2017年5月28日日曜日

運動学習③

引き続き、運動学習について。
今回は、脳科学における運動学習について少しまとめていきたいと思う。

 運動学習は3種類に分類される。それは、教師なし学習教師あり学習強化学習である。今回は教師あり学習と強化学習についてまとめていく。

●教師あり学習と強化学習
 教師あり学習は、目標となる運動があって、それと同じ運動を行おうと比較・修正する方法である。この学習は、主に小脳により調整が行われ、「意図した運動」「実際に行った運動結果」誤差を検出し、長期抑圧に基づいてその誤差を減少させる「誤差学習」である。
 強化学習は、行った運動結果がもたらす成功(報酬)をできるたけ増やしていこうとする方法である。この学習は、主に基底核により調整が行われ、「期待される報酬の量」「実際に得られた報酬の量」誤差(予測誤差)に応じて興奮し、シナプス伝達効率を向上させるものである。



●強化学習●
 強化学習が行われるためにはドパミン作動系が働く必要があり、ドパミン作動系の活動が大きくなればシナプスの伝達効率を向上させることができるとされている。これに関する研究は、動物実験により行われているものが多い。よい行動をとればエサを与える。エサが与えられれば満足感が与えられ、その時にドパミンが放出され、行動が強化される。イヌがお手を覚える際に行われるものがまさに強化学習である。この原理は脳卒中患者に対しても同様であるだろうか?このことに関連して、ドパミンの前駆物質であるレボドパと理学療法の組み合わせが脳卒中後の運動機能回復に関与するかどうかを調べた研究がある。その結果、レボドパと理学療法を組み合わせたアプローチを行った群の方がプラセボ群と比較し有意な運動機能の回復を認めたとされており、ドパミン作動系の活動を促すことにより、脳卒中後の運動機能の回復を促すことが示されている。

 それでは、薬物を用いずドパミン作動系の活動を促すためにセラピストはどうしたらよいだろうか?健常人を対象にした研究において、金銭を与えた場合に良好な学習が得られ、線条体等の興奮性を認めたことが報告されている(Wachterら 2009)。この研究において罰金を課した群はよい学習が得られなかったと報告されている。また、食べ物を報酬とした場合、肥満女性は一般女性や男性と比較し、学習の成績が低下したとの報告がある(Zangら 2015)。これらの報告より、罰を与えるよりも報酬を与えた方がよい学習効果を示し、与える報酬も個人や環境因子の違いよって価値が異なると思われる。しかしながら、リハ介入ごとに金品を与えることは現実的には不可能である。金品を与えず、学習を促す方法を調査した研究を紹介する。この研究は、褒めることが歩行能力の改善に寄与するかどうかを調査したものである。結果、褒めた群は褒めなかった群に比べ歩行速度が有意に改善したとされており、褒めることが報酬として働き、運動学習を促したことを示唆している。そのため、リハ中にドパミン作動系の活動を促し、運動学習を促進するためには良い結果が出たタイミングで褒めることが重要であると思われる。

 もう一つ強化学習を促すための重要な要素がある。それは課題の難易度である。サルを用いた実験において、報酬が出る確率を変動させることでドパミン作動系の活動がどのように変化するかを調査した研究がある。この研究では確率が50%となる課題の時に最もドパミン作動系の活動が大きかったとされている(Fiorilloら 2003)。ヒトを対象とした研究では、もう少し高い確率の方がよいとされるものもあり、少し難しいくらいの課題(50%~70%)に設定することが重要と思われる。

●教師あり学習●
 教師あり学習は、「意図した運動」と「実際に行った運動結果」の誤差を検出し、長期抑圧に基づいてその誤差を減少させる「誤差学習」である。ここで小脳で行われる長期抑圧の仕組みについてまとめたいと思う。
注)図中に示すは興奮性を、は抑制性を示す
①まず、大脳皮質から運動指令が出されると、苔状線維を通じて小脳核へ情報が送られ、小脳核の細胞を興奮させる。小脳核の細胞が興奮することにより、シナプスの伝達効率を向上させ、その運動が起こりやすいように作用する。


②同時に大脳皮質で作られた運動プログラムは、平行線維を通じてプルキンエ細胞に情報が送られる。

③運動が実行されると筋・骨格系からの感覚情報が、登上線維を通じてプルキンエ細胞に送られる。

④プルキンエ細胞で大脳皮質で作られたプログラムと実際の運動によって産出された感覚情報の誤差を算出し、誤差分だけ小脳核の活動を抑制する。

⑤小脳核の細胞は、活動しすぎている神経線維を抑制し、シナプスの伝達効率を低下させることで誤差を修正する。加えて、その情報は視床を介して滞納皮質へ送られ、プログラムの修正が行われる。

