2014 Fiscal Year Research-status Report
ヒト静止立位姿勢の関節間協調運動を創発する神経系の制御戦略
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26750147
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
鈴木 康之 大阪大学, 基礎工学研究科, 助教 (30631874)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 姿勢制御 / 間欠制御 / UnControlled Manifold / サドル型不安定 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ヒトの二足立位姿勢は機械力学的に不安定である．中枢神経系がどのような制御によって立位姿勢を維持するのかは，未だ十分に理解されていない．近年の計測実験により，足関節や股関節をはじめとする身体の複数の関節間協調運動が立位姿勢維持に重要な役割を果たすことが指摘されている．本研究課題では，関節間協調運動に注目した姿勢動揺計測実験およびモデル解析により，中枢神経系が採用する姿勢制御メカニズムの解明を目指す．
先行研究において，立位時の鉛直方向に位置する関節(n個)角度を基底とする空間(n次元空間)に静止立位時におけるヒト身体の関節運動の軌跡を描画した場合，その軌跡はn次元空間に均等に分布するのではなく，ある低次元空間近傍に分布することが示された．先行研究では，その低次元空間(UnControlled Manifold; UCM)は身体の質量中心位置が一定である，また速度および加速度がゼロである空間に一致し，中枢神経系は身体質量中心位置の変動を最小化することを目的として関節間の協調運動を制御している，とされてきた．
これに対し，我々はヒト立位姿勢の間欠制御仮説を提唱してきた．中枢神経系を介した能動的制御が作用しない場合の直立姿勢はサドル型不安定平衡点であり，サドルの安定多様体のダイナミクスを巧みに利用した間欠制御により，立位姿勢を柔軟に維持できる．間欠制御仮説においては安定多様体がUCMと見なせる．
平成26年度は，ヒト立位姿勢の剛体リンクモデルを用いた解析および姿勢動揺計測実験から，身体質量中心位置が一定であるという条件を満たす多様体とサドルの安定多様体，および実際の姿勢動揺ダイナミクスを比較した．結果として，両多様体は幾何学的な配置がよく似ており，また姿勢動揺ダイナミクスが描く軌跡はこれらによく沿っていることが分かった．これらの結果は，運動制御に関する研究会で発表され，また近日中に論文発表する予定である．
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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
平成26年度は，健常者の姿勢動揺計測実験およびパーキンソン病患者の姿勢動揺計測実験を行った．ヒト立位姿勢を剛体リンクでモデル化し，そのモデルに基づいて計測実験で得られたデータの解析を行った．
本研究で行った計測実験により，ヒト静止立位時において，足関節のみならず，股関節を含めた複数関節が協調して柔軟に運動していることを確認した．また，立位時の鉛直方向に位置する関節角度を基底とする空間に姿勢動揺の軌跡を描画した場合，その軌跡は空間に一様に分布しているのではなく，全空間内の一部の低次元空間近傍に偏って分布していることを確認した．これらの結果は先行研究においても見られた結果であり，本研究で行った計測実験が十分に精度よく行われたことを意味する．
ヒト立位姿勢の剛体リンクモデルから定義されるサドルの安定多様体，および身体質量中心位置の変動がゼロである部分空間を姿勢動揺計測実験の結果を描画した空間に描画したところ，姿勢動揺ダイナミクスは両多様体に沿った運動であることがわかった．この結果は，研究計画時に予想した結果の一部と同じである．このことから研究はおおむね順調に進展しているといえる．
また，パーキンソン病患者の姿勢動揺計測実験を国立病院機構刀根山病院にて実施した．複数のパーキンソン病患者の計測データを集めることに成功しており，今後これの解析を行う予定である．
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| Strategy for Future Research Activity |
平成27年度以降は，当初の計画通り，健常者の関節の特性を変化させた静止立位時における姿勢動揺計測実験を行い，関節特性の変化が姿勢動揺に及ぼす影響を明らかにすることを目指す．また，パーキンソン病患者の姿勢動揺ダイナミクスとの比較を行うことで，パーキンソン病患者に見られる姿勢の不安定化，および健常者の柔軟な立位姿勢を実現する神経制御メカニズムの解明を目指す．
特性を変化させる関節として股関節を対象とし，股関節を固定することが可能な装具の開発を行う．これを装着した場合に見られる姿勢動揺ダイナミクスの変化を解析する．我々が提唱する間欠制御仮説が正しいならば，装具を装着しない場合と装具を装着した(股関節の受動的粘弾性を大きくした)場合では，状態空間内における安定多様体の空間配置が大きく異なるため，それぞれの場合で姿勢動揺ダイナミクスは大きく変化することが予想される．ただし，たとえ股関節が固定された場合でも，空間内の安定多様体(低次元空間)近傍に軌跡が描かれることが期待される．これに対し，パーキンソン病患者の姿勢動揺ダイナミクスは全く異なる特徴を見せることが予想される．我々は，パーキンソン病患者の姿勢の不安定化は，間欠的フィードバック制御システムの崩壊に起因すると考える．これに従うと，状態点は安定多様体近傍にとどまることができず，空間内に広く分布することが予想される．
健常者の股関節を固定した場合の姿勢動揺ダイナミクスと，パーキンソン病患者の姿勢動揺ダイナミクスを比較することにより，これを明らかにする．
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