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

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）。

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）。