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2014 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
研究実績の概要

本研究では,生体特有の適応運動制御機構を工学的に実現することを目指し,生体運動制御の脳内メカニズムを探り,得られた治験をロボットや医療機器等の実機制御に応用することを目的とする.
本年度は,これまでに得られた神経生理学的知見ならびに行動実験の結果をもとに,小脳・脳幹型コントローラを構築し,実機制御に応用してその有効性を評価した.
ここでは,実時間で動作する小脳・脳幹神経回路モデルを計算機上に実装し,直流モーター,二輪倒立ロボットやクアドコプタなどの実機制御を行い,その有効性を実証した.
また,これらの実機制御実験を通し,小脳・脳幹神経回路による適応制御の神経機構に関する興味深い知見を得た.具体的には,我々の脳内に最も多く存在する小脳顆粒細胞の数をコントローラ内で変更し,実機適応制御における性能を評価した結果,小脳顆粒細胞数が多いほど,コントローラ内のシナプス荷重の初期値が実機制御精度に与える影響が小さくなることが示された.

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

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という本研究の目的において,今年度の具体的な研究実施計画項目は,
①小脳―脳幹型コントローラの構築,②小脳・脳幹BMIによるロボット制御,
であった.①に関しては順調に進んでおり,今日までに2本の学術論文としてまとめ,公表している(「研究実績の概要」参照).②に関しては,小脳の出力細胞であるPurkinje細胞の単一神経活動によりロボットアームの適応制御に成功し,1本の学術論文としてまとめ,公表している(この論文は,電子情報通信学会の論文賞を受賞した).また,国内外の学会やセミナー,シンポジウムにおいて発表・報告している.②における脳幹premotor細胞によるBMIについては,これを安定して実施するための装置の整備と実験技術の向上に努めている.これらの状況から,「研究の目的」の達成度については,おおむね順調に進展しているものと考えられる.

今後の研究の推進方策

本研究の実施期間は残り1年でる.最終年度は以下の推進方策で研究成果の最大化を図る.

基本的には当初の計画通り,平成26年度と同一の内容(「現在までの達成度」に示した①と②)の実験・解析を進める.特に,小脳・脳幹BMIの実験系を整え,前庭動眼反射(VOR)適応パラダイムの他,眼球運動中枢積分器(ONI)の適応パラダイムを利用したBMIによる実機適応制御を実現する.

また,これまでの研究成果を国内外の学会研究会やシンポジウムにおいて発表し,関連分野の研究者と議論・意見交換を重ね,学術論文としてまとめて学術雑誌に投稿する.

次年度使用額が生じた理由

魚類BMI用実験系の見直しによる小型装置の未購入

次年度使用額の使用計画

見直した実験系で必要となることが確定した小型機器から順次購入

  • 研究成果

    (29件)

すべて 2015 2014 その他

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 1件、 オープンアクセス 3件、 謝辞記載あり 3件) 学会発表 (24件) (うち招待講演 3件) 備考 (1件) 産業財産権 (1件)

  • [雑誌論文] Realistic bi-hemispherical model of the cerebellum uncovers the purpose of the abundant granular cells during motor control2015

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

      Frontiers in Neural Circuits

      巻: Vol.9, Article 18 ページ: pp.1-13

    • DOI

      10.3389

    • オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Mechanisms behind asymmetrical motor adaptation using a realistic bi-hemispherical neural network of the cerebellum for robot control2014

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

      Frontiers in Neural Circuits

      巻: Vol.8 ページ: pp.1-14

    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] 眼球・瞳孔運動に現れる覚醒状態とその神経機構2014

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

      日本神経回路学会論文誌

      巻: Vol.21, No.1, ページ: pp.20-31

    • オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [学会発表] ヒトと魚類における予測性眼球運動の学習と眼球運動速度蓄積機構の関係2015

    • 著者名/発表者名
      三木 俊太郎, 浦瀬 康平, 平田 豊
    • 学会等名
      平成26年度JAXA宇宙環境利用科学委員会 第10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
      倉敷中央病院総合保健管理センター 古久賀ホール(岡山県)
    • 年月日
      2015-03-06 – 2015-03-07
  • [学会発表] Real time artificial cerebellum to understand motor learning in the cerebellum2015

    • 著者名/発表者名
      Pinzon-Morales, R., Hirata, Y.
    • 学会等名
      平成26年度JAXA宇宙環境利用科学委員会 第10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
      倉敷中央病院総合保健管理センター 古久賀ホール(岡山県)
    • 年月日
      2015-03-06 – 2015-03-07
  • [学会発表] 過重力下と同様に高輝度視覚刺激でも眼球運動積分器学習が促進されるか?2015

