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超高齢社会を迎えた我が国では、加齢に伴う運動器の障害や脳卒中・脳変性疾患による運動麻痺等が急増しており、これらの運動機能障害を克服する有効なリハビリテーション法の確立が急務である。その鍵を握るのは、身体機能の変化に対する脳の適応メカニズムの解明である。例えば、加齢による転倒の増加は、運動機能の低下に脳の適応が伴っていないことを示唆する。また逆に、運動器には障害が無い病態でも身体認知に異常が生じ得る。これらの事実は、我々の脳内には身体のモデル（脳内身体表現）が構築・保持されており、これに異常が生じると感覚系や運動系に深刻な障害が起きることを意味する。 本領域では、脳内身体表現の神経機構とその長期的変容メカニズムを明らかにし、リハビリテーション介入へと応用することを目的とする。このため、システムの振る舞いを数理モデルとして整合的に記述できるシステム工学を仲立ちとして脳科学とリハビリテーション医学を融合することを試みる（図１）。これにより、運動制御と身体認知を統合的に理解し、真に効果的なリハビリテーション法を確立する「身体性システム科学」なる新たな学問領域の創出を目指す。
東京大学人工物工学研究センターの太田です．
ここでは，新学術領域研究「身体性システム」の歴史的経緯について説明したいと思います．
当該領域の基盤となったプロジェクトとして，文部省科研費重点領域研究「創発システム」（1995-1997．領域代表：神戸大学 北村新三先生），文科省科研費特定領域研究「移動知」（2005-2009．領域代表：東京大学 淺間一先生）の２つがありました．
「創発システム」では，創発性の概念を"個間・環境間の局所的な相互作用が大域的な秩序を発現し，生じた秩序が個体の振る舞いを拘束するという過程により，新しい機能等が獲得されること"と定義し，創発に関するシステム理論の形成を目指しました[1]．「移動知」においては，生物に着目し，その適応行動が，生物にとって最も基本的で必須な知的機能である”という考え方のもと，このような適応行動の発現メカニズムの解明を目指しました[2]．
「創発システム」では，要素と環境からなるシステムにおける相互作用について着目し，そのシステム原理に関する問題設定をしました．「移動知」では生物システムを対象として，環境・身体・社会に適応する要素の適応メカニズムの解明を目指して，Synthetic neuroethlogy等，生工連携に関するいくつかの新しい方法論を提案しました．
「身体性システム」では，前２プロジェクトによって得られた問題設定，方法論をベースに，生体の「自己なるもの」の脳内での表現ならびにそれが運動・行動・知覚等によりどのように変わるか―比較的ゆるやかに変動するため slow dynamics と呼びます―，の解明を目指します．その知見の，脳科学，リハビリテーション医学，システム工学への適用を目指す予定です．
本プロジェクトは，未踏の学際的な研究領域の形成を目指しており，若い発想を有する研究者を広く歓迎します．よろしくお願いします．
脳内身体表現の変容機構の理解と制御に関する総括研究
総括班は、計画・公募研究の円滑な推進を支援することを目的とし，領域全体の研究方針を策定するため定期的に総括班会議を開催する。領域内研究者間で密な情報交換を行い、相互理解と交流を深めるとともに、領域全体の整合性を高めるため、領域全体会議を毎年度末に開催する。国際シンポジウム、国際会議ワークショップを開催し、当該研究領域の国際化を推進するとともに、一般公開シンポジウムの開催、Web ページの整備、ニュースレターの定期発行により、研究成果を広く一般にアウトリーチすることに務める。
研究代表者 太田 順（東京大学 人工物工学研究センター 教授）
研究分担者 内藤 栄一（情報通信研究機構 脳情報通信融合研究センター 研究マネージャー）
研究分担者 出江 紳一（東北大学 大学院医工学研究科 リハビリテーション医工学分野 教授）
研究分担者 近藤 敏之（東京農工大学 大学院工学研究院 教授）
連携研究者 今水 寛（東京大学 文学部 教授）
連携研究者 関 和彦（国立精神・神経医療研究センター 神経研究所 モデル動物開発部 部長）
連携研究者 高草木 薫（旭川医科大学 医学部 教授）
連携研究者 淺間 一（東京大学 大学院工学系研究科 教授）
連携研究者 芳賀 信彦（東京大学 大学院医学系研究科 教授）
連携研究者 村田 哲（近畿大学 医学部 准教授）
連携研究者 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）
連携研究者 花川 隆（国立精神・神経医療研究センター 脳病態統合イメージングセンター 部長）
連携研究者 山下 淳（東京大学 大学院工学系研究科 准教授）
研究協力者 岩村 吉晃（上野学園大学 非常勤講師, 東邦大学 名誉教授）
総括班評価者 篠田 義一（東京医科歯科大学 大学院医歯学総合研究科 名誉教授）
