2020.4 – 2021.3 年報
ANNUAL REPORTCENTER FOR NEUROSCIENCE AND
BIOMEDICAL ENGINEERING(CNBE)
脳・医工学研究センター

-1-

はじめに
2020 年，世界の常識は覆され⼈類の⽣活様式は⼤きく転換した．社会の枠組みが根底から⾒直される⼀⽅で，科学の⼒は脅威に対して未熟である現実も露呈した．本研究センターは，医⼯学研究を看板に掲げているにも関わらず，研究活動を制限せざるを得ないもどかしい１年となった．本研究センターの活動の中⼼でもある医⼯学分野の⼈材を育成するという⽬標も達成することができたか検証が必要である．未だ⼤きな犠牲が払われるなか，ものづくりや医⼯学技術に関する研究開発及び本分野における⼈材育成が困難を克服するための最善の⼿段になると願い，僅かであるが年次報告として
令和２年度の成果をまとめさせていただいた．
今年度は，引き続き基礎研究及び新技術の開発に邁進することで本研究センターの存在意義を⾼める所存である．また，最終年度に向けて若⼲の体制の強化も予定しており，未来に継続する形での取り組みと成果を発信できればと考えている．引き続き当研究センターの活動に対するご理解とご⽀援を戴ければ幸いである．

令和 3 年 ６⽉

脳・医⼯学研究センター
センター⻑ 正本和⼈

-1-

メンバー 2021.5.1 現在
研究センター教員︓
正本 和⼈
教授 センター⻑
安藤 創⼀
准教授
岡⽥ 英孝
教授
樫森 与志樹 教授
狩野 豊
教授
⼩池 卓⼆
教授
⼩泉 憲裕
准教授
佐藤 俊治
准教授
姜 銀来
准教授
庄野 逸
教授
孫 光鎬
准教授
⽥中 繁
特任教授
東郷 俊太
准教授
仲村 厚志
助教
牧 昌次郎
准教授
松⽥ 信爾
准教授
宮脇 陽⼀
教授
⼭﨑 匡
准教授
横井 浩史
教授
客員教員
⼭⽥ 幸⽣
丹⽻ 治樹
中村 整
⼩林 孝嘉
⾼⼭ 真⼀郎
⼭村 修
星 詳⼦
瀧⽥ 正寿
神作 憲司
兪 ⽂偉
加藤 ⿓
呂 宝糧
⾼⽊ 岳彦
曹 其新
陳 衛東
楊 俊友
孫 柏⻘
荒牧 勇
⻩ 強
段 峰
Nguyen Vu Trung
原⽥ ⻯彦
新井 健⽣

電気通信⼤学・名誉教授
電気通信⼤学・名誉教授
電気通信⼤学・名誉教授
東京⼤学・名誉教授
社会福祉法⼈⽇本⼼⾝障害児協会 島⽥療育センター 副院⻑
福井⼤学医学部 地域医療推進講座 講師
浜松医科⼤学・光尖端医学教育研究センター 教授
産業技術総合研究所 産業技術総合研究所 健康医⼯学研究部⾨・シニアスタッフ
獨協医科⼤学 医学部 ⽣理学(⽣体情報)講座 主任教授
千葉⼤学 フロンティア医⼯学センター 教授
横浜国⽴⼤学 ⼤学院⼯学研究院システムの創⽣部⾨ 准教授
上海交通⼤学 Shanghai Education Commission ディレクター
国⽴成育医療研究センター 臓器・運動器病態外科部 整形外科 診療部⻑
School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University Professor
Institute of Medical Robotics, Shanghai Jiao Tong University Dean
School of Electrical Engineering, Shenyang University of Technology Professor
School of Electrical Engineering, Shenyang University of Technology Professor
中京⼤学 スポーツ科学部 教授
北京理⼯⼤学 知能ロボティクス研究所 教授
南開⼤学⼤学院⼯学研究科 教授
National Hospital of Tropical Diseases, Hanoi, Vietnam Vice Director
国際医療福祉⼤学 教授
北京理⼯⼤学 教授

-2-

⽬

次

光計測基礎技術開発グループ -----------------------------------牧、仲村

4

⽣体脳解析研究グループ ---------------------------------------正本、宮脇、庄野、松⽥，安藤

8

運動機能福祉技術開発グループ ---------------------------------⼩池、横井、狩野、岡⽥、⼩泉、姜、孫、東郷

16

理論神経科学研究グループ ------------------------------------樫森、⽥中、⼭﨑、佐藤27

特任・客員教員
⼭⽥，丹⽻, ⼩林---------------------------------------

33

セミナー

-------------------------------------

35

-3-

光計測基礎技術開発グループ （牧，仲村）
⽣体機能が持つ可塑性，⾃⼰回復，再⽣能⼒を評価するための新規光プローブの開発基礎研究，及び光を⽤いたイメージング技術，多次元画像解析に関する教育研究を推進する．
牧 昌次郎 准教授 （東 6-827）
専⾨分野︓ 有機合成，⽣物有機化学
研究テーマ︓ホタル⽣物発光型 in vivo イメ
ージング⽤標識材料の創製
メッセージ︓光イメージングは，ライフサ
イエンスの基盤技術であり，ライフサイエ
ンスのレベルを決めると⾔われています．
私たちは，⾼い技術レベルに留まらず，実⽤的標識材料の開発を追求しています．アカルミネとトケオニ
は，既に実⽤化（市販）されています．

仲村 厚志 助教 （東６－639）
専⾨分野︓神経科学，⽣化学
研究テーマ︓体内時計メカニズムの解明，invivo イメージングシステムの開発
メッセージ︓ホタル発光遺伝⼦導⼊マウスを⽤いて，体内時計の仕組みの解明を⽬指しています．また，牧研究室と共同で，新しい in vivo
イメージングシステムの開発を試みています．

-4-

2020 牧 昌次郎 研究室 http://www.firefly.pc.uec.ac.jp/
研究のまとめ（2020 年 4 ⽉〜2021 年 3 ⽉）
⽣体内深部可視化技術の競争（⻑波⻑発光材料の開発競争）が世界で激しくなっている．2019 年末にホタル⽣物系では，⽶国プロメガ社が 2018 年に論⽂で公開した ca.740 nm の⼈⼯材料を超える，世界最⻑波⻑となる NIR ⼈⼯発光基質“GeKiaka”(ca. 760 nm)を創製し，その技術の権利化と発表を⾏った．2020 年度はこの権利化とデータ収集を⾏なった．また，ホタル⽣物発光酵素(ca. 62 kDa)が⼤
きくウィルスの標識には不適であることが⻑年指摘されていた．しかし，海ホタル系では発光酵素は⼩さい(ca. 19 kDa)ものの，天然系は短波⻑(ca.480 nm)でありインフルエンザ等のウィルスの⽣体内動態の可視化には全く不⼗分であった．そこで海ホタル発光基質もホタルの系に倣って⼈⼯化することで，近⾚外発光領域(650-900 nm)の発光(ca.670 nm)を実現した．
Shojiro Maki Laboratory http://www.firefly.pc.uec.ac.jp/
Summary (April, 2020–March, 2021)
Every year, in vivo imaging technology is witnessing intensifying competition globally. In 2019, we innovatednear-infrared (NIR) luciferin “GeKiaka”, which has the longest wavelength in the world (ca. 760 nm). Its
wavelength is much longer than that of the NIR luciferin (ca. 740 nm) produced and reported by Promega
Corporation (USA) in 2018. We have obtained a patent for “GeKiaka” and presented it. In this year (4 / 2020 – 3/2021), we collected data to apply for the patent. Further, firefly luciferase (ca. 62 kDa) is inconvenient for virus
labeling as it is too large. Although Cypridina luciferase is sufficiently small (NanoLuc®: ca. 19 kDa) for virus
labeling, its bioluminescence has an insufficient wavelength (ca. 480 nm) for in vivo imaging. We innovated NIR
coelenterazines with ca. 670 nm by molecular modeling of Cypridina luciferin (coelenterazine), as with NIR
luciferin.
主な研究業績（論⽂，特許など）Research achievements
1. (IF: 2.572) Chihiro Yoshida, Tomoya Higashi, Yoshifumi Hachiro, Takuya Yagi, Azusa Takechi, Chihiro Nakata,

2.

3.
4.

5.

6.

7.

Kazuya Miyashita, Nobuo Kitada, Ryohei Saito, Rika Obata, Takashi Hirano, Takahiko Hara, and Shojiro A.
Maki*, “Synthesis of polyenylpyrrole derivatives with selective growth inhibitory activity against T-cell acutelymphoblastic leukemia cells”, Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters, 37, 127837 (2021).
(IF: 4.556) Ryohei Saito*, Jun Nakayama, Genta Kamiya, Nobuo Kitada, Rika Obata, Shojiro A. Maki, Hiroshi
Aoyama, “How to select the firefly luciferin analogues for in vivo imaging”, International Journal of Molecular
Sciences, 22(4), 1848 (2021).
(IF: 4.120) Shota Tamaki, Nobuo Kitada, Masahiro Kiyama, Rika Fujii, Takashi Hirano, Sung Bae Kim,*
Shojiro Maki*, Scientific Reports, 11, 2219 (2021).
(IF: 4.556) Jun Nakayama, Ryohei Saito, Yusuke Hayashi, Nobuo Kitada, Shota Tamaki, Yuxuan Han, Kentaro
Semba and Shojiro A. Maki, “High sensitivity in vivo imaging of cancer metastasis using a near-infrared
luciferin analogue seMpai”, International Journal of Molecular Sciences, 21, 7896 (2020).
(IF: 4.58) Mamoru Fukuchi* , Ryohei Saito, Shojiro Maki, Nami Hagiwara, Yumena Nakajima, Satoru Mitazaki,
Hironori Izumi and Hisashi Mori, “Visualization of activity-regulated BDNF expression in living mouse brain
using non-invasive near-infrared bioluminescence imaging”, Molecular Brain, 13, 122-132 (2020).
(IF: 2.171) Nobuo Kitada, Ryohei Saito, Rika Obata, Satoshi Iwano, Kazuma Karube, Atsushi Miyawaki,
Takashi Hirano and Shojiro A. Maki*, “Development of near-infrared firefly luciferin analogue reacted withwild type and mutant luciferases”, Chirality, 32 (7), 922–931 (2020).
(IF: 5.996) Matsuhashi, Chihiro; Ueno, Takuya; Uekusa, Hidehiro; Sato-Tomita, Ayana; Ichiyanagi, Kouhei;
Maki, Shojiro; Hirano, Takashi, Isomeric difference in the crystalline-state chemiluminescence property of an
adamantylideneadamantane 1,2-dioxetane with a phthalimide chromophore. Chemical Communications (Chem.

-5-Commun.) 56, 3369-3372 (2020).

・特許
1. 特願 2021-032167,「新規複素環式化合物及びその塩、並びに、発光基質組成物」
発明者︓牧 昌次郎，北⽥ 昇雄，森屋 亮平
出願⼈︓国⽴⼤学法⼈ 電気通信⼤学，⿊⾦化成株式会社
出願⽇ 2021 年 3 ⽉ 1 ⽇
2. 特願 2020-148548,「発光システム及びシトクロムＰ４５０の定量⽅法」
発明者︓仲村 厚志，牧 昌次郎，⿑藤 亮平，北⽥ 昇雄
出願⼈︓国⽴⼤学法⼈ 電気通信⼤学，⿊⾦化成株式会社
出願⽇２０２０年９⽉３⽇
3. 特願 2020-123183,「検出装置、検出⽅法、及び検出器」
発明者︓⼭⽥ 幸⽣，⻄村 吾朗，丹⽻ 治樹，牧 昌次郎，道脇 幸博，⼩池 卓⼆，鈴⽊ 祟弘，⽥代 剛⼤
出願⼈︓国⽴⼤学法⼈ 電気通信⼤学，国⽴⼤学法⼈ 北海道⼤学，
学校法⼈ 昭和⼤学
出願⽇２０２０年７⽉１７⽇
4. 特願 2020-112102，「新規複素環式化合物及びその塩、並びに、発光基質組成物」
発明者︓牧 昌次郎，北⽥ 昇雄，⿑藤 亮平，⻘⼭ 洋史，伊集院 良祐
出願⼈︓学校法⼈ 東京薬科⼤学，国⽴⼤学法⼈電気通信⼤学
出願⽇２０２０年６⽉２９⽇
・報道・プレス発表等
1. A-STEP 成果集（科学技術振興機構: JST） 特集２「実験動物の⽣体内深部を可視化する発光イ
メージング技術の開発に成功」
︓２０２０年４⽉２３⽇
2. ⽇刊⼯業新聞 「ホタル発光系で最⻑波⻑ 電通⼤、⽣命科学向け試薬」
︓２０２０年７⽉７⽇
3. 化学⼯業⽇報「ウィルスの光イメージング技術の技術展望」〜合成化学で光を創る〜︓２０２０年
８⽉２６⽇
4. プレス発表（産業技術総合研究所 筑波・電気通信⼤学）「全可視光領域で発⾊する虹⾊発光標識のポートフォリオを開発」－医療・環境診断のマルチカラー発光イメージング⼿段として期待－︓
２０２１年１⽉２６⽇-6-2020 仲村 厚志 研究室

http://kaeru.pc.uec.ac.jp/

研究のまとめ（2020 年 4 ⽉〜2021 年 3 ⽉）
ホタルルシフェリン誘導体，アカルミネ及びトケオニは，ヘモグロビンなどの吸収を受けにくい近⾚外領域に発光ピークをもつため，これまで⽣体深部の in vivo イメージング実験で成果をあげている．
⼀⽅で，これらの試薬をマウスに投与すると，ホタルルシフェラーゼ遺伝⼦を導⼊していないにもかかわらず肝臓に発光が検出される現象が観察されている．本研究ではこの現象に，シトクロム p450
（CYP）と呼ばれる酵素群が関与していることを明らかにした．

Atsushi NAKAMURA Laboratory

http://kaeru.pc.uec.ac.jp/

Summary (April, 2020–March, 2021)
Since firefly luciferin analogues, AkaLumine and TokeOni have luminescence peaks in the near infrared region,
which is difficult to be absorbed by hemoglobin and water, they have been successful in in vivo imaging
experiments in the deep part of the body. On the other hand, it has been observed that when these reagents areadministered to mice, luminescence is detected in the liver even though the firefly luciferase gene has not been
introduced. In this study, we found that a group of enzymes called cytochrome p450 (CYP) is involved in thisphenomenon.

