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

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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。