総括班評価者 才藤 栄一（藤田保健衛生大学 医学部 リハビリテーション医学講座 教授）
総括班評価者 伊藤 宏司（東京都医学総合研究所 運動障害プロジェクト 客員研究員／東京工業大学 名誉教授）
総括班評価者 Paolo Dario（Scuola Superiore Sant’Anna 教授）
脳内身体表現の変容機構の理解と制御
支援班は、計画・公募研究の研究者らによる国際共同研究の推進や海外ネットワークの形成（国際的に評価の高い海外研究者の招聘やポストドクターの相互派遣等）の促進を目的とする。
研究代表者 太田 順（東京大学 人工物工学研究センター 教授）
研究分担者 内藤 栄一（情報通信研究機構 脳情報通信融合研究センター 研究マネージャー）
研究分担者 今水 寛（東京大学 文学部 教授）
研究分担者 高草木 薫（旭川医科大学 医学部 教授）
研究分担者 大木 紫（杏林大学 医学部 教授）
研究分担者 近藤 敏之（東京農工大学 大学院工学研究院 教授）
連携研究者 関 和彦（国立精神・神経医療研究センター 神経研究所 モデル動物開発部 部長）
連携研究者 淺間 一（東京大学 大学院工学系研究科 教授）
連携研究者 出江 紳一（東北大学 医工学研究科 教授）
連携研究者 芳賀 信彦（東京大学 大学院医学系研究科 教授）
連携研究者 松本 利器（京都大学 大学院医学系研究科 准教授）
連携研究者 舩戸 徹郎（電気通信大学 大学院情報理工学研究科 助教）
連携研究者 谷口 忠大（立命館大学 情報理工学部 准教授）
連携研究者 濱田 雅（東京大学 医学部附属病院 助教）
A01-1 脳内身体表現の変容を促す神経機構
本項目は，運動制御や身体認知に関わる脳内身体表現と，その変容を促す神経機構を，脳活動の計測と介入を通して探る．我々は，脳内身体表現は身体構造を反映し，構造の変化に応じて，運動主体感・身体保持感などの身体意識の変化を伴いながら，ゆっくり変容すると仮説する．村田らによると，前頭-頭頂ネットワークは，身体意識の鍵を握り，脳内身体表現の本体である可能性が高い．本課題では，ヒトやサルを対象に，大木らが作る仮想現実で感覚フィードバックに時間・空間バイアスを加え，脳内身体表現の変化を促す実験を行い，このネットワークの活動変化を調べる．フィードバックの時間遅れは身体意識に影響を与え，脳内身体表現の変容をもたらすと考えられる．また，今水らは仮想現実で関節角度にバイアスを加え，脳内身体表現が変化することを行動データから推定している．これらのバイアス下で感覚運動システムが健全に働くようになる過程を，今水と前田が非侵襲計測，村田が神経細胞記録で調べ，想定される脳内身体表現の変化，身体意識の変化，感覚を予測する内部モデルの変化と脳活動の対応関係を通して，脳内身体表現とその変容をもたらす神経機構を，前頭-頭頂ネットワークの中で位置付ける．その結果をもとに，B01 項目と共同で，脳内身体表現とその変容を促す機構をfast/slow dynamics の枠組みでモデル化する．特定の脳領域や脳結合に磁気刺激やニューロフィードバックで介入，モデルの特定要素の機能を阻害/促進したときの行動の変化を調べ，モデルの検証を行うとともに，脳活動と行動の因果関係を解明する．加えて，A02/B02 項目と共同でデコーディング法を用い，脳内身体表現マーカーを取得できる脳部位を探索，C01/C02 項目と共同で，その部位の活動を指標とした脳への介入や仮想現実アバターの最適化を行い，身体認知・運動機能のリハビリテーションに応用する．
研究代表者 今水 寛（東京大学 文学部 教授）
研究分担者 村田 哲（近畿大学 医学部 准教授）
研究分担者 大木 紫（杏林大学 医学部 教授）
研究分担者 前田 貴記（慶應義塾大学 医学部 講師）
連携研究者 渋谷 賢（杏林大学 医学部 助教）
連携研究者 小川 健二（北海道大学 文学部 准教授）
連携研究者 浅井 智久（NTT コミュニケーション科学基礎研究所 研究員）
連携研究者 沖村 宰（慶応義塾大学 医学部 特任助教）
連携研究者 山下 祐一（国立精神・神経医療研究センター 神経研究所 疾病研究第七部 室長）
連携研究者 繁桝 博昭（高知工科大学 情報学群 准教授）
連携研究者 門田 宏（高知工科大学 総合研究所 脳コミュニケーション研究センター 准教授）
連携研究者 山下 真寛（ＡＴＲ認知機構研究所 認知神経科学研究室 研究員）
連携研究者 蔡 暢（ＡＴＲ認知機構研究所 認知神経科学研究室 研究員）
連携研究者 大畑 龍（学術振興会・東京大学大学院人文社会系研究科/東京大学 文学部 学振特別研究員）
連携研究者 望月 圭（近畿大学 医学部 助教）
連携研究者 吉田 正俊（生理学研究所・認知行動発達研究部門 助教）
A02-1 身体変化への脳適応機構の解明
