運動学習・制御における運動野構造の機能解明：統一理論モデルの構築とその応用

运动皮层结构在运动学习与控制中的功能阐明：统一理论模型的构建及其应用

• 批准号: 13J06713
• 负责人: 瀧山 健
• 金额: $ 6.91万
• 依托单位: Tokyo University of Agriculture and Technology (2015)Tamagawa University (2013-2014)
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2013
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2013-04-01 至 2016-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-13J06713/
• 关键词: 運動学習; ニューラルネットワーク; 片腕運動; 両腕運動; 運動制御; 計算論的神経科学; 神経回路網モデル; 心理物理

昨年度は片腕運動に着目した運動学習の統一理論モデルの構築と実証を行い、論文誌として結果を報告した(Takiyama et al., 2015, Nature Communications)。本年度は片腕運動のみならず両腕運動も統一的に扱うことができる数理モデルの構築に挑んだ。既存の数理モデルの多くは片腕運動のみに着目するか(Thoroughman & Shadmehr, 2000, Nature, Smith et al., 2006, PLoS Biol)、はたまた両腕運動のみに着目するか(Yokoi et al., 2011, J Neurosci)に別れており、片腕運動と両腕運動の運動学習を統一的に説明できる数理モデルは数少ない。特に、同じ片腕運動を繰り返しトレーニングした学習効果は両腕運動に60%程しか転移しないものの(Nozaki et al., 2006, Nat Neurosci)、様々な片腕運動を繰り返しトレーニングした学習効果は100%両腕運動に転移する(Wang et al, 2013, PLoS One)。これらを同時に説明できる数理モデルは未だに提案されていなかった。本年度は、右腕と左腕が同じ運動をする両腕運動に限定し、上記の結果を再現する条件を探り新たな数理モデルを提案した。結果として、様々な片腕運動を行っている時の神経活動の平均値が様々な両腕運動を行っている時の神経回路の平均値と一致するBalanced motor primitive frameworkが上記の結果を統一的に再現できる片腕運動-両腕運動の統一理論モデルとなりうることを数学的に示した(Takiyama & Sakai, 2016, Sci Rep)。しかしながら、まだ右腕と左腕が同じ運動をする両腕運動に限定していること、実験的実証がないことが問題点として挙げられるため、今後は更に洗練された片腕運動-両腕運動の統一理論モデルを提案することが望まれる。

去年，我们构建并展示了一个专注于单臂运动的统一运动学习理论模型，并在期刊上报告了结果（Takiyama et al., 2015, Nature Communications）。今年，我们尝试构建一个数学模型，不仅可以统一处理单臂运动，还可以统一处理双臂运动。许多现有的数学模型要么只关注单臂运动（Thoroughman & Shadmehr, 2000, Nature, Smith et al., 2006, PLoS Biol），要么只关注两臂运动（Yokoi et al., 2011, J Neurosci） ，并且只有少数数学模型可以统一解释单臂和双臂运动的运动学习。特别是，虽然重复训练相同的单臂练习的学习效果仅向双臂练习转移约 60%（Nozaki et al., 2006, Nat Neurosci），但重复训练各种单臂练习的学习效果会转移到双臂练习。 100% 转移至双臂（Wang 等，2013，PLoS One）。目前尚未提出能够同时解释这些现象的数学模型。今年，我们将自己局限于左右臂执行相同动作的双臂动作，并寻找重现上述结果的条件，并提出了一个新的数学模型。因此，平衡运动原始框架（其中各种单臂运动期间的神经活动平均值与执行各种两臂运动时的神经回路平均值相匹配）统一了上述结果，我们从数学上证明了这一点。可以成为可重复的单臂和双臂运动的统一理论模型（Takiyama & Sakai，2016，Sci Rep）。然而，问题是它仍然局限于左右臂执行相同运动的双臂运动，并且没有实验证明可以提出一个模型。

项目成果

Balanced motor primitive can unify motor learning effects in unimanual and bimanual movements

平衡的运动原语可以统一单手和双手运动中的运动学习效果

• 发表时间: 2014
• 作者: Ken Takiyama;Yutaka Sakai
• 通讯作者: Yutaka Sakai

Phase shifts in alpha-frequency rhythm detected in electroencephalograms influence reaction time

脑电图中检测到的α频率节律的相移影响反应时间

• DOI: 10.1016/j.neunet.2014.07.012
• 发表时间: 2015
• 期刊: Neural Networks
• 影响因子: 7.8
• 作者: Yasushi Naruse;Ken Takiyama;Masato Okada;Hiroaki Umehara;Yutaka Sakaguchi
• 通讯作者: Yutaka Sakaguchi

Prospective error to determine motor learning : a step towards a unified model of motor learning

确定运动学习的前瞻性误差：迈向运动学习统一模型的一步

• 发表时间: 2013
• 作者: Ken Takiyama;Masaya Hirashima;Daichi Nozaki
• 通讯作者: Daichi Nozaki

Ken Takiyama, Yutaka Sakai

泷山健、酒井丰

• 发表时间: 2014
• 作者: Ken Takiyama;Yutaka Sakai;Transfer of learning effects between unimanual and bimanual movements through modulation of preferred directions: a computational study
• 通讯作者: Transfer of learning effects between unimanual and bimanual movements through modulation of preferred directions: a computational study

運動学習の統一理論 -誤差の予測の重要性-

运动学习统一理论-预测错误的重要性-

• 发表时间: 2015
• 作者: Kurihara Y.,Makita Y.;Kawashima M.;Hamasaki H.;Yamamoto YY.;Matsui M.;濱崎 英史;濱崎 英史;瀧山 健
• 通讯作者: 瀧山 健