    • 著者名/発表者名
      浦瀬 康平 平田 豊
    • 学会等名
      平成26年度JAXA宇宙環境利用科学委員会 第10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
      倉敷中央病院総合保健管理センター 古久賀ホール(岡山県)
    • 年月日
      2015-03-06 – 2015-03-07
  • [学会発表] 小脳両半球を陽に記述した数理モデルによるVOR運動シミュレーション2015

    • 著者名/発表者名
      稲垣 圭一郎 平田 豊
    • 学会等名
      平成26年度JAXA宇宙環境利用科学委員会 第10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
      倉敷中央病院総合保健管理センター 古久賀ホール(岡山県)
    • 年月日
      2015-03-06 – 2015-03-07
  • [学会発表] 自動車ドライバの覚醒度維持における能動的タスク、報酬、罰の効果2015

    • 著者名/発表者名
      近藤 勇気 平田 豊
    • 学会等名
      平成26年度JAXA宇宙環境利用科学委員会 第10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
      倉敷中央病院総合保健管理センター 古久賀ホール(岡山県)
    • 年月日
      2015-03-06 – 2015-03-07
  • [学会発表] Real-time artificial cerebellum to study neuronal mechanisms of motor learning.2015

    • 著者名/発表者名
      Pinzon-Morales, R., Hirata, Y.
    • 学会等名
      The 3rd RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer
    • 発表場所
      東北大学(宮城県)
    • 年月日
      2015-02-18 – 2015-02-19
  • [学会発表] A portable stand-alone bi-hemispherical neuronal network model of the cerebellum for engineering applications.2014

    • 著者名/発表者名
      Pinzon-Morales, R., Hirata, Y.
    • 学会等名
      Proc.2014 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics
    • 発表場所
      parma resort Bali at legion(Bali, Indonesia)
    • 年月日
      2014-12-05 – 2014-12-10
  • [学会発表] 視運動性眼球運動の周期同調と下船病2014

    • 著者名/発表者名
      平田 豊 三木 俊太郎 浦瀬 康平 Robert G. Baker
    • 学会等名
      第60回日本宇宙航空環境医学会大会「宇宙医学の推進と普及」
    • 発表場所
      御茶ノ水ソラシティ2階sola city Hall WEST(東京都)
    • 年月日
      2014-11-28 – 2014-11-29
  • [学会発表] Visual attention and individual miniature saccadic eye movements generated during car driving2014

    • 著者名/発表者名
      Hirayama, T., Oguri, T., Hirata, Y.
    • 学会等名
      Society for Neuroscience
    • 発表場所
      Washington Convention Center(Washington, America)
    • 年月日
      2014-11-15 – 2014-11-19
  • [学会発表] Predictive eye movements acquired by repetitive periodic optokinetic visual stimulation in goldfish.2014

    • 著者名/発表者名
      Miki, S., Baker, R., Hirata, Y.
    • 学会等名
      Society for Neuroscience
    • 発表場所
      Washington Convention Center(Washington, America)
    • 年月日
      2014-11-15 – 2014-11-19
  • [学会発表] 実車運転中の道路状況とマイクロサッカード発生特性2014

    • 著者名/発表者名
      平山 貴士, 三木 俊太郎, 小栗 崇治, 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
      奈良県新公会堂(奈良県)
    • 年月日
      2014-09-25 – 2014-09-26
  • [学会発表] 眼球運動中の網膜像と視細胞配列空間サンプリング像の可視化シミュレーション2014

    • 著者名/発表者名
      小島 隆介, 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
      奈良県新公会堂(奈良県)
    • 年月日
      2014-09-25 – 2014-09-26
  • [学会発表] ヒトと魚における周期的視覚刺激に対する予測性眼球運動の獲得2014

    • 著者名/発表者名
      三木 俊太郎, 浦瀬 康平, ロバート ベイカー, 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
      奈良県新公会堂(奈良県)
    • 年月日
      2014-09-25 – 2014-09-26
  • [学会発表] Cerebellum-Machine Interface to understand neuronal mechanisms of context specific motor learning.2014

    • 著者名/発表者名
      Hirata, Y., Katagiri, K., Miura, H., Tanaka,
    • 学会等名
      Proc. Life Engineering Symposium 2014
    • 発表場所
      金沢大学(石川県)
    • 年月日
      2014-09-17 – 2014-09-19
  • [学会発表] Evaluation of cerebellar dependent predictive optokinetic eye movements in goldfish2014