疾病や加齢，運動訓練などによってヒトの筋骨格系は劇的に変化する．そのような状態でも合目的的運動が可能なのは，脳内の身体に関する多様な情報が集約された表象（脳内身体表現）が適応的に変化しているためであろう．しかし，筋骨格系の変化に対する脳内身体表現の適応機構は未知である．そこで本課題では，筋骨格系の入出力を担う末梢神経に様々な形で選択的に介入し，それによる脳内身体表現の適応的変化と運動制御機構の適応過程を解明する．ヒトと脳や筋骨格系の構造が類似したマカクサルをモデル動物として用い，神経挫滅，除感覚・運動神経，腱交差縫合などの方法を用いて末梢入出力に介入する．例えば，ウイルスベクターを用いたテタヌストキシンの末梢感覚神経への選択的導入によって，特定の筋からの感覚入力を選択的かつ可逆的に完全除去する．また腱交差縫合術を確立し（C02 項目と連携），機能の異なる二つの筋肉（例えば伸筋と屈筋：荻原が力学モデルを基に選択）の腱を外科的に付け替え，屈曲の運動指令により関節が伸展されるような状態をつくる．このように脳からの運動出力とそれに伴う筋骨格系からの感覚入力を人工的に乖離させ，それに対する中枢神経系の細胞集団レベルでの短期（fast dynamics）・長期（slow dynamics）の適応過程を皮質-脳幹-脊髄路系，大脳小脳連関ループにおいて電気生理学的に評価する．さらに，操作した筋に刺激を与えた際の神経応答を0.5mm 以下の空間分解能を持つ超高磁場（7 テスラ）MRI で計測・デコーディングし，適応後のサルの感覚-運動変換過程の変容を皮質コラムの精度で可視化して，身体構造の変化に対応する運動制御機構の変容を反映する「脳内身体表現マーカー」を抽出する．B02 項目との連携により，身体構造の変化に伴う脳活動と運動制御機構（筋シナジー構造）の変容の関連性をモデル化し，加えて，C02 項目と連携して，脳内身体表現への介入を用いた新たな運動機能リハビリテーションの概念を提案し，脳内身体表現マーカーの妥当性を検証する．
研究代表者 関 和彦（国立精神・神経医療研究センター 神経研究所 モデル動物開発研究部 部長）
研究分担者 内藤 栄一（情報通信研究機構 脳情報通信融合研究センター 研究マネージャー）
研究分担者 筧 慎治（東京都医学総合研究所 運動障害プロジェクト プロジェクトリーダー）
連携研究者 井上 謙一（京都大学 霊長類研究所 助教）
連携研究者 荻原 直道（慶應義塾大学 理工学部 准教授）
連携研究者 梅田 達也（国立精神・神経医療研究センター 神経研究所 モデル動物開発研究部 室長）
連携研究者 大屋 知徹（国立精神・神経医療研究センター 神経研究所 モデル動物開発研究部 室長）
連携研究者 平島 雅也（情報通信研究機構 脳情報通信融合研究センター 主任研究員）
連携研究者 池上 剛（情報通信研究機構 脳情報通信融合研究センター 研究員）
連携研究者 廣瀬 智士（情報通信研究機構 脳情報通信融合研究センター 研究員）
連携研究者 上原 信太郎（情報通信研究機構 脳情報通信融合研究センター 特別研究員）
連携研究者 Ganesh Gowrishanker（Centre national de la recherche scientifique (産総研) 研究員）
連携研究者 閔 庚甫（東京都医学総合研究所 運動障害プロジェクト 研究員）
連携研究者 李 鍾昊（東京都医学総合研究所 運動障害プロジェクト 研究員）
連携研究者 石川 享宏（東京都医学総合研究所 運動障害プロジェクト 研究員）
連携研究者 本多 武尊（東京都医学総合研究所 運動障害プロジェクト 研究員）
連携研究者 雨宮 薫（情報通信研究機構 脳情報通信融合研究センター 研究員）
連携研究者 服部 憲明（大阪大学国際医工情報センター 臨床神経医工学寄附研究部門 准教授）
連携研究者 三苫 博（東京医科大学 医学教育学講座 教授）
A02-2 姿勢-歩行戦略の変更に伴う脳適応機能の解明
超高齢化に伴う脳疾患や運動器疾患の増加によって，本国では姿勢-歩行障害の罹患率が急増している．その結果，高齢者の転倒・転落死は増加し，その割合は認知症有病率と高い相関がある．従って，姿勢や歩行の障害を克服する手段の確立は，極めて緊急性の高い課題である．歩行障害は，筋骨格系の脆弱化や姿勢制御システム（神経系）の破綻により誘発される．特に，随意運動に先立って最適な姿勢を提供する“予期的姿勢制御”は「予測」に基づくfeed-forward制御であり，これには脳の高次機能が重要な役割を果たす．故に，適応的な姿勢-歩行戦略を実現するfeed-forward 制御機構の解明が，この課題を克服するための鍵を握る．そこで本課題では「環境と自己身体との空間的関係や各身体部位の認知情報である身体図式（脳内身体表現の一つ）が，予期的姿勢制御に必須であるという作業仮説」に立脚し，動物実験によって，身体図式の獲得プロセスと予期的姿勢制御の実行システムを解明する．サルの姿勢-歩行モデルを用いた神経生理学的研究では，①身体図式が保持される側頭-頭頂皮質に体性感覚・視覚・前庭感覚などをコードする多種感覚ニューロンが存在すること，そして，②姿勢-歩行戦略が異なる４足歩行と２足歩行では，多種感覚ニューロンの活動特性が異なること，の２点を解明する．また，ネコの姿勢-歩行モデルの神経生理学的研究では，ウイルスベクター多重標識法を用いて，③多種感覚ニューロンが予期的姿勢制御に必須であること，そして，④大脳皮質-網様体脊髄路系が予期的姿勢制御の実行システムであることを証明する．さらに，A02-1との共同研究では，7T-fMRI を用いたデコーディング技術により，サルの２足歩行学習過程（姿勢-歩行戦略の変更）に伴う身体図式の変容とこれを反映する脳内身体表現マーカーを同定する．本課題で得られる脳計測データや筋活動・運動パラメータをB02 項目（歩行数理モデル研究）に提供し，歩行のシナジー解析に役立てる．また，C02 項目との共同研究によって，サルで同定した脳内身体表現マーカーが，ヒトの姿勢-歩行リハビリテーションに有用であるか否かを検討する．
