ヒトの二足歩行運動の神経制御 (Human Biped Locomotion Control)

• そもそもヒトの二足歩行運動は，どれくらい動的に安定なのか？
• 二足歩行運動を不安定化するような（転倒を引き起こすような） 摂動・外乱に対して，ヒトの脳はどう対処し転倒を回避しているのか？

といった疑問を明らかにすることを目標にしている．この２つの疑問に対する 答を探っていくと，

• 力の制御
• リズムの制御

が重要であることが分かる．どちらも高次の運動中枢と低次の反射機構が階層的に関与していて難解である．力の制御とリズムの制御は不可分で，ヒトの脳は，複数の関節それぞれを駆動する筋が発生する力と，リズム（力を発生する タイミング）を同時に調節し，動的に安定な歩行運動を達成していると考えられる． そこで，（１）まず，歩行中のヒトの関節の運動を計測し，それに基づいて関節に作用する力（トルク）と，外乱や歩行状態の変化に対する運動軌道，運動リズム，トルクの変容を詳細に調べている．これにより，力とリズムそれぞれが，どのように歩行の動的 安定性に寄与しているかを明らかにする．（２）（１）で得られた２つの制御量（力とリズム）が動的に安定な歩行を実現するのに十分であることを制御理論的に示す．次に，（３）（２）で動的安定性を達成するのに十分であることが示された制御量（力とリズム）は，どのような情報に基づき，また，どのような原理に基づけば計算できるかを明らかにする．（４）最終的には，中枢神経 系のどの部位（神経回路）で（３）の計算が実行されているかを明らかにする ことがこの研究のゴールである．

Dynamic Simulation of Human Gait

ヒューマノイド (Humanoid: A Biped Robot HOAP FUJITSU)

• Humanoid HOAP walking on a treadmill (The treadmill developed by Kazuki Koide in the LAB) MPEG Movie
• Humanoid HOAP playing on the swing (Contribution by Kentaro Nakamura in the LAB) MPEG Movie

論文

10. Y. Matsuo, Y. Asai, T. Nomura, S. Sato, S. Inoue, I. Mizukura, T. Yoneda, A. Miki, K. Abe: Intralimb incoordination in patients with ataxia. NeuroReport 14(16):2057-2059

9. T. Yamasaki, T. Nomura, S. Sato (2003) Phase reset and dynamic stability during human gait. BioSystems 71:221-232

8. Y. Asai, T. Nomura, K. Abe, Y. Matsuo, and S. Sato (2003) Classification of dynamics of a model of motor coordination and comparison with Parkinson's disease data. BioSystems 71:11-21

7. T. Yamasaki, T. Nomura, S. Sato (2003) Possible functional roles of phase resetting during walking. Biological Cybenertics 88:468-496

6. K. Abe, Y. Asai, Y. Matsuo, T. Nomura, S. Sato, S. Inoue, I. Mizukura, S. Sakota (2003) Classifying lower limb dynamics in Parkinson's disease. Brain Research Bulletin 61:219-226

5. Y. Asai, T. Nomura, S. Sato, A. Tamaki, Y. Matsuo, I. Mizukura, and K. Abe (2003) A coupled oscillator model of disordered interlimb coordination in patients with Parkinson's disease. Biological Cybenertics 88:152-162

4. Kohzoh Yoshino, Kentaro Takagi, Taishin Nomura, Shunsuke Sato, Mitsuo Tonoike (2002) Responses of MEG during rhythmic finger tapping in humans to phasic stimulation and their interpretation based on neural mechanisms. Biological Cybernetics 86:483-496

3. Yoshiyuki Asai, Taishin Nomura, Shunsuke Sato (2000) Emergence of oscillations in a model of weakly coupled two Bonhoeffer-van der Pol equations. Biosystems 58:239-247

2. Atsushi Toshima, Taishin Nomura, Syuichi Sakamoto, Shunsuke Sato (2000) Gait pattern formation in human bipedal locomotion. Biological Cybernetics (suspended)

1. 小林誠，野村泰伸，佐藤俊輔 (2000) ヒトの二足歩行運動のインパルス状外乱に対する応答とその中枢神経機構に基づく解釈． 医用電子と生体工学 Vol.38 No.1, pp.20-32

