01

May 2020 No.

領域代表より計画研究 A 班
A01 研究項目
研究代表者：伊佐 正 （京都大学）、研究分担者：内藤栄一 （情報通信研究機構）、相澤 秀紀 （広島大学）
A01(伊佐)：生体構造の再構成による超適応機構の解明と潜在適応力低下防止への挑戦
大規模脳領域での脱抑制が生体構造の再構成による超適応機構の基盤であるという仮説を基に、脳内の脱抑制の神経機序を解明し、機能改善に有効な戦略を提案することを目的とする。

迫るために，昨年 6 月に 8 研究項目(A01-04, B01-04) 計
19 名の研究者から構成される計画班メンバーにより開始しました．また本年 4 月からは新たに 2 研究項目(A05,B05)
計 26 名の研究者からなる公募班メンバーを迎えることができ，現在に至っております．我々は，領域内の積極的なコラボレーションと領域以外の多くの研究者の方々との密な相互交流により，新しい学術領域の創成を目指していく
所存です．このような状況におきまして，様々な on-line ツールを駆使した研究者同士の新しい相互作用の在り方，
議論の仕方（新しい研究者生活様式）をも追及できれば，と考えております．今回はニュースレターの初回ということ
で各研究者の研究内容をスライド 1 枚の形式でまとめることにしました．「超適応の科学」の確立を目指して様々な方向からアプローチをしていることをご理解いただけるかと存じます．今後ともご指導ご鞭撻のほどよろしくお願い申し上げます．

亜半切損傷モデルでは，手指の巧緻性は完全に回復しないが、把持運動は相当程度回復する。

精密把持運動

脊髄

C4/5

損傷範囲
図1. 脊髄損傷モデル

図2. リハビリテーションのための到達－精密把持課題

損傷後、多くの部位から筋収縮が誘発され、脱抑制が示唆された。
損傷反対側

反対側の運動前野を電気刺激した時の筋収縮

損傷同側

精密把持

100

肩
二頭筋
肘
前腕
手首
指
足
背中

スリットを
利用した把持
0

A
0

80
40
120
損傷日からの日数(d)160

図3. 損傷からの回復過程

静止座位

脳

L

-4

5

0
44
88
129
損傷日からの日数(d)

筋収縮の大きさ本領域の代表を拝命しております東京大学の太田です．
よろしくお願い申し上げます．本領域は，生物の構造変化
や行動遂行則変化を伴う新しい適応（超適応）の原理に成功率(%)

太田 順（東京大学 大学院工学系研究科 教授）

脊髄損傷サル（第4/5頸髄間で亜半切）において、損傷前後の皮質脳波電極を用いた感覚運動関連領域の運動関連活動、さらに個々の電極への電気刺激に対する皮質各領域での誘発電位応答や筋電図応答を記録・解析することで、大規模脳領域で起こる脱抑制のメカニズムを解明する。

図4. 赤丸で示す皮質脳波電極を通じた電気刺激に対して各身体部位に誘発される筋収縮の損傷後の経時変化。

A01(内藤)：加齢に伴う抑制機能減弱と運動機能低下の検証とマルチタスクトレーニングによる機能改善への挑戦

抑制・運動機能低下の検証

抑制

機能改善の評価(B01との連携)

抑制減弱

企業連携等による成果の社会還元へ1

A01(相澤)：生体構造の再構成による超適応機構の解明と潜在適応力低下防止への挑戦
汎性修飾系の半球間抑制への作用A

広域神経活動記録

モノアミン測定
MFB Stim

B

300
250

げっ歯類脳梗塞モデル
•
•
•

200
150

光塞栓による局所梗塞と運動機能障害
汎性修飾系操作と運動機能回復
脳活動の光学的測定
血流、細胞内カルシウムイメージング

A03(筒井)：身体認知が運動学習を促進するメカニズム
情動状態（意欲）が，運動学習（行動遂行則の再編成）を促進するメカニズムを，神経科学的手法で解明
遂行セッション数