主な研究業績（論⽂，特許など）Research achievements (published papers, patents, etc.)
1. 特許出願 2020-148548・発光システム及びシトクロム P450 の定量⽅法・発明者︓仲村 厚志、牧昌次郎、⿑藤 亮平、北⽥ 昇雄、2020 年 09 ⽉ 3 ⽇-7-

⽣体脳解析研究グループ （正本，宮脇，庄野，松⽥，安藤）

外界刺激に対する細胞機能の解析研究，及び運動刺激による局所的・全脳的な⽣体多細胞のイメージング技術の開発及び解析，また BMI を⽤いた運動制御と脳活動のモニタリングに関する教育研究を推進する．
正本 和⼈ 教授（副センター⻑）（東 4-830）
専⾨分野︓ 脳計測科学・⽣体医⽤⼯学・神経⾎管⼯学
研究テーマ︓ 神経⾎管連関・⽣体光イメージング・脳微⼩循環・酸素輸送・光遺伝学
メッセージ︓神経⾎管連関という研究分野で，脳の病気に対する治療・予防法の確
⽴と脳の活動を簡易的にモニターするための「脳活計」の開発研究を⾏っています．
1. Thinning

2. Segmentation

3. Quantification of cap. length
length(μm)
200

1. Reconstruction

2. Quantification of cap. diameter

150

diameter
(μm)
12

100

50
0

6

0

宮脇 陽⼀ 教授 （東４-620）
専⾨分野︓計算論的神経科学，⾮侵襲脳活動計測（fMRI, MEG, EEG）
研究テーマ︓脳神経系における情報処理原理の計算論的理解とその⼯学的応⽤．具体的には，感覚・知覚や運動機能に対応する脳活動
計測実験，機械学習を⽤いた脳活動データ解
析，ブレイン－マシン・インタフェース，コ
ンピュータ・ビジョン，医⽤⽣体⼯学など
メッセージ︓私たちの研究室では，ヒトの知覚および⽣理データの計算論的解析を通して，⾼等⽣物⼀般における知的な情報処理システムの普遍原理を探求し，その知⾒を実社会へと還元することを⽬指しています．

庄野 逸 教授 （⻄ 3-313）
専⾨分野︓機械学習, 画像処理研究テーマ︓医⽤画像に基づいた画像診断⽀援，Bayes ア
プローチに基づいた画像再構
成メッセージ︓ディープラーニ
ングなどの機械学習に基づいた医⽤画像の診断⽀援や, 医⽤画像の再構成を主なテーマとして取り扱っています．

-8-

松⽥ 信爾 准教授 （東６-７１６）
専⾨分野︓ 神経科学・細胞⽣物学
研究テーマ︓ シナプス可塑性の分⼦機構の解明と制御⽅法の開発
メッセージ︓記憶や学習の細胞レベ
ルの基盤と考えられている神経細胞のシナプス可塑性の分⼦メカニズムを解明し，さらに，その制御⽅法の開発を⽬指して研究を⾏っています．

安藤 創⼀ 准教授 （東１-４０１）
専⾨分野︓ 健康・スポーツ科学，運動⽣理学
研究テーマ︓ 運動と認知
⾻格筋への電気刺激，VR 運動
メッセージ︓ “⾝体を動かすとヒトの脳や筋では何が起こるのか︖”という疑問に対して，様々なイメ
ージング機器（PET, MRI など）を⽤いて検討しています．研究の最終⽬標は，健康の維持・増進やスポーツのパフォーマンス向上につながるエビデンスを提供し，それを実践することです．

-9-

2020 正本 和⼈ 研究室 http://www.nvu.mi.uec.ac.jp/
研究のまとめ（2020 年 4 ⽉〜2021 年 3 ⽉）
コロナによる⼊構制限のため、実験系はほとんど進捗無し。これまでに⾏った実験データに対してリモートで再解析を進めて以下の知⾒を得た。⽣体⼆光⼦顕微鏡で撮像した脳微⼩⾎管３次元構造画像の解析においては、⾎管の分布による局所的な吸光度の変動および深部観察特有の⼊射光および蛍光の減衰によって従来から知られている通り、画像内の SN ⽐が空間的に極めて不均質である。そのため、形態抽出を⽬的とした⼆値化画像の作成においてピクセル輝度に対する閾値を⼀義的に決められないことが問題となる。この問題に対して、サイズ既知の蛍光ビーズファントムモデルを⽤いて⽣体計測で想定される SN ⽐に対してあらかじめ真値を与える閾値を校正し、⾎管画像の位置毎に変わる
SN ⽐に対して適切な閾値設定を適⽤するプログラムを作成した。⽬視によるセグメンテーションを真値とし、提案法と従来法を⽐較し、提案法では誤差が１ピクセル程度に抑えられることを確認した。
Masamoto Kazuto Laboratory http://www.nvu.mi.uec.ac.jp/
Summary (April, 2020–March, 2021)
In this fysical year, we had no progress on the projects that need animal experiments due to restricted conditions
during pandemics. As a remote work besides the laboratory, reexamination of 3D extraction for cerebral
microvasculature captured with two-photon microscopy was conducted. In principle, the images captured with
two-photon microscopy consist of variable signal to noise because of variable optical properties through in vivo
brain tissue. Hemoglobin in blood largely absorb excitation and emission light, and tissue scattering effects
increased with an increase in depth of tissue scanning. Those absorption and scatter of light variably modulate thesignal to noise ratio in the two-photon image. To overcome these limitations, the phantom model made with aknown-size of the microsphere was used and ideal binarization threshold that provide the true size of the imaged
object was preliminary determined. The software developed automatically measure the signal to noise ratio andadjusted the binarization threshold in each location of the vessels. The results showed improved accuracy of the
3D extraction of the microvessels compared with the manually segmented true image objects.
主な研究業績（論⽂，特許など）Research achievements (published papers, patents, etc.)
1. Takuma Sugashi, Hiroya Yuki, Tomoya Niizawa, Hiroyuki Takuwa, Iwao Kanno, Kazuto Masamoto: Threedimensional microvascular network reconstruction from in vivo images with adaptation of the regional
inhomogeneity in the signal-to-noise ratio. Microcirculation (in press) [IF:2.110]
2. Nao Hatakeyama, Miyuki Unekawa, Juri Murata, Yutaka Tomita, Norihiro Suzuki, Jin Nakahara, Hiroyuki
Takuwa, Iwao Kanno, Ko Matsui, Kenji F. Tanaka, Kazuto Masamoto: Differential Pial and Penetrating Arterial
Responses Examined by Optogenetic Activation of Astrocytes and Neurons. Journal of Cerebral Blood Flowand Metabolism (in press)[IF:5.681]
3. Niizawa T, Hachiya R, Sugashi T, Terao S, Nagai M, Ishikawa M, Masamoto K. Mapping of flow velocity
using spatiotemporal changes in time-intensity curves from indocyanine green videoangiography.
Microcirculation. e12685. (2021) [IF:2.110]
4. Ishikawa M, Masamoto K, Hachiya R, Kagami H, Inaba M, Naritaka H, Katoh S. Neurosurgical intraoperative
ultrasonography using contrast enhanced superb microvascular imaging -vessel density and appearance time of
the contrast agent. Br J Neurosurg. 2020 Jul 10:1-10. doi: 10.1080/02688697.2020.1772958. Epub ahead ofprint. PMID: 32648779.
5. Natsubori A, Tsunematsu T, Karashima A, Imamura H, Kabe N, Trevisiol A, Hirrlinger J, Kodama T, Sanagi T,
Masamoto K, Takata N, Nave KA, Matsui K, Tanaka KF, Honda M. Intracellular ATP levels in mouse corticalexcitatory neurons varies with sleep-wake states. Commun Biol. 2020 Sep 7;3(1):491. doi: 10.1038/s42003020-01215-6. PMID: 32895482; PMCID: PMC7477120.

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[Invited lectures]
Masamoto K: Two-photon imaging of BOLD fMRI physiology. International Stroke Conference (ISC) 2020,
Pre-Con II. Stroke in the Lab World: Novel Approaches in Studying Brain Metabolism and Function(2020.2.18) Los Angeles Convention Center, Los Angeles, California, USA【招待講演・特別講演】
1) 正本和⼈【特別講演】脳梗塞亜急性期におけるグリア―脳⾎管連関の破綻と修復 第 38 回⼭梨神経科学研究会 (2020.9.9) ⼭梨⼤学医学部（⼭梨）2) 正本和⼈、村⽥樹⾥、畝川美悠紀、冨⽥裕、菅野巖︓（教育講演）光を⽤いた脳微⼩循環動態のイメージングと操作 第 37 回スパズムシンポジウム 2021.3.11. 福岡国際会議場（福岡）- 11 -

2020 宮脇 陽⼀ 研究室

http://www.cns.mi.uec.ac.jp

研究のまとめ（2020 年 4 ⽉〜2021 年 3 ⽉）
2020 年度は以下の研究成果を得た．１）⽂脈情報を排した状態で⾼次画像特徴量を純粋に提⽰可能な刺激に対する視線優先性は，タスクの有無に関係なく⾒られる⼀般的な現象であることを発⾒した．
２）情報拡散現象を抑制するための脳磁場信号源推定⼿法として構造化スパースモデリングを⽤いた⼿法を実データに対して適⽤した．まだ⼗分な有効性は確認できていないものの，その原因は突き⽌めつつあり，改良法の開発に着⼿した．３）超⾼磁場 fMRI 信号の超⾼速計測データの解析を進め，情報抽出と静脈位置との関係の解析をすすめた．４）拡張⾝体に対する脳活動の変容を調査する予備実験を開始し，基礎的データを得ることに成功した．

Yoichi MIYAWAKI Laboratory http://www.cns.mi.uec.ac.jp
Summary (April, 2019 - March, 2020)
We obtained the following research results in FY2020. 1) We discovered that the human gaze is preferentiallydirected to higher-order image features without contextual/sematic information irrespective of the task given to
subjects. 2) We applied structured sparse modeling as a source estimation method for realmagnetoencephalography data to suppress information spreading phenomenon. We haven’t observed successful
results but started to develop a method to improve source estimation performance. 3) We performed analysis ofultra-high field fMRI signals acquired at ultta-fast sampling rate and examined relationship between information
representation and venous location in the human brain. 4) We have started preliminary experiments to explore
brain activity changes for an augmented body part.
主な研究業績（論⽂，特許など）Research achievements (published papers, patents, etc.)
1. Yoichi Miyawaki, Daniel Handwerker, Javier Gonzalez-Castillo, Laurentius Huber, Arman Khojandi, Yuhui
Chai, Peter Bandettini, “Time-resolved fast neural decoding independent of variation in hemodynamic
2.

3.

4.