    • 著者名/発表者名
      Miki, S., Baker, R., Hirata, Y.
    • 学会等名
      The 37th Annual Meeting of the Japan Neuroscience Society, The JNNS Meeting Planner
    • 発表場所
      パシフィコ横浜(神奈川県)
    • 年月日
      2014-09-11 – 2014-09-13
  • [学会発表] Number of granular cells correlates with robot control performance2014

    • 著者名/発表者名
      Pinzon-Morales, R, Hirata, Y.
    • 学会等名
      The 24th Annual Conference of the Japanese Neural Network Society
    • 発表場所
      函館未来大学(北海道)
    • 年月日
      2014-08-27 – 2014-08-29
  • [学会発表] Bilateral cerebellar spiking neural network model to simulate motor learning of the vestibuloocular reflex.2014

    • 著者名/発表者名
      Inagaki, K., Hirata, Y.
    • 学会等名
      The 24th Annual Conference of the Japanese Neural Network Society
    • 発表場所
      函館未来大学(北海道)
    • 年月日
      2014-08-27 – 2014-08-29
  • [学会発表] Evaluation of hypersonic effect on biological signals that reflect alertness2014

    • 著者名/発表者名
      Kondo, Y., Itai, A., Shirakata, T., Koike, H., Hirata, Y.
    • 学会等名
      Proc. 25th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society
    • 発表場所
      Sheraton Chicago Hotel and Towers(Chicago, America)
    • 年月日
      2014-08-26 – 2014-08-30
  • [学会発表] Cerebellar dependent adaptation of reflexive eye movements in fish and primates2014

    • 著者名/発表者名
      Hirata, Y.
    • 学会等名
      The Blazquez Laboratory Seminar
    • 発表場所
      Washington University School of Medicine(Washington, America)
    • 年月日
      2014-08-25 – 2014-08-25
    • 招待講演
  • [学会発表] What we have learned from the comparison of eye movement performance and plasticity in fish and primates.2014

    • 著者名/発表者名
      Hirata, Y.
    • 学会等名
      The Jenks Vestibular Physiology Laboratory Seminar
    • 発表場所
      Massachusetts Eye and Ear Infirmary(Massachusetts, America)
    • 年月日
      2014-08-18 – 2014-08-18
    • 招待講演
  • [学会発表] 小脳両半球を陽に記述した数理モデルによる前庭動眼反射運動学習シミュレーション2014

    • 著者名/発表者名
      稲垣 圭一郎, 平田 豊
    • 学会等名
      第8回Motor Control研究会
    • 発表場所
      筑波大学(茨城県)
    • 年月日
      2014-08-07 – 2014-08-09
  • [学会発表] Spontaneous firing activity in climbing fiber is critical for a realistic bi-hemispherical cerebellar neuronal network during robot control2014

    • 著者名/発表者名
      Pinzon-Morales, R., Hirata, Y.
    • 学会等名
      23rd Annual Computational Neuroscience Meeting CNS*2014  BMC Neuroscience
    • 発表場所
      Quebec convention center(Quebec, Canada)
    • 年月日
      2014-07-26 – 2014-07-31
  • [学会発表] The number of granular cells in a cerebellar neuronal network model engaged during robot control increases with the complexity of the motor task2014

    • 著者名/発表者名
      Pinzon-Morales, R, Hirata, Y.
    • 学会等名
      23rd Annual Computational Neuroscience Meeting CNS*2014 BMC Neuroscience
    • 発表場所
      Quebec convention center(Quebec, Canada)
    • 年月日
      2014-07-26 – 2014-07-31
  • [学会発表] 眼球運動の運動学習メカニズム理解とBMI, ロボット制御, 居眠り運転防止技術への応用2014

    • 著者名/発表者名
      平田 豊
    • 学会等名
      平成26年度第2回ブレインウェア研究会
    • 発表場所
      東北大学(宮城県)
    • 年月日
      2014-06-24 – 2014-06-24
    • 招待講演
  • [備考] The Neural Cybernetics Laboratory

    • URL

      http://bit.ly/hirata_neural_cybernetics_lab

  • [産業財産権] 状態推定装置、および状態推定プログラム2014

    • 発明者名
      小栗崇治、平田豊
    • 権利者名
      株式会社デンソー、学校法人中部大学
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      特願2014-087512
    • 出願年月日
      2014-04-21

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公開日: 2016-06-01  

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