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Copyright (c) Hajime Asama, Univ. of Tokyo. All rights reserved 2014
協調機械システム論~移動知~
協調機械システム論(2015 1. 9, 本郷)
東京大学大学院工学系研究科精密工学専攻淺間 一
http://www.robot.t.u-tokyo.ac.jp/asamalab/
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移動知身体・脳・環境の相互作用による適応的運動機能の構成論的理解
東京大学大学院工学系研究科精密機械工学専攻
淺間 一http://www.robot.t.u-tokyo.ac.jp/asamalab/
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動機
5社会的背景
• 脳疾患による認知・運動の適応的行動障害– 運動機能障害(パーキンソン病など)
– 社会的適応機能障害(うつ病など)
パーキンソン病の患者の様態
Parkinson病
1979 200519940
5
15
10(万人)
うつ病
1996 200820020
25
75
50
100
(万人)
適応的行動メカニズムは未知
• 認知・運動障害を持つ人口の増加
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適応的行動とは
8適応的行動
平地歩行 階段昇降
群集内歩行
スムーズで安定な歩行
目的:適応的行動メカニズムの解明
人,動物,昆虫などが持つ,環境に応じて適切に行動する知的能力
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生存脳機能を基盤とした移動知
高次脳機能認知・記憶・学習など,大脳皮質・基底核・辺縁系・小脳により形成される上位脳のループ
生存脳機能基底核や辺縁系から脳幹・脊髄に至る下位脳の神経機構や上位脳と下位脳との干渉メカニズムがどのように「知」に関与するのか
Hajime Asama
脳の三層構造(三位一体説) (マクリーン)
高次脳も生存や感情という古い脳を土台古い脳がどの様に『新しい知能の創造』に寄与するのか?
有益な祖先の神経機構を継承し、生存競争に勝つべく新しい構造を積み上げることにより脳が進化した
深層(古皮質):生きている「生存」のための脳幹・脊髄中間層(旧皮質):逞しく生きる「感情」を支える大脳辺縁系表層(新皮質):うまく生きてゆくという思考や創造など「理性」のための大脳皮質
三者の統合的な相互作用により高次脳機能が発揮
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移動知の概念
12
本領域の目指すもの
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移動によって得られる情報
場所を変えることによって得られる多様な情報
運動・動作によって得られる動的(動力学的)情報
経験
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ロボティクスと移動知
従来のロボティクス 移動知
知
知覚 行動
環境
知
知覚 行動
環境1
2
3 12
3
3
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生物学的アプローチの限界
16
ヒラメ筋筋電図(EMG)
末梢神経刺激
前根(VR)刺激・記録
脊髄背面電位(CDP)
眼球運動(EOG)
運動細胞
介在細胞
薬物注入
刺激・記録(橋網様体)
刺激・記録(延髄網様体)
Carbachol (1.6-4.0 μg/0.20~0.25 μl)Serotonin (4.0-12.0 μg/0.25~0.5 μl)
感覚線維
運動細胞
生物学の分析的アプローチの限界
固定した状態での動物実験
静止した状態での脳単体の機能
介在細胞
シナプス電位(運動細胞)
動いている状態での身体・脳・環境の相互作用は不明
17本領域のアプローチ
神経生理学などの知見・仮説
動的モデリングメカトロニクス技術
シミュレータBMハイブリッドシステム ロボット
生体システムモデル
生工融合による構成論的アプローチ
生物学 工学
新たな仮説適応的システムの
設計論
適応行動生成メカニズムの理解
生物実験による仮説の実証データ取得
分析的手法 構成論的手法
シミュレーションやロボット実験による
仮説の実証データ取得
システムの構築
モデルの生成仮説の生成
ダイナミクス
19
System biomechanics
動的システムモデル
神経回路モデル 筋骨格モデル
システムの実装(シミュレーション,ロボット実機実験)
神経生理学 人類学工学 (ロボティクス)
20
Synthetic Neuroethology
化学反応から行動までのマルチレベルの知識の統合
神経生理学 工学(ロボット工学)
個々の断片的な研究成果
動的システムモデル
行動学
化学反応から行動までのマルチレベルの知識の統合
神経生理学 工学(ロボット工学)
個々の断片的な研究成果
動的システムモデル
行動学
神経生理学 工学(ロボット工学)
個々の断片的な研究成果
動的システムモデル
行動学
21
Brain Machine Hybrid System
神経行動学 工学 (ロボティクス)
BMハイブリッドシステム開発(サイボーグ)
身体メカトロ要素
センサ,アクチュエータ
脳生体要素
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生工融合による構成論的アプローチの研究例
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適応的行動障害の一例Parkinson病
歩行障害のメカニズムは不明
歩行障害 視床下核の刺激による改善
視床下核
改善されたメカニズムも不明
Hajime Asama
視床下核刺激と手のふるえ
