米乐m6官方网站（AIST）人类信息与交互研究部高级研究员金子英和（Hidekazu Kaneko）和人类增强研究中心高级研究员鲇泽光（Hikaru Ayuzawa）阐明了辅助运动的方法和时机对康复期间接受运动训练的大鼠训练效率的影响。
假设利用机器人技术对受训者的身体施加外力进行康复，我们在训练过程中通过改变辅助动作的方法和时机对大鼠进行四种干预，并评估训练效率。结果我们发现，即使使用相同的辅助运动方法，如果时机不同，训练效果也会不同。
这些知识将有助于将机器人技术应用于康复辅助运动设备的控制方法提供了指导方针。并改进提供手动帮助的运动训练方法。
该技术的详细信息将于 2024 年 12 月 13 日公布。IEEE 神经系统和康复工程汇刊
脑血管疾病患者数量约为170万（厚生劳动省“患者调查”2020年患者调查），许多患者需要康复训练以恢复因脑功能障碍而丧失的身体功能。已经提出了各种康复训练方法，其中之一是由物理治疗师或其他训练者辅助受训者(患者)运动的方法。手法治疗”现实情况是，其有效性很大程度上取决于培训师个人的技能。这可能是由于每个受训者的干预方法和时间略有不同，导致重复性较低。为了解决这个问题，利用能够及时向身体施加外力的机器人技术是有效的。
迄今为止，辅助干预被认为是使用机器人技术的康复训练方法中的有效方法。但对于何时、何种程度的外力作用于身体以增加训练效果，目前尚未有科学阐明，一般也没有既定的方法。
AIST 是神经康复技术研发的一部分机器人康复技术单侧大脑皮层损伤模型以及使用学习实验模型的健康模型，可以评估辅助运动设备的效果（参考文献[1][2]和2017 年 1 月 13 日 AIST 新闻稿）。到目前为止，假设训练师支持受训者的动作的手法治疗，我们已经证明，在运动训练期间向大鼠的前肢施加外力以防止其执行正确的运动时，运动训练的效率会提高。
这次，我们引入了使用辅助运动装置进行训练，该装置可以比手动治疗更准确地根据受训者的运动时机进行干预，并且我们还结合之前的结果验证了预测大鼠的运动时机并据此施加外力的效果。
这项研究和开发得到了日本学术振兴会 (JSPS) 科学研究补助金 JP22500495、JP26350648、JP18K10808、JP21K11331 的支持。
图1显示了本研究中使用的大鼠学习实验装置。为了开始训练，老鼠被要求用前肢同时按下左右两个杠杆，老鼠嘴里含着奖励喷嘴等待。在放置老鼠前肢的杠杆上压力传感器配备用于检测老鼠何时即将从杠杆上释放其前肢。另外，杠杆驱动装置让您用力抬起前肢。利用这些机制，我们进行了包括辅助运动在内的培训。
训练将按如下方式进行。首先，通过向左前肢或右前肢随机吹气来施加气动刺激。响应气动刺激时，如果老鼠将正确一侧的前肢从杠杆上抬起并释放，则给予糖水作为奖励，如果老鼠抬起相反一侧的前肢，则判断为错误答案，不给予奖励。如果答案不正确，则再次对同侧前肢施加气动刺激，以利于训练，然后用杠杆驱动装置强行抬起大鼠的一侧前肢。另外，对一只大鼠进行正确答案为刺激一侧抬起前肢的训练，以及正确答案为对侧抬起前肢的训练，直至错误率小于15%，并观察训练进展情况。
图1 学习实验设备概览。
*原始论文中的数字被引用或修改。
在实验中，我们设置了四种辅助动作条件，结合了两种动作和两种时机。其中一个辅助动作是抬起正确侧的前肢，另一个是抬起相反侧的前肢。关于时机，一种方法是在施加气动刺激后经过一定时间（约02秒）后进行辅助动作，另一种是使用推力传感器检测大鼠接受刺激后自发抬起前肢的反应，并在与此同步的时机进行辅助动作。
