視覚フィードバックと聴覚フィードバックによる動的バランスの学習効果の違い
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(2) 感覚フィードバックによる動的バランスの学習効果. 475. 表 1 被験者の基本特性 聴覚群（n = 10）. 視覚群（n = 10）. 年齢（歳）. 21.6 ± 0.9. 23.1 ± 2.1. 性別（名）. 男性：5 女性：5. 男性：5 女性：5. 身長（cm）. 162.2 ± 8.2. 166.9 ± 9.2. 体重（kg）. 53.5 ± 8.2. 56.0 ± 7.0. 足長（右）. 23.4 ± 1.6. 24.0 ± 1.4. 平均±標準偏差. することで運動学習が促進されることを挙げている。し かし な が ら， 姿 勢 バ ラ ン ス に お い て， 聴 覚 と 視覚の フィードバックの学習効果を比較し，その機序について 検討した研究は筆者らが知る限り見あたらない。 したがって，本研究の目的は随意的に COM を移動さ せる動的バランスの課題を用いて，聴覚フィードバック と視覚フィードバックの学習効果を比較検討すること だった。また，本研究では運動学習の効果をより詳細に 検討するために，練習直後の効果（短期保持）と練習後 から 1 日間を経た後の効果（長期保持）に分けて比較を 行った。本研究の仮説は Ronsse ら. 12）. の報告を基に，1）. 短期保持ではフィードバックの種類にかかわらず同程度 の練習効果が得られる，2）長期保持では視覚フィード バックが聴覚フィードバックよりも練習効果の減衰を示 す，だった。本研究の結果は，感覚フィードバックを用 いた姿勢バランス練習において，より学習効果のある方 法を提案する基礎資料となると考えた。 方 法 1．対象 整形外科学的および神経学的疾患の既往をもたない健 常若年者 20 名を対象とし，聴覚刺激を感覚フィードバッ クに用いた 10 名（聴覚群）と視覚刺激を感覚フィード バックに用いた 10 名（視覚群）に無作為に割りあてた。. 図 1 モニター画面 （A）実験課題の画面：ターゲット（白丸）のみが映し出され る．（B）練習課題における視覚フィードバック時の画面：ター ゲットの他に COP が目標範囲に入ったときに視標（点線丸） が映し出される（実際には赤丸）．. 被験者の基本特性を表 1 に示す。被験者には事前に口頭 と書面で本研究の目的や実験手順，考えられる危険性な. 3．課題. どを十分に説明し，書面にて同意を得た。. 課題は実験課題と練習課題の 2 種類とした。実験課題 は，モニター画面上に表示された上下方向に移動する. 2．実験機器. ターゲット（白点）に被験者の COP を一致させる課題. COM 位置の指標として，リアルタイムで算出可能な. と し た（ 図 1A）。 タ ー ゲ ッ ト は Radhakrishnan ら. 足圧中心（center of pressure：以下，COP）を用いた。. の先行研究を基に，5 秒間静止したあとに COP 最大移. COP 位置を算出するために，1 枚の床反力計（Kistler. 動距離の前方 80％から後方 70％を周波数 0.23 Hz で移. 社 製， ス イ ス ） を 用 い た。 サ ン プ リ ン グ 周 波 数 は. 動するように設定した。被験者には課題開始前にター. 1,000 Hz で，10 Hz のローパスフィルタ処理を行った。. ゲットの移動範囲や速度を口頭で説明し，モニター画面. 19 インチモニター画面上に後述するターゲット位置の. 上で 2 施行，動作を伴わずに実験課題の確認を行った。. 表示，COP 位置の保存およびフィードバック刺激を出. 課題は 1 施行 35 秒とし，5 施行を 1 ブロックとした。. 力するために，データ収集ソフト LabVIEW（National. 一方，練習課題では実験課題に加えて感覚フィード. Instruments 社製，USA）を使用した。. バックを用いた。感覚フィードバックは，Heuer ら. 13）. 14）.
