運動の学習に伴う脳内誤差信号の情報表現の変容とそれを基盤とした学習指導方法の開発

大脑中与运动学习相关的错误信号信息表征的变化以及基于这种变化的学习指导方法的发展

基本信息

批准号：
21H03339
负责人：
柳原大
金额：
$ 11.15万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

本研究では、左右分離型ベルトトレッドミルにおける歩行運動の適応において、小脳皮質プルキンエ細胞への下オリーブ核－登上線維系による誤差信号の時空間的な情報表現について、統計的機械学習技術を適用し、運動学的データにおける潜在的な説明変数を抽出し、被説明変数としての登上線維系がプルキンエ細胞に伝送する信号の活動パターンとの関係性について定量的に明らかにすることを目標としている。新たに開発したマウス用の左右分離型ベルトトレッドミルを用いて、マウスの4足歩行時に左右のベルト速度を同一にしたtied-belt条件と左右で異なるベルト速度のsplit-belt条件での四肢の歩容解析を深層学習技術を適用して行った。その結果、マウスの4足歩行時において、tied-belt条件からsplit-belt条件へ移行した際の左右における肢間協調は前肢と後肢とでは質的に大きく異なり、特に、左右の前肢間における時間的協調について適応・学習の動態が明らかにされた。ラット用左右分離型ベルトトレッドミルを用いて、ラットの後肢2足歩行時に、左右のベルト速度を同一にしたtied-belt条件から左右で異なるベルト速度のsplit-belt条件へ移行した際の運動学的特徴について3次元モーションキャプチャシステムを用いて解析した。それらの結果として、ヒト及びネコなどを用いた先行研究で報告されているsplit-belt条件での即時的な適応がラットの後肢2足歩行においても観察された。後肢の関節仰角について特異値分解による運動学シナジー解析の結果、脚軸の回転運動に対応する第一時間協調においては、split-belt条件におけるベルト速度の速い側と遅い側とでそれらのピークタイミングを変化させ、脚軸の伸縮運動に対応する第二時間協調や空間協調については、ベルト速度の速い側の肢に特徴的な変化が観察された。

在这项研究中，我们将统计机器学习技术应用于在左右分离的皮带跑步机上适应行走运动期间从下橄榄核攀爬纤维系统到小脑皮质中的浦肯野细胞的误差信号的时空信息表示。本研究的目的是提取运动学数据中的潜在解释变量，并定量阐明攀爬纤维系统传输到浦肯野细胞的信号活动模式之间的关系作为解释变量。采用新开发的左右分离带式小鼠跑步机，测试了小鼠在左右带速度相同的系带条件下和分带条件下四足步行时的肢体运动情况。通过应用深度学习技术进行左右皮带速度不同的步态分析。因此，在小鼠四足运动过程中，从系带状态过渡到分带状态时，左右肢间协调在前肢和后肢之间存在质的差异，特别是左右肢之间的时间差异。前肢的适应和学习的动态显着不同。使用大鼠左右分开的皮带跑步机，从左右皮带速度相同的系带状态到左右皮带速度不同的分体皮带状态的过渡的运动学，当在两条皮带上行走时，左右皮带速度不同使用 3D 运动捕捉系统分析了大鼠后腿的图像特征。因此，在先前使用人类和猫进行的研究中报道的在分叉带条件下的立即适应也在大鼠的双足后肢行走中观察到。对后肢关节仰角进行奇异值分解的运动学协同分析结果发现，在对应腿轴旋转运动的第一时间协调中，快带速度和慢带速度的峰值时刻在对于与腿轴的伸展和收缩运动相对应的第二时间协调和空间协调，在带速度较快的一侧的肢体中观察到特征变化。