5.
6.
7.

response latency,” Organization for Human Brain Mapping (OHBM) 2020 (online, 2020/06-07).
Naoki Ishibashi, Kazuaki Akamatsu, Shun Nirasawa, Yoichi Miyawaki, “Reduction of Information Spreadingin MEG Source Estimation Using a Structured Model,” Organization for Human Brain Mapping (OHBM)
2020 (online, 2020/06-07).
Yoichi Miyawaki, Daniel A Handwerker, Javier Gonzalez-Castillo, Laurentius Huber, Arman Khojandi, Yuhui
Chai, and Peter A Bandettini, “超⾼磁場 fMRI 信号の超⾼速計測による⾎流動態反応の遅延から独⽴した神経情報表現のデコーディング,” 第 43 回⽇本神経科学⼤会 (オンライン, 2020/07-08).【第 43 回
⽇本神経科学⼤会「いいね」獲得第 9 位表彰】
Yoichi Miyawaki, Daniel Handwerker, Javier Gonzalez-Castillo, Laurentius Huber, Arman Khojandi, Yuhui
Chai, and Peter A Bandettini, “Event-related decoding of visual stimulus information using short-TR BOLD
fMRI at 7T,” 2020 ISMRM & SMRT VIRTUAL CONFERENCE & EXHIBITION (online, 2020/08).
宮﨑海, 韮澤駿, ⾚松和昌, 宮脇陽⼀, “構造化スパースモデルを⽤いた脳磁場信号源推定における信号源ノイズの影響の評価,” ニューロコンピューティング研究会（オンライン, 2021/03）.
宮脇陽⼀, “超⾼磁場 fMRI 信号の超⾼速計測による⾎⾏動態と神経情報表現の時間的分離,” 第 4 回
ヒト脳イメージング研究会 (オンライン, 2020/09).
稲⾒昌彦, 北崎充晃, 宮脇陽⼀, ゴウリシャンカー・ガネッシュ, 岩⽥浩康, 杉本⿇樹, 笠原俊⼀, ⽠⽣
⼤輔, “⾃在化⾝体論―超感覚・超⾝体・変⾝・分⾝・合体が織りなす⼈類の未来,” エヌ・ティー・エス (2021/2/19).

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2020 庄野 逸 研究室 http://daemon.inf.uec.ac.jp/
研究のまとめ（2020 年 4 ⽉〜2021 年 3 ⽉）
2020 年の研究成果としては，⼼理視覚的な特徴量である Portilla-Simoncelli 統計量 (PSS)を中⼼にテクスチャ画像記述に関する特徴量研究を⾏った．テクスチャ画像の PSS 統計量に対して深層学習機械から得られる特徴表現を回帰し，深層学習機械(VGG)内部にどのような特徴が発現しているかを調べた．
この結果，深層学習内部の表現とサル⾼次視覚野(V4 野)に発現している PSS 特徴の間に類似性がある
ことを⾒出した[1]．
また PSS 特徴量を⽤いた磁性材料画像の解析に着⼿した.解析に⽤いた磁性材料は，⼀定の条件下で，テクスチャパターンを表出するのでこれを定量的に評価する⼿法が求められている．このテクスチャ
画像に対して PSS 特徴解析を⾏い，得られた特徴量を，パターン画像を⽣成する物理システム（時間依存 Gintzburg-Landau ⽅程式）のハイパーパラメータへ回帰を⾏った．この結果，画像から物理系のシ
ステムを⽀配するハイパーパラメータの回帰が可能であることがわかった[2].

Hayaru SHOUNO Laboratory

http://daemon.inf.uec.ac.jp/

Summary (April 2020 - March 2021)
In 2020, we conducted a feature engineering on texture image description, focusing on the Portilla-Simoncelli
statistic (PSS) that is a psycho-physical feature. We apply a LASSO regression from the feature obtained with adeep learning machines called VGG on the PSS statistic of texture images in order to investigate what features are
expressed in the deep learning machines. As a result, we found that there is a similarity between the representation
inside the deep learning machine and the PSS features expressed in the macaque higher-order visual cortex of V4[1].
We also started to analyze the images of magnetic materials using PSS features. The magnetic material used in theanalysis shows several texture patterns, and a quantitative evaluation method of the texture image is required. We
performed PSS feature analysis on the texture images and regressed the obtained features on the hyper-parametersof the physical system that generates the patterned images (time-dependent Gintzburg-Landau equation). The
results show that it is possible to regress the hyperparameters governing the physical system from the image [2].

主な研究業績（論⽂，特許など）Research achievements (published papers, patents, etc.)
1.
2.
3.
4.

Analysis of Texture Representation in Convolution Neural Network Using Wavelet Based Joint Statistics”,
Y.Hamano and H.Shouno, LNCS, 12532, Intl.Conf.Neural Information Processing 2020.
“Texture Analysis of Magnetic Domain Images Using Statistics Based on Human Visual Perception”,
R.Murakami et al., J. Phys. Soc. J.(IF 1.579)“Development of spectral decomposition based on Bayesian information criterion with estimation ofconfidence interval”,H.Shinotsuka et al., Sci.Tech.Adv.Mat.(IF 5.866)“Development of multiple core-level XPS spectra decomposition method based on the Bayesian information
criterion”, R. Murakami, et al.,J.Elec.Spec.Relat. Pheno.(IF 1.468)- 13 -

2020 松⽥ 信爾 研究室 http://www.matsuda-lab.es.uec.ac.jp/
研究のまとめ（2020 年 4 ⽉〜2021 年 3 ⽉）
私は，2018 年度に AMPA 受容体のエンドサイトーシスと記憶・学習を直接的に制御することを，エンドサイトーシスを光によって阻害する技術を⽤いて明らかにした．さらに LTP の誘導に必須の役割を果たすリソソームに光駆動性プロトンポンプを発現させることにも成功し 2020 年度にはこのプロトンポンプを組み込んだ遺伝⼦改変マウスを完成させた．現在このマウスを⽤いて LTP と脳機能との関連性を解析中である。さらに AMPA 受容体 GluA1 サブユニットの膜直下の領域(MPR)のリン酸化が LTD
誘導時のエンドサイトーシスを制御していることも明らかにした。MPR が脱リン酸化状態の時、アダプタータンパク質複合体（AP-3）と Transmembrane AMPA receptor Regulatory Protein (TARP)との結合が増強され LTD 誘導刺激を受けた際に AMPA 受容体を後期エンドソームまで輸送して細胞表⾯のAMPA 受容体数の減少に重要な役割を果たすことが⽰された。

Shinji Matsuda Laboratory http://www.matsuda-lab.es.uec.ac.jp/
Summary (April, 2020 - March, 2021)
In 2018, we reported that the cerebellar LTD plays critical roles for certain kinds of motor learning in Neuron. We
also generated the light driven proton pump which can targeted to lysosome which play essential roles for longterm potentiation (LTP) induction. We have already generated lysosomal light driven proton pump knock in mice
to directly examine the relationship between LTP and brain function in vivo. We also examined the function of thephosphorylation at membrane proximal region (MPR) of GluA1. We showed that the phosphorylation of MPR
regulate the interaction between Adaptor protein complex-3 (AP-3) and Transmembrane AMPA receptor
Regulatory Protein (TARP). When the MPR is dephosphorylated the interaction between AP-3 and TARP isenhanced and the AMPA receptors are transported to the late endosomes during the LTD induction.
主な研究業績（論⽂，特許など）Research achievements (published papers, patents, etc.)
1.

Matsuda S and Yuzaki M. Subunit-dependent and independent rules of AMPA receptor trafficking duringlong-term depression in hippocampal neurons. bioRxiv (2020) https://www.biorxiv.org/conten//10.1101/2020.11.12.379867v1- 14 -

2020 安藤 創⼀ 研究室

https://www.sports.lab.uec.ac.jp/

研究のまとめ（2020 年 4 ⽉〜2021 年 3 ⽉）
⾻格筋への電気刺激は運動の代替となることが期待されている．しかし，⾻格筋への電気刺激が脳循
環や脳機能にもたらす効果は⼗分には明らかになっていない．本年度は，⾻格筋への電気刺激が脳循
環と認知パフォーマンスにもたらす効果を検討した．最初に，電気刺激中に内頚動脈⾎流量と椎⾻動
脈⾎流量を計測したところ，内頚動脈⾎流量は増加したのに対して椎⾻動脈⾎流量に変化はみられな
かった．この結果は，⼆酸化炭素反応性と局所的な神経活動の違いを反映していると考えられる．また，⾻格筋への電気刺激により認知パフォーマンスに変化はみられなかった．しかし，電気刺激に腕
エルゴメーターによる随意運動を組み合わせると認知パフォーマンスは向上した．この結果は，⾻格筋への電気刺激だけでは認知パフォーマンスは向上しないが，随意運動を組み合わせることで認知パ
フォーマンスが向上することを⽰している．
Soichi ANDO Laboratory

https://www.sports.lab.uec.ac.jp/

Summary (April, 2019 - March, 2020)
Electrical muscle stimulation (EMS) induces involuntary muscle contraction. Recent studies suggest that EMS has
the potential to be an alternative method of voluntary exercise. However, the effects of EMS of large muscles on
cerebral blood flow and cognitive performance are poorly understood. First, we measured the internal carotid
artery (ICA) and vertebral artery (VA) blood flow during EMS. The ICA blood flow increased during EMS, while
the VA blood flow did not change. The results suggest that the differential responses to EMS are primarily
ascribed to the differences in cerebrovascular response to CO2 and neural activation. Second, we assessed
cognitive performance after EMS or the combination of EMS and moderate arm exercise. Cognitive performance
was not affected by EMS alone. However, cognitive performance improved after the combination of EMS andmoderate arm exercise. These results suggest that combination of EMS and moderate arm exercise improvescognitive performance independently of the effects of EMS alone.
主な研究業績（論⽂，特許など）Research achievements (published papers, patents, etc.)
1. Saito S, Washio T, Watanabe H, Ando S, Ogoh S. (2021) Effect of intermittent isometric handgrip exercise
protocol with short exercise duration on cognitive performance. J Physiol Sci. In press. (IF 2.804)
2. Yasukawa K, Koike Y, Konno T, Sudo M, Ohkawara K, Ando S. (2021) Effects of alterations in visual flowon psychophysiological responses to virtual reality exercise. Percept Mot Skills. In press. (IF 1.245)
3. Washio T, Suzuki K, Saito S, Watanabe H, Ando S, Brothers RM, Ogoh S. Effects of acute interval handgrip
exercise on cognitive performance. Physiol Behav. In press. (IF 2.826)
4. Tsukamoto H, Ishibashi A, Marley C, Shinohara Y, Ando S, Bailey D, Hashimoto T, Ogoh S. (2021) Plasma
brain-derived neurotrophic factor and dynamic cerebral autoregulation in acute response to glycemic control
following breakfast in young men. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol. 320(1), R69-R79. (IF 3.026)
2021 年 1 月
5. Costello JT, McMorris T, Ando S, Willams TB, Corbett J. (2020) Hypoxia and cognitive performance – therole of barometric pressure. J Physiol, Comment on CrossTalk debate. (IF 4.547) 2020 年 9 月- 15 -

運動機能福祉技術開発グループ （⼩池，横井，狩野，岡⽥，⼩泉，姜，孫，東郷）
各種運動機能の計測，運動制御モデルによる脳活動への波及効果の検討，運動制御技術の開発研究，
及び脳活動のモニタリングに基づいた各種リハビリテーション福祉に関する教育研究を推進する．
⼩池 卓⼆ 教授（東 4-729）
専⾨分野︓ 医⽤⽣体⼯学，機械⼒学，計測・制御
研究テーマ︓ 埋め込み型⾻導補聴器の開発，⽿⼩⾻可動性計測，聴覚のモデル化，
副⿐腔内視鏡⼿術リスク低減システム，胎児の聴⼒スクリーニング
メッセージ︓主として⽿⿐咽喉科
領域の医⼯連携研究を⾏っています．具体的には，聴覚器官をモデ
ル化し，その振動を解析することで，⽿疾患のメカニズムの解明やその効果的治療法の提案を⾏っています．また，診断装置・治療装置の開発も⾏っています．

横井 浩史 教授（東 4-602）
専⾨分野︓ リハビリテーション科学・福祉⼯学，知能機械学・機械システム
研究テーマ︓ 個性適応型筋電義⼿の開発，表⾯筋電位からの運動推定 ，ブレイン
マシンインターフェース，相互適応，筋電義⼿，fMRI，パターン認識
メッセージ︓医療・福祉の現場で必要となる⽀援技術の研究開発や，これらの分野を担う研究者，技術者，医療従事者の育成を図り，ライフサポート研究分野における世界的な教育・研究拠点を⽬指すことを⽬的としています．

狩野 豊 教授（センター⻑）（東 6-907）
専⾨分野︓スポーツ科学，運動⽣理学
研究テーマ︓筋収縮と in vivo バイオイメージング，筋機能とカルシウムイオンチャ
ネル，酸素環境（⾼圧⾼酸素，低酸素）と⾻格筋の適応メッセージ︓筋疲労，筋損傷，筋萎縮(加齢,糖尿病)のメカニズムを探求しています．

- 16 -

岡⽥ 英孝 教授 （東 1-407）
専⾨分野︓ スポーツ科学，ヒューマンバイオメカニクス
研究テーマ︓ ⾝体運動のキネマティクス・キネティクス解析，アスリートの⾝体部
分慣性特性，ロコモーションにおける下肢の動作と筋機能
メッセージ︓モーションキャプチャ，映像，各種センサを⽤いてヒトの⾝体運動を⼒学的に計測・解析しています．歩⾏動作の加齢度評
価やアスリートの合理的な運動技術の解明を⽬指して研究を⾏っています．

