協調機械システム論 - 東京大学...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

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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/


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/


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



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


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


移動知の概念

12

本領域の目指すもの


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


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


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


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




行動学




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


生工融合による構成論的アプローチの研究例


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）


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


（－）（＋）

線条体

D1D2

（－）（－）

脳幹・脊髄

視床

歩行運動系


抑制性出力GABA


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


（－）（＋）

線条体 ChN

D1D2

（－）（－）

脳幹・脊髄

視床

歩行運動系


Dopamine

抑制性出力GABA



大脳皮質

Dopamine

興奮性

淡蒼球外節

直接路

間接路


（－）（＋）

線条体 ChN

D1D2

（－）（－）

脳幹・脊髄

視床

歩行運動系


Dopamine



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？


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.


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


小脳障害と歩行


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


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





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


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


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

Documents

協調機械システム論 - 東京大学...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

協調機械システム論 - 東京大学...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