脳神経系における機能創造の解明を目指した数理モデリング

近年の生体センシング技術と数理モデリング手法の進歩により,脳に代表される大規模な複雑系における機能創発のメカニズムの解明が
進められているでつ。

そのような研究においては,古くから利用されてきた脳波やより高い時空間分解能を持つ脳磁図,さらには,脈波や瞳孔径といった
幅広い生体センシングが利用される.数理モデリングとしては,集団レベルでの活動や発火レートを記述したニューラルネットワークモデルや
脳・神経系の幅広い情報コーディングを記述することができるスパイキングニューロンモデルが重要な役割を担うでつ。




人の脳は重さ約1.3kgの軟らかい組織の塊。
その中には複雑に配列された1000億以上の神経細胞を含んでいるでつ。

神経細胞は互いに接続し合いながら100兆にも及ぶネットワークを形成し、神経回路を構築しているでつ。
このネットワークが外部環境を知覚し、認知、感情を経て、行動を選択していると言われているでつ。
この小さな軟らかい塊が、人の運動、感覚、感情、意識をどのようにコントロールしているかは科学において未解明の神秘。

一方、近年、fMRIや脳磁計・脳波計などの神経活動計測技術の発展により、脳神経ネットワークの理解が深まり、
運動・感覚・感情・意識に関わる様々な脳機能が徐々に解明されつつあるでつ。
脳の神秘が解明されていくとAIの進歩と信頼性も上がっていくでつ。

現在は、これに運動・感覚・感情の脳機能を追加することにより、身体からの様々な情報をもとに脳神経系を
制御できるデジタルヒューマンモデルを開発しようとしているでつ。

人が動いたり、感じたり、感情をもって行動したりすることを再現するためには、それらに関わる脳神経の数理モデルと、
身体や内臓のモデルを構築する必要があるでつ。

バーチャルで人の運動・感覚・感情を予測・評価できれば、工場・家庭における作業やスポーツ、介護等の様々な場面で、
人のからだやこころのサポートに活用できるでつ。

THUMSは、骨、靭帯、筋肉、内臓臓器や脳組織などを含むバーチャル人体モデル。
有限要素法により、自動車乗車中などの加速度変化を伴う状況における人体の挙動やケガの程度を予測することができ、
現在、国内外の100を超える企業と大学・研究機関で利用されているでつ。

THUMSの脳モデルを構造と機能の面でより充実させることに特に注力しているでつ。
脳の構造モデルは、脳組織を脳梁・脳弓・大脳基底核・視床・中脳・橋・延髄・小脳・大脳実質に分け、脳組織と頭蓋骨との間に、
硬膜・くも膜・軟膜・脳脊髄液を含む構造を持った力学モデルとしているでつ。
頭部に衝撃が加わった場合に生じる脳組織内部のひずみを予測することができ、脳震とうなどの脳損傷の発生メカニズム解明に利用できるでつ。

このモデルに神経や血管のネットワークを配置することができれば、さらに高精度な損傷予測が可能になるでつ。
現在、構造モデルの高精度化に向けて、固体、流体、イオン電荷が入り混じった構造を力学的に解析する手法の開発を進めているでつ。

一方、脳の機能モデルは、身体運動を決める筋制御のアルゴリズムの構築から着手しているでつ。
身体運動を行うためには、400以上あると言われる骨格筋のそれぞれを協調・拮抗させ、姿勢や動作を随意に制御できなくてはならないでつ。
この随意筋制御には、脳脊髄における運動機能が関わっているでつ。

運動制御を実現するための脳神経の数理モデルを構築することができれば、筋制御によって、THUMSの身体動作をコントロールすることができるでつ。
脳・神経系における機能創発の解明を目指した数理モデリングとデータ駆動分析—局所神経回路から大域的全脳レベルまで開発が進んでいくでつ。