研究代表者 高草木 薫（旭川医科大学 医学部 教授）
研究分担者 中陦 克己（岩手医科大学 医学部 教授）
連携研究者 船越 洋（旭川医科大学 医学部 教授）
連携研究者 杉内 友理子（東京医科歯科大学 医学部 准教授）
連携研究者 日暮 泰男（山口大学 共同獣医学部 助教）
連携研究者 大田 哲生（旭川医科大学 リハビリテーション部 教授）
連携研究者 小原 和宏（旭川医科大学 脳機能医工学研究センター 助教）
連携研究者 高橋 未来（旭川医科大学 脳機能医工学研究センター 客員助教）
連携研究者 松本 成史（旭川医科大学 臨床研究支援センター 講師）
脳内身体表現のスローダイナミクスモデル
適応的運動や運動主体感（sense of agency）は，脳内の身体表現に基づいて実時間で生成される．一方，この脳内身体表現は，運動・知覚経験を通じてゆっくりとした時定数で生成・更新される．本課題では，前者の生成メカニズムをfast dynamics，後者の生成メカニズムをslow dynamics と呼ぶ．脳卒中や幻肢痛などの諸症状は，運動生成時における実際の身体と脳内身体表現のずれが原因の一つとなっており，slow dynamics のメカニズムを理解することは効果的なリハビリ手法を導出する上で極めて重要である．本課題では，このslow dynamics の神経機構である前頭-頭頂ネットワークの力学系モデルを構築することで，運動・知覚経験から脳内身体表現が生成・更新されるslow dynamics のメカニズムを構成論的に明らかにする．具体的には，時間遅れやマルチモーダル感覚フィードバックを伴う心理物理学的実験によって，身体保持感（sense of ownership）や運動主体感が生成される条件（企図性，同期性，無矛盾性など）を明らかにするとともに，その知見を基に人工的刺激を意図的に付加し，知覚を操作することによるリハビリ効果を確認する．A01 およびC01 項目と連携し，神経生理学的な知見やリハビリの臨床データに基づきfast dynamics からslow dynamics が生成される数理モデルを構築するとともに，運動生成における脳内身体表現の表現形式を明らかにし，脳神経活動とモデル中の力学変数とを対応付けることで運動関連各部位の計算論的役割を解明する．また，神経生理学的およびリハビリ臨床医学的にモデルの合理性と，これから導かれる新たなリハビリ手法の有効性を検証する．これまでの移動知研究などで，fast dynamics やslow dynamics を記述する数理モデルや，マルチモーダルな刺激の操作と運動主体感生成の関係などに関してすでに独創的な研究成果と実績があり，この世界的に優位性を有する技術と知見を活用，発展させることで目的を達成する．
研究代表者 淺間 一（東京大学 大学院工学系研究科 教授）
研究分担者 近藤 敏之（東京農工大学 大学院工学研究院 教授）
研究分担者 田中 宏和（北陸先端科学技術大学院大学 情報科学研究科 准教授）
研究分担者 矢野 史朗（東京農工大学 大学院工学研究院 助教）
研究分担者 井澤 淳（筑波大学 システム情報系 准教授）
連携研究者 山下 淳（東京大学 大学院工学系研究科 准教授）
連携研究者 矢野 雅文（東北大学 電気通信研究所 名誉教授）
連携研究者 安 琪（東京大学 大学院工学系研究科 特任助教）【A02-1と連携】
連携研究者 温 文（東京大学 大学院工学系研究科 特任研究員）
脳内身体表現を変容させる運動制御モデル
適応的な運動機能の実現には，自身を取り巻く環境を認知して自己身体と周辺環境とを関連づけ，運動を計画，実行する一連の脳内処理が適切に行われることが 必要である．その際，脳内身体表現をうまく利用することで，適切な運動制御（fast dynamics）が実現されていると考えられるが，脳内身体表現の獲得過程，並びにその利用機序に関する研究は極めて少なく，不明な点が多い．また，脳 内身体表現は，感覚情報をモニタして経時的に更新（slow dynamics）されるため，身体や感覚情報が変化すると脳内身体表現も変容し，それに従い運動制御も変容すると考えられる．また，学習などを通して運 動制御が変容すると，生成される運動や感覚情報も変化し，脳内身体表現も変容するはずである．