改変ブリンクマンボード課題

Monkey A

Monkey M

100
50
0
-50

LHb Stim

C

D

10
5
0

半球間
抑制

TTC

-5

-10

1.5
Relative CBF

-15
-20

光遺伝学的
活動操作

1

この課題を遂行中に、経頭蓋磁気刺激（TMS）による脳機能介入と皮質表面電位（ECoG）の記録による大脳ネットワー
ク動態解析を行う。

0.5
00~4 mm/min

1

2

3

4

Time (min)→ ヒト・サル共通のパラダイム（筒井・今水・B03井澤）で神経基盤を解明

A02 研究項目

A04 研究項目

研究代表者：関 和彦

研究代表者：高草木 薫 （旭川医科大学）
研究分担者：花川 隆 （京都大学）（国立精神・神経医療研究センター）
A02(関)：身体変容への超適応のメカニズム解明

筋再配置手術A04（高草木）：神経伝達物質の異常に伴う超適応を誘発する脳活動ダイナミクスの変容
高草木Gr は「随意運動の遂行における先行性予測姿勢制御の脳内神経機構」とこのプロセスにおける「コリンおよびドーパミン作動系の機能的役割」の解明を試みます．
随意運動と先行性予測姿勢制御の神経機構

動物実験

ドーパミン作動系とコリン作動系

神経活動解析

筋活動解析

随意運動を開始する時には，これに最適な姿勢は既に決定されている(Takahashi et al. in preparation)．この予測姿勢制御が働くため我々は転倒すること無く運動できる（左上はこの脳内神経機構の仮説模式図）．コリン系やドーパミン系（右上）は，この高次姿勢調節機構をどのように調節しているのだろうか？これが解明できれば，アルツハイマー病やパーキンソン病における運動障害や転倒のメカニズムの一端が解明される．

A04(花川)：加齢による脳活動ダイナミクス変化と脳機能変化の解明とモデル化

A03 研究項目
研究代表者：今水 寛 （東京大学）
研究分担者：筒井 健一郎 （東北大学）
A03(今水)：身体認知が運動学習を促進するメカニズム
身体認知（運動主体感）が，運動学習（行動遂行則の再編成）を促
進するメカニズムを，神経科学的手法で解明①自己と他者の動きを混ぜ合わせ，運動主体感を実験的に操作②運動学習中に運動主体
感をデコード可能な脳領域を特定③特定した脳領域の活動を
脳刺激・ニューロフィードバック
で操作，学習効率を促進・抑制
脳刺激1．PADNIコホート（別予算で構築中）を活用し、アミロイド沈着やドパミン低下の状態が把握できている高齢者やパーキンソン病患者から、安静時・課題実施中の脳ネットワーク活動のダイ
ナミクスを脳波-fMRIで同時測定し、加齢による脳ネットワーク活動の変容と認知機能低下の関係をモデル化する
２．ドパミン低下の状態については、ドパミントランスポーターSPECTで線条体（ドパミン細胞終末）、ニューロメラニンMRIで黒質の状態を多次元的に評価する
EEG-fMRI

脳ネットワーク間結合性ダイナミクス

DAT SPECT

ニューロフィードバック
Y
X

a

識別境界

!1- a

+

自己 (x, y)

自己他者 (x’, y’)

ジョイス
ティック

他者

課題成績

カーソル
位置

促進

Amyloid PET

抑制
学習曲線
訓練回数

→ ヒト・サル共通のパラダイム（筒井・今水・B03井澤）で神経基盤を解明

2

公募研究 A 班
A05 研究項目
研究代表者：出江 紳一 （東北大学）
A05-1(出江)：脳卒中患者の上肢麻痺回復過程における超適応機構の解明

研究代表者：小林 和人 （福島県立医科大学）
A05-4(小林)：パーキンソン病モデルにおける学習障害回復の基盤となる神経回路再編成メカニズム

研究概要：脳卒中患者を対象とし、回復に重要とされる上肢使用頻度と身体特異性注意をそれぞれ加速度計と心理物理的手法を用いて縦断的に計測する。また、脳の可塑的な変化をfMRIで計測し、これらの回復過程における関係を解明する。

6-OHDA中脳 - ドーパミン系の投射を6-OHDAで破壊

弁別学習の障害と回復

障害回復に関与する脳部位を同定

障害回復に関与するVTA-NAc経路の役割を解明
VTA-Nac機能解析

FDG-PET解析＜機能促進実験＞

促進性イオン透過型受容体（IR）を発現させて、リガンドをVTA及びNAcに注入＜機能抑制実験＞
抑制性イオン透過型受容体（Glu-Cl）を発現させて、リガンドをVTA及びNAcに注入
AAV-flex-IR
AAV-flex-Glu-Cl

脳卒中患者の上肢麻痺の回復過程における適応機構を解明 (行動-身体意識-脳の関係に着目)することにより、本領域における身体・脳の超適応機構の理解に貢献することを目指す。

