2020 Fiscal Year Annual Research Report
Characterization of age and disease induced alterations in postural and gait dynamics based on data assimilation techniques
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19H04181
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
野村 泰伸 大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (50283734)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
鈴木 康之 大阪大学, 基礎工学研究科, 講師 (30631874)
MILOSEVIC MATIJA 大阪大学, 基礎工学研究科, 助教 (50840188)
佐古田 三郎 独立行政法人国立病院機構大阪刀根山医療センター(臨床研究部), 独立行政法人国立病院機構大阪刀根山医療センター, 名誉院長 (00178625)
遠藤 卓行 独立行政法人国立病院機構大阪刀根山医療センター(臨床研究部), 独立行政法人国立病院機構大阪刀根山医療センター, 研究員(移行) (40573225)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | パーキンソン病 / 姿勢制御 / 間欠制御 / データ同化 / ベイズ推論 / 非線形制御システム / 分岐 / 動的疾患 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、ヒト立位姿勢制御系を非線形力学系とみなし、姿勢の不安定化を伴う神経疾患の発症メカニズムを、動的疾患の概念に基づき明らかにすることを目指している。具体的には、患者と健常者の立位姿勢・歩行運動を縦・横断的に計測し、得られたデータに近年申請者らが提唱している姿勢と歩行運動の神経制御の間欠制御モデルを同化（モデルのベイズ推論）することで、加齢や疾病、治療介入によって、運動機能や安定性が変化する過程を、同化モデルのパラメータ(分布)の被験者横断的分布として捉え、得られたモデル族の動態解析により、各疾患に固有の力学的構造を抽出し、患者個別的な定量診断・治療意思決定補助・病態予測に繋げることを目指している。
本研究の2020年度の研究実績は以下である。1) 立位姿勢モデルのデータ同化に有効な姿勢変動データの要約統計量を明らかにした。2) 1)で決定した要約統計量（確率変数）を、ヒト静止立位の姿勢動揺データ、およびモデルの数値シミュレーションによって得られた姿勢動揺データに対して計算し、両者の距離をカルバック・ライブラー情報量を用いて定量化した。3) こうした定量化を、若年健常者、健常高齢者、パーキンソン病患者からなる数百名の姿勢動揺データに適用し、各被験者の姿勢動揺を尤もよく再現するモデルパラメータの事後分布を推定した。4) その結果、若年健常者や高齢健常者のほとんどは間欠制御によって姿勢を安定している一方で、一部の高齢者や姿勢・歩行障害の重症度が高いパーキンソン病患者の制御からは間欠性が失われ、持続的な制御で姿勢が維持されていることが明らかにした。この成果は、非線形科学の国際的学際論文誌に掲載されるとともに、エディターズチョイスに選出され、さらに米国物理学協会のSNSでもフューチャーされた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
健常者および神経疾患患者の静止立位姿勢制御系の同定（データ同化）に関しては、計画以上に進捗しており、姿勢の間欠制御を特徴付ける脳活動の計測や、経皮的電気刺激による姿勢制御機能の変調を同化モデルパラメータの変化として捉えるという新たな研究に展開しつつある。
一方で、歩行のデータ同化は、コロナ禍の影響で新規のデータ取得が遅れているため、研究の進捗は計画よりもやや遅れている。
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| Strategy for Future Research Activity |
静止立位の神経制御メカニズムの解明と、神経疾患によるその変容の定量化に関しては、コロナ禍の状況を見つつ、パーキンソン病患者と高齢健常者を対象として姿勢変動の新たなデータ取得を実施する計画である。特に、床面が微小に移動する外乱に対する姿勢応答を計測し、それによって同化モデルのパラメータがどのように変化するかを調査する計画である。また、姿勢の間欠制御を特徴付ける脳活動の計測や、経皮的電気刺激による姿勢制御機能の変調を同化モデルパラメータの変化として捉えるという新たな研究の展開を推進する計画である。
一方、歩行運動に関しては、健常者および、可能な範囲でパーキンソン病患者の歩行周期変動を計測し、その特徴の定量化を進める計画である。なお、歩行のモデル化に関しては、２０２０年度の研究で、足部と地面が完全弾性衝突する仮定の元でのモデル化手法を、歩行ではなく片脚ドロップランディング課題を対象として確立することができたので、その手法を二足歩行に応用する計画である。
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