伸張反射の調整に、視覚による身体情報が関与していることを世界で初めて発見
～巧みで素早い運動は、脳の中の身体表現が支えている～

日本電信電話株式会社（本社：東京都千代田区、代表取締役社長：澤田純、以下　NTT）は、運動を支える脳の仕組みの一つである「伸張反射」※1 が、視覚による身体情報に依存して調整されることを発見しました。

伸張反射には姿勢を安定化するための役割があることが知られていますが、運動中の伸張反射を適切に調整するための脳内情報処理は十分明らかになっていません。本研究では、運動中の伸張反射応答を調べる実験を行い、身体状態を表す視覚情報に操作を加えることで反射応答が小さくなることを発見しました。この結果は、反射応答の調整計算が体性感覚情報だけでなく、視覚情報も統合した身体表象に基づき行われていることを示唆します。

本研究の成果は、反射系の調整が従来考えられてきたより複雑な脳内情報処理を経て行われている可能性を示しています。今回得られた知見は、人間が素早く正確な身体運動を行うための無意識の脳の仕組みについて、理解を深めていく上で重要な手がかりとなります。

背景

人間の身体動作は意識に上らない様々な脳の仕組みによって支えられています。そのひとつ「伸張反射」は、意図しない姿勢の変化を素早く修正することで、人間の正確な運動実行に重要な役割を果たすと考えられています（図1）。伸張反射の応答は、画一的に生成されるわけではなく、運動中に刻一刻変化する身体状態に合わせ調整されることが様々な研究で明らかになってきました。一方で、その調整計算のために脳内でどのような情報処理が行われているかについては、詳細にはわかっていません。一例として、伸張反射の調整が体性感覚情報 ※2のみに基づくのか、あるいは視覚情報も統合した身体表象を利用して行われているのかについてはこれまで未解明でした。

図1．伸張反射の機能

研究の成果

NTTコミュニケーション科学基礎研究所は、伸張反射が視覚による身体情報に依存して調整されることを明らかにしました。実験により、視覚目標への到達運動中の伸張反射が1）．身体運動の視覚フィードバックと実際の運動の不一致、2）．身体運動の視覚フィードバックの消去、という条件下で通常時より小さくなることを示しました。これらの結果から、伸張反射の調整には体性感覚情報だけでなく、「視覚情報も統合した身体表象」が利用されていると考えられます。さらに、視覚情報の提示時間に応じて変化する反射応答と運動到達位置のばらつきが逆相関することを見出しました。このことから、運動中の身体状態推定がどのくらい不確かかということによって伸張反射の調整が行われている、ということが示唆されます。これらの発見は、反射応答の調整計算が、従来考えられていたより複雑な脳内情報処理を経て行われていることを示唆しています。

技術のポイント

（1）反射調整における多感覚統合の関与

身体状態に応じた伸張反射の調整の仕組みについて、二つの仮説が考えられます（図2）。一つは、伸張反射は体性感覚入力によって生じる応答であることから、その調整も体性感覚に依存して行われるという考え方です。これに対して、体性感覚情報に加えて視覚情報など他のモダリティの感覚情報も統合した身体表象を介して、より精度よく身体状態を推定し、反射応答の調整に使用している可能性も考えられます。本研究では、これらの仮説のどちらがより確からしいかを検証するため、視覚情報を実験的に操作し、伸張反射に影響を与えるかを調べました。

実験として、手首の屈曲運動による視覚目標への到達課題を行いました（図3）。運動中に外力を作用させることで伸張反射を引き起こし、その大きさを計測・評価しました。ここで実験条件として、手の位置を表すカーソルの移動方向に回転変換を加えることで、視覚による身体情報と実際の運動の間に不一致を生じさせました（図4）。この条件下で伸張反射応答を比較することで、視覚情報の伸張反射への影響を調べました。結果、カーソルの回転変換が大きくなるほど、伸張反射応答は小さくなることがわかりました。このことは、伸張反射応答の調整に視覚情報を含む多感覚統合による身体表象が関与している、という仮説を支持する結果といえます。反射のような、一見、単純な運動応答であっても、意識を介して行われる運動と同様に高次の情報処理を経て制御されていることを示しています。

図2．反射調整のための脳内表現に関する仮説

図3．本研究で実施した実験課題

図4．実験1 - 運動と視覚フィードバックの不一致が伸張反射に及ぼす影響

（2）身体状態推定の不確かさの影響

実験1では、視覚フィードバックの回転変換に応じて伸張反射応答が小さくなることを示しました。この現象の説明として、回転変換によって運動中の身体状態推定が不確かになり、そのことが伸張反射応答の減衰につながった可能性が考えられます。この仮説を検証するための実験として、運動中に自分の手の位置を示すカーソルを消去する条件を与えることで身体状態の不確かさを操作する実験を行いました（図5）。カーソルの提示時間が短いほど運動到達位置のばらつきは大きくなり、運動中の身体状態推定がより不確かになっていることを示しました。一方、伸張反射応答は、カーソルの提示時間が短いほど小さくなることがわかりました。この実験の結果から、運動中の身体状態の不確かさに応じて伸張反射が調整されていることが示唆されました。身体状態が曖昧な状況では誤った方向に大きな運動修正を行ってしまう危険性があるため、脳は反射応答を小さくすることでリスクを回避する調整機構を持っていると解釈できます。

図5．実験2 - 視覚フィードバックの消去が伸張反射に及ぼす影響

今後の展開

本研究で得られた知見をもとに、反射系調節のために行われている脳内情報処理のさらなる解明を目指します。将来的には、アスリートの能力の解析など、人間の身体動作をより深く理解していくことにつながっていくと期待されます（図6）。

研究体制について

本研究は、平成28～令和2年度文部科学省科学研究費補助金新学術領域研究　人工知能と脳科学の対照と融合　潜在的運動における学習適応メカニズムの解明と計算モデル構築（JP16H06566）の助成を受けてNTTで行われました。

図6．将来的な応用の可能性

論文掲載情報

Ito, S. & Gomi, H. Visually-updated hand state estimates modulate the proprioceptive reflex independently of motor task requirements. Elife (2020) doi:10.7554/eLife.52380.