解説論文

1. 野村泰伸：ヒトの二足歩行運動の神経制御と動的安定性の理解に向けて．バイオメカニズム学会誌 Vol.27，No.4，pp.168-172, 2003

国内会議（招待講演）

2. 野村泰伸：「歩行運動の安定性　−運動計測とシミュレーション研究−」　第20回臨床認定医生涯教育研修会，平成16年3月6日（土），薬業年金会館６Ｆ（抄録：日本リハビリテーション医学会近畿地方会雑誌「リハビリテーション科診療」に掲載予定）

1. 野村泰伸：「二足歩行運動の神経制御の理解に向けて」 論理生命学セミナー第1回 「生命と知性への理論的アプローチに関するワークショップ」，平成13年3月30日（金），奈良先端科学技術大学院大学図書館

国際会議

15. T. Nomura, S. Sato：A model of spinal network with a huge degree of freedom. Proceedings of The 5th International Workshop on Neuronal Coding 2003, p. 111 (abstract) Aulla, Italy, 20-25 September 2003,

14. T. Nomura, T. Yamasaki, Y. Asai, Y. Konishi, S. Nishiyama, S. Sato：Dynamic aspects of neural motor control during human gait. Proc. of Biocomp2002 Topics in Biomathematics and Related Computational Problems at the Beginning of the Third Millennium, June 3-9, 2002, Vietri sul Mare, Italy, p. 52.

13. T Yamasaki, T Nomura and S Sato (2002) A model study of phase resetting as a stumbling reaction during perturbed locomotion. Biocomp2002 Topics in BIOMATHEMATICS and RELATED COMUPATIONAL PROBLEMS at the Beginning of the Third Millennium, June 3-9, 2002, Vietri sul Mare, Italy, pp.145-146

12. Y Asai, T Nomura, K Abe, Y Matsuo, I Mizukura, S Sato (2002) A coupled oscillator model of interlimb coordination during pedaling exercise in patients with Parkinson's disease. Biocomp2002 Topics in BIOMATHEMATICS and RELATED COMUPATIONAL PROBLEMS at the Beginning of the Third Millennium, June 3-9, 2002, Vietri sul Mare, Italy, pp. 129-131

11. T Yamasaki, T Nomura and S Sato (2001) Phase resetting and dynamical stability of human walking. The 4th International Workshop on Neuronal Coding 2001, September 10-14, Plymouth, United Kingdom, p.51(abstract)

10. Y Asai, T Nomura, S Sato (2001) A coupled oscillator model of ordered and disordered inter-limb coordination. The 4th International Workshop on Neuronal Coding 2001, September 10-14, 2001, Plymouth, United Kingdom, pp. 26-27

9. Y Asai, T Nomura, S Sato, A Tamaki, Y Matsuo, I Mizukura, K Abe (2001) A coupled oscillator model of interlimb coordinations. ITC-CSCC2001 International Technical Conference on Circuits/Systems, Computers and Communications, July 10-12, 2001, Tokushima, Japan, vol II, pp. 755-758

8. K. Yoshino, K. Takagi, T. Nomura, S. Sato M. Tonoike：Neuromagnetic responses during unilateral periodic finger tapping to phasic contralateral finger tap stimulation. Proc. 12th International Conference on Biomagnetism. Aug. 13-17, 2000, Helsinki, Finland, pp. 311-314.


7. Taishin Nomura, Atsushi Toshima, Shunsuke Sato (2000) Optimization of gait and control in human bipedal locomotion. Proc. of IEEE-EMBS Asia-Pacific Conference on Biomedical Engineering pp.348-349

6. T. Nomura, H. Fukai, Y. Asai S. Sato：Emergence of biological oscillations via Hopf bifurcation. Proc. of 3rd International Workshop on Neuronal Coding '99, Oct. 11-15, 1999, Osaka, Japan, p. 59.

