のデータに基づくモデルの構築,およびにシミュレーション解析がほぼ予定通り進行しているため.

今後の研究の推進方策

上述の通り,本研究では,以下の具体的研究項目について研究を実施する:
1) 前庭動眼反射(VOR), 眼球運動積分器(ONI)運動学習時の小脳, 脳幹神経活動評価
2) 小脳―脳幹ループを陽に記述したVOR, ONI運動学習モデルの構築
3) 小脳―脳幹型コントローラの構築
4) 小脳・脳幹BMIによるロボット制御
本年度は, 主に研究項目3)を実施する.この時点までに得られた知見を集約し, 小脳・脳幹型実機適応コントロ ーラを構築して,実機制御に応用する.応用例として,不安定系で比較的制御の難しい二輪倒立型ロボットの姿勢制御と,パーキンソン病患者に見られる振幅や周波数が時変的な手の振動(振戦)を補正するための制振自助具制御に取り組む.ここでは,PIDコントローラの代わりに上述の脳幹神経ネットワークモデルを簡略化したものを用い,小脳・脳幹ループを有する脳内適応運動制御機構により近いコントローラを構築し,複雑な目標軌道制御を実現する.小脳・脳幹モデルによる制振自助具のアイデアは特許公開済みであり,二輪倒立型ロボット制御に用いる小脳・脳幹型コントローラのパラメータを自助具制御用に最適化し,実用化を目指す.これらと平行して,研究項目4)のために金魚小脳ならびに脳幹神経細胞を用いたBMI技術を確立する.小脳・脳幹BMIによるロボットアーム適応制御では,金魚のVORおよびONI適応学習機能を利用する.

次年度の研究費の使用計画

本年度の実験が効率よく進んだ結果,薬品等の消耗品の支出が予定より少額となった。
モデルシミュレーションの追加実施に伴う結果データ保存用のハードディスクを次年度前半に執行する予定である.

  • 研究成果

    (28件)

すべて 2014 2013 その他

すべて 雑誌論文 (5件) (うち査読あり 2件) 学会発表 (21件) (うち招待講演 2件) 図書 (1件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] 小型動物脳による環境適応型モータ制御技術の開発.2014

    • 著者名/発表者名
      平田 豊
    • 雑誌名

      情報科学リサーチジャーナル

      巻: Vol.21 ページ: pp.29-36

  • [雑誌論文] 小脳が関与する予測性眼球運動学習の金魚における評価2014

    • 著者名/発表者名
      三木 俊太郎, Baker, R., 平田 豊
    • 雑誌名

      電子情報通信学会技術研究報告, NC2013-130

      巻: vol.133, no.500 ページ: pp.239-244

  • [雑誌論文] サッカード運動を指標とした覚醒低下検知2013

    • 著者名/発表者名
      和久井秀樹, 平田 豊
    • 雑誌名

      生体医工学会論文誌

      巻: 第51巻6号 ページ: accepted

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Customization of Wavelet Function for Pupil Fluctuation Analysis to Evaluate Levels of Sleepiness2013

    • 著者名/発表者名
      Pinzon-Morales, R., Hirata, Y.
    • 雑誌名

      Journal of Communication and Computer

      巻: Vol.10 ページ: pp.585-592

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 眼に現れる眠気とその予兆2013

    • 著者名/発表者名
      平田 豊
    • 雑誌名

      神経眼科

      巻: 第30巻3号 ページ: pp.275-278

  • [学会発表] 重力とサッカード着地点の関係解析2014

    • 著者名/発表者名
      惠本 序珠亜, 平田 豊
    • 学会等名
      平成25年度JAXA宇宙環境利用科学委員会 第9回「宇宙環境へ適応するための感覚-運動ゲインコントロール」についてのWG会合
    • 発表場所
      リゾーピア熱海(静岡県)
    • 年月日
      20140307-20140308
  • [学会発表] 周期的視覚刺激で獲得される予測生眼球運動2014

    • 著者名/発表者名
      三木 俊太郎, 平田 豊
    • 学会等名
      平成25年度JAXA宇宙環境利用科学委員会 第9回「宇宙環境へ適応するための感覚-運動ゲインコントロール」についてのWG会合
    • 発表場所
      リゾーピア熱海(静岡県)
    • 年月日
      20140307-20140308
  • [学会発表] Simulation of oculomotor control and learning by a realistic spiking cerebellar neuronal network model2014

    • 著者名/発表者名
      Inagaki, K., Hirata, Y.
    • 学会等名
      The 2nd RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer
    • 発表場所
      東北大学電気通信研究所(宮城県)
    • 年月日
      20140221-20140222
  • [学会発表] Period tuning of the optokinetic response: A new cerebellar dependent predictive motor learning?2014

    • 著者名/発表者名
      Miki, S., Baker, R., Hirata, Y.
    • 学会等名
      The 2nd RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer
    • 発表場所
      東北大学電気通信研究所(宮城県)
    • 年月日
      20140221-20140222
  • [学会発表] Oculomotor test bench for developing zebrafish larvae2014

    • 著者名/発表者名
      Hirata, Y., Miyamoto, H., Ouchi, Y., Beck, J., Baker, R.
    • 学会等名
      6th Asia Oceania Zebrafish Meetoing, Additional Abstracts
    • 発表場所
      香港科技大学(香港)
    • 年月日
      20140119-20140122
  • [学会発表] “視運動性眼球運動の予測学習と小脳の関わり”2014

    • 著者名/発表者名
      三木俊太郎, Robert Baker, 平田 豊
    • 学会等名
      脳と心のメカニズム 第14回冬のワークショップ
    • 発表場所
      北海道ルスツリゾート(北海道)
    • 年月日
      20140108-20140110
  • [学会発表] 眼球運動による運動学習神経機構理解,ロボット制御,眠気予知2013