(3) 476. 理学療法学 第 42 巻第 6 号. 図 2 実験手順のスキーマ 1 ブロックは 5 施行で構成された．プレ・テスト，フィードバック練習および短期保 持テストは同日内に行われた．長期保持テストは，練習後に 1 日間を設けて行われた．. 図 3 1 施行の時系列データ 最初の 1 周期を除いた 6 周期を解析範囲とした．実線は足圧中心（COP） ，点 線はターゲットの前後位置を示す．. の視覚フィードバックを用いた上肢の先行研究において. 立ち，前方 1 m の目の高さに設置されたモニター画面. 断続的フィードバックは連続的フィードバックと比較し. を見ながら 2 つの課題（実験課題，練習課題）を行った。. て運動学習に有利であることが報告されていることか. モニター画面上方を被験者の前方，下方を被験者後方と. ら，本研究では断続的フィードバックを採用した。COP. なるように設定した。実験前に，被験者の足部を踵から. 最大移動距離の前方 70 ∼ 80％，後方 60 ∼ 70％の範囲. 足長 40％の位置が床反力計前後中央位置と一致する場. に被験者の COP が位置したときのみに，ターゲットの. 所とし. 15）. ，足幅は両上前腸骨棘間距離 ‒ 2 cm に設定. 16）. ，足角 0°で足部位置をマークした。また，COP の. 他に聴覚または視覚フィードバックがそれぞれの群に与. し. えられた。聴覚フィードバックには，スピーカーからの. 最大移動距離を前方と後方に分けて計測した。. 音（160 Hz），視覚フィードバックには同じモニター画. 実験課題は練習課題の前後に 1 ブロックずつ行い（練. 面 上 に 表 示 さ れ る 赤 点 を 用 い た（ 図 1 B）。 赤 点 は，. 習課題前：プレ・テスト，練習課題後：短期保持），さ. COP 最大移動距離の前方・後方 100％の位置に表示し. らに，1 日介入のない日を設けて 3 日目に 1 ブロック行っ. た。被験者には練習課題開始前にフィードバックの説明. た（長期保持） 。また，疲労に配慮して，ブロック間で. を行い，ターゲットを表示しない状態で自由に COP を. 数分間の休憩をとった（図 2）。. 移動させる練習を 30 秒間行うことで，フィードバック の確認を行った。課題は 1 施行 35 秒とし，5 施行を 1. 5．データ解析. ブロックとして 4 ブロック行った。. 動作開始時の影響を取り除くために，1 施行 7 周期か ら最初の 1 周期を除外した 6 周期を解析した（図 3） 。. 4．実験手順. 学習効果の指標として，同時刻における COP とター. 被験者は，上肢を胸の前で組んで床反力計上に裸足で. ゲ ッ ト と の 間 の 距 離 の 二 乗 平 均 平 方 根（Root Mean.
(4) 感覚フィードバックによる動的バランスの学習効果. 477. 考 察 本研究の目的は動的バランス課題を用いて，聴覚 フィードバックと視覚フィードバックの学習効果を比較 検討することだった。多くの先行研究において，運動学 習を示すパフォーマンス指標として正確性が使用されて いる。本研究では，同様の課題を用いた Radhakrishnan ら. 13）. の研究を参考に，正確性の指標としてターゲット. と COP との間の距離の RMS を用いた。本研究の結果， プレ・テストの指標において聴覚群と視覚群との間に有 意差は認められず，短期保持で両群ともに正確性が向上 し，長期保持では聴覚群よりも視覚群で正確性の減衰が 大きかった。これらの結果から，本研究の仮説である （1）短期保持ではフィードバックの種類にかかわらず同 程度の練習効果が得られること，（2）長期保持では視覚 図 4 ターゲットと COP 間との距離 縦 軸 は タ ー ゲ ッ ト と COP 間 と の 距 離 の 二 乗 平 均 平 方 根 （RMS）を示す．