研究代表者：雨森 賢一 （京都大学）

TH-creノックインラット

研究代表者：阿部 十也（国立精神・神経医療研究センター）
A05-5(阿部)：ヒト脳・脊髄間接運動経路を活性化させる
脳刺激法の開発

A05-2(雨森)：不安障害と回復期にみられる霊長類
辺縁皮質－線条体の神経振動の同期現象（１）再現可能なマカクザルの不安障害モデルを作成します
A. 接近回避葛藤の例。報酬と罰が組み合わさると、「接近の動機付け」と「回避の動機付け」は両立しなくなり、報酬と罰の組み合わせを受け入れるか、拒否するかの意思決定に葛藤が生じる。線条体の刺激によって悲観状態が引き起こされると、拒否の頻度が増加する。B. 刺激による「拒否」の増加は抗不安薬によって消失する。セッションを200試行のブロックに分け、線条体刺激中に抗不安薬を注射した（左）。刺激中にもかかわらず抗不安薬は刺激の効果をブロックした（右）。一連の過程は不安障害の人為的な惹起と薬理学的な回復に対応すると考えられる。

（２）病態期と回復期における、辺縁皮質－線条体の神経振動を計測します（３）神経振動の同期現象が引き起こす行動変容を数理モデル化します•

手指巧緻運動を担う運動経路は二種類ある. 一次運動野(M1)からの入力を単シナプスで脊髄に送る直接経路, 両側M1からの入力を統合して脊髄に送る間接経路である.

•

我々は, 右利きヒトにおいて, 利き手・右手で直接経路を, 非利き手・左手で間接経路が動員されることを初めて示した(図１).

•

直接経路が傷害された時、間接経路の機能を活用する神経リハビリテーショ
ン治療法は提案されていない.

•

本研究では, 左手モデルを用いて, 間接経路を活性化させる脳刺激法を開発する(図２). この成果をもとに新しいリハビリテーション治療法の提案を行う.

図１

ネットワークからの神経活動同時記録。A. 応募者らが開発したマルチサイト神経活
動記録法。大脳皮質－基底核をターゲットに多数の記録電極を埋め込み、同時記録を行いながら深部脳刺激を行う。B. 深部脳刺激後のLFPとスパイク。C. EM-BOLD法。深部脳刺激による神経応答をfMRIで調べ、不安ネットワークを同定。D. 期待される情報伝播。本研究ではネットワークにおけるGranger因果性を調べる。E. 研究
代表者は予備実験にて、深部脳刺激による不安の亢進と相関した神経同期の増強を期待している。

意思決定の固執を説明する大脳基底核の数理モデルの例。A. 応
募者らの提案する強化学習モデル。actor-critic構造は大脳基底核
モジュール構造が対応する。B. シミュレーション結果。ブロックごとに報酬位置が突然変化する環境下でも、モジュール切り替えが行えない場合、報酬の位置の変化に即座に適応できず固執する。

研究代表者：松本 理器 （神戸大学）
A05-3 松本 ：ヒト運動前野の超適応メカニズムの解明
皮質脳波からの電気的コネクトミクス研究

右手運動

図２

左手運動

直接経路

間接経路

両側M1を電流刺激して間接経路を活性化させる

左右研究代表者：飛田 秀樹 （名古屋市立大学）
A05-6(飛田)： 脳内出血後のリハビリテーションによる運動回復に伴う運動調節系変化の解析
皮質赤核路の神経遮断(DOX)

A.
運動前野の
包括的な電気生理的コネクトームの作成
B.
高頻度電気刺激によるネットワークの撹乱に対する脳の即時対応メカニズムの解明
C.
運動前野切除（脳外科手術）によるネットワークレベルの超適応の解明
臨床神経科学へのフィードバック

皮質網様体路の遮断(CNO)