姜 銀来 准教授 （東４-603）
専⾨分野︓知能ロボティク
ス,福祉⼯学
研究テーマ︓ Humanoid
Robot, Human Robot
Interface, ワイヤ⼲渉駆動，歩⾏解析と歩⾏⽀援.
メッセージ︓ヒューマンフレンドリーで安全性が⾼く、⼈と密に接することができるロボットの開発とその実⽤化を⾏っています．

⼩泉 憲裕 准教授 （東４-６２４）
専⾨分野︓医療ロボティクス，超⾳波診断・治療ロボット，医デジ化研究テーマ︓医デジ化による超⾼精度な超⾳波診断・治療の実現
メッセージ︓IT 技術，なかでもロ
ボット技術を医療分野に展開して質の⾼い医療機器を効率よく⽣み出すための⽅法論を医⼯融合の学術基盤として確⽴できればと期待しています．

- 17 -

孫 光鎬 准教授 （⻄２-２０７）
専⾨分野︓⾮接触⽣体計測，⽣体信号処理，医⽤⽣体⼯学
研究テーマ︓⾮接触⽣体計測技術を活⽤した感染症スクリーニングシステム・在宅健康モニタリングシステム（睡眠とストレス評価）・動物 TPR の計測システムの実⽤化開発
メッセージ︓⼩型マイクロ波レーダーや熱画像サーモグラフィ等の⽣体センサーを⽤いたバイタル
サイン（⼼拍数・呼吸数・体温）⾮接触計測に関する研究を⾏っています．

東郷俊太 准教授 （東４̶６０４）
専⾨分野︓ロボティクス，計算論的神経科学
研究テーマ︓筋電肩義⼿の開発，ヒトの多筋・多関節制御メカニズムの解明，⽣体信号のシナジー解析
メッセージ︓ヒトの脳が冗⻑な⾝体をどのように制御しているのかに興味を持
ち，⼼理物理実験などの⾏動実験と計算論に基づいて問題へアプローチしています．また，得られた知⾒をヒト-機械協調システムへの開発へと応⽤する研究も⾏っています．

- 18 -

2020 ⼩池 卓⼆ 研究室 研究室 http://www.bio.mce.uec.ac.jp/
研究のまとめ（2020 年 4 ⽉〜2021 年 3 ⽉）
2020 年度では，中耳振動系の数値解析モデルを用い，中耳疾患による可動性変化の特徴を明らかにするとともに，機械学習により診断が困難であった耳小骨病変の診断プロトコルの提言を行った．また，胎児の聴覚検査システムにより得られたデータを用い，妊娠後 2～3 か月の胎児の音波に誘発される心拍数の変化を詳細に解析し，胎児の聴覚検査実施に適した時期とその方法について明示した[1]．
さらに，有毛細胞の能動性を起源とすると考えられている耳音響放射を高 S/N で計測可能なシステムを開発し，計測結果を基に，内耳の有限要素モデルを構築した[2]．加えて，近赤外光を体外から放射することにより，咽頭部に残留した食物を検出する装置を開発し，動物実験により性能評価を行った
結果，本装置で咽頭残留食物を非侵襲で計測可能であることを示し，装置の特許申請を行った[3]．

Takuji KOIKE Laboratory
Summary (April, 2020- March, 2021)
In 2020, we clarified characteristics in changes of middle ear mobility caused by middle ear diseases using a
numerical analysis model of the middle ear, and proposed a diagnostic protocol for ossicular diseases, that weredifficult to diagnose, by machine learning. In addition, we analyzed the data obtained with the fetal hearing test
system. The changes in the heart rate of fetuses 2-3 months after pregnancy induced by the sound waves wereanalyzed in detail, and suitable period for the fetal hearing test and its method were proposed [1]. Furthermore, wedeveloped a measurement system with high S/N for otoacoustic emissions, which is thought to originate from theactivity of hair cells in the inner ear, and constructed a finite element model of the inner ear based on themeasurement results [2]. We have also been developing a device that detects food remaining in the pharynx by
applying near-infrared light from outside the body, and evaluated its performance through animal experiments. As
a result, the food remaining in the pharynx was able to be non-invasively detected with this device. We applied fora patent for the device [3].

主な研究業績（論⽂，特許など）Research achievements (published papers, patents, etc.)
1. Remi Hibiya-Motegi, Marina Nakayama, Rina Matsuoka, Jun Takeda, Shuko Nojiri, Atsuo Itakura, Takuji
Koike, Katsuhisa Ikeda, Use of sound-elicited fetal heart rate accelerations to assess fetal hearing in the second
and third trimester, International Journal of Pediatric Otorhinolaryngology, 133, 110001 (2020), DOI:
10.1016/j.ijporl.2020.110001 (IF=1.241)
2. 李 信英，⼩池 卓⼆，外有⽑細胞の部分的機能低下による DPOAE および純⾳聴⼒変化︓ヒト蝸
⽜有限要素モデルによる数値解析，Otology Japan, 64-2, 印刷中
3. 出願番号︓特願 2020-123183 （2020/07/17）
発明の名称︓ 検出装置，検出⽅法，及び検出器
発明者︓ ⼭⽥ 幸⽣ , ⻄村 吾朗 , 丹⽻ 治樹 , 牧 昌次郎 , 道脇 幸博 , ⼩池 卓⼆ , 鈴⽊ 祟弘 ,⽥代 剛⼤. 出願⼈︓ 国⽴⼤学法⼈電気通信⼤学 , 国⽴⼤学法⼈北海道⼤学 , 学校法⼈ 昭和⼤学

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2020 横井 浩史 研究室

http://www.hi.mce.uec.ac.jp/yklab/

研究のまとめ（2020 年 4 ⽉〜2021 年 3 ⽉）
当研究室では，サイボーグ技術の開発を⽬指して，福祉機器への応⽤展開を⽬指した取り組みを⾏ってきている．そこでの課題は，義⼿の機構部，制御部，外装などの設計開発と利⽤者への適⽤実験，
および，電気刺激装置を⽤いた運動器リハビリテーションへの応⽤など，多岐にわたるメカトロニクスやロボット⼯学系の技術により構成される．2020 年度は，⼿掌⽋損者⽤の筋電義⼿の開発と⼿指⽋損者⽤の能動指義⼿の開発，近接覚センサを⽤いた電動義⼿等幼児⽤義⼿の開発に成功した．これらの研究成果は，国⽴成育医療研究センターの協⼒を得て⾏われたものである．また，多⾃由度筋電義
⼿の制御に関連する知財の申請も⾏い，これらの市場展開を⽬指して，北京理⼯⼤学と国際共同研究を⾏い，製品開発に着⼿した．
Yokoi Laboratory URL http://www.hi.mce.uec.ac.jp/yklab/
Summary (April, 2020- March, 2021)
The aim of our lab is developing a cyborg technology for the welfare applications. The cyborg technology
consists of multiple directions of mechatronics and robotics issues those are robot hand mechanics design andproduction, control theory and software development, outer devices and covering gloves or sleeves, and usability
evaluation for the usage based on experiment for amputee. Furthermore, the issues of functional rehabilitation of
sensory motor system of impairment is another target. For this purpose, the functional electrical stimulation
system with 25 channels of electrodes has been developed which is able to select any combinations of electrodes
pair of cathode and anode. In 2020, the mechanics and controllers for the partial prosthetic hand and small handfor congenital defects are developed under the collaboration with the national center for child health. The partial
prosthetic hand has been registered as a commercial product to the Ministry of Health, Labor and Welfare
completed parts. The multi-DOFs prosthetic hand with five fingers has been developed as main result of
collaborative work with Beijing Institute of Technology, and has succeeded to control with adaptable control
method by using continuous machine learning technology.
主な研究業績（論文）Research achievements (published papers, patents, etc.)
1.
Wenyang Li, Peng Chen, Dianchun Bai, Xiaoxiao Zhu, Shunta Togo, Hiroshi Yokoi, Yinlai Jiang,
Modularization of 2- and 3-DoF coupled tendon-driven joints,1 - 13,IEEE Transactions on Robotics,2020,
DOI: 10.1109/TRO.2020.3038687
2.
Susumu Kimizuka, Yohei Tanaka, Shunta Togo, Yinlai Jiang, Hiroshi Yokoi, Development of a shoulder
disarticulation prosthesis system intuitively controlled with the trunk surface electromyogram,14/ 542033, 110,Frontiers in Neurorobotics,2020
3.
姜 銀来，李 ⽂揚，陳 鵬，東郷 俊太，横井 浩史,モジュール化したワイヤ⼲渉駆動型ヒューマノ
イド・ロボットアーム,⽇本ロボット学会誌 38/7, 657-666,2020
特許1.
秋場 猛 , 横井 浩史, 電気刺激装置、トレーニング装置、および電気刺激⽅法, 特許第 102225119 号 （2021/03/03）
2.
横井 浩史 , 姜 銀来 , ⽮吹 佳⼦ , 迫⽥ ⾠太郎 , 棚橋 ⼀成 , 棚橋 ⼀将, インターフェイス部
品、インターフェイス装置、および、アシスト装置, 特許第 6792259 号 （2020/11/10）
3.
横井 浩史, ⽯原 正博, ⼭野井 佑介, ⾼⽊ 岳彦, 義⼿, 特願 2020-169821
4.
横井 浩史, ⽯原 正博, ⼭野井 佑介, ⽮吹 佳⼦, ⾼⽊ 岳彦, ⼩野 祐真, 義肢装具取り付け⽤ソケ
ット装置,特願 2020-067259
5.
横井 浩史, ⽯ 源康, 東郷 俊太, 姜 銀来, ⼭野井 佑介, 変換プログラムおよび変換装置, 特願
2020-002645- 20 -

2020 狩野 豊 研究室

http://www.ecc.es.uec.ac.jp/index.html

研究のまとめ（2020 年 4 ⽉〜2021 年 3 ⽉）
2020 年度では，⼩動物⽤の in vivo カルシウムイメージング⼿法を⽤いて，筋収縮によるカルシウム
イオン(Ca2+)の流⼊経路や温熱・冷却ストレスについて研究を実施した．筋細胞質内 Ca2+の増加はタ
ンパク質の分解と合成率の変化を引き起こす可能性のある細胞内シグナル伝達メカニズムを構成する．温熱および冷却のストレスによって，細胞質内にカルシウムイオンが蓄積する動態を解明した．
これらのカルシウムイオン恒常性の変化は，⾻格筋細胞の再⽣能⼒や修復プロセスを制御する細胞内シグナルとしての役割が考えられる．これらの知⾒は⾻格筋の理学療法的な視点から，温熱・冷却リ
ハビリテーションへの応⽤が期待される．

Yutaka KANO Laboratory

http://www.ecc.es.uec.ac.jp/englishver2.htm

Summary (April, 2018 - March, 2019)
In 2020, we performed studies on Ca2+ influx pathways and heat/cold stress due to muscle contractions by in vivo
Ca2+ imaging method. Myoplasmic Ca2+ increases constitute intracellular signaling mechanism that can inducechanges in protein degradation and synthesis. We elucidated the dynamics of Ca2+ accumulation in the cytoplasm
due to physical heating and cooling stress. These Ca2+ homeostasis dynamics may play a role as intracellularsignals that control the regeneration and repair processes in myocyte. Therefore, these findings are expected to be
applied to thermal /cooling rehabilitation of skeletal muscle.
主な研究業績（論⽂，特許など）Research achievements (published papers, patents, etc.)
1.

2.
3.

4.

5.