根据训练第 4 天和第 5 天的数据计算出的结果如图 2 所示。当在一定时间后执行与正确答案相反的辅助动作（●，红色框），以及当正确的辅助动作与大鼠的响应动作同步执行时（△，蓝色框），可以看到训练性能的改善，例如较低的错误率和较短的响应时间。
图 2 根据训练开始后第 4 天和第 5 天的数据计算得出的结果。
*原始论文中的数字被引用或修改。
由于时间上的差异，提高训练表现的辅助运动恰恰相反的结果可以通过考虑辅助运动激活了哪种神经活动来解释条件反射理论变化来解释。
首先，当老鼠自愿抬起前肢并将其从杠杆上释放时，另一侧前肢的神经活动就会被激活，向下推杠杆以保持平衡。另一方面，如果使用杠杆驱动强制抬起前肢，则躯干向后移动，反射路径，抬起的前肢会激活向下推动杠杆的神经活动。同时，对侧前肢自身的重量会拉伸前肢并激活神经活动，将前肢抬离杠杆（图 3）。换句话说，当通过杠杆驱动发生正确的辅助动作时，引起相反动作的神经活动被激活，相反，当与正确答案相反的辅助动作发生时，引起正确动作的神经活动被激活。
图3 与通过杠杆驱动激活的大鼠前肢相关的神经活动。
i) 右前肢通过杠杆驱动抬起，ii) 躯干向后摆动，iii) 左前肢伸展并激活神经活动以抬起左前肢。
*这是对原始论文中的数字的引用或修改。
接下来，条件反射理论指出，如果一种刺激和另一种引起体内反射反应的刺激定期出现，那么仅施加一种刺激就会触发反射反应。根据这一理论，通过在气动刺激后的一定时间后反复强迫受试者执行相反的动作，引起正确动作的神经活动很可能被激活，从而导致训练表现的提高（图2和图4中的红色框）。另一方面，如果以不规则的时间间隔给予一个刺激和引起反射反应的另一个刺激，则在给予刺激时发生的反射反应变得不太可能发生。因此，通过在与大鼠反应动作同步的时间反复强迫大鼠执行正确的动作，我们激活了神经活动，使大鼠在气动刺激后以随机的时间间隔执行正确的动作和相反的动作，从而减少了发生错误动作的可能性，从而提高了训练表现（图2和图4中的蓝色框）。人们认为，训练被延迟是由于其他辅助动作的影响，导致错误动作更容易发生（图2中的○），而正确动作则不太可能发生（图2中的▲）。
图4 辅助移动方法和时机的组合。
此次获得的研究结果将为设计运动辅助设备的有效控制方法提供重要指导。这些知识将导致训练方法的优化并提高徒手运动疗法的可重复性，而徒手运动疗法传统上依赖于训练者的技能。如果根据这些指南提高康复训练的效率，我们可以期望通过审查干预方法来缩短恢复期并提高训练效果。
未来，我们计划通过测量大脑活动来阐明神经机制，并开发可以将所获得的知识应用于人类的康复设备。此外，虽然我们到目前为止关注的是简单的反应行为，但我们还将验证类似的干预方法对于简单行为组合的复杂行为是否有效。通过这些努力，我们将为建立利用神经科学知识的神经康复技术做出贡献。
已出版的杂志：IEEE 神经系统和康复工程汇刊
论文标题：强迫运动促进大鼠的逆向学习：大鼠机器人康复模型的发现
作者：Hidekazu Kaneko 和 Ko Ayusawa
DOI：101109/TNSRE20243506600
[1] H Sano、H Kaneko、Y Hasekawa、H Tamura 和 S S Suzuki，“通过诱导类似反应的运动促进大鼠的学习和康复”，高级。生物医学。工程，卷。 2，第 72–79 页，2013 年。
[2] H Kaneko、H Sano、Y Hasekawa、H Tamura 和 S S Suzuki，“强迫运动对学习的影响：大鼠选择反应时间任务的发现”，学习。行为。，卷。 45，第 191-204 页，2017 年。