B05研究項目

B05-1 深層強化学習における運動シナジー発現のメカニズムの解明

研究概要

B05-1 研究代表者
林部 充宏

運動シナジーが人間の運動制御で用いられていることは既知であるが、計算論的に中枢神経がどのような法則に基づいて、どのようなメカニズムでそれが生成されているかは計算論的数理モデル構築には至っていない。計算論的神経科学では、何らかの評価関数を最小にする(最適化)するような計算方法が提案されている。最適化計算には環境と身体の数学的モデルが事前に必要となってしまう。これまではどのような計算指針でシナジーが生成できるのかのメカニズムを扱うものはほとんどなかった。その数理メカニズムの非線形ダイナミクスシステムとしての理解を深め、深層学習と統合し多自由度の機械力学的運動へ適応した際の拡張性、有効性を検証する。

研究組織

研究代表者 林部 充宏 東北大学 大学院工学研究科 教授
研究協力者 沓澤 京 東北大学 大学院工学研究科 助教

B05-2 閉ループ筋電気刺激外乱システムを用いた立位姿勢制御系適応能力の解明

研究概要

B05-2 研究代表者
野崎 大地

ヒトの二足での不安定な直立姿勢を脳がどのように制御・安定化しているのかを、身体ダイナミクスを変化させたときの適応動態を調べることによって明らかにする。足関節屈曲筋である前脛骨筋を筋電気刺激によって収縮させ、その収縮力を身体重心位置・速度に依存して変化させることで、擬似的に身体ダイナミクスを変化させるシステムを構築する。さらにこのシステムによって印加される新奇ダイナミクスに適応する過程で生じる姿勢の動揺パターンや外乱に対する応答パターンの変化を追跡する。

研究組織

研究代表者 野崎 大地 東京大学 大学院教育学研究科 教授
研究協力者 萩生 翔大 京都大学 大学院人間・環境学研究科 講師

B05-3 足部の進化的身体変容に対する二足歩行運動の超適応メカニズム

研究概要

B05-3 研究代表者
荻原 直道

ヒトの足部は、その進化過程において最も劇的に形態が変化した身体部位である。この、ヒトの足部が特殊化しているという事実は、直立二足歩行を行う上で足部構造の改変が本質的に重要であることを示すばかりでなく、足部構造の変化に対してそれを正しく認知・活用し、二足歩行遂行則を再構成できる適応能力を、ヒトの歩行神経系が前適応として有していることを強く示唆している。本研究では、ヒトの進化過程における足部の身体変容に対して、新しい神経制御系を獲得する過程を、神経筋骨格モデルに基づく二足歩行シミュレーションによって解析し、足部構造の改変によって生じる二足歩行の超適応メカニズムを明らかにすることを目的とする。

研究組織

研究代表者 荻原 直道 東京大学 大学院理学系研究科 教授

B05-4 超適応の解明に向けた脳状態空間表現の同定と非侵襲脳刺激による操作

研究概要

B05-4 研究代表者
南部 功夫

本研究では、ヒト運動のバラツキに関連した神経基盤の調査のため、脳波(EEG)を用いた運動実験を実施し、複数の脳領域から構成される状態空間 (Neural Manifold)と運動・行動の関係を調べる。さらにその状態表現を非侵襲脳刺激によって操作することを目指す。

研究組織

研究代表者 南部 功夫 長岡技術科学大学 大学院電気電子情報工学専攻 准教授
研究協力者 和田 安弘 長岡技術科学大学 大学院電気電子情報工学専攻 教授
横山 寛 自然科学研究機構・生理学研究所 神経ダイナミクス研究部門 特任助教

B05-5 写像間の変換推定にもとづく部分ダイナミクスの再利用を行う運動学習モデルの開発

研究概要

B05-5 研究代表者
小林 祐一

人間の適応力には,身体または脳に部分的機能不全が起きた際に,過去に獲得した神経回路を再利用して機能を適応的に回復させる能力があり,その過程の理解が求められている.本研究の目的は,種々の感覚間の依存関係推定を行う運動学習モデルに「写像間の変換推定」という機構を導入し,過去に獲得した制御器の中の部分的なダイナミクスを再利用する過程を説明する運動学習モデルを開発することである.
具体例として左右両腕の運動学習を課題とし,左右の腕の制御器を個別に獲得させる.左右腕の対称性を「写像間の変換推定」の機構により発見することで,左腕の制御回路の一部に機能不全が生じた際に,右腕の部分ダイナミクスを動作生成に役立てることができる.

研究組織

研究代表者 小林 祐一 静岡大学 大学院総合科学技術研究科 准教授
研究協力者 松浦 太星 静岡大学 工学部

B05-6 身体化されたロボットアームへのAIによる運動介入時の操作者適応支援技術

研究概要

B05-6 研究代表者
長谷川 泰久

本研究では、ロボットアームの遠隔操作にて、ロボットの身体化を低下させることなく人の適応性を最大限活用しながら、自己主体性を持ってロボット操作が可能なる操作インタフェースに取り組む。具体的には、自他のロボット操作を区別する認識機能を抑制または錯覚を誘導する手法や、ロボット操作者の適応能力を促進する条件の探索し、それをもとに、操作インタフェースの開発を行う。これにより、ロボット制御器の介入によって巧みな操作を実現しつつ、操作者が主体性を感じながらロボットを自分の体の一部のように操作可能となることを目指す。

研究組織

研究代表者 長谷川 泰久 名古屋大学 大学院工学研究科 教授

B05-7 ヒト立位姿勢の間欠制御の脳内メカニズムに関するシステム工学的研究

研究概要

B05-7 研究代表者
野村 泰伸

本研究では,生体システムモデル論,姿勢計測,運動関連脳波・筋電図計測,ベイズ推論に基づくデータ同化,経頭蓋磁気刺激による皮質脊髄路興奮性の評価,経頭蓋反復磁気刺激による脳活動と身体運動の変調(ニューロモジュレーション)によるアプローチを統合することで,立位姿勢の間欠制御の脳内メカニズムの解明を目指します.