5. Y Asai, T Nomura, S Sato (1999) Emergence of in-phase and anti-phase oscillations in a two symmetrically coupled Bonhoeffer-van der Pol equations. The 3rd International Workshop on Neuronal Coding '99, October 11-15, 1999, Osaka, Japan, pp. 185-186

4. K. Yoshino, K. Takagi, T. Nomura, S. Sato M. Tonoike：Responses of neuromagnetic fields during rhythmic human finger tapping to phasic stimulation. Proc. of 3rd International Workshop on Neuronal Coding '99, Oct. 11-15, 1999, Osaka, Japan, pp. 155-158.

3. Taishin Nomura, Makoto Kobayasi, Jun Kozuka, Shunsuke Sato (1998) Coordinated responses of limb movemnet during human bipedal locomotion to external perturbation. Proc. 20th annual international conference-IEEE/EMBS Hong Kong

2. Taishin Nomura, Makoto Kobayasi, Takakazu Nakashima, Shunsuke Sato (1998) Phase-dependent walking rhythm reset and bilateral leg coordination during human gait. Proc. of 5th international conference on neural information processing, KitaKyusyu, Japan

1. Taishin Nomura, Shunsuke Sato, Shinji Doi (1994) A small network model for central pattern generators and its response characteristics to periodic inputs. Abstract SIAM annual meeting, July 25-29, San Diego

国内学会・研究会

29. 野村泰伸：歩行モデルと疾患解析への応用．第4回インシリコヒューマン研究会, 2004年2月27-29日(神戸国際会議場), 口頭発表のみ

28. 野村泰伸：インシリコヒューマンにおける歩行系ダイナミクスのシミュレーション．第17回日本エム・イー学会秋季大会・大会テーマシンポジウム�U・インシリコヒューマンと関連研究の展開　2003年10月20〜22日（けいはんな）

27. 野村泰伸，佐藤俊輔：運動リズムの生成・制御モデル構築における階層性．第42回日本エム･イー学会大会, 2003年6月3-5日(札幌), 生体医工学, Vol. 41, Suppl., p.62.

26. 野村泰伸，佐藤俊輔：神経系による歩行運動制御におけるフィジオーム．信学技報，MBE2002-147，Vol. 102, No. 728, pp. 13-16

25. 山崎大河，野村泰伸，佐藤俊輔 (2002) ヒトの二足歩行運動の外乱に対するリズムリセットと歩行の動的安定性の関係， 信学技報，CAS2002-51，NLP2002-37, pp.13-18

24. 淺井義之，野村泰伸，佐藤俊輔，松尾善美，水庫功，阿部和夫 (2002) パーキンソン病患者における下肢協調運動失調データを再現する力学系モデルの同定とその分岐構造の解析． 信学技報 (Technical Report of IEICE) CAS2002-52, NLP2002-38 (2002-09), Vol. 102, No. 295

23. 山崎大河，野村泰伸，佐藤俊輔 (2002) 歩行リズム制御における位相リセットの役割． 第41回日本エム･イー学会大会2002年5月9-11日(京都)， 医用電子と生体工学 Vol.40 Suppl. p.142

22. 野村泰伸，山崎大河，淺井義之，阿部和夫，松尾善美，佐藤俊輔 (2002) 歩行運動リズムの生成と制御． 第41回日本エム･イー学会大会2002年5月9-11日(京都)　医用電子と生体工学 Vol.40 Suppl. p.50

21. 安藤隆史，吉野公三，野村泰伸，佐藤俊輔，外池光雄：表面筋電と指関節モデルによる指屈伸運動関連脳磁図の再構成．信学技報，MBE2002-192，Vol. 101, No. 734, pp. 77-82

20. 小西泰平，野村泰伸，佐藤俊輔：筋モデルに基づいた二足歩行運動中の下肢筋張力および関節弾性係数の推定．信学技報，MBE2002-196，Vol. 101, No. 734, pp. 71-76

19. 西山正剛，野村泰伸，佐藤俊輔：3次元剛体リンクモデルに基づく二足歩行運動中のゼロモーメントポイント軌道の推定．信学技報，MBE2002-192，Vol. 101, No. 734, pp. 59-64

18. 山崎大河，野村泰伸，佐藤俊輔 (2001) 歩行運動制御において運動リズムリセットが果たす役割． 信学技報，MBE2001-196，pp.83-88，2002

