[0005] 外乱予測が筋反応および反応前期の皮質脊髄興奮性に与える影響
Keywords:外乱, 予測, 皮質脊髄興奮性
【はじめに，目的】
外乱に対する筋反応は,20-40 msの潜時でshort latency stretch reflexが生じ,次いで50-60 msの潜時でlong latency stretch reflexが生じると報告されている。しかし,これまでの外乱に対する筋反応の研究では,外乱を1方向で誘発しているため,事前に外乱方向を予測することが可能である。したがって,これら先行研究の知見は外乱予測の要因を除外できていないと考える。本研究では異なる2方向の外乱を試行ごとに無作為に実施して,外乱予測を生じさせずに外乱前および反応前期の皮質脊髄興奮性と筋反応を観察した。他方,外乱予測は外乱前および反応前期の皮質脊髄興奮性と筋反応に影響すると考えられる。そこで,外乱方向および外乱タイミングの予測が外乱に対する筋反応と反応前期の皮質脊髄興奮性に与える影響について検証した。
【方法】
健常成人10名（20-34歳）を対象とした。外乱装置のアームに右示指を固定した。右第一背側骨間筋（FDI）から筋電図（EMG）信号を記録し,15 Hzから3 kHzの周波数帯域で増幅した。外乱前に0.25 kgfの伸展方向トルクを発生させた状態で右示指中間位を保持させ,閉眼させた。外乱予測を誘発する聴覚precueを提示し,その1000 ms後に右示指に対して1.0 kgfの外乱トルクを発生させ,その外乱に対して右示指を外乱前の位置に保持するよう努力させた。実験条件はprecueなし条件,タイミング予測を生じさせる方向情報なしprecue条件,方向とタイミング予測を生じさせる方向情報ありprecue条件とした。経頭蓋磁気刺激（TMS）は円形コイルを用いて運動閾値の1.2倍の強度で右FDIのhotspotに実施した。TMSは外乱前100 msと反応前期（0-60 ms）に施行した。実験条件は試行間でランダムな順序で実施した。TMSを実施しないno-TMS試行も試行間にランダムに挿入した。no-TMS試行ではEMG反応時間,EMG反応開始0-20 msのEMG振幅を算出した。TMS試行では外乱前100 ms，外乱後0-20 ms,20-40 ms,40-60 msにおける反応前期の運動誘発電位（MEP）振幅とTMS前12-2 msの背景EMG（BEMG）振幅を算出した。MEP振幅とTMS前BEMG振幅は外乱前100 msにおける振幅で除算して標準化した。統計処理は分散分析を実施した。有意水準は5%とした。
【倫理的配慮，説明と同意】
実験は倫理委員会の承認を得て実施した。被験者には実験の目的,方法,及び予想される不利益を説明し同意を得た。
【結果】
EMG反応時間は伸展外乱で約75 ms,屈曲外乱で約85 msであった。EMG反応時間は予測条件間で有意差を認めなかった。伸展外乱に対するEMG反応振幅は方向情報あり条件において他の予測条件と比較して有意に増大し,方向情報なし条件においてprecueなし条件と比較して有意に増大した（p＜0.05）。屈曲外乱に対するEMG反応振幅は方向情報あり条件と方向情報なし条件においてprecueなし条件と比較して有意に大きかった（p＜0.05）。方向情報あり条件におけるMEP振幅は伸展外乱後0-60 msを通して有意に増大し（p＜0.05）,方向情報なし条件において伸展外乱後40-60 msで有意に増大した（p＜0.05）が,precueなし条件ではMEP振幅は有意な変化を認めなかった。伸展外乱後40-60 msではMEP振幅は方向情報あり条件,方向情報なし条件,precueなし条件の順で有意に大きかった（p＜0.05）。屈曲外乱のMEP振幅は予測条件間・時系列間で有意差を認めなかった。
【考察】
EMG反応時間が視覚や聴覚刺激反応時間と比較して短いことや,EMG反応時間に予測の効果が認めなかったことから,外乱反応が視覚や聴覚刺激反応とは異なる機序を介していることが示唆された。外乱に対するEMG反応はどちらの方向の外乱後にも生じたことから,外乱に対するEMG反応には筋伸張以外の感覚（たとえば皮膚感覚）も関与すると考えられた。予測なし外乱では反応前期皮質脊髄興奮性は有意な変化を認めなかったことから,外乱予測なしでは反応前期皮質脊髄興奮性は増大しないと考えられた。タイミング予測により伸展外乱時においてのみ反応前期皮質脊髄興奮性が増大したことは,タイミング予測は筋伸張を予測できないにもかかわらず伸展外乱反応前期のみで皮質脊髄興奮性増大に作用することを示唆する。したがって,タイミング予測による反応前期皮質脊髄興奮性増大には筋伸張求心性インパルスが関与すると考えられた。これに対して外乱方向予測の場合,外乱による筋伸張を事前に予測できることから,伸展外乱による皮質脊髄興奮性増大への筋伸張求心性インパルス関与は結論できなかった。
【理学療法学研究としての意義】
理学療法対象疾患において外乱に対する運動制御が困難な患者は少なくない。本研究は,外乱方向やタイミング予測の影響を考慮した効果的な理学療法アプローチの開発に資するものである。