Ikegami R, Eshima H, Nakajima T, Toyoda S, Poole DC, Kano Y. Type I diabetes suppresses intracellular
calcium ion increase normally evoked by heat stress in rat skeletal muscle. Am J Physiol Regul Integr
Comp Physiol. 2021 Apr 1;320(4):R384-R392. Epub 2021 Jan 6. (IF=3.068)
Poole DC, Kano Y, Koga S, Musch TI. August Krogh: Muscle capillary function and oxygen delivery.
Comp Biochem Physiol A Mol Integr Physiol. 2021 Mar;253:110852. (IF=2.219)
Takagi R, Tabuchi A, Asamura T, Hirayama S, Ikegami R, Tanaka Y, Hoshino D, Poole DC, Kano Y. In
vivo Ca<sup>2+</sup> dynamics during cooling after eccentric contractions in rat skeletal muscle. Am J
Physiol Regul Integr Comp Physiol. 2021 Feb 1;320(2):R129-R137. (IF=3.068)
Amano Y, Nonaka Y, Takeda R, Kano Y, Hoshino D. Effects of electrical stimulation-induced resistance
exercise training on white and brown adipose tissues and plasma meteorin-like concentration in rats.
Physiol Rep. 2020 Aug;8(16):e14540.
Tabuchi A, Craig JC, Hirai DM, Colburn TD, Kano Y, Poole DC, Musch TI. Systemic NOS inhibition
reduces contracting muscle oxygenation more in intact female than male rats. Nitric Oxide. 2020 Aug
1;100-101:38-44. (IF=3.311)- 21 -

2020 岡⽥ 英孝 研究室

http://www.hb.mce.uec.ac.jp/index.html

研究のまとめ（2020 年 4 ⽉〜2021 年 3 ⽉）
2020 年度は，マーカーレスモーションキャプチャを⽤いた歩⾏動作計測・解析精度の検証を⾏った．
また，機械学習を⽤いた下肢関節キネティクス推定⽅法の検討を⾏った．TOF カメラを⽤いたマーカ
ーレスモーションキャプチャでは⾜部の⾻格認識に改善を要することが明らかとなり，Open-pose を⽤
いる⽅法への転換を⾏った．Open-pose を⽤いることで⾜関節⾓度の推定精度が向上し，下肢三関節のキネマティクスをマーカーレスで得られることが明らかとなった．また，機械学習を⽤いて，地⾯反⼒を得ずにキネマティクスのみから関節キネティクスを推定する⽅法について検討し，良好な推定結果が得られた．これについては，今後も学習モデルの修正や⼊⼒変数の最適化などを検討する必要があるが，映像のみから下肢関節のキネティクスを推定できる可能性が⽰された．
Hidetaka OKADA Laboratory

http://www.hb.mce.uec.ac.jp/index.html

Summary (April, 2020 - March, 2021)
In 2020, we verified the accuracy of gait motion measurement and analysis using markerless motion capture. In
addition, we investigated a method for estimating the kinetics of lower limb joints using machine learning. We
found that markerless motion capture using a TOF camera requires improvement in foot skeletal recognition, so
we switched to a method using Open-pose. The accuracy of the ankle joint angle estimation was improved byusing Open-pose, and the kinematics of the three joints of the lower limb could be obtained without markers. In
addition, a method for estimating joint kinetics from kinematics alone without obtaining ground reaction forces
was investigated using machine learning, and good estimation results were obtained. Although it is necessary tomodify the learning model and optimize the input variables, the possibility of estimating the kinetics of lower limb
joints from video images alone was demonstrated.
主な研究業績（論⽂，特許など）Research achievements (published papers, patents, etc.)
１． 岡⽥英孝, 横澤俊治, ⾼橋英幸, MRI 画像を⽤いた⽇本⼈アスリートの⾝体部分密度の推定, バイ
オメカニズム学会誌, 44(3), 162-170, 2020.
２． Onishi, Y., and Okada, H., Determination of heel strike and toe-off timing during gait using kinematic databy a logistic regression model, The 2020 Yokohama Sport Conference, September 8, 2020, Online.
３． ⼤⻄陽⼀, 岡⽥英孝, ロジスティック回帰モデルによる歩⾏の接地および離地判別⽅法の検討, 第41 回バイオメカニズム学術講演会, 2020 年 12 ⽉ 6 ⽇, オンライン.
４． Sakurai, T., and Okada, H., Accuracy verification of a markerless gait motion capture system using TOF
camera, The 2020 Yokohama Sport Conference, September 8, 2020, Online.
５． 櫻井隆, 岡⽥英孝, TOF カメラを⽤いたマーカーレス歩⾏動作計測システムの適⽤範囲の検討, 第41 回バイオメカニズム学術講演会, 2020 年 12 ⽉ 6 ⽇, オンライン.

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2020 ⼩泉 憲裕 研究室

http://www.medigit.mi.uec.ac.jp/

研究のまとめ（2020 年 4 ⽉〜2021 年 3 ⽉）
われわれの研究室では，医療技能の技術化・デジタル化（医デジ化）により医療技能をデジタル機能関数として機器側にとり込み，医療機器システム上で医療技能を⾼度・最適化するためのロボット機
構・制御・画像処理・アルゴリズムの分野を開拓する．このうち，当該年度は，深層学習技術を援⽤して治療モニタリング画像を適正化するロボット機構・制御・画像処理・アルゴリズム技術を新規に提案した．これに関連して⽇本超⾳波医学会 93 回学術集会において本研究プロジェクトに関する研究
成果発表を⾏ない，第 21 回⽇本超⾳波医学会奨励賞を受賞した．
Koizumi Norihiro Laboratory http://www.medigit.mi.uec.ac.jp/
Summary (April, 2020 - March, 2021)
In our laboratory, the robot mechanism for incorporating medical skills into the device side as a digitalized
function , and reconstructing the medical professional skills on the robotic system utilizing mechanism
technology, control technology, image processing algorithm technology. In the current fiscal year, we proposed a
new robot mechanism, control, image processing, and algorithm technology that optimizes treatment monitoring
images by using deep learning technology.
主な研究業績（論⽂，特許など）Research achievements (published papers, patents, etc.)
1. M.Kumagawa, N.Matsumoto, K.Miura, M.Ogawa, H.Takahashi, Y.Hatta, R.Kondo, N.Koizumi, M.Takei,
M.Moriyama, "Correlation between alterations in blood flow of malignant lymphomas after induction
chemotherapies and clinical outcomes: a pilot study utilising contrast-enhanced ultrasonography for earlyinterim evaluation of lymphoma treatment," Clinical Radiol., 2021. IF=2.1
2. F.Wang, K.Numata, M.Chuma, H.Nihonmatsu, S.Moriya, A.Nozaki, K.Ogushi, H.Fukuda, M.Okada, L.Ruan,
W.Luo, N.Koizumi, M.Nakano, M.Otani, Y.Inayama, S.Maeda, "The value of hepatobiliary phase in EOBMRI in predicting hypervascularization outcome of non-hypervascular hypointense lesions in high-risk

3.

4.

5.

patients for hepatocellular carcinoma," Abdom Radiol., 2021. https://doi.org/10.1007/s00261-020-02881-0
IF=2.4
Shiho Yagasaki, Norihiro Koizumi, Yu Nishiyama, Ryosuke Kondo, Tsubasa Imaizumi, Naoki Matsumoto,
Masahiro Ogawa, Kazushi Numata, "Estimating 3-dimensional liver motion using deep learning and 2dimensional ultrasound images," International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery (IJCARS),
Vol.15, No.12, pp.1989-1995, 2020. https://doi.org/10.1007/s11548-020-02265-1 IF=2.5
Feiqian Wang, Kazushi Numata, Hiromi Nihonmatsu, Makoto Chuma, Satoshi Moriya, Akito Nozaki,
Katsuaki Ogushi, Hiroyuki Fukuda, Litao Ruan, Masahiro Okada, Wen Luo, Norihiro Koizumi, Masayuki
Nakano, Masako Otani, Yoshiaki Inayama, and Shin Maeda, Intraprocedurally EOB-MRI/US fusion imaging
focusing on hepatobiliary phase findings can help to reduce the recurrence of hepatocellular carcinoma afterradiofrequency ablation, International Journal of Hyperthermia (IJH), Vol.37, No.1, pp.1149-1158, 2020.
https://doi.org/10.1080/02656736.2020.1825837 IF=4.0
五⼗嵐⽴樹, 冨⽥恭平, ⼩泉憲裕, ⻄⼭悠, "CNN を⽤いた⾼速な超⾳波画像上の臓器検出⼿法の⽐較・検証," 計測⾃動制御学会論⽂集, Vol.56, No.12, pp. 560-569.

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2020 姜 銀来 研究室

http://www.hi.mce.uec.ac.jp/yklab/

研究のまとめ（2020 年 4 ⽉〜2021 年 3 ⽉）
2020 年度では，（１）本研究室が提案したワイヤ⼲渉駆動のモジュールを⽤いて，ヒューマノイドロ
ボットの開発を進めた．7 ⾃由度のロボットアームのペーロードの向上とともに，ロボットの体幹となる 3 ⾃由度腰関節を完成した．（２）機能的電気刺激におけるモーターポイント追従の密度と精度を⾼めるために，肘関節に連動した上腕⼆頭筋のモーターポイント追従刺激装置を評価し，モーターポ
イント追従刺激の有効性を確認できた．上腕⼆頭筋のモーターポイントの移動のついても調べた．
（３）義⼿の筋電制御における切断者の残存筋への依存を減らすために，マルチモーダル信号（筋電信号と⽪膚・筋電センサ間圧⼒）の有効性を検証し，単⼀信号より⾼い識別精度と安定性が確認できた．（４）歩⾏⽀援機の利⽤者の制御意図を⾃動的に検出するために，頭部姿勢より⽅向意図を同定する⽅法を導⼊し，動画よりリアルタイムに頭部姿勢を推定する⽅法を開発した．
Yinlai JIANG Laboratory

http://www.hi.mce.uec.ac.jp/yklab/

Summary (April, 2020 - March, 2021)
In 2020, (1) we have been developing humanoid robot using the tendon-driven modules that we proposed. The
payload of the 7 degrees-of-freedom robot arm was enhanced, and a 3 degrees-of-freedom waist joint was
implemented for the torso of the humanoid robot. (2) A motor point tracking device for biceps brachii wasevaluated to improve the tracking density and accuracy to reduce muscle fatigue caused by functional electricalstimulation. The results suggested the effectiveness of motor point tracking based on the relationship between theelbow joint angle and the motor point position of biceps brachii. We also investigated the motor point shift oftriceps brachii. (3) Multimodal biosignals (myoelectric signals and the pressure between skin and the sensor
circuit board) was proved to lead to higher accuracy and stability for myoelectric control to reduce the dependency
on the residual muscles of the amputee. (4) Head pose was introduced into the recognition of a user’s control
intents to control a walking support machine, and a real-time head pose estimation was developed based on robot
vision.
主な研究業績（論⽂，特許など）Research achievements (published papers, patents, etc.)
1. Kento Ichikawa, Yinlai Jiang, Masao Sugi, Shunta Togo, Hiroshi Yokoi, Joint Angle Based Motor Point
Tracking Stimulation for Surface FES: A Study on Biceps Brachii, Medical Engineering & Physics, Vol. 88,
pp.9-18, 2021. (IF 1.737)
2. Shunta Togo, Kazuaki Matsumoto, Susumu Kimizuka, Yilai Jiang, and Hiroshi Yokoi, Semi-automatedcontrol system for reaching movements in EMG shoulder disarticulation prosthesis based on mixed reality
device, IEEE Open Journal of Engineering in Medicine and Biology, Vol. 2, pp. 55-64, Feb. 2021.
3. Wenyang Li, Peng Chen, Dianchun Bai, Xiaoxiao Zhu, Shunta Togo, Hiroshi Yokoi, and Yinlai Jiang,
Modularization of 2- and 3-DoF Coupled Tendon-Driven Joints, IEEE Transactions on Robotics, Dec. 2020.
(IF 6.123)
4. Susumu Kimizuka, Yohei Tanaka, Shunta Togo, Yinlai Jiang, Hiroshi Yokoi, Development of a shoulder
disarticulation prosthesis system intuitively controlled with the trunk surface electromyogram, Frontiers in
Neurorobotics, vol.14, no.542033, pp.74, Oct. 2020. (IF 2.574)
5. 姜銀来, 李⽂揚, 陳鵬,東郷俊太, 横井浩史, モジュール化したワイヤ⼲渉駆動型ヒューマノイド・ロボットアーム, ⽇本ロボット学会誌，Vol.38, No.7, pp.657-666, 2020 年 9 ⽉.