研究組織

研究代表者 野村 泰伸 大阪大学 大学院基礎工学研究科 教授
研究協力者 鈴木 康之 大阪大学 大学院基礎工学研究科 講師
中村 晃大 大阪大学 大学院基礎工学研究科 博士課程学生
Matija Milosevic 大阪大学 大学院基礎工学研究科 助教
中澤 公孝 東京大学 大学院総合文化研究科 教授
佐古田 三郎 国立病院機構刀根山医療センター 名誉院長
遠藤 卓行 国立病院機構刀根山医療センター 医師

B05-8 無限定環境への適応を可能にする動的状態空間強化学習モデル

研究概要

B05-8 研究代表者
坂本 一寛

不確実さには二種類ある。一つはサイコロのように状態空間は決まっているが、どの状態を取るかが確率的なもの。もう一つは状態空間すら決まっていないものである。後者をはらむ環境を無限定環境と呼ぶ。本研究の目的は、無限定環境への適応を可能にする動的状態空間強化学習モデルを構築・検証することである。具体的には、2ターゲット探索課題と呼ばれる課題を実時間で遂行するモデル構築と、神経活動解析によるその検証、つまり、モデルの構成要素が脳のどこに対応するかの解明を行う。課題は4つの光点のうち一つを固視することを要求し、隣り合う二つの光点が試行毎に交互に正解ターゲットとなる(正解ペア)。正解ペアの知識に基づき被験者が一定試行数連続正解すると別の2光点が正解ペアとなるが、それを被験者は探索により探し出さなくてはならない。この意味で本課題は強化学習の大きな問題である探索-知識利用トレードオフを検討するのにふさわしい。動的状態空間強化学習モデルは、通常の強化学習モデルでは固定されている状態空間を動的にすることで2ターゲット探索課題を遂行できる。

研究組織

研究代表者 坂本 一寛 東北医科薬科大学 医学部 准教授
研究協力者 虫明 元 東北大学 大学院医学研究科 教授
洞口 学志 東北大学 大学院医学研究科 博士課程学生

B05-9 テイラーメード神経活動修飾法による注意機能改善がもたらす高齢者の運動学習促進

研究概要

B05-9 研究代表者
櫻田 武

本研究では,これまで確立してきた,脳活動から個々人の注意制御能力を定量化する手法を応用し,ニューロフィードバックを用いた高齢者認知機能改善のためのテイラーメード訓練環境を新たに確立する.この系を用いた訓練によって,運動中に注意を適切に向けるための神経回路が再構築され,それに付随して外部環境への適応能力や運動学習能力が向上することを示す.最終的には,個人差を考慮した訓練効果予測モデルに基づく,効率的な介入プロトコルの提案を試みる.

研究組織

研究代表者 櫻田 武 立命館大学 理工部 助教

B05-10 VRリハビリテーションにおける運動回復プロセスのモデル化とリハビリ戦略の最適化

研究概要

B05-10 研究代表者
稲邑 哲也

従来までの運動機能障害のリハビリテーションは,理学療法士が定めた方針に沿って,患者がリハビリプログラムに取り組み,その過程を理学療法士が観察し身体機能の回復状況を推定しながらリハビリの方針を策定するという,主観や経験則の要素が多かった.本研究は,そのような理学療法士と患者のインタラクションの過程をモデル化し,患者個人の状態に応じて最適なリハビリプログラムを提供するシステムの実現を目指す.

研究組織

研究代表者 稲邑 哲也 国立情報学研究所 情報学プリンシプル研究系 准教授
研究協力者 金子 文成 慶應義塾大学 医学部 特任准教授

B05-11 筋骨格身体の急峻な変化を伴う発達初期における感覚-運動ダイナミクスの超適応

研究概要

B05-11 研究代表者
金沢 星慶

ヒトは新生児から乳児の発達初期に、それ以降ではあり得ないほど急峻な身体発育や神経成熟が生じると同時に、学童期や成人期の運動制御や行動発現につながる感覚運動ダイナミクスを獲得していると考えられている。本研究では、発達初期の特有の自発運動、筋骨格身体の発達的変化、および、神経系に生じる学習則をモデル化することで、感覚-運動ダイナミクスや行動創発の発達的変容メカニズムの追及を目指す。

研究組織

研究代表者 金沢 星慶 東京大学 大学院情報理工学系研究科 特任助教
研究協力者 國吉 康夫 東京大学 大学院情報理工学系研究科 教授
金 東敏 東京大学 大学院情報理工学系研究科 大学院生
河井 昌彦 京都大学 大学院医学研究科 准教授