長期保持テストでは視覚群（点線）は聴覚群（実 線）よりも有意な増加が認められた． *：有意差あり（p ＜ 0.05），N.S.：有意差なし. フィードバックが聴覚フィードバックよりも練習効果の 減衰を示すことが肯定された。 1．短期保持 本研究の結果では，聴覚群と視覚群ともに練習前から 練習後で RMS 値の有意な減少がみられ，両群間に有意. Square：以下，RMS）を算出した。5 施行の平均値を 1. 差は認められなかった。この結果は短期保持において両. ブ ロ ッ ク の 値 と し た。 解 析 は デ ー タ 解 析 ソ フ ト. フィードバック間で練習効果の差がないものと考えられ. MATLAB 2013a（MathWorks 社製，USA）を用いた。. る。Swinnen ら. 統計解析は，RMS を従属変数とし，感覚（聴覚群，. おいて，視覚フィードバックは動作パフォーマンスの向. 視覚群）と課題（プレ・テスト，短期保持，長期保持）. 上を促進することを示しているが，その後のフィード. を 2 要因とする二元配置分散分析を行った。主効果が認. バックの除去がパフォーマンスの低下をもたらすことを. 17）. は両手の協調運動パターンの学習に. められた場合は，Bonferroni 法による多重比較を行っ. 示している。しかし，本研究の結果では視覚群も聴覚群. た。また，被験者の年齢，身長，体重および足長に対し. と同様にフィードバック除去後の短期保持においてもパ. て，対応のない t 検定を行った。統計解析ソフト SPSS. フォーマンスの向上を示した。この理由として，本研究. Stastics ver.20（IBM 社製，USA）を用い，有意水準は. に用いた課題は周期的に荷重を移動させる動的バランス. 5％とした。. 課題であったため，触覚や位置覚などの固有感覚情報も. 結 果. 用いられたからであると考えられる。Radhakrishnan ら. 18）. はアキレス腱に対する振動触覚刺激を用いて，視. 年齢，身長，体重および足長のすべてにおいて 2 群間. 覚フィードバックが他の固有感覚入力に対する反応を低. で有意差は認められなかった。. 下させることを示している。しかし，この先行研究で使. 図 4 は，2 群の 3 実験課題におけるターゲットと COP. 用されたフィードバック方法は連続的フィードバックで. 間距離の RMS（平均値±標準偏差）を示す。課題間の. あり，本研究で用いたような断続的フィードバックでは. 主効果を認めたが，群間の主効果は認められなかった。. ない。したがって，断続的フィードバックによる練習で. また，要因間に交互作用を認めた。多重比較の結果，両. は視覚フィードバックのある範囲では視覚を用いた制御. 群ともにプレ・テストと比較して短期保持で有意な減少. が行われ，視覚フィードバックのない範囲では固有感覚. が認められた（p ＜ 0.05）。プレ・テストと長期保持の. 情報を用いた制御が行われていた可能性があり，その結. 比較では，聴覚群で有意な減少が認められた（p ＜ 0.05）。. 果として，視覚フィードバックを除去した短期保持にお. 一方，視覚群では有意差が認められなかった。また，視. いても練習効果が示されたと考えられる。. 覚群では短期保持と比較して長期保持で有意な増加が認 められた（p ＜ 0.05）。さらに，長期保持での群間比較. 2．長期保持. では聴覚群（18.6 ± 2.0）と比較して視覚群（23.3 ± 4.7）. 本研究の結果では，視覚群において練習後 1 日を経過. の方が有意に大きな値が認められた（p ＜ 0.05）。. した 3 日目に RMS 値が有意に増加し，長期保持での聴.