- 24 -

2018 孫 光鎬 研究室

https://sun-melab.com/

研究のまとめ（2018 年 4 ⽉〜2019 年 3 ⽉）
マイクロ波レーダーなどの⽣体センサーよる⾮接触バイタルサインの計測技術を活⽤し，「感染症の疑いがある患者の検出システム」，「うつ病診断のための⾃律神経指標⾮接触測定によるストレス評
価システム」，「超⾼齢化社会に向けた在宅健康モニタリングシステム」分野に焦点を当て，医⽤機
器の実⽤化の研究開発を⾏っている．2020 年度では，より感染症スクリーニングシステムの実⽤化を⽬指し，空港検疫で使⽤されている⾚外線・CMOS カメラを⽤いて，⾮接触でバイタルサインである
呼吸数・⼼拍数・体温を測定し，画像処理により感染症をスクリーニングするシステムの開発を提案
した．
Guanghao Sun Laboratory

https://cargocollective.com/guanghao_sun

Summary (April, 2018 - March, 2019)
Due to the most competitive advantage in allowing users fully unconstrained, noncontact bio-measurement
technology will play a vital role in future clinical practice. Guanghao SUN Laboratory focus on developing novel
medical devices based on noncontact bio-measurement technology, such as, infection screening system, homehealthcare monitoring system, etc. To promote the widespread use of infection screening system, we have beenworking on systems with minimum hardware requirements to achieve a system that is more suitable for real world
settings. The most reliable solution is to enhance the functionality of the conventional infrared thermographysystems that are already installed at international airports. By incorporating the latest advances in image
processing techniques, these infrared thermography systems can acquire thermal and visible images together byintegrating visible and thermal cameras. In this study, we used high image and temperature resolution infrared
thermography that combines visible and thermal images to acquire multiple vital sign measurements from facial
images using remote sensing. The benefit of this approach is that it only requires a CMOS camera that is equippedwith IRT rather than a large-scale system.
主な研究業績（論⽂，特許など）Research achievements (published papers, patents, etc.)
1.
Nguyen Dinh Chinh, Luu Manh Ha, Guanghao Sun, Le Quoc Anh, Pham Viet Huong, Tran Anh Vu, Tran
Trong Hieu, Tran Duc Tan, Nguyen Vu Trung, Koichiro Ishibashi, Nguyen Linh Trung. Short Time Cardiovascular Pulses Estimation for Dengue Fever Screening via Continuous-Wave Doppler Radar using Empirical
Mode Decomposition and Continuous Wavelet Transform. Biomedical Signal Processing & Control, 65,102361, 2021. [IF: 3.3]
2.
Hiroki Takamoto, Hiroki Nishine, Shohei Sato, Guanghao Sun, Sadao Watanabe, Kim Seokjin, Masahito Asai,
Masamichi Mineshita, Takemi Matsui. Development and Clinical Application of a Novel Non-contact Early
Airflow Limitation Screening System using an Infrared Time-of-flight Depth Image Sensor. Frontiers in
Physiology, Section Respiratory Physiology, Volume 11, Article 552942, 2020. [IF: 3.3]
3.
Guanghao Sun, Nguyen Vu Trung, Le Thi Hoi, Pham Thanh Hiep, Koichiro Ishibashi, Takemi Matsui.
Visualization of Epidemiological Map using an Internet of Things Infectious Disease Surveillance Platform.
Critical Care, 24 Article number: 400, 2020. [IF: 6.9]
4.
Takemi Matsui, Tsuyoshi Kobayashi, Masaya Hirano, Masahiro Kanda, Guanghao Sun, Yusuke Otake,
Masakazu Okada, Sadao Watanabe, Yuikiya Hakozaki. A Pneumonia Screening System based on
Parasympathetic Activity Monitoring in Non-contact Way using Compact Radars Beneath the Bed Mattress.
Journal of Infection, 81(2), 2020. [IF: 4.8]
5.
Shinba Toshikazu, Murotsu Keizo, Usui, Yosuke, Andow Yoshinori, Terada Hiroshi, Takahashi Mami, Takii
Rie, Urita Michiko, Sakuragawa Satoshi, Mochizuki Miwa, Kariya Nobutoshi, Matsuda Saori, Obara Yusuke,
Matsuda Hanae, Tatebayashi Yoshitaka, Matsuda Yoshiki, Mugishima Go, Nedachi Takaki, Guanghao Sun,
Tomoko Inoue, Takemi Matsui. Usefulness of heart rate variability indices in assessing the risk of an
unsuccessful return to work after sick leave in depressed patients. Neuropsychopharmacology Reports, 2020.
[IF: NA]
6.
Toshiaki Negishi, Shigeto Abe, Takemi Matsui, He Liu, Masaki Kurosawa, Tetsuo Kirimoto, Guanghao Sun.
Contactless vital signs measurement system using RGB-thermal image sensors and its clinical screening teston patients with seasonal influenza. Sensors, 20(8), 2020. [IF: 3.2]
7.
呼吸器系疾患判別装置，特開 2020-92980, 2020 年- 25 -

2020 東郷俊太 研究室 http://www.hi.mce.uec.ac.jp/yklab/

研究のまとめ（2020 年 4 ⽉〜2021 年 3 ⽉）
2020 年度には以下の研究成果を得た．1. ⼈と同等の７⾃由度を持つロボットアームと義⼿⽤ロボッ
トハンド，ソケットを組み合わせることで多⾃由度筋電肩義⼿システムを構築した．2. 8 軸⼲渉機構ロボットアームをソケットへ取り付け，筋電肩義⼿として使⽤できるよう改良した．その結果，多くの⽇常⽣活動作を実⾏することができた．3. ⼲渉機構モジュールを応⽤し，⼆⾜歩⾏ロボットを開発した．4. ⼲渉機構をロボットハンドに応⽤することで，ロボットハンドのピンチ⼒を倍加させることができた．5. 体幹の筋電に次元削減の⼿法を適⽤することで，6 ⾃由度の制御⼊⼒情報を抽出することができた．6. 仮想軌道制御を拡張することで，拮抗筋構造を持つロボットアームに対して，線形バ
ネに依存した機械的柔軟性を保持したまま，軌道追従制御を⾏う⽅法を開発した．7. 筋電義⼿とヒトの捕球動作を⽐較することで，⼩指と⺟指の対向性が重要であることを実験で⽰した．
Shunta TOGO Laboratory http://www.hi.mce.uec.ac.jp/yklab/
Summary (April, 2020 - March, 2021)
In the 2020 year, we achieved the following research results. 1. A multi-DoF EMG shoulder disarticulation
prosthesis system was constructed by combining a robotic arm with 7 DoF, a robotic hand for prosthesis, and asocket. 2. An 8-axis coupled tendon driven mechanism robotic arm was attached to the socket and modified to be
used as a EMG shoulder disarticulation prosthesis. 3. We developed a biped walking robot by applying thecoupled tendon driven mechanism module. 4. By applying the coupled tendon driven mechanism to the robot
hand, we could double the pinch force of the robot hand. 5. By applying the dimensionality reduction method to
the EMG measured from the trunk, we could extract the control input with 6 DoF. 6. By extending the virtual
trajectory control method, we developed control method to track the target trajectory for robotic arm with anagonist and antagonist muscles remaining its mechanical flexibility. 7. The importance of the opposability of thelittle finger and thumb was empirically demonstrated by comparing the catching motion of a human and amyoelectric prosthetic hand.
主な研究業績（論⽂，特許など）Research achievements (published papers, patents, etc.)
1. Shunta Togo, Kazuaki Matsumoto, Susumu Kimizuka, Yinlai Jiang, Hiroshi Yokoi, “Semi-automated control
system for reaching movements in EMG shoulder disarticulation prosthesis based on mixed reality device,”
IEEE Open Journal of Engineering in Medicine and Biology, Vol. 2, pp. 55–64, 2021. doi:
10.1109/OJEMB.2021.3058036
2. Wenyang Li, Yiwei Wang, Shunta Togo, Hiroshi Yokoim Yinlai Jiang, “Development of humanoid shoulder
based on 3-motor 3 degrees-of-freedom coupled tendon-driven joint module,” IEEE Robotics and Automation
Letters, Vol. 6, No. 2, pp. 1105–1111, 2021. doi: 10.1109/LRA.2021.3056376 [2019IF: 3.608]
3. Kento Ichikawa, Yinlai Jiang, Masao Sugi, Shunta Togo, Hiroshi Yokoi, “Joint angle based motor point tracking
stimulation for surface FES: a study on biceps brachii,” Medical Engineering and Physics, Vol. 88, No. 2, pp.
9–18, 2021. doi: 10.1016/j.medengphy.2020.11.014 [2019IF: 1.737]
4. Wenyang Li, Peng Chen, Dianchun Bai, Xiaoxiao Zhu, Shunta Togo, Hiroshi Yokoi, Yinlai Jiang,“Modularization of 2- and 3-DoF coupled tendon-driven joints,” IEEE Transactions on Robotics, 2020. doi:
10.1109/TRO.2020.3038687 [2019IF: 6.123]
5. Susumu Kimizuka, Yohei Tanaka, Shunta Togo, Yinlai Jiang, Hiroshi Yokoi, “Development of a shoulder
disarticulation prosthesis system intuitively controlled with the trunk surface electromyogram,” Frontiers in
Neurorobotics, Vol.14, No.542033, pp.1–10, 2020. doi: 10.3389/fnbot.2020.542033 [2019IF: 2.574]
6. 姜 銀来，李 ⽂揚，陳 鵬，東郷 俊太，横井 浩史，“モジュール化したワイヤ⼲渉駆動型ヒューマ
ノイド・ロボットアーム”，⽇本ロボット学会誌，Vol.38，No.7，pp.657–666，2020．doi: 10.7210/jrsj.38.657
特許︓1 件 国際会議発表︓1 件 国内会議発表︓9 件- 26 -

理論神経科学研究グループ （樫森，⽥中，⼭﨑，佐藤）
脳神経系に関する細胞レベルまたはネットワークレベルでの数理モデルを構築し，次世代 ⼈⼯知能の開発とニューロリハビリテーションへの⼯学的応⽤を⽬指して，脳の構造・機能・可塑性を理 解するための教育研究を推進する．

樫森与志樹 教授 （東 6-726）
専⾨分野︓神経科学，⽣物物理
研究テーマ︓感覚系（視覚，聴覚，味覚など）の情報処理機構，⽣物システムの動的秩序創発のメカニズム
メッセージ︓脳や⽣物集団がもつ動的秩序構
造に興味を持ち，相転移，臨界現象，同期，カオスなどの⾮線形物理の概念に基づき数理モデルにより研究を⾏っています．

⽥中 繁 特任教授 （本館 513）
専⾨分野︓神経科学・理論神経科学・理論物理学
研究テーマ︓視覚野の⽣後発達，視覚・聴覚・時間感覚に関する脳情報表現と処理，作動記憶，意識・
注意メッセージ︓
脳の構造形成，可塑性，機能の解明を⽬指した理論
研究を⾏っています．

⼭﨑 匡 准教授 （⻄ 4-610）
専⾨分野: 神経科学・数値シミュレーション・⼈⼯知能
研究テーマ: 脳神経系の数理モデル化と数値シミュレーション・脳型⼈⼯知能の開発メッセージ: 脳が何をどのように計算しているのかを解明するために，脳神経回路を精緻にコンピュータ上に再現し，数値シミュレーションによってその挙動を検証する研究を⾏っています．また脳と同じ原理で動作する⼈⼯知能の開発や，それを⽤いたロボット制御の研究も⾏っています．

- 27 -

佐藤俊治 准教授 （⻄１0-４２１）
専⾨分野︓視覚情報処理，計算論的神経科学，視覚⼼理，視覚シミュレーション
研究テーマ︓⼯学的観点による視覚情報処理の解明と性質の調査
メッセージ︓普段何気なく⾏っている「⾒る」機能を解明し，応⽤することを⽬指しています．⼿段は理論・実験・#2#1
シミュレーション，対象としては#19
錯視・⾊や運動知覚・⽴体視・外界像認識など多岐にわたります．

- 28 -

2020 樫森 与志喜 研究室 http://www.klb.es.uec.ac.jp
研究のまとめ（2020 年 4 ⽉〜2021 年 3 ⽉）
2020 年度は,V1 応答へのトップダウン効果における神経メカニズムを解明するため、初期視覚野が認知領域からトップダウン効果を受ける視覚システムのモデルを作成した。この研究では、V1 で表現されるタスクに適切な情報が、ソマトスタチン発現性の介在ニューロンとトップダウン信号によって作り出されるプッシュ・プル効果によって制御されることを⽰した。また、タスクに適切な情報がベー
タリズムの位相―位相カップリングによって調整されることを⽰した。もう⼀つの研究として、眼窩前頭⽪質における味覚ワーキングメモリの神経機構について研究した。我々は、味覚ワーキングメモ
リが眼窩前頭⽪質ニューロンの短期シナプス可塑性による相互の神経活動により形成されることを提案した。また、GABA 抑制ニューロンの記憶形成における役割を⽰した。さらに、眼窩前頭⽪質と扁桃核が⾏動柔軟性にどのように寄与しているか、そのメカニズムについても研究した。
Yoshiki Kashimori Laboratory

http://www. klb.es.uec.ac.jp

Summary (April, 2020 - March, 2021)
In 2020 year, to elucidate the neural mechanisms underlying top-down influence on V1 responses in perceptual
learning, we developed a model of visual system, in which early visual areas were subjected to top-down influence
from a recognition area. We showed that task-relevant information in early visual areas was regulated by a pushpull effect, produced by somatostatin-expressing interneurons and top-down signal. We also showed that taskcontext information was coordinated by the phase-phase coupling of beta rhythms, while the local, task-relevant
stimulus features were enhanced by the phase-amplitude coupling of beta and gamma rhythms. In addition, we
worked on the elucidation of the neural mechanisms underlying gustatory working memory in orbitofrontal cortex(OFC). We developed a model of gustatory system that consisted of network models of gustatory cortex (GC) and
OFC. We showed that the gustatory working memory was shaped by the recurrent activation mediated by shortterm synapses of OFC neurons. We also showed that the suppression of unnecessary memory activation by
GABAergic inhibition facilitated the efficient coding of working memory. Furthermore, we offered the mechanism
how ABL and OFC works to acquire adaptive behavior in reversal learning and how the lesions of ABL and OFC
impair their functions.