本課題では，特にヒトやサルの直立姿勢制御や歩行を研究対象 として，「脳内身体表現と運動制御の相互作用」に焦点を当て，適応的な運動生成における脳内身体表現の役割解明を目的とする．従来の要素観察的な医学・生 理学における方法論とは異なり，本課題では脳神経筋骨格系システムモデルを介した構成論的方法の利用により，生体システム全体を通して機能的側面から理解 し，従来方法では限界のある生理学的仮説の検証や機能的役割の明確化を目指す．具体的には「姿勢・歩行制御では，随意運動の生成に先行する予期的姿勢制御 や運動指令の協調構造を示すシナジーの形成が不可欠」という生理学的仮説に加えて，「身体・感覚の変化による脳内身体表現の変容が，予期的姿勢制御やシナジーの構造を変容させ，更に学習を通した制御構造の変容により脳内身体表現も変容する」ことを作業仮説として，脳内身体表現と運動制御の相互作用 を力学モデルの構築により明らかにする．その際，A02-1, A02-2, C02項目と連携し，身体や感覚の変化後，リハビリ過程における脳活動データのデコーディングより得られる脳内身体表現，筋電図の解析から得られる予期的 姿勢制御やシナジー構造，そして運動自体の変容データを，それぞれシミュレーション結果と比較することでモデルの妥当性を評価し，構成論的な仮説検証や機 能解明を行う．更にC02 項目と連携し，モデルを介した最適化から機能再建に適切な感覚情報を提案することで，リハビリ応用を目指す．
研究代表者 太田 順（東京大学 人工物工学研究センター 教授）
研究分担者 青井 伸也（京都大学 大学院工学研究科 講師）【B03-1と連携】
研究分担者 千葉 龍介（旭川医科大学 医学部 准教授）
連携研究者 緒方 大樹（東京大学 人工物工学研究センター 助教）
連携研究者 柳原 大（東京大学 大学院総合文化研究科 准教授）【B03-1と連携】
連携研究者 土屋 和雄（京都大学 大学院工学研究科 名誉教授）
連携研究者 青柳 富誌生（京都大学 大学院情報学研究科 教授）
連携研究者 藤木 聡一朗（東京大学 大学院総合文化研究科 助教）
連携研究者 白藤 翔平（東京大学 人工物工学研究センター 特任研究員）
連携研究者 余 永（鹿児島大学 工学部 教授）
連携研究者 辻内 伸好（同志社大学 理工学部 教授）
脳内身体表現の変容を用いたニューロリハビリテーション
中枢神経障害による運動障害には，根本的な治療方法は未だに存在せず，様々な治療的介入法がアドホックに提唱され，乱立しているのが現状である．中枢神経系の可塑的変化は四肢切断や末梢神経の障害においても誘導され，脳内身体表現が変容し特異な感覚障害（幻肢・幻肢痛など）を生じる．そこで本課題では中枢神経損傷が身体に，身体損傷が中枢神経に及ぼす影響を統合的に捉えるユニークな視座に基づき，脳内身体表現の変容様式の理解を目指したアプローチを以下の２点から展開する.①幻肢から探る脳内身体表現の理解，②脳内身体表現への介入を通したニューロリハビリテーションの確立である．①では，脳内身体表現は，外部から観察出来ないためその実態を知ることは難しい．そこで，四肢切断後に切断肢が残存する感覚である幻肢に着眼し，行動学的指標と神経生理学的指標を用い評価する．行動学的評価では，主観的な幻肢描画に加え，身体空間は身体外空間に比べ空間注意の指向性が強いという特性を利用し，幻肢の空間的マップを作成し評価を行う．また，神経生理学的手法により幻肢に対応する一次感覚運動野の体部位局在マッピングを行い，脳内身体表現の定量的指標の作成・評価を目指す．②では，幻肢痛と中枢神経障害後の運動麻痺に対して，仮想世界にて，アバターの運動を自己運動のような感覚を与えるシステムと非侵襲的脳刺激を利用し，①の指標を基に脳内身体表現の変容を誘導し運動麻痺と幻肢痛の軽減を目指す．また，このシミュレータにより患者に与える視覚像やそのタイミング，運動パターンなどを変化させ，脳内身体表現のfast・slow dynamics を統合的にシミュレーションし，最大の効果が期待される感覚入力／運動出力の組み合わせを求めリハビリテーションプログラムを構築する．A01 項目とはアバターに身体保持感や運動主体感の付与と①の評価指標作成に相互連携をとる．B01 項目とは臨床データの解析とモデル化との照合を緊密に繰り返し，幻肢の発現・消失機序，痙縮や姿勢調節障害の発現機序の解明を目指す．
研究代表者 出江 紳一（東北大学 大学院医工学研究科 リハビリテーション医工学分野 教授）
研究分担者 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）
連携研究者 田中 尚文（帝京大学ちば総合医療センターリハビリテーション科 教授）
連携研究者 大内田 裕（大阪教育大学 准教授）
連携研究者 松宮 一道（東北大学 電気通信研究所 ブレインウェア研究開発施設 教授）
連携研究者 阿部 浩明（広南病院リハビリテーション科 兼 東北大学大学院肢体不自由学分野 非常勤講師）
連携研究者 関口 雄介（東北大学病院リハビリテーション部 兼 東北大学大学院肢体不自由学分野 非常勤講師）
