ヒトの多関節動作システムにおける中枢神経系の即時適応的感覚運動制御メカニズム

人体多关节运动系统中枢神经系统的即时自适应感觉运动控制机制

• 批准号: 07J08779
• 负责人: 平島 雅也
• 金额: $ 1.41万
• 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: 2007
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2007 至 2008
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-07J08779/
• 关键词: ニューラルネットワーク; 一次運動野; 運動制御; 記憶; 忘却; 筋活動; 最適化; 中枢神経系; 感覚運動制御; 適応; 筋骨格系; バイオメカニクス

ヒトの筋骨格系は非常に冗長である。例えば、1つの関節に多数の筋が作用しているため、ある大きさの関節トルクを出すための筋活動パターンは無数に存在する。従って、ある筋が怪我なので使えなくなった場合でも、他の残存している筋で運動機能を保つことができるというメリットがある。一方で、無数の筋活動パターンの中から、ある1つのパターンを選びださなければならず、制御が難しくなってしまうというデメリットもある。果たして神経系は、どのようにして1つの筋活動パターンを選択するのであろうか?本年度は、この長年にわたる疑問を解決する可能性のある有力な仮説を導くことに成功した。従来、我々ヒトが行う運動や筋活動パターンは、脳内で何らかの最適化計算が行われた結果生じるものだと考えられてきた。最適化の規範としては、筋やニューロン活動の二乗和を最小化するという規範が用いられ、無数のパターンの中から最適なパターンが1つだけ選び出されると考えられてきた。しかし、脳のどのような特徴がこの最適化計算を実現しているのか、また、どのような過程を経て最適化が進行していくのかは全くわかっていなかった。本研究では、数学的には非常に複雑な最適化計算が、実は非常にシンプルな神経メカニズムによって実現可能であることを示した。そのシンプルな神経メカニズムとは、「運動記憶の忘却」である。テニスなど、練習を怠ると、たちまちのうちに下手になってしまう。運動に限らず記憶というものは、ニューロン同士の結びつきの強さとして脳内に保存されていると考えられている。その結びつきの強さが、時間ととも徐々に小さくなってしまうという現象が、「運動記憶の忘却」である。私は、ニューロン1000個と筋26個からなるニューラルネットワークを用いて、忘却の効果を検討した。このニューラルネットワークに、肩、肘関節でトルクを発揮させる運動課題を学習させたところ、忘却が存在する場合でのみ、ニューロン活動の二乗和が最小値に収束することを発見した。また、数学的考察をおこなうことで、忘却速度が学習速度よりも十分に小さい場合には、必ず最適解に収束することを証明した。つまり、極わずかであるが忘却するというニューロンの特徴が、最適化の機能を担っている可能性が示唆されたのである。この忘却理論は、机上の空論ではない。この理論によって導き出された筋活動パターンは、実験(Nozaki et al.2005)で観察されたものを非常によく再現する。また、ニューロン活動について見てみても、実験で観察されたサルの一次運動野ニューロン集団の活動(Scott et al.2001;Kakei et al.1999;Naselaris et al.2006)をよく再現している。これらのことから、忘却理論は単なる数学的理論ではなく、生理学的妥当性も兼ね備えた理論であることがわかる。本研究結果は、「研究実施計画」に記載の通り、北米神経科学会において発表した。

The frame is very long. For example, most tendons function in a joint, and there are countless tendon movements in a large joint.従って、ある筋が怪我なので使えなくなった场合でも、他の残存している筋で运动功能を保つことができるというメリットがある。One side, no number of tendon activities in the middle of the day, the other side, the other side, the other side As a result, the mental system is divided into two parts: one part is the muscle activity, the other part is the muscle activity, the other part is the muscle activity. This year has been a success in providing strong guidance on the possibility of solving problems that have been around for many years. The result of the optimization calculation is that there are two ways to solve the problem. Optimization of specifications, reinforcement of activities, minimization of specifications, optimization of numerous activities, selection of criteria, etc. The optimization calculation is carried out in the process of optimization. This study shows that mathematical optimization is possible. "The memory of movement is forgotten."テニスなど、练习を怠ると、たちまちのうちに下手になってしまう。The movement limits the memory and the structure of the memory and the structure of the memory. The phenomenon of "movement memory and forgetting" is caused by the strong connection between the two, the small time and the small time. 1000 pieces of paper, 26 pieces of paper, 1000 pieces of paper The movement of the shoulder, elbow and shoulder joints is studied and forgotten. The movement of the shoulder, elbow and shoulder joints is minimized. The speed of learning, the speed of learning, the speed of learning The characteristics of the product and the possibility of optimizing the function are shown. Forget the theory, the empty theory on the machine. The muscle activity derived from this theory is very closely reproduced in reality (Nozaki et al. 2005). The activities of sports groups (Scott et al.2001;Kakei et al.1999;Naselaris et al.2006) are reproduced. The theory of mathematics, the appropriateness of physiology, and the theory of preparation The results of this study are consistent with those recorded in the "Research Implementation Plan" and reported by the North American Institute of Neuroscience.

项目成果

全身多関節動作の運動制御

全身多关节运动的电机控制

• 发表时间: 2008
• 作者: Yokota;S.;et al.;平島雅也
• 通讯作者: 平島雅也

上肢到達運動における座標変換と筋活動選択を行う皮質ニューラルネットワークモデル

上肢伸展运动过程中坐标变换和肌肉活动选择的皮层神经网络模型

• 发表时间: 2008
• 作者: 平島雅也;野崎大地
• 通讯作者: 野崎大地

Coordinate transformation with muscle redundancy in cortical network: A modeling study

皮质网络中肌肉冗余的坐标变换：建模研究

• 发表时间: 2008
• 作者: Masaya Hirashima;Daichi Nozaki
• 通讯作者: Daichi Nozaki

Kinetic chain of overarm throwing in terms of joint rotations revealed by induced acceleration analysis

• DOI: 10.1016/j.jbiomech.2008.06.014
• 发表时间: 2008-09-18
• 期刊: JOURNAL OF BIOMECHANICS
• 影响因子: 2.4
• 作者: Hirashima, Masaya;Yamane, Katsu;Ohtsuki, Tatsuyuki
• 通讯作者: Ohtsuki, Tatsuyuki

到達運動における座標変換と筋活動選択を行う一次運動野のニューラルネットワークモデル

初级运动皮层的神经网络模型，在到达运动过程中执行坐标变换和肌肉活动选择

• 发表时间: 2008
• 作者: 平島雅也;野崎大地
• 通讯作者: 野崎大地