視覚入力刺激を用いた運動学習の脳内機構

理学療法学 第 41 巻第 8 号 540 はじめに  運動または認知的な介入により，患者の機能を高める（学習） ことはリハビリテーションを実施する理学療法士にとって重要 であることに異論はないであろう。近年の神経科学（脳科学） の発展により，特に運動学習に関する神経生理学的知見が数多 く報告されるとともに，これらの分野は国際的にも非常に注目 されている。一方，科学的根拠に準拠した理学療法アプローチ の重要性は広く認知されていることであり，理学療法分野にお ける基礎的研究の重要性も高まってきていると考える。しか し，これらの基礎的な先端研究の知見を臨床に落としこむには まだもう少し時間が必要かもしれない。特に，そのあたりを意 識した研究がまだ十分行われていないように感じる。  そのような中，我々はこれまで，できる限り臨床を意識し て，臨床で使用している，また使用することが可能な介入方法 によって得られる運動学習効果の神経生理学的機序に関する研 究を行ってきた。本稿では，これまで我々が行ってきた研究を 中心1）2）に，リハビリテーション領域における運動学習の神 経基盤について考察したい。 運動学習 1．大脳皮質の可塑性  近年，リハビリテーション領域において，ヒト脳を含む中枢 神経系を外的または内的な刺激により変化させることが注目さ れている。特に外的刺激による大脳皮質の変化に関しては，国 際的にもトピックスであり，この 10 年くらいのうちに様々な 刺激方法が報告されている。またこれらの手法を，リハビリ テーションに応用するような試みも行われており，一定の効果 が報告されている。  一方内的な変化として，大脳皮質の一次運動野は，単純運動 の繰り返しをはじめとして，複雑技能を獲得するための練習に よって，ダイナミックに変化（可塑性）することが知られてい る。また皮質レベルでの変化以外にも，ニューロン間の興奮 性・抑制性作用の変化など，神経連結の機能的変化や各階層間 における可塑的変化もあきらかになってきている。これらは運 動を学習する際の変化であるが，脳卒中などにより障害された 脳機能にも可塑的変化が起こっている。一般に脳卒中発症後に は脳組織自体が再組織化を開始するが，慢性期へと経過するに 伴い自発的な神経可塑的変化の発現の可能性は低くなることは 周知の事実である。しかしヒト脳において，高強度高頻度の運 動練習または非侵襲大脳皮質刺激により一次運動野領域に可塑 的変化が誘発された場合，慢性期脳卒中患者においても運動機 能の回復が起こり得ることが報告されてきている。これは，適 切な理学療法介入により脳の可塑的変化を誘発することができ れば，機能回復が難しいと考えられていた慢性期の脳卒中患者 においても運動機能が改善される可能性を示唆しているもので ある。一方，重度の運動麻痺や疼痛，切断などにより障害を有 した四肢での反復した運動が困難な患者を臨床では多く経験す る。理学療法では，このような対象者にこそ専門知識を生かし て機能回復を獲得していく必要があるものと考える。そして機 能回復を得る戦略が，近年盛んに強調されている「科学的根拠」 に則ったものであればなお望ましい。  今後は，外的および内的な刺激を有効に使い，脳の可塑的変 化を誘発するリハビリテーション介入を開発していく必要があ ると考える。また介入の効果を，脳の可塑的変化という側面か ら評価していくことも今後重要になっていくものと考える。 2．ミラーセラピー（Mirror Therapy；以下，MT）  MT は元々幻肢痛に対する治療方法として開発された3）も のであり，様々な疼痛軽減効果が報告されている。特に切断後 の幻肢痛や複合性局所疼痛症候群（CRPS）を有する患者に対 して，通常のリハビリテーションに 1 日 30 分程度の MT を追 加することで疼痛が有意に軽減したことが報告されている4）5）。 しかしこれらの疼痛に対する MT は，発症後長期間経過した慢 性期患者に対して効果が見られないことが示唆されている6）。 一方，慢性疼痛に対しても，MT および運動イメージを組み合 わせた段階的な介入が有効であったとする報告もあり7），今後 さらなる系統的な検討が必要である。疼痛に対する MT の先 行研究の結果をまとめると，適切な視覚フィードバックを与え ることで疼痛持続により歪められた脳内の運動感覚領域を再調 整する方法として，MT は非常に有用な介入方法であると考え られる。 理学療法学 第 41 巻第 8 号 540 ∼ 543 頁（2014 年）