連携研究者 綾木 雅彦（慶應義塾大学医学部眼科学教室 特任准教授）
連携研究者 林部 充宏（東北大学大学院工学研究科 教授）
感覚入力への介入を用いた姿勢・歩行リハビリテーション
超高齢社会に突入した日本では，運動器・神経筋疾患，成人病（糖尿病，脳卒中等）により移動を含む日常生活動作の能力が低下する患者が急増し，要介護者の増加につながっている．移動能力低下に対するリハビリテーション（リハビリ）として，現在は四肢・体幹に直接介入する運動療法が中心に行われている．身体の姿勢維持や運動には体性感覚をはじめとした感覚入力の役割が大きく，感覚入力への介入が脳内身体表現の変容を介して姿勢や歩行を改善するという新しいリハビリを提案できる可能性がある．そこで本課題は，姿勢・歩行障害を示す患者を対象に，感覚入力への介入が脳内身体表現にもたらす変化，それによる姿勢・歩行の変化の解明を目的とする．具体的には，①下肢に感覚障害を有する患者への感覚入力を代償する装具の適用，②神経疾患患者への四肢・体幹筋内の局所麻酔薬等筋注による筋固有知覚の変化，③運動麻痺患者へのFM 干渉型電気刺激による能動的感覚フィードバック，といった介入を行い，経時的な脳イメージングにより脳内身体表現の変化を，また動作計測により姿勢・歩行の変化を捉える．この結果から各介入が脳内身体表現に引き起こす変容を推測するとともに，介入が姿勢や歩行に及ぼす効果を検討する．本課題により広く運動機能低下を示す疾患の患者の移動機能障害に対し，感覚入力への介入を用いた新しいリハビリを提案することになり，これが効果をあらわすことで，超高齢社会において移動機能障害を理由とする要介護・要支援者の減少につながると考える．A02-1，A02-2 とは実験パラダイムを共通化した上で，患者イメージングの結果から脳内身体表現についての実験仮説を提案し，仮説検証の結果に基づいて，脳内身体表現への介入を用いた新たな運動機能リハビリ，適切な脳内身体表現マーカーの提案を受ける．B02項目には脳イメージング，動作計測のデータを提供し，モデルベースのリハビリの提案を受ける．
研究代表者 芳賀 信彦（東京大学 大学院医学系研究科 教授）
研究分担者 花川 隆（国立精神・神経医療研究センター 脳病態統合イメージングセンター 部長）
研究分担者 横井 浩史（電気通信大学 大学院情報理工学研究科 教授）
研究分担者 大脇 大（東北大学 大学院工学研究科 助教）
連携研究者 石黒 章夫（東北大学 電気通信研究所 教授）
連携研究者 四津 有人（東京大学 大学院医学系研究科 助教）【A02-1と連携】
連携研究者 杉 正夫（電気通信大学 大学院情報理工学研究科 准教授）
連携研究者 北 佳保里（千葉大学 フロンティア医工学センター 助教）
連携研究者 古屋 晋一（上智大学 理工学部 情報理工学科 准教授）
連携研究者 上原 一将（国立精神・神経医療研究センター 脳病態統合イメージングセンター 外来研究員）
A03-1 リアルタイムフィードバックとハイブリッド機能解析による脳機能ダイナミズムの可視化
本研究は脳疾患後遺症による麻痺、中枢性疼痛、難治性てんかん患者を対象とし、脳信号のリアルタイムデコーディングと入力フィードバックを試み、脳内の身体表現の変容、神経機能修復のメカニズムとダイナミクスを解明する。健常・病的状態における運動関連脳機能を脳波(EEG),機能MRI(fMRI),脳皮質電位(ECoG)を検出しリアルタイムデコーディングを行う。読み取った運動機能を被験者に様々な刺激でフィードバックし、運動機能読み取りデコーダの作成・改良、運動想起への応用、想起による中枢性疼痛の抑制、さらに長期的な機能回復過程の機能ダイナミクスを解明する。
研究代表者 鎌田 恭輔（旭川医科大学 医学部 教授）
連携研究者 竹内文也（旭川医科大学 教育推進センター 准教授）
連携研究者 福山秀正（旭川医科大学 脳神経外科 医員）
A03-2 眼球・頭部運動系における座標系と機能的シナジーの中枢神経基盤
本新学術領域研究では、歩行、姿勢、手運動などの運動で協調的に働く筋群(筋シナジー)が、新しい方法（NMF法）で解析されてきている。しかし、それを可能にする脳内機構についてはまだ十分な理解が得られていない。前庭運動系では、各三半規管が刺激されるとそれに固有の眼球・頭部運動が生じる。そこで、この半規管固有の頭部運動の際に働く機能的筋シナジー群を同定し、それが脳内のどのような神経回路によって実現されているかを、電気生理学的・神経解剖学的方法を用いて明らかにしたい。
研究代表者 杉内 友理子（東京医科歯科大学 システム神経生理学 准教授）
連携研究者 筧慎 治（東京都医学総合研究所 運動障害プロジェクト プロジェクトリーダー）
A03-3 筋肉協調運動の脳内身体表現学理と脳波を用いた可視化によるリハビリ支援技術の開発
本研究では，筋シナジーが脳内でどのように表現・制御され得るのかを非侵襲的脳活動計測法（脳波やfMRI）を用いて可視化し，その情報を運動学習やリハビリテーションにおける脳内変化を捉える手法として利用することを目的としている.