リーチング成功率

脳機能への障害に対する神経系の超適応原理の解明の中で、
前頭前野、頭頂葉からの情報を統合するヒト運動前野ネットワーク
に注目し、

麻
痺
側
集
中
使
用

脳出血後のリハビリ

皮質赤核路の選択遮断下大脳皮質（上肢関連領域）

大脳皮質（上肢関連領域）

脳出血後
リハビリ群

脳出血後群

脳内出血後のリハビリテーションによって
皮質赤核路や皮質網様体路への超適応が存在

赤核小細胞
部
赤核大細胞
部

脳幹網様体
核

１、リハビリによる運動調節系変化の解析
２、赤核-下オリーブ核路の神経遮断による解析
３、赤核に於ける促通性亢進因子の解析

3

研究代表者：宮脇 寛行 （大阪市立大学）

研究代表者：宮田 麻理子 （東京女子医科大学）

A05-7 (宮脇) 恐怖記憶による不適応状態からの超適応を支える脳領域間ネットワーク変化の制御機構
多領域同時・大規模電気生理学記録法

A05-10(宮田)：超適応メカニズムを利用した運動野刺激の
除痛効果
抑制回路

神経活動パターンのリアルタイム検出（痛み制御機構）
体性感覚野（S1）

運動野（M1）

痛覚の責任領野
神経活動パターンのリアルタイム検出

光遺伝学と組み合わせ、特定の神行動実験課題と組み合わせ、超適応を支える脳領域間 経活動パターンにともなう神経伝達
ネットワークの変化を、単一細胞レベルの解像度で記録 のみを投射経路選択的に阻害
これらの技術により、超適応を実現する脳領域間ネットワークの変化を細胞間ネットワークの変化として理解し、さらにその制御機構を明らかにする。

運動野刺激

鎮痛
M1からＳ１への抑制入力の解析と数理モデル化
Fukui, Osaki*, Miyata* et al., Sci.Rep., 2020

回路改編のための最適刺激の探索
超適応メカニズムにより抑制回路を強化
幻肢痛等の難治性疼痛に対する持続的な鎮痛効果研究代表者 宮田麻理子
研究協力者 尾崎弘展
金谷萌子
東京女子医大・医学部・生理学講座（神経生理学分野）

研究代表者：前田 貴記 （慶應義塾大学）
A05-8(前田)：主体感（Sense of Agency）の精度向上による神経疾患・精神疾患における超適応の促通
こころ：行動（体験）から脳へ介入（トップダウンアプローチ）。 こころ：行動（体験）から脳を変える。
※ボトムアップな神経科学研究と相補的に進めることで、『超適応』が、より高い水準で実現できるか？

研究代表者：大須 理英子 （早稲田大学）
A05-11(大須)：脳刺激やモチベーション操作による障害側
身体空間を志向する神経回路の活性化
脳卒中で生じる障害：
片麻痺→障害側を使わない
半側則空間無視→障害側に注意が向かない
障害側は…
嫌い 悪い 恥ずかしい

無視しよう

障害側へのネガティブな気持ち（スティグマ）↓
障害回復の阻害要因

スティグマを払拭し、障害側への注意や優先度、志向性といった「preference」を誘導する必要性＊ “Agency Tuning”による“主体感の精度”の向上のみならず、神経疾患・精神疾患における症状全般の改善に、般化（generalization）されうるか？
般化されたときの全脳および“agency network”におけるfunctional connectivityの変化の検証（resting state fMRI）＊ VRを利用した“Agency Tuning ３D version”により、 没入感を強めることで介入効果を高められないか？

研究代表者：近藤 崇弘 （慶應義塾大学）
A05-9（近藤）：抑制性ニューロンの観察・操作による巧緻性再獲得のメカニズム解明
背景：抑制性ニューロンの活動低下は可塑性誘導に必要
運動学習初期や、脳卒中からの回復初期において一次運動野でGABAの低下を認める

問題点：どの抑制性ニューロンがいつ・どのように可塑性誘導に寄与しているか不明
ソマトスタチン(+)ニューロンイメージング、およびパルバルミン(+)ニューロンイメージング

脳刺激による神経モジュレーションやVR技術をつかった空間の操作、モチベーションの操作により、障害側の身体空間へのpreference神経回路を顕在化・活性化する手法とメカニズムを明らかにすることを目指す。

研究代表者：武内 恒成 （愛知医科大学）
A05-12(武内)：細胞外環境とシナプスコネクトによる超適応機能 - 脊髄損傷後の超回復とAIトレース ❶「シナプスコネクター」による脊髄損傷後の神経回路再編➋「再生阻害因子CS抑制」による
脊髄損傷後の回路再生環境“CPTX”投与により、劇的な脊髄損傷機能回復⇒損傷後の積極的なシナプ
スの接続・再編成

再生阻害因子コンドロイチン硫酸CS合成
KO/KDマウスの損傷回復は、他の系全てを凌駕

脊髄損傷後治療・回復において、 ❶「シナプスコネクト」による神経回路再編、➋「損傷部
微細環境制御」による回路再編、 これら2つの従来の報告を凌駕する回復モデル系⇒ ❶or/and➋による マウス生理機能回復を “AIモーションキャプチャー解析”から、定量化⇒ 臨床応用展開とともに、マウスをヒトの生理機能回復に外挿できるシステム構築を目指す！

☆”AIモーションキャプチャーシステム“を構築し、マウス運動機能回復を定量的に解析するにより、マーモセット脊髄損傷モデルが運動機能を回復するときの神経活動をモニタリング
AIモーションキャプチャーシステムの構築（班内共同研究も強く希望）4