視覚入力刺激を用いた運動学習の脳内機構

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野 嶌 一 平

基礎理学療法研究部会

The Underlying Mechanism of Motor Learning Induced by Visual Feedback with Kinesthetic Illusion

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名古屋大学大学院医学系研究科リハビリテーション療法学 （〒 461‒8673 名古屋市東区大幸南 1‒1‒20）

Ippei Nojima, PT, PhD: Nagoya University Graduate School of Medicine, Department of Physical Therapy

キーワード：運動学習，ミラーセラピー，TMS Japanese Physical Therapy Association

視覚入力刺激を用いた運動学習の脳内機構 541 3．ミラーセラピーによる運動学習  上述の運動感覚領域の再調整という概念を応用して，脳卒 中後片麻痺患者に対する運動学習の介入方法として，MT が応 用されてきている8）。運動機能の改善に対する MT の効果に 関しては，RCT などの高度な研究手法を用いて，その有効性 が報告されている9‒11）。具体的な MT の臨床応用に関しては， 通常の理学療法を補完する形で 1 日 20 ∼ 30 分程度の MT が 追加される方法が一般的になっている。介入期間は，4 ∼ 6 週 間実施されているものが多く，ある一定期間集中的にトレーニ ングに追加していく必要があるかもしれない。また 2012 年に 報告された MT に関するシステマティックレビューによると， 脳卒中片麻痺患者に対して MT を追加することによる運動機 能回復効果には中等度のエビデンスがあることが示されてお り，リハビリテーション治療介入アプローチのひとつの手段と して期待が高まっている。我が国においては，2009 年脳卒中 ガイドラインにも記載されていない比較的新しい治療戦略であ り，今後様々な取り組みを通して，臨床に紹介していく必要が あると考える。  抑々 MT とは，鏡を使用して健常側の正常な運動を患者に 視覚入力することで運動錯覚を与え，患側四肢が正常な運動を 行っていると錯覚を与えることで疼痛の軽減や運動機能の改善 を図る方法である。その際に起こっている脳機能変化について は，Garry ら12）が，運動同側すなわち鏡に映した上肢の対側 の一次運動野の興奮性を TMS にて評価し，MT 群で有意な興 奮性の増大効果を報告している。Tominaga ら13）は脳磁図と 電気刺激を組み合わせることで一次運動野の興奮性を計測する 方法を用い，視覚刺激による一次運動野の興奮性増大を報告し ている。一方，Michielsen ら14）の fMRI を用いた検討では， MT で運動同側の運動関連領域に有意な活動増大は認めなかっ たが，注意機能に関する領域である楔前部や帯状回などに MT による有意差が認められた。この Michielsen らの結果は，脳 卒中患者を対象としたものであり，麻痺側肢の運動として鏡に よる視覚フィードバックを与えることで，感覚情報と視覚情報 の不一致が惹起され，注意に関連する領域の興奮性が亢進した 可能性がある。また，MT 群とコントロール群ともに一次運動 野の活動増大を示しているため有意差がでなかった可能性があ る。これらの先行研究は，鏡を使った視覚入力により運動錯覚 を誘発することで，大脳皮質の興奮性を調整することができる 可能性を示唆している。  また視覚刺激や体性感覚刺激を外的に入力し運動錯覚を誘発 することで，大脳皮質運動関連領域の興奮性を高めることがで きる可能性も報告されている。