研究代表者 吉村 奈津江（東京工業大学・科学技術創成研究院 バイオインタフェース研究ユニット 准教授）
連携研究者 神原 裕行（東京工業大学・科学技術創成研究院 バイオインタフェース研究ユニット 助教）
連携研究者 緒方 洋輔（東京工業大学・科学技術創成研究院 バイオインタフェース研究ユニット 特任助教）
連携研究者 山下 宙人（国際電気通信基礎技術研究所 脳情報解析研究所 室長）
A03-4 ヒト前頭・頭頂葉内の脳内身体表現：皮質脳波解読と刺激・病変研究による包括的研究
本研究は、てんかん外科の術前評価目的に記録する皮質脳波(ECoG)データから、直接の脳表記録で得られる優れた時間･空間分解能で、道具使用・到達把持運動・巧緻運動にかかわる各種皮質活動を探索する。電気的線維追跡法である皮質皮質間誘発電位（cortico-cortical evoked potential: CCEP）の手法を用いて、前頭葉・頭頂葉間の皮質間結合を明らかにし、これらの領域間の機能的結合様式から同定された中核ネットワークを同定する。中核ネットワークでの活動様式に基づき、道具使用・到達把持運動にかかわる脳内身体表現マーカー候補を同定する。次に、道具使用・到達把持運動・巧緻運動課題中に、高頻度皮質電気刺激の手法で中核前頭・頭頂葉ネットワーク（単一領野ないし複数領野）に介入を行い、各領域およびネットワークレベルの代償のともなわない身体認知・運動制御の変容様式 (fast dynamics)を明らかにする。Ａ班内の連携を通じて、同様の手法や病変研究から、右前頭葉・頭頂葉での身体意識・運動主体感を担う神経基盤とfastおよびslow dynamicsによる変容の解明を目指す。
研究代表者 松本 理器（京都大学 医学系研究科臨床神経学 准教授）
連携研究者 池田 昭夫（京都大学 大学院医学系研究科 てんかん･運動異常生理学 教授）
連携研究者 國枝 武治（愛媛大学大学院医学系研究科 脳神経外科学 教授）
連携研究者 吉田 和道（京都大学 医学系研究科 脳神経外科学 講師）
連携研究者 松橋 眞生（京都大学 学際融合教育研究推進センター健康長寿社会の総合医療開発ユニット 准教授）
連携研究者 下竹 昭寛（京都大学 学院医学系研究科 てんかん･運動異常生理学 助教）
A03-5 大脳皮質における触覚―痛覚相互作用の解明と痛覚制御
＜1. 痛みの脳内身体表現地図の解明＞ 触覚系に存在している脳内身体表現は、痛覚系においても存在すると考えられるが、未だ十分に解明されていない。そこで新たに開発した侵害刺激装置とin vivo光学イメージングを組み合わせ、大脳皮質における痛覚の脳内身体表現を明らかにする。 ＜2. 触覚―痛覚相互作用に係わる神経回路解明＞ 次に触覚系と痛覚系、それぞれの脳内身体表現に基づいた相互作用を検証するため、痛覚経路および触覚経路選択的に、光遺伝学的手法により活動を制御する。そして大脳皮質における触覚―痛覚相互作用を検証するとともに、その基盤となる神経回路を明らかにする。
研究代表者 尾崎 弘展（東京女子医科大学 医学部 助教）
連携研究者 宮田 麻理子（東京女子医科大学 医学部 教授）
連携研究者 植田禎史（東京女子医科大学 医学部 助教）
A03-6 サル内包梗塞モデルを用いた身体表現適応機構の解明
本研究では、最近私達が開発した「マカクサル内包梗塞サルモデル」を用いて、運動機能回復の背景にある皮質内経路の変化を多角的な手法を用いて解明する。さらに脳損傷後の機能回復過程で生じる運動皮質領野の活動量や領野間結合の変化を評価する技術の開発を行い、運動リハビリの臨床への応用を試みる。
研究代表者 肥後 範行（産業技術総合研究所・人間情報研究部門 主任研究員）
連携研究者 村田 弓（産業技術総合研究所・人間情報研究部門 主任研究員）
連携研究者 山田 亨（産業技術総合研究所・人間情報研究部門 主任研究員）
連携研究者 井澤 淳（筑波大学・システム情報系 准教授）
B03-1 神経疾患と運動機能回復に関わる筋シナジーの構成機序の解明
神経疾患とその回復によって運動機能が低下するとき、神経系の変化は動作機関である筋の協調関係（シナジー）の変化として定量的に評価できる場合がある。無痛無汗症患者の歩行中の筋シナジーは、活動期間の延長とピークタイミングの変化を生じ、脳卒中患者では協調関係の組み合わせに影響が現れる。本研究では、このような疾患に伴うシナジー変化のメカニズムを、患者や疾患ラットを使った動作解析と力学解析によって解明し、シナジーを用いた効果的な運動回復手法の構築を行う。
研究代表者 舩戸 徹郎（電気通信大学 大学院情報理工学研究科 准教授）【B02と連携】
B03-2 駆動関節を有する人工肢の身体化過程における身体表現変容因子の同定
ロボットの操作性や親和性の向上、リハビリテーションプロトコルの改善を将来課題に見据え、本研究では、身体表現に存在しない新規の人工肢を身体に装着し、人工肢の関節を操作する際に起こる身体表現の変更・新規獲得について、身体部位を変えて評価を行う。また、人工肢を身体に装着しない場合における身体表現の獲得についても検討する。
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）
B03-3 筋骨格ヒューマノイドを用いた身体像のファースト・スローダイナミクスの創発モデル