17. 野村泰伸，佐藤俊輔 (2001) トレッドミルの回転速度と斜度が歩行運動のキネマティクスに与える影響． 電子情報通信学会技術報告書MBE2001-35:13-18

16. 淺井義之，野村泰伸，佐藤俊輔 (2001) Central pattern generatorモデルシミュレータを用いた様々なCPGモデルの非線形ダイナミクスの比較．第40回日本エム･イー学会大会2001年5月9-11日(名古屋)．医用電子と生体工学Vol. 39 Suppl. p.313

15. E. Bagarinao, K. Yoshino, T. Nomura, S. Sato, M. Tonoike (2001) Analysis of the whole-head magnetoencephalogram data using multivariable autoregressive modeling. 第40回日本エム･イー学会大会2001年5月9-11日(名古屋)．医用電子と生体工学Vol. 39 Suppl. p.431

14. 吉野公三，高木健太郎，安藤隆史，野村泰伸，佐藤俊輔，外池光雄 (2001) 運動関連脳磁図による指のタッピング運動制御機構の解明．第40回日本エム･イー学会大会2001年5月9-11日(名古屋)．医用電子と生体工学Vol. 39 Suppl. p.226

13. 野村泰伸，山崎大河，淺井義之，佐藤俊輔 (2001) 中枢神経系による歩行運動制御系のモデル化の試み．第40回日本エム･イー学会大会2001年5月9-11日(名古屋)．医用電子と生体工学Vol. 39 Suppl. p.216

12. 山崎大河，野村泰伸，佐藤俊輔 (2001) 周期運動の制御に運動リズムリセットが与える影響．電子情報通信学会技術報告書NC2000-112:71-78

11. 浅井義之，野村泰伸，佐藤俊輔 (2000) 単純なCPGモデルにおける自発的対称性の破れを伴う分岐現象の理論的解析．第14回日本ME学会秋季大会2000年10月25-26日（徳島）．医用電子と生体工学Vol.38 Suppl. p.20

10. 戸嶋厚司，野村泰伸，坂本修一，佐藤俊輔 (2000) ヒトの二足歩行運動の歩容決定基準．第39回日本ME学会大会 2000年5月17‐19日（東京）．医用電子と生体工学 Vol.38 Suppl. p.483

9. 野村泰伸，小林誠，佐藤俊輔 (2000) 二足歩行運動のインパルス状外乱に対する相動的応答とその機能的解釈．第39回日本ME学会大会 2000年5月17‐19日（東京）．医用電子と生体工学 Vol.38 Suppl. p.144

8. 戸嶋厚司，坂本修一，野村泰伸，佐藤俊輔 (1999) 二足歩行運動におけるエネルギー 消費量の歩容依存性．電子情報通信学会技術報告書MBE99-16:109-116

7. 坂本修一，野村泰伸，佐藤俊輔 (1998) 歩行運動に伴う力学的エネルギー消費量の評価．第13回生体・生理工学シンポジウム論文集 pp.133-136

6. 中島崇量，小林誠，野村泰伸，佐藤俊輔 (1998) 二足歩行運動の外乱に対する応答とその力学系モデル．第13回生体・生理工学シンポジウム論文集 pp.125-128

5. 小林誠，小塚淳，野村泰伸，佐藤俊輔 (1998) 二足歩行運動の外乱に対する左右脚の協調的な応答．電子情報通信学会技術報告書MBE98-15:101-108

4. 坂本修一，野村泰伸，K. Pakdaman，佐藤俊輔　(1997) 心拍・呼吸・歩行リズム間の相互作用と協調　信学技報MBE97-8 53-60

3. 中島崇量，野村泰伸，佐藤俊輔 (1997) 二足歩行運動の力学系モデル． 電子情報通信学会技術報告書MBE97-49:71-78

2. 小林誠，野村泰伸，K. Pakdaman，佐藤俊輔 (1997) 二足歩行運動の動的安定性． 電子情報通信学会技術報告書MBE97-48:63-70

1. 高畑友昭，野村泰伸，土居伸二，佐藤俊輔 (1994) 小規模ネットワークによるCPG (中枢パターン発生器)の構成と周期入力に対する応答．電子情報通信学会技術報告書 MBE94-3:17-24

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