(5) 478. 理学療法学 第 42 巻第 6 号. 覚群との比較でも有意に RMS 値が大きかった。つまり， 3 日目には視覚群の正確性が練習前の正確性に戻ってい ることが示唆され，聴覚群の方が長期保持の効果として より高い正確性を示したと考えられる。Ronsse ら. 12）. は両手の協調運動課題を用いて，視覚フィードバックで 練習した群と聴覚フィードバックで練習した群を比較 し，視覚群のパフォーマンスがフィードバック除去後に 大きく低下して，ほぼ練習前と同様になっている一方 で，聴覚群のパフォーマンスは低下が少ないことを示し た。本研究の結果は先行研究と一致し，周期的に荷重を 移動させる動的バランス課題の学習においても聴覚 フィードバックが視覚フィードバックよりも有効である 可能性を示唆している。また，同じ先行研究では，脳活 動において，視覚群では視覚情報を処理する後頭葉など の活動が大きく，一方で，聴覚群では聴覚情報を処理す る側頭葉のほかに補足運動野や小脳の活動が大きくなる ことを示しており，この原因として聴覚フィードバック がより認知機能の関与を必要とすることを挙げている。 脳機能については，Ito ら. 19）. や Keating ら 20）がフィー. ドバックを用いた運動学習において小脳が重要な機能を 担っていることを示しており，さらに，Goble ら. 21）. は. 周期的な調整が必要な動作において補足運動野の活動が 大きくなることを示している。また，Fujimoto ら. 22）. は片麻痺患者のバランス能力向上と補足運動野の活動量 の増加との間に有意な相関があることを示した。した がって，周期的な動的バランスにおいても上肢の協調運 動と同様に聴覚フィードバックの方が視覚フィードバッ クよりも有効であることが示唆される。 本研究の限界として，Faugloire ら. 10）. は視覚フィー. ドバック訓練によって，股関節と足関節の関連性が向上 することを示している。しかし，本研究では筋電図や関 節角度の結果を示していないため，姿勢戦略の検討が不 十分だったことが考えられる。また，脳活動についても 上肢の先行研究と同様の結果が得られているかは不明で ある。そのため，今後はこれらのデータを使用して運動 学習による変化をより詳細に検討していく必要がある。 結 論 聴覚フィードバックと視覚フィードバックはともに練 習効果を示す。しかし，断続的なフィードバックを用い た荷重移動課題においては聴覚フィードバックの方が視 覚フィードバックと比較してより高い学習効果を示す。 本研究は，動的バランス課題において異なる感覚フィー ドバックが運動学習に与える影響を調べた数少ないもの であり，今後，より有効な練習方法を選択する基礎資料 となる。 謝辞：本研究の一部は，文部科学省科学研究費（基盤研. 究（C），課題番号 : 25350747）の助成により行われた。 文 献 1）Shumway-Cook A, Wollacott HM: Motor control. Theory and practical applications, 2nd ed. Lippicott Williams & Wilkins, Philadelphia, 2001, pp. 163‒191. 2）中村隆一，斎藤 宏，他：基礎運動学（第 6 版）．医歯薬 出版，東京，2003，pp. 347‒355. 3）Tinetti ME: The contribution of predisposing and situational risk factors to serious fall injuries. J Am Geriatr Soc. 1995; 43: 1207‒1213. 4）Shubert TE, Schrodt LA, et al.: Are scores on balance screening tests associated with mobility in older adults? J Geriatr Phys Ther. 2006; 29: 35‒39. 5）Bechly KE, Carender WJ, et al.: Determining the preferred modality for real-time biofeedback during balance training. Gait & Posture. 2012; 37: 391‒396. 6）Chiari L, Dozza M, et al.: Audio-biofeedback for balance improvement: An accelerometry-based system. IEEE Trans Biomed Eng. 2005; 52: 2108‒2111. 7）Dault MC, de Haart M, et al.: Effects of visual center of pressure feedback on postural control in young and elderly healthy adults and in stroke patients. Hum Mov Sci. 2003; 22: 221‒236. 8）Dozza M, Chiari L, et al.: Audio-biofeedback improves balance in patients with bilateral vestibular loss. Arch Phys Med Rehabil. 2005; 86: 1401‒1403. 9）Janssen M, Pas R, et al.: Clinical observational gait analysis to evaluate improvement of balance during gait with vibrotactile biofeedback. Physiother Res Int. 2012; 17: 4‒11. 10）Faugloire E, Bardly BG, et al.: Exploring coordination dynamics of the postural system with real-time visual feedback. Neurosci Lett. 2005; 374: 136‒141. 11）Zijlstra A, Mancini M, et al.: Biofeedback for training balance and mobility tasks in older populations: A systematic review. J Neuroeng Rehabil. 2010; 7: 58. 12）Ronsse R, Puttemans V, et al.: Motor learning with augmented feedback: Modality-dependent behavioral and neural consequences. Cerebral Cortex. 2011; 21: 1283‒ 1294. 13）Radhakrishnan SM, Hatzitaki V, et al.: The role of visual cues in the acquisition and transfer of a voluntary postural sway task. Gait & Posture. 2010; 32: 650‒655. 14）Heuer H, Hegele M: Constraints on visuo-motor adaptation depend on the type of visual feedback during practice. Exp Brain Res. 2008; 185: 101‒110. 