身体イメージを獲得する方法は，システム論的に見て，主に二つ存在する．一つは，身体の恒常性を利用する方法，そしてもう一つは，身体の操作性から導く方法である．身体の操作性から導く方法は，複数の作業を遂行している間に，操作の不変項として身体を見つけ出す方法で，これまで工学的には詳しく調べられていない．本研究では，人間と相同な筋骨格構造を持つヒューマノイドロボットを用い，操作性から身体イメージを導く方法について構成論的に研究する．リーチング，物体操作，ドア開け，ジェスチャなど，与えられたタスクを遂行する即時適応（＝ファーストダイナミクス）を実現し，その実現中に，不変部分（＝スローダイナミクス）が創発する条件について調べ，人間のファーストダイナミクス・スローダイナミクスの構成論的モデルを作る．
研究代表者 細田 耕（大阪大学 大学院基礎工学研究科 教授）
連携研究者 津田 一郎（北海道大学 電子科学研究所 教授）
連携研究者 久保 英夫（北海道大学 理学研究科 教授）
連携研究者 池本 周平（大阪大学 基礎工学研究科 助教）
B03-4 疑似制約による上肢機能の変容・適応過程の解明
上肢の機能が制約された患者のリハビリテーションを効果的に進めるには，手機能の現状を把握するとともに少し先の回復状態を予測し，適切な目標を設定する必要がある．しかし，すでに機能制約が生じてしまった人の観察から，こうした回復予測の指標となるデータを網羅的に取得することは難しい．本研究では把持に着目し，健常者の手の関節可動域などを疑似的に制約することで，機能制約に応じた把持戦略の変容過程を明らかにする．また，この戦略変容モデルを組み込み，種々の可動域制約下で可能な把持姿勢シミュレータを構築し，回復状態予測を目指す．
研究代表者 宮田 なつき（産業技術総合研究所 主任研究員）
連携研究者 藤田 浩二（東京医科歯科大学 大学院・整形外科学 助教）
連携研究者 前田 雄介（横浜国立大学 大学院・工学研究院 准教授）
C03-1 脳内身体表現における，認知的側面と，運動制御的側面の関係解明
本研究は，脳内身体表現における身体認知的側面と運動制御的側面の関係を解明する．脳卒中や脊髄損傷などの患者様に御協力いただき，リハビリテーションの過程における身体認知の改善と運動制御の改善の特徴を明らかにする．患者様に有益な新たなリハビリテーションを開発していく．
研究代表者 四津 有人（茨城県立医療大学 医科学センター 准教授）
連携研究者 濱田 雅（東京大学 医学部附属病院 助教）
連携研究者 川野 道宏（茨城県立医療大学 看護学科 准教授）
C03-2 筋協調制御型ダイレクトリハビリテーションによるスキル訓練と身体／脳機能変容の解析
本研究の目的は，我々が考案する多チャネル筋電位による動作推定と電気刺激型筋収縮刺激制御による関節運動相互伝達リハビリテーション法を拡張し，運動に伴う関節インピーダンス状態を療法士－患者間で相互伝達する方法論を確立することで，提案法の適用によって身体・脳機能に及ぼす影響を明らかにすることである．
研究代表者 島 圭介（横浜国立大学 大学院工学研究院 准教授）
連携研究者 島谷 康司（県立広島大学 保健福祉学部 理学療法学科 教授）
連携研究者 中野英樹（京都橘大学 健康科学部 理学療法学科 助教）
連携研究者 田坂厚志（大阪保健医療大学 保健医療学部 リハビリテーション学科 准教授）
C03-3 複合現実による自己運動錯覚誘導と脳機能的結合に関する研究
これまでに我々は，安静にしている被験者に付与する視覚情報内において，被験者自身の四肢を人工的な身体に置き換える方法を開発してきた。その人工身体を運動させると，安静状態にある被験者が自分自身の四肢が運動しているように知覚する自己運動錯覚を誘導することができる。本研究の目的は，この視覚誘導性の自己運動錯覚を反復することで，脳の機能的結合がどのように変化するか明らかにすることである。
研究代表者 金子 文成（慶應義塾大学 医学部 准教授）
連携研究者 淺井 義之（山口大学大学院 医学系研究科 教授）
連携研究者 柴田 恵理子（札幌医科大学 保健医療学部 博士研究員）
C03-4 包括的なバランス機能障害評価および介入効果のモニタリングシステムの開発
本研究では、これまでに明らかにしてきたステップ運動時の体重心の運動と足圧の関係性を基礎として、様々な状況下におけるバランス制御のメカニズムの包括的な理解につながる知見を得ることを目標とする。具体的には、様々な動作や外乱刺激とその際の体重心の運動パターンと足圧の反応を観察し、それらの疾患ごと、もしくは神経損傷部位の違いを観察することで、これまで主に臨床的な知見から理解されてきたバランス制御のメカニズムを客観的に評価できる仕組みの作成に取り組む。さらに、それを用いて実際に介入効果のモニタリングを実施し、バランスに関する身体性システムの変容過程を明らかにすることに取り組む。
研究代表者 向野 雅彦（藤田保健衛生大学 医学部 講師）
連携研究者 松田 文浩（藤田保健衛生大学 医療科学部 助教）
C03-5 脳卒中患者の運動主体感を高めるハイブリッド型ニューロリハビリテーションの効果検証
本研究では，脳卒中後片麻痺を対象に，多感覚統合機能，顕在的／潜在的運動主体感を定量評価し，運動麻痺重症度および回復との関連性を横断的・縦断的に明らかにすることを目的とする．さらに適応的運動学習および運動主体感生成に関与する内部モデルの各構成要素に対する効果的なリハビリテーションを連動-同期したハイブリッドニューロリハビリテーションの効果検証を行う．
研究代表者 森岡 周（畿央大学 健康科学部 教授）
連携研究者 嶋田 総太郎（明治大学・理工学部 教授）
連携研究者 信迫 悟志（畿央大学・ニューロリハビリテーション研究センター 特任助教）
連携研究者 大住 倫弘（畿央大学・ニューロリハビリテーション研究センター 特任助教）