 このように、長期抑圧に基づいて誤差を減少させていき、最終的には抑制しなくても運動が実行できるように調整をしていく過程が教師あり学習である。


 以上、3回にわたり運動学習についてのまとめをおこなった。
 我々が行うリハビリテーションは、①評価を行い、②問題点に対してセラピー場面で治療を行いパフォーマンスの変化を図る。③そして、セラピー以外の場面や長期的にパフォーマンスの変化が図れるよう関わることが大切であり。①のためには姿勢・運動コントロールが、②のためにはハンドリングやその他さまざまな介入方法(ハンドリングのためには感覚システムの理解が必要)が、③のためには運動学習の理解が重要である。これらの3つのシステムを常に考えながら治療を行うことが大切であると思う。



本日はここまで。

続きはまた次回。。。


2017年5月21日日曜日

運動学習②

 引き続き、運動学習についてのまとめを行いたいと思う。

 まずは、運動学習についてのおさらいから。
 我々が運動を行うと身体内部の感覚受容器(関節受容器・皮膚感覚・前庭覚・筋感覚など)により感覚情報が取り込まれる。しかし、全ての感覚情報を脳内で処理すると情報量が多すぎて脳はパンクしてしまう。それを避けるため、注意を向けられた感覚情報のみ脳内に貯蔵するようコントロールされており、この情報を基に内部モデルとの比較照合を行い、新たな運動プログラムが生成される。注意を向けるための補助的な役割として外在的フィードバックを与えることがあり、それは同時フィードバックと呼ばれる。同時フィードバックは、動作前や動作中に行われるもので、動作目標の焦点化を図る際に活用される。同時フィードバックには、自分の身体そのものに注意を向ける内的焦点(internal focus)身体外の環境や道具へ注意を向ける外的焦点(external focus)がある。


●焦点化の違いが運動学習に与える影響●
 では、同時フィードバックにおける内的および外的の焦点化の違いにより、運動学習に違いがあるのだろうか?ここでゴルフのアプローチに関する研究を紹介したいと思う。この研究は、ゴルフの低技術者と高技術者に対して内的焦点化および外的焦点化を行った際に学習効果に違いがあるかどうかを調査したものである。結果としては、低技術者に関しては、関節角度や体の動きに焦点を与えた方がよい成績を示し、高技術者に関しては、打ったボールの軌道や距離などの外部に焦点を与えた方がよい成績を示した。また、高技術者に関しては、関節角度や体の動きに焦点を与えた場合、低技術者と同等の成績となり、成績が悪化したと報告しており、初心者に対しては内的焦点化が効果的であり、熟練者に対しては内的焦点化を行うとパフォーマンスが低下する可能性を指摘している。

 また、ファンクショナルリーチを用いて内的および外的の焦点化の違いにより、運動学習に違いがあるかを調査した研究もある。この研究では、内的および外的の焦点化を行う順序の違いが運動学習に与える影響について調査されている。結果、外的焦点化を図った後に内的焦点化を図った群は、個人差なくパフォーマンスの向上を認めた。内的焦点化を図った後に外的焦点化を図った群は、著しくパフォーマンスの向上が図れたものと、向上が図れなかったものに二分化された。向上が図れなかったものに関しては、内的焦点化を図ったにもかかわらず、外部環境に注意を払いながら動作を行っていたとの事であった。つまり、内的焦点化を図ったとしても、理解や注意が悪く、身体に注意を向けることができなければ学習を図ることが難しいということであろう。論文内でも、外的焦点化は個人差が少なくパフォーマンスの向上が図れる手法であり、内的焦点化は適切な理解を促せた場合に著しくパフォーマンスを高めることができる手法であることを指摘している。

 もう一つ、ファンクショナルリーチを用いた研究で、同時フィードバックと最終フィードバックの組み合わせによって学習効果に違いがあるかを調査したものがある。最終フィードバックとは、動作終了時に課題結果やパフォーマンスの特徴を伝えるものであり、運動記憶を顕在化する役割を担っている。研究の結果、内的焦点化を図った場合は、パフォーマンスの特徴を伝えた方が学習効果が高く、外的焦点化を図った場合は、課題結果を伝えた方が学習効果が高かった。つまり、同時フィードバックの情報と最終フィードバックの情報は類似したものの方が学習効果が高いということである。
 