研究代表者：藤山 文乃 （北海道大学）研究代表者：肥後 範行 （産業技術総合研究所）

A05-13(藤山)：加齢と疾患による大脳基底核神経路の変遷と再構成を検証する

年齢とドーパミン量をモニターしながら

A05-16 (肥後)：脳損傷後に大脳両半球で生じる適応機構
内包梗塞
サルモデル
Murata and Higo, 2016

シナプス

ニューロン

ネットワーク運動中
サルfNIRS
計測

Monkey1(梗塞小)Yamada et al., 2018

生理機能内包梗塞後の機能回復過程で生じる
脳活動変化を同定

Monkey2(梗塞大)神経回路の変化を解明する研究代表者：正水 芳人 （理化学研究所）
A05-14（正水） ：超適応によって脳機能を回復させるための先進的基盤技術開発

計画研究 B 班

研究目的：
神経細胞ファイバーを脳に移植することによって、脳の損傷部位をバイパスし、脳機能を回復させるための技術開発を目指す。

B01 研究項目
研究代表者：近藤 敏之 （東京農工大学）、研究分担者：
千葉 龍介 （旭川医科大学）、矢野 史朗 （東京農工大学）

さらに in vivo カルシウムイメージングで、脳活動を計測すること
によって、機能回復過程における脳の活動変化の解明を目指す。

B01(近藤・矢野)：生体構造の再構成に関わる
潜在回路に基づく超適応メカニズムのモデル化（1）脳障害からの回復過程における生理学的マルチモーダル時系列データの動的構造推定（2）超適応を促す運動学習支援ロボットのアルゴリズム開発（1）（2）
潜在特徴量の抽出：
テンソル分解協調運動学習するロボットの支援アルゴリズム開発
多様な運動学習支援
アルゴリズムneurons trials

マルチモーダル時系列データ：
皮質脳活動，筋活動・運動

time

≈

+⋯ +

動的構造推定：時変グラフィカルモデル
支援アルゴリズムの違いが単独運動技能に及ぼす汎化性の評価

研究代表者：西村 幸男 （東京都医学総合研究所）
A05-15（西村）：超適応を促進する脳深部刺激法の開発とその作動メカニズムの解明

レベル調節エージェントが有意に高い汎化性を実現

B01(千葉)：二重課題と筋骨格系姿勢制御モデルによる高齢者のパラメータ変化の推定
構成論的アプローチ

Motivation
高齢者と若年者の相違をモデル上で表現
生理学的知見を用いてグレイボックス
モデリングにより制御系モデルを構築
筋骨格モデルにより運動をシミュレート
若年者・高齢者の未知パラメータを同定
パラメータの相違を脳内ネットワーク上の興奮・抑制の亢進・減弱
若年者と高齢者で様相が異なる機能的抑制の変化のメカニズムの解明
二重課題実験
・閉脚立位姿勢
維持
・繰り返し減算

制御系パラメータが変化（機能的抑制の減衰）⇒特に筋緊張（関節剛性に作用）に着目

パラメータの相違の推定
閉脚立位
制御系の
設計
（最適化）

5

B02 研究項目

B03(井澤)：運動のモチベーションと身体モデル

研究代表者：小池 康晴 （東京工業大学）
研究分担者：舩戸 徹郎 （電気通信大学）
B02(小池)：身体変容への超適応のモデル化

１．身体モデルに基づいた可制御性の認知が、行動遂行則に関わる運動のモチベーショ
ンにどのような影響を与えるか、確率モデルに基づいて解明する。また、可制御性認知が行動決定に与える影響に関して計算論的モデルを提案し、行動データと比較する。
報酬の可制御性

行動選択確率

モチベー
ション

行動遂行則

DV=f(価値関数,可制御性）

報酬

身体
身体の可制御性２．上記モデルを検証する目的で、ロボット工学を２つの面から神経科学に応用する。そのための基盤技術開発を行う。
①動物の運動学習実験を可能にする小型のロボットマニピュランダムを開発する。
②ヒトの運動学習における脳の各部位の役割の検証を可能にする、バイマニュアルロ
ボットマニピュランダムと脳磁気刺激装置の同時制御システムを開発する。

仮想手術

B03(安)：片麻痺患者の運動回復における超適応
目的：脳損傷後に運動障害が残った片麻痺患者のリハビリテーションでの運動回復における超適応のプロセスの解明
問い：運動回復を反映する筋シナジーの指標はなにか？