外乱に対する筋反応は,20-40 msの潜時でshort latency stretch reflexが生じ,次いで50-60 msの潜時でlong latency stretch reflexが生じると報告されている。しかし,これまでの外乱に対する筋反応の研究では,外乱を1方向で誘発しているため,事前に外乱方向を予測することが可能である。したがって,これら先行研究の知見は外乱予測の要因を除外できていないと考える。本研究では異なる2方向の外乱を試行ごとに無作為に実施して,外乱予測を生じさせずに外乱前および反応前期の皮質脊髄興奮性と筋反応を観察した。他方,外乱予測は外乱前および反応前期の皮質脊髄興奮性と筋反応に影響すると考えられる。そこで,外乱方向および外乱タイミングの予測が外乱に対する筋反応と反応前期の皮質脊髄興奮性に与える影響について検証した。
【方法】
健常成人10名（20-34歳）を対象とした。外乱装置のアームに右示指を固定した。右第一背側骨間筋（FDI）から筋電図（EMG）信号を記録し,15 Hzから3 kHzの周波数帯域で増幅した。外乱前に0.25 kgfの伸展方向トルクを発生させた状態で右示指中間位を保持させ,閉眼させた。外乱予測を誘発する聴覚precueを提示し,その1000 ms後に右示指に対して1.0 kgfの外乱トルクを発生させ,その外乱に対して右示指を外乱前の位置に保持するよう努力させた。実験条件はprecueなし条件,タイミング予測を生じさせる方向情報なしprecue条件,方向とタイミング予測を生じさせる方向情報ありprecue条件とした。経頭蓋磁気刺激（TMS）は円形コイルを用いて運動閾値の1.2倍の強度で右FDIのhotspotに実施した。TMSは外乱前100 msと反応前期（0-60 ms）に施行した。実験条件は試行間でランダムな順序で実施した。TMSを実施しないno-TMS試行も試行間にランダムに挿入した。no-TMS試行ではEMG反応時間,EMG反応開始0-20 msのEMG振幅を算出した。TMS試行では外乱前100 ms，外乱後0-20 ms,20-40 ms,40-60 msにおける反応前期の運動誘発電位（MEP）振幅とTMS前12-2 msの背景EMG（BEMG）振幅を算出した。MEP振幅とTMS前BEMG振幅は外乱前100 msにおける振幅で除算して標準化した。統計処理は分散分析を実施した。有意水準は5%とした。
【倫理的配慮，説明と同意】
実験は倫理委員会の承認を得て実施した。被験者には実験の目的,方法,及び予想される不利益を説明し同意を得た。
【結果】
EMG反応時間は伸展外乱で約75 ms,屈曲外乱で約85 msであった。EMG反応時間は予測条件間で有意差を認めなかった。伸展外乱に対するEMG反応振幅は方向情報あり条件において他の予測条件と比較して有意に増大し,方向情報なし条件においてprecueなし条件と比較して有意に増大した（p＜0.05）。屈曲外乱に対するEMG反応振幅は方向情報あり条件と方向情報なし条件においてprecueなし条件と比較して有意に大きかった（p＜0.05）。方向情報あり条件におけるMEP振幅は伸展外乱後0-60 msを通して有意に増大し（p＜0.05）,方向情報なし条件において伸展外乱後40-60 msで有意に増大した（p＜0.05）が,precueなし条件ではMEP振幅は有意な変化を認めなかった。伸展外乱後40-60 msではMEP振幅は方向情報あり条件,方向情報なし条件,precueなし条件の順で有意に大きかった（p＜0.05）。屈曲外乱のMEP振幅は予測条件間・時系列間で有意差を認めなかった。
【考察】
EMG反応時間が視覚や聴覚刺激反応時間と比較して短いことや,EMG反応時間に予測の効果が認めなかったことから,外乱反応が視覚や聴覚刺激反応とは異なる機序を介していることが示唆された。外乱に対するEMG反応はどちらの方向の外乱後にも生じたことから,外乱に対するEMG反応には筋伸張以外の感覚（たとえば皮膚感覚）も関与すると考えられた。予測なし外乱では反応前期皮質脊髄興奮性は有意な変化を認めなかったことから,外乱予測なしでは反応前期皮質脊髄興奮性は増大しないと考えられた。タイミング予測により伸展外乱時においてのみ反応前期皮質脊髄興奮性が増大したことは,タイミング予測は筋伸張を予測できないにもかかわらず伸展外乱反応前期のみで皮質脊髄興奮性増大に作用することを示唆する。したがって,タイミング予測による反応前期皮質脊髄興奮性増大には筋伸張求心性インパルスが関与すると考えられた。これに対して外乱方向予測の場合,外乱による筋伸張を事前に予測できることから,伸展外乱による皮質脊髄興奮性増大への筋伸張求心性インパルス関与は結論できなかった。
【理学療法学研究としての意義】
理学療法対象疾患において外乱に対する運動制御が困難な患者は少なくない。本研究は,外乱方向やタイミング予測の影響を考慮した効果的な理学療法アプローチの開発に資するものである。