2017 Fiscal Year Annual Research Report
背景脳状態が運動記憶形成・想起・維持過程に及ぼす影響
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17H00874
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
野崎 大地 東京大学, 大学院教育学研究科(教育学部), 教授 (70360683)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
門田 宏 高知工科大学, 情報学群, 准教授 (00415366)
平島 雅也 国立研究開発法人情報通信研究機構, 脳情報通信融合研究センター脳情報通信融合研究室, 主任研究員 (20541949)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 運動学習 / 運動記憶 / 非侵襲的脳刺激 / 多様性練習 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
大別して以下の３つのプロジェクトを並行して進めている。
1.腕到達運動を力場に適応させる運動学習実験課題を用い、力場への適応（トレーニング）の後、運動記憶の程度腕の軌道を直線状に拘束して行うエラークランプ試行を繰り返し、後効果の減衰動態により記憶の定着度合いを評価した。
(a)課題の多様性の影響：標的位置に中程度（±5度）の変動をもたせてトレーニングを行うと運動記憶の定着度が増加すること、その一方で変動を増やしすぎると（±20度）、学習量自体が却って低下することが明らかとなった。(b)トレーニング時の脳状態が記憶想起に及ぼす影響：被験者の左一次運動野周りに4つの刺激電極を配置することにより最大4パターンのtDCS（経頭蓋直流電気刺激）を与えることができる。エラークランプ試行時の刺激パターンを、トレーニング時と同一にしたとき、つまり背景脳状態をトレーニング時と想起時で揃えたときに記憶の発現量が最大になることが明らかになった。(c)背景脳状態の多様性の影響：トレーニング時のtDCSパターンを1から4に増やすことにより、運動記憶の定着度が増加することが明らかとなった。
2. 背景脳状態に応じて運動記憶素子が動員される数学モデルの構築：上記の運動学習実験、とくに標的多様性の効果の機序を明らかにするために、従来の運動学習数理モデル（Nozaki & Scott, Exp Brain Res 2009など）に、背景脳状態に応じて運動記憶素子の動員率が確率的に定まる性質を導入した数理モデルを構築しているところである。
3. 背景脳状態に応じた運動の脳内表象：陽極・陰極tDCSを一次運動野に受けながら到達運動（我々が独自開発した手首運動用マニピュランダムを使用）を行っている際の脳活動をfMRIによって測定し、到達運動の脳内表象のtDCS極性依存性を明らかにする実験および解析を進めているところである。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
上記概要であげた３項目に即して言えば、項目１については順調に研究が進んでいる。標的位置の多様性の実験（項目1a）については一通りの実験を終え、適度な多様性が存在する状況でのトレーニングが運動記憶定着度合いを高めるというポジティブな結果を得た。脳状態の操作については、H29年度は、実験系のセットアップおよび項目1bの部分的実施のみを予定していたが、項目1bについてはすでに実験・解析が完了、さらに項目1cについても1パターン、4パターンtDCSの実験まで完了させることができている。
項目2については、パラメータの選択が恣意的であり、十分妥当なモデルであるとは考えていないが、標的多様性を増やしたときの実験結果（項目1a）を一部再現できる数学的モデルを構成することができている。
項目3については、今年、高知工科大学のfMRIの入れ替え作業が入り、十分な実験は実施できていないが、Multivoxel pattern analysisの一つである、Representational Similarity Analysis (RSA)を適用することの有効性、および実験設定で留意すべき点が整理されてきた。
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| Strategy for Future Research Activity |
概要であげた３項目に即して今後の推進方策を述べる。まず項目1cについては、2パターン刺激の効果、一次運動野以外へのtDCSの効果を調べる実験を、コントロール実験として実施し、背景脳状態多様性練習の効果を実証する。H30年度は、項目1b,cのような外部刺激による脳状態操作に加え、脳波記録によってモニターした脳状態に応じて動作開始のトリガをかけ、自発的に生じている脳状態と運動記憶との関連を検討する実験系の構築を進めていく。
項目2の数学的モデルについては、標的多様性の効果だけでなく、脳状態多様性の効果を説明するモデルの開発を目指す。運動学習に関わる素子の数が多様性練習によって増加することをうまく数理的に表現できれば良いと考えている。
項目3の脳内表象については、これまでの予備的実験、予備的解析によって得られた結果をもとに設定した新実験プロトコルに基いて実験を行う。なお、高知工科大学のfMRIは新たにPrismaが導入され、ベッドの高さ等にも変更があった。これに伴いマニピュランダムの設定も若干変更が生じたため、滞りなく実験を実施できるよう、できるだけ早い時期に実験システムの再確認作業を行う。
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