B02(舩戸)：身体変容に対するシナジー再構成の数理モデル

手法：33名の脳損傷後の片麻痺患者から筋シナジーの特徴量を抽出
機械学習を用い，運動障害が中度な群と重度な群に分ける特徴量の同定

目的： 腱再配置による身体変容に対して運動を再獲得する
制御・学習メカニズムを、筋シナジー解析及び筋骨格モデルを用いた力学解析によって解明する

結果：筋シナジーの特徴量によって83%で重度な群と中度な群を分類可能
特に中度な群においては離床に寄与する筋シナジーの活動が有意に早い

制御・学習モデル

筋骨格モデル

結論：片麻痺患者の運動回復を促進するためには離床動作を担う筋シナジーの活動タイミングを調整することが重要

患者データ
筋シナジーの特徴量
中度

重度
or
中度

機械学習

重み

重度

時間 [s]（ランダム
フォレスト）

B04 研究項目
研究代表者：太田 順 （東京大学）
研究分担者：四津 有人 （茨城県立医療大学）

B03 研究項目

B04(太田)：計算機モデル上での姿勢異常の表現

目的：本研究項目は身体認知・情動といった認知的な側面に注目し，新たな介入
手法が身体認知・情動を介して，超適応機能を動員する過程をシステム論的理解し，超適応を実現するための介入手法を提案することを目指す．
研究手法：身体認知のメカニズムのモデル化を行い、超適応過程を促進するため、と介入可能な手法の提案と検証
研究１：運動主体感における規則性検出の役割のモデル化
従来のメカニズム

運動

予測
運動主体感
感覚入力

研究２：運動機能回復における運動主体感に対する介入
感覚（視覚）入力に対して介入を行うことで、運動主体感の向上を介して運動機能の回復を促進する

直立
頸部の関節
自由度を考慮し首下がり等を再現可

異常

筋緊張の大きさと外力印加時の姿勢制御戦略の使われ方との関係を調査
peak hip angle [deg]B03(淺間・温)：超適応過程における身体意識に対する介入の数理モデル

既存の制御モデルを用いて、パーキンソン病患者に特有の異常姿勢で筋骨格モデルを立たせる

筋緊張指標||uff||2（筑波大学）、温 文 （東京大学）、安 琪 （九州大学）

筋緊張指標||uff||2

研究代表者：淺間 一 （東京大学）、研究分担者：井澤 淳

45 ↑hip strategy
40
35
30
25
20
15
10
5
↓ankle strategy
0
0
1
2
3

●筋量60%●筋量80%●筋量100%4

筋緊張指標||u ff||2

5

6

筋緊張の亢進がankle strategy使用を促す
Kaminishi, et al. (2020). Gait & Posture, 76, 298-304.

