Experimental and computational modeling studies to unravel the spinal-cerebellar circuits underlying locomotor adaptation

实验和计算建模研究揭示运动适应背后的脊髓小脑回路

• 批准号: 20KK0226
• 负责人: 柳原 大
• 金额: $ 11.65万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Fund for the Promotion of Joint International Research (Fostering Joint International Research (B))
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-10-27 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20KK0226/
• 关键词: 歩行; 小脳; 脊髄; パターン生成; 神経筋骨格モデル; 肢間協調; 運動学シナジー; 左右分離型ベルトトレッドミル; マウス; ラット; 中枢パターン生成器

歩行を円滑かつ安定に遂行するためには肢内及び肢間における時空間的な協調が重要であり、種々の環境変化に応じて適応を生じるためには脊髄小脳ループが重要な役割を持つと推測される。本研究では、左右分離型ベルトトレッドミル(Split-belt treadmill)を用いてマウス及びラットの歩行運動の神経生理学的実験を行い、肢運動及び小脳プルキンエ細胞活動の動態について詳細に解析する。また、計算論的神経科学的研究として、歩行制御に関わる小脳及び脊髄における神経制御モデルを作成し、筋骨格モデルと統合した神経筋骨格モデルを構築する。さらに、光遺伝学による小脳プルキンエ細胞活動の時空間的な阻害実験と、神経筋骨格モデルにおける機能阻害の動力学シミュレーションを検証し、脊髄小脳ループにおける適応制御に関わるメカニズムを解明することを目的としている。独自に設計・製作した左右分離型ベルトトレッドミルを用いて、ラットにおいては後肢2足歩行、マウスにおいて4足歩行時に、左右のベルト速度を変化させてそれに対する適応学習課題を課し、その際の運動学的解析から歩行の時空間的なパターンの適応と後効果の動態について明らかにした。脊髄小脳変性症6型モデルマウスにおいては、適応の障害が観察された。また、ラットにおける後肢2足歩行においては、左右のベルト速度比を1.5倍、2.0倍、2.5倍等に変更した際の後肢の運動学シナジーの変容について、特異値分解により関節角運動を空間的協調と時間的協調に分解して解析し、特に、速いベルトと遅いベルト上の肢においては時間的協調が顕著に変化することが示された。

四肢内部和之间的时空协调对于平稳稳定的行走非常重要，而脊髓小脑环在适应各种环境变化方面发挥着重要作用。在本研究中，我们将使用分带式跑步机对小鼠和大鼠的运动进行神经生理学实验，并详细分析肢体运动和小脑浦肯野细胞活动的动力学。此外，作为计算神经科学研究的一部分，我们将为参与步态控制的小脑和脊髓创建神经控制模型，并构建与肌肉骨骼模型集成的神经肌肉骨骼模型。此外，我们将利用光遗传学和神经肌肉骨骼模型中功能抑制的动态模拟来验证小脑浦肯野细胞活性的时空抑制实验，目的是阐明脊髓小脑环路中参与适应性控制的机制。我们使用独特设计和制造的左右分离皮带跑步机，通过改变左右皮带的速度来执行自适应学习任务，同时大鼠用两条后腿行走和小鼠用四条腿行走。步行时空模式的适应和后遗症的动态。在 6 型脊髓小脑变性小鼠模型中，观察到适应性受损。此外，在大鼠双足后肢行走中，我们研究了左右带速比改变为1.5x、2.0x、2.5x等时后肢运动学协同的变化，利用奇异值分解进行空间计算将协调性和时间协调性分开进行分析，发现时间协调性发生显着变化，特别是在快带和慢带上的肢体。

项目成果

転倒に関わる神経機構：主としてモデル動物の知見から

跌倒涉及的神经机制：主要基于模型动物的研究结果

• 发表时间: 2022
• 作者: 結城笙子;櫻井芳雄;柳原 大;柳原 大
• 通讯作者: 柳原 大

A Model of Predictive Postural Control Against Floor Tilting in Rats.

• DOI: 10.3389/fnsys.2021.785366
• 发表时间: 2021
• 期刊: Frontiers in systems neuroscience
• 影响因子: 3
• 作者: Konosu A;Funato T;Matsuki Y;Fujita A;Sakai R;Yanagihara D
• 通讯作者: Yanagihara D

SCA31 transgenic mice show pathogenic features similar to human patients

SCA31转基因小鼠表现出与人类患者相似的致病特征

• 发表时间: 2021
• 作者: Higashi;M.;Okita;M.;Sato;N.;Asaka;M.;Aoki;H.;Ishii;T.;Ishiguro;T.;Yanagihara;D.;Yokota;T.;Ishikawa;K.
• 通讯作者: K.

Drexel University(米国)

德雷塞尔大学（美国）

Contribution of Afferent Feedback to Adaptive Hindlimb Walking in Cats: A Neuromusculoskeletal Modeling Study.

• DOI: 10.3389/fbioe.2022.825149
• 发表时间: 2022
• 期刊: FRONTIERS IN BIOENGINEERING AND BIOTECHNOLOGY
• 影响因子: 5.7
• 作者: Kim, Yongi;Aoi, Shinya;Fujiki, Soichiro;Danner, Simon M.;Markin, Sergey N.;Ausborn, Jessica;Rybak, Ilya A.;Yanagihara, Dai;Senda, Kei;Tsuchiya, Kazuo
• 通讯作者: Tsuchiya, Kazuo