    • 著者名/発表者名
      平田 豊
    • 学会等名
      シンポジウム 工学的技術と基礎心理学の融合と発展,日本基礎心理学会第32回大会
    • 発表場所
      金沢市文化ホール(石川県)
    • 年月日
      20131207-20131208
    • 招待講演
  • [学会発表] 眼球運動に現れるドライバ状態2013

    • 著者名/発表者名
      平田 豊
    • 学会等名
      計測自動制御学会システム・情報部門学術講演会 SSI2013
    • 発表場所
      ピアザタ淡海(滋賀県)
    • 年月日
      20131118-20131120
    • 招待講演
  • [学会発表] Frequency dependent VOR motor learning in normal and cerebellectomized goldfish2013

    • 著者名/発表者名
      Miki, S., Matsuyama, M., Baker, R., Hirata, Y.
    • 学会等名
      Society for Neuroscience2013
    • 発表場所
      San Diego Convention Center(アメリカ)
    • 年月日
      20131109-20131113
  • [学会発表] マイクロサッカードを用いたドライバ注意力低下検知の検討2013

    • 著者名/発表者名
      柿崎勝,塩谷 武司,三木俊太郎,平田 豊
    • 学会等名
      自動車技術会2013年秋季大会
    • 発表場所
      名古屋国際会議場(愛知県)
    • 年月日
      20131023-20131025
  • [学会発表] 実車走行中のマイクロサッカード発生頻度と道路状況の関係2013

    • 著者名/発表者名
      平山貴士,三木俊太郎,平田 豊
    • 学会等名
      電気関係学会東海支部連合大会
    • 発表場所
      静岡大学 浜松キャンパス(静岡県)
    • 年月日
      20130924-20130925
  • [学会発表] 視線移動時の空間的精度に与える重力軸の影響2013

    • 著者名/発表者名
      恵本序珠亜, 浅井賢也, 浦瀬康平,平田 豊
    • 学会等名
      電気関係学会東海支部連合大会
    • 発表場所
      静岡大学 浜松キャンパス(静岡県)
    • 年月日
      20130924-20130925
  • [学会発表] 視運動性眼球運動の周期同調学習の性質2013

    • 著者名/発表者名
      三木俊太郎,Baker, R., 平田 豊
    • 学会等名
      電気関係学会東海支部連合大会
    • 発表場所
      静岡大学 浜松キャンパス(静岡県)
    • 年月日
      20130924-20130925
  • [学会発表] Active driving maneuver to maintain high arousal level2013

    • 著者名/発表者名
      Shirakata, T., Koike, H., Hirata, Y.
    • 学会等名
      FAST-zero’13
    • 発表場所
      名古屋大学(愛知県)
    • 年月日
      20130922-20130926
  • [学会発表] 回旋性視運動性眼球運動と後眼振2013

    • 著者名/発表者名
      平田 豊
    • 学会等名
      電子情報通信学会技術研究報告
    • 発表場所
      NICTけいはんな(京都府)
    • 年月日
      20130912-20130913
  • [学会発表] “視運動性眼球運動の周期同調学習の性質”2013

    • 著者名/発表者名
      三木俊太郎, Robert Baker, 平田 豊
    • 学会等名
      第7回Motor Control研究会, A-33(ポスター)
    • 発表場所
      東京大学農学部 弥生講堂(東京都)
    • 年月日
      20130905-20130907
  • [学会発表] Microsaccades generated during car driving2013

    • 著者名/発表者名
      Miki, S., Hirata, Y.
    • 学会等名
      Proc. 35th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society
    • 発表場所
      大阪国際会議場(大阪府)
    • 年月日
      20130703-20130707
  • [学会発表] Is it sensory or motor error that is carried by climbing fiber for driving cerebellar plasticity? Evaluation by a cerebellar neuronal network model in real-world robot control2013

    • 著者名/発表者名
      Pinzon-Morales, R., Hirata, Y.
    • 学会等名
      Neuro2013
    • 発表場所
      国立京都国際会館(京都府)
    • 年月日
      20130620-20130623
  • [学会発表] 自動車運転中のマイクロサッカードと超短間隔Square wave jerkの評価2013

    • 著者名/発表者名
      三木 俊太郎, 平田 豊
    • 学会等名
      Neuro2013
    • 発表場所
      国立京都国際会館(京都府)
    • 年月日
      20130620-20130623
  • [学会発表] Maintenance of high arousal level by voluntary driving maneuver using sensory feedback2013

    • 著者名/発表者名
      Shirakata, T., Koike, H., Hirata, Y.
    • 学会等名
      ESV2013
    • 発表場所
      The Coex World Trade Center Complex(韓国)
    • 年月日
      20130527-20130530
  • [学会発表] 輻輳角を指標とした漫然状態検知技術の実用性評価(第2報)2013

    • 著者名/発表者名
      和久井秀樹, 平田 豊
    • 学会等名
      自動車技術会2013年春季大会
    • 発表場所
      パシフィコ横浜(神奈川県)
    • 年月日
      20130522-20130524
  • [図書] 新インターユニバーシティ ディジタル信号処理2013

    • 著者名/発表者名
      岩田彰編著,平田 豊, 稲垣圭一郎,石原彰人,板井陽俊著
    • 総ページ数
      184頁
    • 出版者
      オーム社
  • [備考] The Neural Cybernetics Laboratory

    • URL

      http://nclab.solan.chubu.ac.jp/nclab/

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公開日: 2015-05-28  

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