若年/高齢健常者、PD患者を対象に
立位姿勢制御実験中

神経伝達物質の働きを考慮した制御モデルを構築し、行動遂行則再編成過程の解明を目指す

異常姿勢を取るためには、より大きな筋緊張が必要である可能性を示唆

r
提案したメカニズム

6研究代表者：荻原 直道 （東京大学）

B04(四津)：姿勢制御における神経伝達物質の作用を考慮した超適応モデリング

B05-3(荻原)：足部の進化的身体変容に対する二足歩行
運動の超適応メカニズム

パーキンソン病：神経伝達物質の一つであるドーパミンの低下

背景•

足部はヒトの進化過程において最も劇的に形態変化した身体部位•
内側縦アーチ

ヒト

目的

サル
ヒト

サル

直立二足歩行を行う上で足部構造の改変が本質的に重要
ヒトの歩行神経系には、身体変容を正し
く認知・活用し、二足歩行遂行則を再構成できる適応能力がある

身体変容に伴う二足歩行の「超適応」メカニズム解明

踵骨下向き

母趾が他趾と平行方法

パターン生成層

歩行
誘発野

•

足部形態の
進化的改変

リズム
生成層

•

網様体
脊髄路

姿勢制御におけるドーパミンの作用の解明とモデル化によるリハビリテーション基盤の構築

・
・
・

前庭
脊髄路

身体変容に対して二足歩行遂行則を再構成しうる、超適応
神経制御モデルの構築
身体変容を伴う歩行シミュ
レーションにより、二足歩行の超適応プロセスを再構成

ヒト二足歩行運動進化の神経基盤・形態基盤

感覚情報

神経筋骨格モデルに基づく二足歩行シミュレーション研究代表者：南部 功夫 （長岡技術科学大学）

公募研究 B 班

B05-4(南部)：超適応の解明に向けた脳状態空間表現の同定と非侵襲脳刺激による操作

B05 研究項目

脳状態空間 (Neural manifold) におけるダイナミクス

研究代表者：林部 充宏 （東北大学）

運動時の脳波計
測B05-1(林部)：深層強化学習における運動シナジー発現のメカニズムの解明

運動開始時
運動計画時

初期状態 状態
S1 → 通常S2 → 超適応

初期状態
S2

研究概要：運動シナジーが人間の運動制御で用いられていることは既知であるが、計算論的に中枢神経がどのような法則に基づいて、どのようなメカニズムでそれが生成されているかは計算論的数理モデル構築には至っていないのが現状である。モデルの最適化計算を前提とせずに、未知の身体・環境下での運動学習の結果としての運動シナジー発
現メカニズムを統一的に理解するための数理手法を構築する。
歩行モデル

運動実行時
「超適応」時の運動
脳領域1 状態

初期状態 S1

通常運動

脳領域2 状態

到達目標• 運動に関連した低次元空間の同定• 「超適応」状態での脳状態空間変化の検討

Full Cheetah

Half Cheetah

脳領域3 状態

7自由度腕モデル

研究代表者：小林 祐一 （静岡大学）
図１ 深層強化運動学習過程中に遷移するシナジーを評価している様子（紫色が学習が進んだ場合）

B05-5(小林)：写像間の変換推定にもとづく部分ダイナミクスの再利用を行う運動学習モデルの開発

研究代表者：野崎 大地 （東京大学）
B05-2(野崎)：閉ループ筋電気刺激を用いた立位姿勢制御系適応能力の解明
研究目的：立位姿勢のダイナミクスを操作できるシステムを構築する。
このシステムを用いて新奇なダイナミクスを立位姿勢に課したとき、制御系の感覚運動変換過程に生じうる適応動態を明らかにする。
閉ループ筋電気刺激システムの開発

動機：
片腕の運動制御機能を損傷した人が反対の腕の運動制御機能を利用して運動を制御できる→このような運動機能の再利用・冗長性を説明できる運動学習モデルを作りたい
アプローチ：• 「センサ変数間の依存性推定」と「部分ダイナミクスの同定」にもとづいた運動学習法を提案し， 「写像間の変換推定」の機構を考案
右腕制御器の部分的な損傷• 提案運動学習モデルにより，右腕制御器/機構損傷時に左腕の制御器の一部を利用する運動学習が可能になる
ことを検証
手先の位置
関節角度

適応動態の検討

関節角度
手先位置

適応実験プ ロ ト コ ル

プ ロ ーブ （ 1 分毎に実施）

ベースラ イ ン適応フ ェ イ ズ

1 分 1 分

10 分

ウォ ッ シ ュ ア ウト

時間

関節回転力
（トルク）
筋肉活性度

?

回転力

筋肉温度

感覚情報間の依存推定・部分ダイナミクスの推定

適応動態

プ ロ ーブ ： ステ ッ プ 応答

X

筋肉長

1 分 1 分

左腕制御器

右腕制御器

左腕制御器の部分ダイナミクスを転用

適応フ ェ イ ズ
身体動揺量
刺激応答量
電気刺激によ る ス テ ッ プ
ト ルク 外乱刺激

身体重心
筋電図応答

ウォ ッ シ ュ
ア ウト
時間（ プ ロ ーブ 試行数）

重心情報に応じて前脛骨筋への電気刺激強度を変化させ、重心位置、速度、
加速度依存性の外乱トルクを作り出す
ことによって擬似的にダイナミクスを操作するシステムを開発する。

新奇ダイナミクスの存在下で静止立位を維持する間に生じる姿勢制御系の適応動態を、重心動揺量、筋活動、感覚ス
テップ外乱刺激に対する応答パターンの変化から定量化する。

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研究代表者：長谷川 泰久 （名古屋大学）

研究代表者：櫻田 武 （立命館大学）

B05-6(長谷川)：身体化されたロボットアームへのAIによる運動介入時の操作者適応支援技術

B05-9(櫻田)：テイラーメード神経活動修飾法による注意機能改善がもたらす高齢者の運動学習促進• 個人差を有する注意機能：Focus of Attention [Sakurada et al., 2016; 2017; 2019]– 低次感覚野における脳波応答に基づき個人差を定量化 [Sakurada et al., in prep.]

