冗長大自由度を有する身体運動の制御を簡略化する神経システムの解明

阐明通过冗余大自由度简化身体运动控制的神经系统

基本信息

批准号：
16J04573
负责人：
萩生翔大
金额：
$ 2.83万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2016
资助国家：
日本
起止时间：
2016-04-22 至 2019-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

脳は膨大な数の骨格筋の活動をどのようにして制御しているのであろうか．この問いについて明らかにすることが，本研究の最大の目的である．研究目的を達成するために，昨年度は以下の研究を実施した．ヒトは身体外部の環境の変化や使用する道具の変化に応じて運動を修正している．しかし，変化するのは身体外部の環境だけではない．成長や加齢といった長期間の変化から，筋肥大や筋損傷，もしくは筋疲労などの短期間の変化に至るまで，我々の身体は日々変化している．本研究では，このような身体内部の変化に対する運動学習として，短期的に骨格筋の動力学的変化が生じる筋疲労に対して運動がどのように修正されるのかについて明らかにした．実験を実施するにあたって，まず，骨格筋電流刺激を用いた新奇な実験方法を開発した．骨格筋に高周波の電流刺激を与えると，短時間で急激に筋が疲労することが知られている．そこで，高周波の電流刺激を用いて一つの筋を急激に疲労させ，その結果生じる運動の誤差を修正するために，筋活動がどのように修正されていくのかについて調べた．5分間の電流刺激によって受動的に誘発された力は最大値の20%程度まで減少した．電気刺激の前後で水平面上左方向への等尺性力発揮を行ったところ，刺激後，力発揮方向に誤差が生じ，徐々に運動が修正された．また，理論的には，１つの筋が疲労した際，その筋のみの活動を大きくすれば誤差の修正は可能である．しかし実際には，関与する複数の筋の活動を微調整することによって運動を修正していることが明らかとなった．これらの結果から，筋疲労という，身体内部の動力学的変化に対して，疲労した筋以外の複数の筋で力発揮を補正し合いながら運動を修正しているということが明らかとなった．

大脑是如何控制大量骨骼肌的活动的？本研究的主要目的就是为了澄清这个问题。为了实现我们的研究目标，我们去年进行了以下研究。人类会根据外部环境的变化和所使用工具的变化来改变自己的动作。然而，改变的不仅仅是体外环境。我们的身体每天都在发生变化，从生长、衰老等长期变化到肌肉肥大、肌肉损伤、肌肉疲劳等短期变化。在这项研究中，我们阐明了如何调整运动以应对肌肉疲劳，这会导致骨骼肌出现短期动态变化，就像运动学习响应身体的这种内部变化一样。为了进行实验，我们首先开发了一种利用骨骼肌电流刺激的新颖实验方法。众所周知，对骨骼肌施加高频电流刺激会导致短时间内肌肉快速疲劳。因此，我们研究了如何改变肌肉活动，以便使用高频电流刺激快速疲劳一块肌肉并纠正由此产生的运动误差。 5 分钟电流刺激被动诱发的力下降至最大值的 20% 左右。当受试者在电刺激前后在水平面上向左方向施加等长力时，刺激后的用力方向出现误差，运动逐渐得到纠正。此外，从理论上讲，当一块肌肉变得疲劳时，可以通过仅增加该块肌肉的活动来纠正错误。然而，很明显，运动实际上是通过精细调整涉及的多个肌肉的活动来改变的。这些结果表明，为了应对肌肉疲劳（体内的动态变化），除了疲劳肌肉之外的多个肌肉通过相互补偿产生的力来纠正运动。