主な研究業績（論⽂，特許など）Research achievements (published papers, patents, etc.)
1. R. Tani, Y. Kashimori: Brain rhythms enhance top-down influence on V1 responses in perceptual learning.
BMC Neuroscience, 21(Suppl 1), P94 , 2020 年 7 月
2. L. Antaket, Y. Kashimori: A functional role of short-term synapses in maintenance of gustatory working
memory in orbitofrontal cortex. BMC Neuroscience, 21(Suppl 1), P95, 2020 年 7 月
3. 濱⽥和貴, 樫森与志喜: 眼窩前頭⽪質と扁桃核の相互作⽤による⾏動柔軟性の神経機構. 信学技報,
IEICE-120 no.331, pp.34-39. 2021 年 1 ⽉- 29 -

2018 ⽥中 繁 研究室 http://tanaka-lab.net/
研究のまとめ（2018 年 4 ⽉〜2019 年 3 ⽉）
本年度は, 以下のような未解明の問題に取り組んだ︓ (1) 秩序だった⽅位マップが形成される幼若期の視覚野において、どのようにシナプスの繋ぎ替えが起こるのか︖ (2) 視体験が視覚野ニューロンの⽅
位選択性の成熟と⽅位マップ再編にどのように寄与するのか︖ (3) ⽅位選択性の臨界期がどのように終了するのか︖本研究では、以前に実施した仔ネコの視覚野における内因性光学計測によるデータの再検討と我々の数理モデルの改訂を⾏い、⽅位マップの経験に依存した形成／再編におけるシナプス
繋ぎ替えのメカニズムの理解に迫った。その結果、改訂されたモデルに基づくシミュレーションは、
シリンダーレンズゴーグルを装着して育てられた仔ネコの⽅位選択性に関する臨界期プロファイルの再現に成功した。実験的観察と理論的再現の優れた⼀致から、BDNF によって誘導された、同⼀のスパ
イン上での異なるシナプス結合間の競合的相互作⽤が⽅位選択性と⽅位マップの経験依存の形成／再編にとって重要な因⼦であることが⽰唆された。

Shigeru Tanaka Laboratory 研究室 URL http://tanaka-lab.net/en/
Summary (April, 2018 - March, 2019)
This fiscal year, we addressed the following unsolved questions: (1) How does synaptic rewiring occur in thevisual cortex during the formation of orderly orientation maps in early life? (2) How does visual experience
contribute to the maturation of orientation selectivity of visual cortical neurons and reorganize orientation maps?
(3) How does the sensitive period for orientation plasticity end? In this study, we reexamined the data obtained
from our previously performed animal experiments and revised our mathematical model to understand themechanisms underlying synaptic rewiring for experience-dependent formation and reorganization of orientation
maps. As a result, simulations based on the revised model reproduced the sensitive period profile for orientation
plasticity, which has been obtained from intrinsic signal optical imaging of the visual cortex in kittens reared withcylindrical-lens-fitted goggles. The excellent agreement between experimental observations and theoretical
reproductions suggests that the BDNF-induced competitive interaction among synaptic contacts from different
axons on the same spine is an important factor for the experience-dependent formation and reorganization oforientation selectivity and orientation maps.
主な研究業績（論⽂，特許など）Research achievements (published papers, patents, etc.)
1.

Tanaka S, Miyashita M, Wakabayashi N, O’Hashi K, Tani T, Ribot J. (2020) Development andreorganization of orientation representation in the cat visual cortex: Experience-dependent synaptic
rewiring in early life. Frontiers in NeuroInformatics 10.3389/fninf.2020.00041 (IF:2.649).

- 30 -

2020 ⼭﨑 匡 研究室 https://NumericalBrain.Org/
研究のまとめ（2020 年 4 ⽉〜2021 年 3 ⽉）
2020 年度は⼤きく以下の 3 つの研究を⾏った。(1) マルチコンパートメントモデルの数値シミュレーシ
ョンの⾼速化︓マルチコンパートメントモデルの数値シミュレーションでは数値安定性から従来陰解法が⽤いられてきたが、あえて陽解法を⽤いることで必要⼗分な安定性を確保しつつ、GPU を⽤いて⼤幅に計算を⾼速化することに成功した。(2) 脳・⾝体シミュレーション︓脳の神経回路モデルと⾝体の筋⾻格系モデルを結合した閉ループ制御のシミュレーションを実⾏するために、ROS を⽤いてモデル間を結合する⼿法を検討し、ネズミの筋⾻格系モデルの上肢を CPG モデルで制御することに成功した。(3) ⼩脳強化学習︓我々が提唱している⼩脳回路による強化学習の理論を検討するために、⼩脳のスパイキングネットワークモデルを構築した。また、リアルタイムシミュレーションを実現する⼩脳のスパイキングネットワークモデルの GPU 実装を開発した。
YAMAZAKI Tadashi Laboratory https://NumericalBrain.Org/en/
Summary (April, 2020 - March, 2021)
In fiscal year 2020, we conducted 3 different researches.
(1) Acceleration of multi-compartment model simulation: To accelerate simulation of multi-compartment models,
we adopted an explicit method to solve diffusion equations. We confirmed that an explicit method achieves faster
simulation on cerebellar neuron models than implicit methods, which are widely used for stability.
(2) Brain-body simulation: To achieve a closed-loop simulation between a neural network model of the brain anda musculoskeletal model of the body, we employed Robot Operating System as a framework for communication
between the brain and body models. We succeeded in controlling a forelimb of a mouse model by a central patterngenerator model.
(3) Cerebellar reinforcement learning: To examine our theory of cerebellar reinforcement leaning, we built aspiking network model of the cerebellum with multiple synaptic plasticity mechanisms. We also built anothercerebellar model on a GPU for realtime simulation.
主な研究業績（論⽂，特許など）Research achievements (published papers, patents, etc.)（書籍・論文）1. Hiroshi Yamaura, Jun Igarashi, Tadashi Yamazaki. Simulation of a human-scale cerebellar
network model on the K computer. Frontiers in Neuroinformatics 14:16, 2020. (IF 3.303)
2. Tadashi Yamazaki, Jun Igarashi, Hiroshi Yamaura. Human-scale brain simulation via
supercomputer: A case study on the cerebellum. Neuroscience, In Press. (IF 3.056)
3. Tadashi Yamazaki. Evolution of the Marr-Albus-Ito Model. In Book “The cerebellum as a CNS
hub” (Eds, Mizusawa and Kakei). Springer, In Press.
4. Rin Kuriyama, Claudia Casellato, Egidio D’Angelo, Tadashi Yamazaki. Real-time simulation ofa cerebellar scaffold model on graphics processing units. Frontiers in Cellular Neuroscience, In
Press. (IF 3.943)（招待講演）
5. Tadashi Yamazaki. Supercomputers are ready to simulate human-scale brain models. UH CS
Colloquium, University of Hertfordshire, February 17, 2021.

- 31 -

2020 佐藤 俊治 研究室 https://sites.google.com/gl.cc.uec.ac.jp/vision/
研究のまとめ（2020 年 4 ⽉〜2021 年 3 ⽉）
物理的には同⼀⾊であるが，異なる⾊として知覚される⾊を時間的に交互に⼊れ替えて観察した場
合にはどのような⾊が知覚されるかについて調査した．また主観的に異なる 2 ⾊にはそもそも臨界融合周波数が存在するかを⼼理物理実験によって調査した．また当研究室で開発した視覚数理モデルに対して⼤量の異なるパターンを⼊⼒し，数理モデルの出⼒から新たな錯視画像の存在を予測し，この予測がヒト知覚と整合することを⾒出した．
Shunji Satoh Laboratory https://human-informatics.jp/
Summary (April, 2020 - March, 2021)
We investigated perceived colors that are physically identical but perceived as different colors due to contextual
information of temporally flickering surrounds. We also conducted psychophycial experiments to investigate acritical fusion frequency of the two perceptually different colors. We input a huge amount of different visual
patterns to our computational model for motion encoding, and predicted novel illusory patterns from the model
estimation of the computational model.

主な研究業績（論⽂，特許など）Research achievements (published papers, patents, etc.)1.
新倉⼤輔，佐藤俊治, “錯視的⾊知覚の臨界融合周波数,” ⽇本視覚学会冬季⼤会, 2021 年 1 ⽉
2.
柳⽥悠介，佐藤俊治，策⼒⽊格，吉永努, “視覚数理モデルシミュレーションの⾼速化と錯視画像の探索,” 電⼦情報通信学ニューロコンピューティング研究会, 2020 年 3 ⽉- 32 -

学内客員教授
2020 ⼭⽥幸⽣ 研究室 http://www.nvu.mi.uec.ac.jp/old_html/index.html
主な研究業績（論⽂，特許など）Research achievements (published papers, patents, etc.)
１． ⽥代剛⼤，⼭⽥幸⽣，丹⽻治樹，牧昌次郎，北⽥昇雄，斎藤亮平，⼩池卓⼆，道脇幸博，⻄村吾
朗，「近⾚外蛍光を⽤いた⾮侵襲咽頭残留検出装置のヒトにおける検出性評価」，2020 年度⽇本機械学会年次⼤会，オンライン開催，2020 年 9 ⽉ 16 ⽇．
２． ⼭⽥幸⽣，「近⾚外光による⽣体センシング︓パルスオキシメータから拡散光トモグラフィまで」，第 24 回酸素ダイナミクス研究会，オンライン開催，2020 年 10 ⽉ 10 ⽇（招待講演）．
３． ⽥代剛⼤，⼭⽥幸⽣，丹⽻治樹，牧昌次郎，北⽥昇雄，⻫藤亮平，⼩池卓⼆，道脇幸博，⻄村吾
朗，「近⾚外蛍光を⽤いた咽頭残留の⾮侵襲検出法の開発︓ファントムを⽤いた検出能評価」，
⽇本光学会 OPJ2020，オンライン開催，2020 年 11 ⽉ 17 ⽇．
2020 丹⽻ 治樹 研究室
主な研究業績（論⽂，特許など）Research achievements (published papers, patents, etc.)
1. ⽥代剛⼤，⼭⽥幸⽣，丹⽻治樹，牧昌次郎，北⽥昇雄，斎藤亮平，⼩池卓⼆，道脇幸博，⻄村吾
朗，「近⾚外蛍光を⽤いた⾮侵襲咽頭残留検出装置のヒトにおける検出性評価」，2020 年度⽇本機械学会年次⼤会，オンライン開催，2020 年 9 ⽉ 16 ⽇．
2. ⽥代剛⼤，⼭⽥幸⽣，丹⽻治樹，牧昌次郎，北⽥昇雄，⻫藤亮平，⼩池卓⼆，道脇幸博，⻄村吾
朗，「近⾚外蛍光を⽤いた咽頭残留の⾮侵襲検出法の開発︓ファントムを⽤いた検出能評価」，
⽇本光学会 OPJ2020，オンライン開催，2020 年 11 ⽉ 17 ⽇．
⼩林 孝嘉 研究室
研究のまとめ（2020 年 4 ⽉〜2021 年 3 ⽉）
我々の研究課題は世界最高時間分解分光装置を用いた超高速過程の研究である。Ti サファイアレーザ
ー（フェムト秒レーザー）と 128 多チャンネルロックイン増幅器の結合システムを用いた超高速時間分解分光である。この多チャンネルロックイン増幅器は我々の開発した世界トップの装置である。これを用いてニトロベンジル基を持つ化合物の励起状態の緩和過程、及びヘム蛋白であるチトクローム
ｃの電子緩和過程を研究した。このうちニトロベンジル基を持つ化合物は、その誘導体には例えば
ATP にある様な対紫外光特性を持つ重要な分子である。しかしながら、他のカルボニル化合物と同様に、カルボニル基のため励起電子一重項状態を励起する高速な電子緩和が起きる。チトクロームは鉄という重原子のため、同様に高速電子緩和が起きる。そのために、これらの分子の励起電子一重項寿
命はピコ秒域になる。そのため、これらの分子の励起状態のピコ秒‐フェムト秒時間領域の動的過程を研究した例はこれまで無かったが、本研究で初めて明らかにされた。
Takayoshi Kobayashi Laboratory
Summary (April, 2020 - March, 2021)
We have developed world highest-level femtosecond spectroscopy system composed of the second
harmonics(SHG) of Ti: sapphire laser and 128-channel multi-lock in amplifier. Especially the lock-9in amplifier isthe world largest number channeled lock-in system. The wavelength of SHG is ~400nm. Using the system, we
have studied the photochemical reaction mechanisms of 4,5-dimethoxy-2-nitrobenzyl acetate, important in therelaxation mechanism of excited state relevant to photo protections in DNA. We also studied the primaryelectronic and vibrational dynamics of cytochrome c. The pulse duration of the laser is about ten femtosecond.
Due to the difficulty of generation of ultrashort pulse laser in near ultraviolet pulse and the measurement withthe 10 femtosecond pulse laser the excited singlet states in these molecules have for the first time studied in ourgroup.