視床下核刺激なし 視床下核刺激
33’50 深部刺激法(パーキンソン病)47’50 深部刺激法(うつ病)
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淡蒼球外節
直接路
間接路
ハイパー直接路
(-) (+)
線条体
D1D2
(-)(-)
脳幹・脊髄
視 床
歩行運動系
筋緊張制御系運動出力
大 脳 皮 質
興奮性
抑制性出力GABA
淡蒼球内節・黒質網様部
視床下核
Dopamine
黒質緻密部
ChN
淡蒼球外節
直接路
間接路
ハイパー直接路
(-) (+)
線条体
D1D2
(-)(-)
脳幹・脊髄
視 床
歩行運動系
筋緊張制御系運動出力
抑制性出力GABA
淡蒼球内節・黒質網様部
視床下核 黒質緻密部
大 脳 皮 質
Dopamine
興奮性
淡蒼球外節
直接路
間接路
ハイパー直接路
(-) (+)
線条体 ChN
D1D2
(-)(-)
脳幹・脊髄
視 床
歩行運動系
筋緊張制御系運動出力
Dopamine
抑制性出力GABA
淡蒼球内節・黒質網様部
視床下核 黒質緻密部
大 脳 皮 質
Dopamine
興奮性
淡蒼球外節
直接路
間接路
ハイパー直接路
(-) (+)
線条体 ChN
D1D2
(-)(-)
脳幹・脊髄
視 床
歩行運動系
筋緊張制御系運動出力
Dopamine
淡蒼球内節・黒質網様部
視床下核 黒質緻密部
大 脳 皮 質
興奮性
抑制性出力GABA
歩行の神経生理学モデル
脳
脳幹・脊髄
大脳基底核
大脳皮質
神経生理学モデル
仮説の検証?
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脳
身体 環境
生体システムモデル
脳
環境身体
階段
平地
歩行の生体システムモデル
シミュレータの構築
大脳皮質・基底核
筋緊張制御系
歩行運動系
身体力学モデル
CPG Central Pattern Generator筋の粘弾性
http://www.yano.riec.tohoku.ac.jp
運動制御The posture control by mechanical interaction
Posture controller controls antigravity muscle so that total of each muscluar external work rate is set to zero.
Gravity force
Reaction force
Target posture (position informaiton) is not given.
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モデルに基づくシミュレーション正常歩行のシミュレーション 筋緊張増加の歩行シミュレーション
Parkinson病様の歩行
適応的歩行のメカニズム解明の手がかり適応的歩行のメカニズム解明の手がかり
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小脳障害と歩行
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移動知プロジェクトの班構成
31
行動主体B
行動主体A
環境の変化を認知し情報を生成するメカニズム
社会レベル:他者ならびに
その集合体としての社会に適応させるメカニズム
D班:共通原理個々の適応的行動の
メカニズムの背後にある移動知生成の力学原理
適応的行動のメカニズム
B班:身体適応
C班:社会適応
A班:環境適応個体レベル:
環境に対して身体を適応させ制御するメカニズム
移動知研究の作業仮説32
適応性
移動知生成メカニズム?
環境適応 身体適応
社会適応運動と行動
能動性<Before>
仮説拘束条件
評価=意義=
<After>適応性
運動と行動
能動性
知の獲得メカニズム
移動知
実時間性
環境適応 身体適応
社会適応
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A班構成班代表:伊藤宏司(東工大)
計画班 公募班
感覚・運動連関の実時間拘束ダイナミクスの構成論的理解伊藤宏司(東工大)
動的環境における感覚・運動連関の予期適応近藤敏之(農工大)
最適移動投資:即時利益率の計算アルゴリズム松島俊也(北大)
視覚と触覚に関する環境情報の不一致を利用した学習と制御モデルに関する研究
小池康晴(東工大)未知環境下における意義情報の抽出と知識の確立過程
小川 正(京大)相互追従実験によるヒト-ヒト間協調的適応の最適化の研究
沢田康次(東北工大)自己と他者の身体認識の脳内メカニズムの解明
村田 哲(近畿大)
ミラーニューロンモデルに基づく異種感覚運動情報の統合と他者自己間行動誘発
稲邑哲也(情報研)
脳モデルに基づいた行為・認知のための階層性の構成に関する研究
谷 淳(理研)
Toshiyuki Kondo
Hajime Asama
A班の計画上肢到達運動
未知環境(粘性力場)
環境A 環境B 環境C
環境認知の計算モデル- 行動経験のモデル化- 視覚・体性感覚の文脈→適応的行動生成
環境認知の神経生理学的理解- 随意運動中の脳イメージング- 計測装置の開発
環境適応の手がかりとなる環境認知情報の同定
【見なし情報と運動制御神経機構】
文脈適応 状態適応
反射適応拘束条件
運動目的(行動想起)
視覚連合野 感覚連合野頭頂連合野
自己受容フィードバック
筋骨格系
脊 髄
脳 幹
環 境
見なし情報システムにより仮設生成される環境との予測的関係
視覚フィードバック
運動前野・補足運動野
運動野 小 脳大脳基底核
36学習初期 学習後 手先力
到達運動中の動的環境への適応
Arm Reaching Motion
x[m]
y[m
]
0.1
0.2
0- 0.1 0.1
(b) 発散力場
内部モデル適応
(a) 粘性力場
インピーダンス適応
学習初期 学習後 手先力
37
VF→DF (SF1)
手先力学習初期 学習後
DF→VF (SF2)
動的環境の文脈に応じて, 内部モデル適応およびインピーダンス適応がFeedforward的にプログラムされる.