15）Okuni I, Uchi M, et al.: Sagittal-plane spinal curvature and center of foot pressure in healthy young adults. Journal of the Medical Society of Toho University. 2006; 53: 254‒260. 16）Chen HY, Wing AM: Independent control of force and timing symmetry in dynamic standing balance: Implications for rehabilitation of hemiparetic stroke patients. Hum Mov Sci. 2012; 31: 1660‒1669. 17）Swinnen SP, Lee TD, et al.: Interlimb coordination: Learning and transfer under different feedback conditions. Hum Mov Sci. 1997; 16: 749‒785. 18）Radhakrishnan SM, Hatzitaki V, et al.: Responses to Achilles tendon vibration during self-paced, visually and auditory-guided periodic sway. Exp Brain Res. 2011; 213: 423‒433. 19）Ito M: Mechanisms of motor learning in the cerebellum. Brain Res. 2000; 886: 237‒245..
(6) 感覚フィードバックによる動的バランスの学習効果 20）Keating JG, Thach WT: Nonclock behavior of inferior olive neurons: interspike interval of Purkinje cell complex spike discharge in the awake behaving monkey is random. J Neurophysiol. 1995; 73: 1329‒1340. 21）Goble DJ, Coxon JP, et al.: The neural control of bimanual movements in the elderly: Brain regions exhibiting age-. 479. related increases in activity, frequency-induced neural modulation, and task specific compensatory recruitment. Hum Brain Mapp. 2010; 31: 1281‒1295. 22）Fujimoto H, Mihara M, et al.: Cortical changes underlying balance recovery in patients with hemiplegic stroke. Neuroimage. 2014; 85: 547‒554.. 〈Abstract〉. Different Effects of Motor Learning between Visual and Auditory Feedback Exercises in Dynamic Postural Balance. Naoya HASEGAWA, PT, MS, Hiroki MANI, PT, PhD, Kenta TAKEDA, PT, MS, Moe SAKUMA, PT Graduate School of Health Science, Hokkaido University Naoya HASEGAWA, PT, MS Department of Rehabilitation, Sapporo Yamanoue Hospital Satoshi KASAHARA, PT, PhD, Tadayoshi ASAKA, PT, PhD Department of Rehabilitation Science, Faculty of Health Sciences, Hokkaido University. Purpose: The purpose of this study was to compare the learning effects between visual and auditory feedback exercises which required voluntary weight shifts in dynamic postural balance. Methods: Twenty healthy young adults participated in this study. The subjects were equally divided into two groups randomly. The subject was required to match his or her center of pressure (COP) to visual targets, which were shown in a monitor, in the forward-backward direction at three test sessions (pre-practice, post-practice, and retention). The subjects were received an additional auditory feedback (AF) or visual feedback (VF) in conjunction with the displacements of COP during the practice session. The root mean square of the distances from the target to the COP (RMS) was calculated to determine the accuracy of the weight shifts. Results: The mean RMS at the post-practice session was reduced significantly compared to that at the pre-practice session in each group. The reduction in the mean RMS at the retention session was constant in the AF group. On the other hand, the mean RMS at the retention session was increased compared to that at the post-practice session in the VF group. Conclusion: In dynamic postural balance using the intermittent sensory feedback practices, AF is superior to the VF for the motor learning. Key Words: Motor learning, Sensory feedback, Dynamic balance.
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