Kaneko ら15）16）は，被験者の 上肢または下肢上にモニターを設置して対象となる四肢運動の 映像を見せることで，運動錯覚を誘発することが可能であり， さらにその運動錯覚により一次運動野の興奮性が促通されるこ とを報告している。また Naito ら17‒20）は，筋腱移行部に振動 刺激を入力し被験者に運動感覚を惹起させることで運動関連領 域が活性化することを報告している。これらの先行研究は，実 際に運動はしなくても運動錯覚を伴う感覚入力を与えること で一次運動野を興奮させることができることを示唆しており， MT の神経基盤に関わる有益な情報である可能性がある。 ミラーセラピーにおける運動機能変化と神経生理学的 変化の関係 1．運動学習における一次運動野の興奮性変化の役割  先に述べた数々の先行研究より，MT により大脳皮質一次運 動野を含む運動関連領域の興奮性が高められることが示されて いる。また臨床において，MT を運動麻痺患者に実施すること で，運動機能を改善させることが数多く示されている。しかし これらの先行研究は，脳機能は脳機能だけを，運動機能は運動 機能だけを検討したものであり，MT における脳機能変化と運 動機能変化がどのように関係しているかを示唆する先行研究は 報告されていなかった。そこで我々は，MT による運動学習の 効果を，手指の巧緻性を指標とした運動機能の変化と，運動関 連領域の興奮性を指標とした脳機能の変化，その両側面から検 討することを目的に研究を実施した1）。運動課題は，健常人 でも獲得が難しい動作であるボール回し課題とし，MT による 運動学習過程における脳機能変化は TMS を用いて計測した。 TMS とは，頭蓋上においたコイルに高電流電圧パルスを流す ことで磁束を生じさせ，大脳皮質に渦電流が引き起こすことで ニューロンを興奮させる方法である。渦電流は頭蓋骨に平行に 引き起こされ，平行に走向する大脳皮質介在ニューロンが主と して興奮し，それに接続する皮質脊髄ニューロンを興奮させる ことで最終的に筋発射が起こる。そして刺激された運動野領域 が支配する筋より筋活動が記録され，その振幅を計測すること で皮質脊髄路の興奮性の指標とされている。この他にも，両半 球の機能連関評価や運動野マッピングなども可能であるが，本 研究では運動介入によるヒト一次運動野の興奮性の変化を介入 前後で評価することで，脳の可塑的変化を検討した。またこの 際，皮質脊髄路内でも特に一次運動野の興奮性を純粋に評価す るため，脊髄レベルでの興奮性変化が起こっていないことを， 脊髄反射のひとつである F 波を用いて評価している。  右利き健常成人 36 名を対象に，2 つのボールを非利き手で ある左手で，できるだけ早く反時計回りに回す課題を 30 秒間 行い，その回数の変化を運動機能の指標とした。MT 介入では， ミラーボックスを作成し，右手で実際にボール回しを行ってい るところを，鏡像を利用して左手が行っているように錯覚させ る方法とした。一方コントロール群では鏡の代わりに透明の板 を入れて，被験者は自身の安静状態の左手を見ながら右手での ボール回し課題を実施した。介入は 30 秒間の実施と 30 秒間の 休憩を 1 セットとして 10 セットとした。  介入の結果，左手でのボール回し回数はコントロール群に比 べ MT 群で有意な増加を示すとともに，右側一次運動野の興 奮性も有意に増大した。また運動機能の改善率と一次運動野の 興奮性増大率の間に有意な相関が見られた。これらの結果は， 運動錯覚を伴った視覚入力による非運動肢の運動機能改善に運 動同側一次運動野の興奮性増大が関係していることを示唆して いるものと考えられた。特に，運動機能と一次運動野の興奮性 の間に正の相関が見られたことは，これらの間に強い関係があ ることを示唆しているものと考えられた。