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We have published papers entitled “Photochemical reaction mechanisms of 4,5-dimethoxy-2-nitrobenzyl acetate
analyzed by a sub-10 fs near-ultraviolet pulse laser,” and “Primary electronic and vibrational dynamics ofcytochrome c observed by sub-10fs NUV laser pulses”.
In the study examined the electronic dynamics of 4,5-dimethoxy-2-nitrobenzyl acetate after π-π* excitation.
Pump-probe measurement using a near-ultraviolet sub-10 fs pulse laser revealed that the lifetime of the S*(π-π*)state is 500 fs after photoexcitation to produce the S*(n-π*) state and that the lifetime of the S*(n-π*) state is1000 fs. By studying different alpha substituents, the lifetimes of the S*(π-π*) state and the S*(n-π*) were foundto be independent on the alpha substituents.
The primary reaction mechanism of cytochrome c (Cyt c) was elucidated for two redox forms of ferric (oxidized)
and ferrous (reduced) Cyt c by measuring their transient absorption (TA) spectra using a homemade sub-10 fs
broadband NUV laser pulses system. The TA traces measured in the broad probe wavelength region wereanalyzed by the global analysis method to study the electronic dynamics. The difference of relaxation dynamics
dependent on the excitation bandwidth enabled us to elucidate that the 2.5 ps component in ferrous Cyt c can be
assigned to intramolecular vibration energy redistribution and not to vibrational cooling, which was not clear until
this work. The temporal resolution of 10 fs observes TA signal modulation caused by the molecular vibration in
the time domain, which can be used to calculate the instantaneous frequency of the molecular vibration mode. The
observed vibrational dynamics has visualized that the heme structure changes in 0.8 ps for ferric Cyt c and in >1.0
ps for ferrous Cyt c. These estimated lifetimes of vibrational dynamics reflect vibrational relaxation in the groundstate of ferric Cyt c and electronic transition from the S2 state to the S1 state in ferrous Cyt c, respectively.

主な研究業績（論文，特許など）Research achievements (published papers, patents, etc.)
1. Photochemical reaction mechanisms of 4,5-dimethoxy-2-nitrobenzyl acetate analyzed by a sub-10 fs nearultraviolet pulse laser, Sena Hashimoto, Kenta Hamada, Izumi Iwakura, Atsushi Yabushita, Takayoshi
Kobayashi, Hirotaka Fujita, Kento Takeda, Yuta Ono, Noriko Chikaraishi Kasuga, Kazuo Yamaguchi, Chemical
Physica, 524, 70-76 (2019)
2. Primary electronic and vibrational dynamics of cytochrome c observed by sub-10fs NUV laser pulses, Ying-

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Kuan Ko, Atsushi Yabushita, Takayoshi Kobayashi, Journal of Physical Chemistry B, 124, 38, 8249-8258(2020)
Femtosecond time-evolution of mid-infrared spectral line shapes of Dirac fermions in topological insulators,
Tien-tien Yeh, Chien-Ming Tu, Wen-Hao Lin, Cheng-Maw Cheng, Wen-Yen Tzeng, Chen-Yu Chang, Hideto
Shirai, Takao Fuji, Raman Sankar, Fang-Cheng Chou, Marin M. Gospodinov, Takayoshi Kobayashi, Chih-Wei
Luo, Scientific Reports, 10.1038/s41598d-020-66720-4 (8 pages)
Eﬃcient molecular aggregation of rhodamine 6G and pseudoisocyanine by light-induced force. Masayuki
Shirakawa, Takayoshi Kobayashi, Eiji Tokunaga, Appl. Sciences, 10, 3563, 2020
Resolution enhancement of pump-probe microscope with an inverse-annular filter, Takayoshi Kobayashi, Koshi
Kawasumi, Jun Miyazaki, Kazuaki Nakata, Opt. Rev. 25(18Feb28Accepted),2, 271-294 (2018)
Label-free three-dimensional imaging of melanoma with confocal photothermal microscopy: Differentiation
between malignant and benign tissue, Takayoshi Kobayashi, Kazuaki Nakata, Ichiro Yajima, Masashi Kato,
Hiromichi Tsurui, MDPI Photonics, 5, 67 (2018)
Efficient Molecular Aggregation of Rhodamine 6G and Pseudoisocyanine by Light-Induced Force, Masayuki,
Shirakawa ,Takayoshi Kobayashi , and Eiji Tokunaga. Appl. Sciences, 10, 2152 (7pages), 2020

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研究セミナー2020 年 4 ⽉から 2021 年 3 ⽉に開催されたセミナー⼀覧
このセミナーは定期的（毎⽉）に開催され，学内の教職員，学⽣をはじめ，学外にも HP を通じて通知され，多くの参加者を集めている．今年度は，新型コロナウイルスへの対応として，4 ⽉から１
10 ⽉まで⾒送りとなったが，11 ⽉からオンラインによる開催を実施した．

第 86 回セミナー

日時：2020 年 11 月 30 日 (月) 13:00 ‒ 14:30

場所：

Zoom によるオンライン開催

講師：

石上 玄也 准教授 (慶應義塾大学 理工学部 機械工学科)司会：

東郷 俊太 助教 (脳・医工学研究センター・機械知能システム学専攻)

題目：

バリアを超える電動車いすを目指して- Cybathlon を通して学んだこと ‒Cybathlon（サイバスロン）とは，障がい者が先端技術に基づいた電動車いすや義手，
義足などのアシスト機器を使って，日常生活に必要な動作やタスクをこなし，その達成度およびタイムを競う 4 年に 1 度の国際大会です．同大会はスイス連邦工科大学チューリッヒ校が主催しており，2016 年の第 1 回大会では世界 25 カ国から 66 チームが参加し，さらに第 2 回大会が 2020 年 11 月 13 日，14 日にオンラインで各参加国を中継し，Global Edition として開催されました．登壇者の所属組織である慶應義塾大学
理工学部サイバスロンチームは，第 2 回大会の前哨戦として 2019 年 5 月に開催された電動車いす部門において，初参加ながら世界 3 位に入賞しました．
本講演では，サイバスロン電動車いす部門の概要と，慶大チームが開発した電動車いすを概説するとともに，第 2 回大会の結果を紹介します．また，サイバスロンという大会
を通して学んだ「ものづくりにおける多様な価値観の重要性」について議論したいと思います．

第 87 回セミナー
日時：2020 年 12 月 18 日 (金) 13:00 ‒ 14:30

場所：

Zoom によるオンライン開催
沼野 利佳 准教授 (豊橋技術科学大学 応用科学・生命工学系 エレクトロニクス先端融

講師：

合研究所)

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司会：

仲村 厚志 助教 (基盤理工学専攻)
Light-Gated Glutamate Receptor 実験系を用いた概日リズムインプット経路の光刺

題目：

激
我々は、これまで、照射する光の波長により化合物の骨格構造が変化する光反応性人工
化合物 Maleimide Azobenzene Glutamic acid (MAG)を合成し、これを用いて、神経活動を制御する実験系を確立している。MAG という化合物は,、①グルタミン酸受容体のリガンド結合部位の付近に結合し、②UV 領域の光でシス体となり、可視領域の光でトランス体となるアゾベンゼン構造を骨格に有し、③グルタミン酸受容体のリガンドであるグルタミン酸を持ち、UV＆可視領域の光を交互に照射することでグルタミン酸作
動性神経活動を興奮させることができる。
一方、地球上の生物は、約 24 時間周期の概日リズムを持ち、これを用いて自らの生理機能や行動を約 24 時間周期で自律的に駆動し、明暗条件などの外界環境によりその位相をリセットする。哺乳類の概日時計の中枢は、脳内の視床下部に存在する視交叉上核(SCN)であり、そこで Period1(Per1)遺伝子をはじめとする時計遺伝子の約 24 時間周期の発現リズムによって、概日リズムが規定される。グルタミン酸受容体が SCN 神経細胞のポストシナプス部位に発現し, 目から入ったインプットである光刺激が SCN のグルタミン酸受容体への刺激となり, Per1 遺伝子が発現誘導されることが知られている。今回, MAG の改良型化合物を用いて、SCN の神経細胞を時空間特的に光刺激し、その後におこる概日リズムの変化を観察した。具体的には、Per1 遺伝子の発現のタイ
ミングを GFP(緑色蛍光タンパク質)レポーターや luciferase (ホタル蛍化学発光タンパ
ク質) レポーターで観察できる組換えマウスの脳スライスを用いてタイムラプスにて観察した。その結果、SCN では、概日リズムのインプット情報を様々に調整して、SCN
全体として個々の細胞の時計機能がシンクロし、組織として強い自律的なペースメーカ
ーの役割を担っていることが明らかになった。

第 88 回セミナー
日時：2021 年 1 月 19 日 (火) 13:00 ‒ 14:30

場所：

Zoom によるオンライン開催
新井 健生氏 (電気通信大学 グローバルアライアンスラボ推進室 客員教授・北京理工講師：

大学 教授)

司会：

姜 銀来 准教授 (脳・医工学研究センター)

題目：

マイクロロボティクスのバイオ応用- 36 -

マイクロロボティクスはマイクロスケールの微小物体を対象に，微小環境における操作と計測，自動化に関わる工学である．講演者は 30 年前に 2 本指で器用に操作を行うマイクロハンドの開発を開始し，画像処理技術や微小力計測センサを統合し，自動高速ハ
ンドリング，細胞剛性計測などを行った．また，微小流路中で細胞を搬送し培養するマ
イクロフルイデクスなども併用し，オンチップ自動クローニングシステムの開発や，人工 3 次元細胞組織のアセンブリなどを，バイオや医学分野の研究者と連携して実施している．本講演ではこれら一連の研究開発成果を紹介するとともに，今後の研究課題についても紹介する．

第 89 回セミナー
日時：2021 年 2 月 24 日 (水) 14:40 ‒ 16:10

場所：

Zoom によるオンライン開催

講師：

原田 竜彦 氏 (国際医療福祉大学熱海病院耳鼻咽喉科 教授)

司会：

小池 卓二 教授 (機械知能システム学専攻)

題目：

生物進化から見た聴覚のメカニズム
聴覚についてはじめて学ぶとき、音の情報を神経に伝えるだけのしくみがどうしてこれほど複雑な構造となっているのだろうとだれもが感じると思います。すべての生物はひとつの細胞から進化を経た結果現在に至っており、その過程は今も母体の中で出生するまでに繰り返されています。したがって聴覚の仕組みをよく理解するには、聴覚器がどのように進化して今に至っているのかを知ることは不可欠であり、同時に進化という名のイノベーションがいかにして生じてきたのかを知ることは、工学を学び研究されている人たちにとってヒントになることが少なからずあると思います。
今回の講義では、脊椎動物における聴覚系の進化を主に扱います。はじめての脊椎動物となった魚類において平衡覚をつかさどる前庭器を用いて水中音響の聴取が可能になったこと、生物の陸上化に伴い出現した両生・爬虫類において中耳構造が出現したこと、鳥類においてこれがさらに発展しより高度な機能を持つようになったこと、他方で哺乳類において顎構造の変化から異なる中耳構造と特有の聴覚器官である蝸牛を持つに至ったことなどを中心とした進化の過程を解説して参ります。それらの途中でなにが得られ、何が失われたのか、何に促されて進化は起きたのか、そしてそれぞれの生物はどのような方略をとった結果進化につながっていったのか、これらについても一緒に考えてゆきたいと思います。

第 90 回セミナー- 37 -

日時：

2021 年 3 月 8 日 (月) 13:00 ‒ 14:30

場所：

Zoom によるオンライン開催

講師：

小河 繁彦 氏 (東洋大学 理工学部 教授・南ウエールズ大学 客員教授)

司会：

安藤 創一 准教授 (情報理工学研究科 共通教育部)

題目：

運動中の脳血流とその調節機能
運動に対する脳血管反応は、脳の自己調節機能と動脈血の二酸化炭素分圧によって強く調節される。脳の血管応答は、他の末梢血管系とは異なり、血管床は小さく血圧調節機能としての役割を持たない。また他の臓器とは対照的に、方法論的な問題から、脳血流量（CBF）は比較的一定のままであり、運動など様々な生理条件においてほとんど影響を受けないと考えられてきた。しかし、最近の研究では、脳の神経活動やその代謝が運
動中の CBF を変化させることを報告している。例えば、漸増負荷運動中の CBF は、最大酸素摂取量の約 60％の運動強度まで CBF は上昇させることが明らかとなっている。
一方、運動強度がさらに高まると CBF は低下し、激しい運動では脳の代謝の増加にもかかわらず、CBF が逆の反応を示す。つまり、運動中必ずしも脳の代謝が脳血流を決定する主要因になってないことが推察され、運動における CBF 応答のメカ二ズムはい
まだ議論の余地がある。本セミナーでは、CBF の評価に関連する方法論や運動中のCBF の調節のメカニズムに関する知見を紹介し、CBF の調節機能に関する疑問点を提示する。

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