予期適応Anticipatory Adaptation
手先力学習初期 学習後
インピーダンス適応
内部モデル適応
インピーダンス適応
内部モデル適応
環境適応(A班)38
脳波(EEG)と機能的電気刺激(FES)による脳卒中運動機能再建システム
① 運動意図の抽出
② 意図に基づいて下肢を駆動
③ 神経回路の再構築
パラメータ適応状態適応文脈適応
環境認知
内部モデル
機能再建学習
運動と行動
能動性能動性
知の獲得メカニズム=移動知
適応性
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B班構成班代表:土屋和男(同志社大)
計画班 公募班
適応的移動行動の発動と選択に関与する神経機構高草木 薫(旭川医大)
基底核-脳幹-脊髄系神経回路網と身体筋骨格構造の力学的秩序形成による歩行運動生成
荻原直道(京大)
適応的ロコモーション創発のための反射と志向性の相互作用設計
細田 耕(阪大)
歩行困難者補助のための反射運動系のモデル化に関する研究
横井浩史(東大)ラットーマシン融合システムと多機能神経電極による生体運動中枢の適応機能の解明
鈴木隆文(東大)情報を表現する神経活動における身体の役割をBMI法で解析する
櫻井芳雄(京大)脳幹-中脳-基底核におけるやる気の生成、強化学習機構の解明
小林 康(阪大)筋シナジーを形成する脳内機構を解明する
関 和彦(生理研)大脳基底核による最適運動制御
南部 篤(生理研)小脳および基底核疾患における適応・制御異常の筋空間での定量的評価
筧 慎治(東京医学研究機構)多角的計測に基づく歩行の環境適応メカニズムの計算論的理解
花川 隆(国立精神・神経センター)
System-Biomechanics=神経系と筋骨格系の統合化モデル=
正常歩行のシミュレーション 筋緊張増加の歩行シミュレーション
筋緊張制御機能の異常による歩行障害
適応的歩行
大脳基底核における歩行・姿勢制御の統合姿勢制御における筋緊張制御の重要性
Parkinson病様の歩行
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ニホンザル精密筋骨格モデルの構築
CTデータ
筋配置筋パラメータ
構造制約
System-Biomechanics
運動指令
感覚情報
環境
=神経系と筋骨格系の統合化モデル=
力学的相互作用
適応的歩行メカニズムの解明歩行障害の病態解明・歩行の進化過程の解明
四足歩行 二足歩行
M1
PMd
四足歩行から二足歩行へ移行する際の大脳皮質のニューロン活動の記録
運動皮質の神経細胞の発射頻度の著しい増加
解剖学・CTデータに基づく緻密な筋骨格系のモデルの構築
脳神経系モデルと筋骨格系モデルの統合/シミュレーション
43
歩行の神経制御系数理モデル
脳神経系モデル筋骨格モデル
適応的歩行
身体運動制御 運動と行動
能動性能動性
知の獲得メカニズム=移動知
適応性身体適応(B班)
歩行と姿勢制御の神経機構
脳生理研究
体性感覚Feedback筋緊張制御
システムバイオメカニクス
44
B03班研究活動
四足ロボット
ヘビ型ロボット二次元跳躍ロボット
空気圧人工筋の開発
1.空気圧人工筋の開発を行い,
2.二足ロボット、四足ロボット、ヘビ型ロボットに実装し、
関節の柔らかさ、冗長性が歩行運動に及ぼす効果を工学的に明らかにした.
動物の四肢の各関節にはいくつもの筋が付着し、
これらの筋の冗長性が上位の制御系と下位の制御系の役割分担や協調に大きな影響を与えている
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