 以上をまとめると・・・

 ここで、セラピストが行うHandlingは学習にどのような効果を与えるのかを考えてみる。Handlingは、筋の出力やタイミング、筋感覚閾値のコントロールを行うことで運動パターンを変化させる効果がある。つまり、身体内部の情報を変化させ、身体内部に注意を向けることで課題の焦点化を図る効果があると思われる。Handlingの効果を高めるためには、身体内部に焦点化を図るような声かけやパフォーマンスの変化を伝えることが必要と思われる。




本日はここまで。

続きはまた次回。。。





2017年5月19日金曜日

運動学習①

今回からは運動学習についてのまとめを行いたいと思う。

●運動学習とは?●
 学習はさまざまな研究領域で扱われるテーマである。それぞれの領域で定義は異なるが、今回は行動科学における運動学習に基づいてまとめていきたいと思う。行動学習的な運動学習の定義では、「運動学習は練習や経験に基づく一連の過程であり、結果として技能的行動を行いえる能力の比較的永続的な変化をもたらすものである。」とされている(セラピストのための運動学習ABCより)。運動学習が練習や経験に基づく一連の過程であるということは、ある運動の学習において、どのような練習や経験がその学習に寄与したかという因果関係の特定ができる過程のみが運動学習ということになる。つまり、子どもの正常運動発達などは運動学習からは除外される。また、運動学習が比較的永続的な変化をもたらすものであるということは、セラピー場面でパフォーマンスの変化が起こっても、セラピー以外の場面や翌日まで変化が持続しないもの(Carry overしないもの)は運動学習が成立したとはみなされないということである。

●運動の学習過程●
 我々が運動を学習する過程を考えてみる。我々がある運動を行う際は、脳で運動のプログラムが生成される。この運動プログラムは筋骨格系に動く指令を出すと共に、脳内に運動記憶として貯蔵される(内部モデル)。運動が行われると身体内部の感覚受容器(関節受容器・皮膚感覚・前庭覚・筋感覚など)により感覚情報が取り込まれる。この身体内部の感覚情報は、内在的フィードバックと呼ばれ、この情報を基に内部モデルとの比較・照合が行われ、誤差があれば修正し新たな運動プログラムを作成する。つまり、運動学習とは内在的フィードバック情報に基づき、内部モデルとの比較・照合を行い新たな運動プログラムを生み出す過程のことである。治療中にセラピストが与える「(荷重練習中に)○○kg体重をかけれています。」や「(歩行練習中に)足がよく上がっています。」などの結果の知識(knowledge of  results;KR)パフォーマンスの知識(knowledge of performance;KP)などの外在的フィードバック情報は学習対象の焦点化を図ったり、顕在化を図るための補助的な役割として働く。

 また、運動を学習する過程は、課題の性質を理解し、何をどうすればよいか、どんな結果が出るとよいかを考える認知段階から、さまざまな方法を試し、比較照合をすることでより効率的な動きへ進める連合段階、学習が完成し、潜在的な意識によって運動の調整を行う自動化段階を経る。学習の認知段階においては、学習すべき課題の焦点化を図ったり、結果の顕在化を図るため外在的フィードバックが必要となるが、外在的フィードバックが頻繁に与えられると学習が外在的フィードバック情報に依存してしまい、自動化に進めなくなってしまうこともある。潜在的な意識によって運動を調整するためには、外在的フィードバックを減らす必要がある。

 ここでキーボードをブラインド・タッチで入力する課題を考えてみる。私は、ブラインド・タッチで入力することができず、常に手元を見ながら、打ち間違えがないか確認を行いながら入力をしている。私のようにキーボードを見ながらでなければ入力ができないものが、ブラインド・タッチで入力できるようになるためには、手元を見て結果を確認するという外在的フィードバック情報減らす練習が必要となる。このように、運動学習を進めるためには、外在的フィードバックを減らす必要がある。

●フィードバックの頻度と運動学習●
 上記で説明した通り、運動試行全てで外在的フィードバックを与える(100%FB)よりも2試行に1回(50%FB)や4試行に1回(25%FB)などのように外在的フィードバックの頻度を削減した条件で練習を行った方が運動学習が得られやすいとされている。その理由としては、数試行を反復して、運動イメージを明確にしてから外在的フィードバックを受ける方が比較照合が行いやすく、過剰な修正を防ぐことができる。また、外在的フィードバックを与えすぎると、学習者が外在的フィードバックに依存的になり、能動的な処理が行われなくなるためだとされている。


●まとめ●
以上のまとめを下記に示す。




本日はここまで。

続きはまた次回。。。