Constructive approach to neural basis for predictive control of gait and posture

用于步态和姿势预测控制的神经基础的建设性方法

基本信息

批准号：
21K03932
负责人：
舩戸徹郎
金额：
$ 2.66万
依托单位：
The University of Electro-Communications
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

ヒトや動物は直立や歩行中に将来の自己の状態を予測して動作を生成する。予測動作の生成には自己の身体内部モデルに基づく予測が必要である。内部モデルは自身の運動状態を表すモデルであり、生物はこのモデルを学習的に獲得する。本研究では、このような姿勢制御・運動制御における予測制御系の原理解明を目指して、予測制御系および内部モデルの学習系のモデル構築と動物の神経系における予測制御機構の原理に迫る研究を行っている。本年度は（１）直立中のヒトの予測外乱実験と力学モデルによる予測的姿勢制御原理の評価、(２）小脳に障害を持つラットを対象とした予測外乱実験による予測に関わる小脳領域の検証、を行い、以下の研究成果を得た。（１）直立中のヒトに対して、音を与えた後に傾斜外乱を与える予測外乱環境に対する応答を調べたところ、十分経験した後では、傾斜外乱前に腓腹筋の活動予測的な活動が見られる被験者と見られない被験者が表れ、いずれの被験者においても学習後に傾斜に対する重心変動が減少した。筋骨格モデルとモデル予測制御によってモデル化をし、予測的活動がどのような制御原理によって生じたのかを力学シミュレーションによって検証した。その結果、モデル予測制御による力学モデルは、ヒトの予測的な筋活動を再現できること、さらに、共収縮の大きさを変えることによって、予測的な筋活動が見られる制御と見られない制御の両方を説明できることを示した。（２）姿勢制御関わる小脳領域である小脳虫部の局所領域に吸引除去及び薬理学的な処理の２つの方法で障害を与え、光刺激を与えた後に傾斜外乱を与える予測外乱環境に対する学習を調べた。その結果、いずれの方法で障害を与えた個体においても小脳虫部の障害によって学習曲線が有意に下がることが示された（学術雑誌に投稿中）。

人类和动物在直立或行走时预测其未来状态并产生运动。预测运动的生成需要基于自己的身体内部模型进行预测。内部模型是代表自身运动状态的模型，生物通过学习获得这个模型。本研究旨在阐明预测控制系统在姿势控制和运动控制中的原理，并进行预测控制系统模型和内模学习系统模型构建的研究，探索动物预测控制机制的原理。神经系统，我要去。今年，我们将（1）利用人类直立时的预测干扰实验和动态模型来评估预测姿势控制的原理；（2）通过对小脑损伤的大鼠进行预测干扰实验来验证参与预测的小脑区域；以下研究结果。 (1) 当我们调查对直立站立的人施加声音后施加倾斜干扰的预测干扰环境的响应时，我们发现，经过充分的经验，在倾斜干扰之前观察到腓肠肌的预期活动出现了不被视为受试者的受试者，并且在所有受试者中，学习后重心相对于倾斜度的波动都减少了。使用肌肉骨骼模型和模型预测控制进行建模，并使用动态仿真验证引起预测活动的控制原理。结果，我们发现基于模型预测控制的机械模型可以重现人类的预测性肌肉活动，并且通过改变共同收缩的幅度，我们可以实现有或没有预测性肌肉活动的控制。这是可以解释的。 (2)使用抽吸和药物治疗两种方法损害小脑蚓部的局部区域，小脑蚓部是参与姿势控制的小脑区域，并学习在施加光刺激后施加倾斜干扰的预测干扰环境我调查了一下。结果表明，使用任何一种方法（目前已提交给学术期刊）的个体小脑蚓部受损后，学习曲线均显着降低。