ロボットアーム

HMD
左

右
ケース#1
ロボットアームの遠隔操作実験②ロボットアームの身体化促進

ケース#2
対側の装着型
ロボットアーム操作実験③ロボット制御器による遠隔操作への介入• 脳機能個人差の事前評価 ＋ 賦活すべき神経回路の適切な選択＝ テイラーメードニューロフィードバック訓練の実現 [櫻田, 特願 2019-214091]＊高齢者個々人の注意機能特性に即した訓練により，運動学習の促進をアシスト• さらなる貢献への期待①ロボット遠隔操作インタフェースの実装④7自由度人工腕の製作
研究課題:

人とロボット制御器が協調してロボットアームを遠隔操作する状況において、人の適応性を最大限活用し、ロボット身体化を低下させることのないロボット制御器の介入方法の探索

アプローチ:
・自他のロボット操作を区別する認識機能を抑制または錯覚を誘導する外部刺激方法の探索
・ロボット操作者の判断能力を活用し、また、操作能力を支援する操作インタフェースの研究開発

Go/NoG運動課題における“意思決定” とβ帯域ERS
健常者
パーキンソン病患者

Go-response Small

Largebeta ERS

beta ERS

B05-10(稲邑)：ＶＲリハビリテーションにおける運動回復
プロセスのモデル化とリハビリ戦略の最適化
・身体保有感モデルに基づく運動介入に最適な姿勢の決定・運動反応履歴に基づく最適な身体運動
拡張係数の決定・パッシブ or アクティブ運動難易度，速度などのリハビリ戦略の決定

リハビリ過程モデル

健常者

パーキンソン病患者

NoGo-response

Largebeta ERS

長期的な呈示刺激身体運動の関係データ【研究項目３】
リハビリ戦略の決定法の確立とその効果の検証

Attenuatedbeta ERS

パーキンソン病患者

Nomura et al. (2020) A Model of the Intermittent Control Strategy for
Stabilizing Human Quiet Stance.
In: Jaeger D., Jung R. (eds) Encyclopedia of Computational Neuroscience.
DOI: https://doi.org/10.1007/978-1-4614-7320-6_100698-1

リハビリ分野への適用

研究代表者：稲邑 哲也 （国立情報学研究所）

B05-7(野村)：ヒト立位姿勢の間欠制御の脳内メカニズムに関するシステム工学的研究

健常者

訓練効果
最大化

f(x)

数理モデルによる訓練効果予測

研究代表者：野村 泰伸 （大阪大学）

立位姿勢の間欠制御モデル

脳機能個人差情報（感覚野・前頭前野活動量や機能的接続強度など）【研究項目１】
身体運動拡張係数の変動による反応運動の計測・分析【研究項目２】
身体保有感の確度と運動介入に効果的な姿勢の間の関係性分析

Wu et al. Attenuated NoGo-related beta desynchronisation andsynchronisation in Parkinson’s disease revealed bymagnetoencephalographic recording. Sci Rep 9, 7235 (2019).
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-019-43762-x

立位姿勢維持中の姿勢の前方転倒運動に対する脳波応答(β帯域ERS)と間欠制御の関連性を定量化[本研究で検証を目指す仮説] 立位姿勢の間欠制御における制御のオン・オフ切替には皮質・基底核ループによる“意思決定” が関与する？？

Research Question:•
Q1) リハビリテーションプロセスの記録により，効果的な運動機能回復を実現するリハビリテー
ション戦略モデルを構築可能か？
•
Q2) 身体保有感の確度，および，VR による運動拡張呈示機能における拡張係数という中間的パラメータを用いることで，リハビリテーションプロセスのモデル化精度が向上するか？

研究代表者：坂本 一寛 （東北医科薬科大学）
B05-8(坂本)：無限定環境への適応を可能にする
動的状態空間強化学習モデル
無限定環境：状態空間すら規定できない環境…どう適応するか？
２ターゲット探索課題を題材に…
状態空間を動的に拡・縮する強化学習モデルの構築と実験的検証

Kawaguchi et al. 2015

サル版の課題では、4つの光点のうち一つを固視することを要求し、隣り合う二つの光点が試行毎に交互に正解ターゲットとなる（正解ペア）。正解ペアの知識に基づき被験者が一定試行
数連続正解すると別の２光点が正解ペアとなる。研究ではマウスVR版を開発。

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編集・発行連絡先

新学術領域研究 「超適応」 NEWSLETTER No. 01
2020 年 05 月発行
領域番号： 8102 設定期間： 令和元（2019）年度〜令和５（2023）年度
領域事務局 E-mail： office@hyper-adapt.org
領域代表者： 太田 順、 領域幹事： 舩戸 徹郎

https://www.hyper-adapt.org/
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