Japanese Physical Therapy Association

理学療法学 第 41 巻第 8 号 542 2．反復経頭蓋磁気刺激法による大脳皮質興奮性抑制  前述の MT 介入による運動学習効果に，一次運動野の興奮 性増大が大きく関与していることが示されたが，その因果関係 については検討できていない。動物実験では，関連があると考 えられる領域を人為的に損傷させることで，獲得された機能が どのように変化するかを評価し，その因果関係を検討する実験 が行われている。しかしヒトを対象とする我々の研究では，そ のような損傷実験の手法を取り入れることは不可能である。  しかし，TMS を一定の周波数により反復的に刺激すると中 枢神経系機能が変化することが多くの先行研究で示されてお り21‒23），この方法を用いることで一次運動野の興奮性増大と 運動学習の間の因果関係を評価することができる。本研究で は大脳皮質に抑制性の作用をもたらすことが報告されている Theta Burst Stimulation（以下，TBS）24）25）を MT 後に一次 運動野に与えることで，運動関連領域に非侵襲的に直接抑制 介入を実施し，それに伴う運動機能の変化を追加で検討した。 TBS は運動野だけではなく視覚野26）や体性感覚野27），運動 前野28）などの他の脳領域に対しても効果があることが示唆さ れており，脳機能を外的に変化させることができる手法と考え られている。TBS 刺激で誘発される一次運動野の興奮性変化 （可塑性）の生理学的機序はまだ完全にはわかっていないが， 動物実験で見られる長期抑制に類似したメカニズムが作用して いると考えられている24）。  今回実施した TBS は，20 ms 間隔で 3 回刺激するバースト 波（3 連発刺激）を用いて実施し，これを 200 ms 間隔で繰り 返す磁気刺激方法である。すなわち，5 回 / 秒の刺激を繰り返 す方法である。本研究では，先行研究に則り 3 連発刺激を 5 回 / 秒，40 秒間実施した（刺激頻度 600 回）。TBS は刺激方法に より興奮性も抑制性も引き起こすことが可能であり，本研究で は運動関連領域の活動性を抑制することが報告されているバー スト波の連続刺激を用いて実施した。刺激強度は，運動時安静 閾値の 80％とした。そして TBS を MT 介入後に一次運動野に 与える群と後頭葉（視覚野）に与えるコントロール群に分けて， 一次運動野の興奮性変化に伴う運動機能の変化を検討した。  TBS の結果，TBS が一次運動野に与えられた群でのみ一次 運動野の興奮性が一時的に抑制され，それに伴い運動機能の低 下も見られた。複雑運動技能獲得中の一次運動野活動の変化を 検討した先行研究から29‒31），運動を学習する際にヒト一次運 動野は相対的に高いレベルで関与することが報告されている。 また，霊長類に対する研究において，一次感覚運動野を人為的 に損傷させることで正確な把握運動のような手指運動が障害さ れる32）33）ことから，一次運動野の手指領域は精巧な手指運動 の責任領域であることが報告されている。これらの先行研究の 結果より，一次運動野の複雑巧緻動作への関与が示唆されてい る。本研究における運動課題は，非利き手におけるボール回し 運動という，比較的難易度の高い複雑な手指運動が要求される 動作である。そのため，MT 実施により運動同側一次運動野の 興奮性増大つまり可塑的変化が発現したことにより，運動機能 の向上が得られた可能性が考えられた。 ま と め  TMS をはじめとした手法が近年，リハビリテーション領域 における脳機能評価として取り入れられてきている。これらの 評価により，リハビリテーション介入の効果を客観的に示すこ とで，我々が行う理学療法の有用性を広く認識してもらえるか もしれない。本稿で示した我々の研究は，臨床で日常的に経験 されている効果を TMS という機器を用いて視覚化したものに 過ぎない。臨床において，患者の機能を改善させるということ が，理学療法士にとって最重要課題であり，その有効性を真摯 に証明していくことが今後さらに重要になっていくことは自明 である。一方，神経科学に関する最新の報告は非常に興味深い ものも多いが，それらの知見が臨床に直結するというわけでは ない。そして神経科学の利用とは本来，臨床における深い考察 のためのひとつの道具であるべきであると考える。今後は，臨 床における知見と神経科学の知見を融合させるべく，臨床に還 元できるような研究を積極的に行っていきたいと考えている。 文  献

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Japanese Physical Therapy Association