スポーツによる脊髄完全損傷者上肢筋機能地図の拡張

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(1)理学療法学第 47 巻第 6 号 577 ∼ 586 頁（2020 脊髄損傷者における脳の機能的再組織化年）. 577. 研究論文（原著）. スポーツによる脊髄完全損傷者上肢筋機能地図の拡張＊中西智也 1）2）# 中川剣人 3）小林裕央 1）4）中澤公孝 1）. 要旨【目的】スポーツ歴のある脊髄完全損傷者を対象として，一次運動野の上肢筋脳機能地図を functional magnetic resonance imaging（以下，fMRI）法により作成し，機能地図の拡張，および経過年数，運動年数との関係を明らかにすること。【方法】脊髄完全損傷者 7 名，健常者 6 名を対象として fMRI 撮像中に上肢筋収縮課題を行い，脳賦活量の定量化および経過年数・運動年数と相関のある脳領域を算出した。【結果】脊髄損傷群において，手指筋収縮時の脳賦活量が健常者群よりも大きかった。また，上腕周囲筋収縮時の脳賦活量は脊髄損傷者群内でも差が見られたが，運動年数との正の相関が見られた。【結論】脊髄損傷後の一次運動野では，障害由来的に手指筋脳機能地図が拡張し，使用頻度依存的に上腕周囲筋脳機能地図が拡張しうる。本結果は，脊髄損傷受傷後に高強度の身体活動が神経学的にも推奨される根拠となりうる。キーワード脊髄損傷，一次運動野，脳再組織化，スポーツ，fMRI. は脊髄損傷に伴う脳の代償性変化によるものと考えられ. はじめに. ている。さらに，この脊髄損傷後に見られる特異的な脳. 近年，MRI（Magnetic Resonance Imaging）を用い. 再組織化は，脊髄不全損傷者と比して求心性信号入力が. た脳画像研究において，脊髄損傷者は受傷後に大脳一次. 完全に遮断されている完全損傷者において大きいことが. 感覚運動皮質の多様な再組織化が生じることが報告され. 報告されている. ている。たとえば，脊髄損傷者の一次体性感覚野では，. このような障害由来による脳の再組織化とは別に，ヒ. 下肢支配領域における灰白質容積の縮小および脆弱化と. ト脳は高頻度の運動や運動学習により，使用頻度に依存. 1）2）. 4）5）. 。. 。また，脳機能. した脳機能地図の拡大や，最小限の代謝エネルギーで身. 面においては，把持運動時における一次体性感覚野下肢. 体運動を起こす neural efficiency といった可塑的変化が. いった脳の構造的変化が認められた支配領域の賦活. 2）. ，および母指・小指・口唇への感覚刺. 激時に，一次体性感覚野の賦活箇所が下肢支配領域のある頭頂側へ変位したこと. 3）. が報告されており，これら. 起こるとされている. 6）. 。これらの障害由来性代償的変化. かつ使用依存性可塑的変化の相互作用により，スポーツを日常的に行い活動度が高い脊髄完全損傷者においては，特異的な脳再組織化が生じ，随伴的に運動機能が変. ＊. Sports Exercise can Induce Cortical Expansion of Upper Limb in Individuals with Complete Spinal Cord Injury 1）東京大学大学院総合文化研究科広域科学専攻（〒 153‒8902 東京都目黒区駒場 3‒8‒1） Tomoya Nakanishi, PT, MSc, Hirohumi Kobayashi, PhD, Kimitaka Nakazawa, PhD: Department of Life Science, Graduate School of Arts and Science, The University of Tokyo 2）日本学術振興会特別研究員 Tomoya Nakanishi, PT, MSc: Japan Society for the Promotion of Science 3）早稲田大学スポーツ科学学術院 Kento Nakagawa, PhD: Faculty of Sport Sciences, Waseda University 4）信州スポーツ医療福祉専門学校 Hirohumi Kobayashi, PhD: Shinshu Sports and Medical College ＃ E-mail: felice.lieto.grato@gmail.com （受付日 2020 年 2 月 6 日／受理日 2020 年 6 月 5 日）［J-STAGE での早期公開日 2020 年 9 月 10 日］. 化している可能性が示唆される。最近，我々は脊髄完全損傷者を対象に把持運動中の力調節課題を行った結果，その他の下肢障がい者や健常者と比して力調節課題中の変動係数がきわめて低いこと，そして，その変動係数は運動年数が長いほど低いことを明らかにした. 7）. 。この結. 果は，脳の上肢運動関連領域に生じた障害由来性代償的変化および使用依存性可塑的変化の相互作用により，脳の再組織化が最大化された可能性を示唆するものであり，スポーツ活動は脊髄完全損傷者の脳再組織化を促すことが想定される。そこで本研究は，スポーツ活動を行っている脊髄完全.

(2) 578. 理学療法学第 47 巻第 6 号. 表 1 被験者属性性別. 損傷高位. ASIA. 年齢. 経過年数（年）. 運動年数（年）. Sub.A. M. Th 10. A. 44. 23. 18. パワーリフティング. Sub.B. M. L1. A. 40. 13. 6. パワーリフティング. Sub.C. M. L1. A. 70. 45. 44. 車椅子マラソン. Sub.D. M. Th 12. A. 30. 8. 7. 車椅子バスケットボール. Sub.E. F. Th 10. A. 30. 21. 17. 卓球. Sub.F. F. Th 9. A. 28. 10. 7. 卓球. Sub.G. M. Th 12. A. 40. 19. 18. アイスホッケー. Healthy.A. M. −. −. 35. −. 20. 陸上. Healthy.B. M. −. −. 22. −. 6. 体操. Healthy.C. M. −. −. 21. −. 11. バスケットボール. Healthy.D. F. −. −. 23. −. 10. 野球. Healthy.E. M. −. −. 29. −. 10. 野球. Healthy.F. F. −. −. 38. −. 15. バスケットボール. おもな競技歴. バスケットボール. 損傷者を対象として，上肢筋脳機能地図を fMRI 法によ. 2．実験方法. り作成し，どのような可塑的変化が生じているか，およ. 本実験は，3.0T MRI（MAGNETOM Plisma, Siemens,. び受傷からの経過年数や運動年数が及ぼす影響を明らか. Germany）内で fMRI 撮像中に右上肢での上肢筋収縮課. にすることを目的とした。. 題を実施し，その際の脳活動を計測するものとした。な. 対象および方法. お，本実験の手順および MRI 撮像パラメータ・解析方法は，切断者に対して fMRI 撮像中に下肢筋収縮課題を 8）. を参考にした。. 1．対象. 行い，賦活量を定量化した先行研究. 対象は損傷高位が胸髄以下であり，上肢に運動感覚麻. まず実験前に，受傷年月日，診断名，既往歴，現病歴，. 痺がない脊髄完全損傷者 7 名（以下，Sub. A ∼ G；年齢. スポーツ歴を問診票にて聴取した。次に，MRI 撮像を. 40.3 ± 13.4 歳，受傷後経過年数 19.9 ± 11.6 年，受傷後. 行う前に，筋電図（Electromyogram：以下，EMG）を. スポーツ実施年数 16.7 ± 12.3 年，表 1）および健常者 6. 用いて MRI 室外で上肢筋収縮課題の練習を行った。. 名（年齢 28.0 ± 6.6 歳，スポーツ実施年数 12.0 ± 4.4 年，. EMG はワイヤレス多点筋電図計（Delsys, DELSYS. 表 1）とした。また，全被験者は現在もしくは過去に週. Trigno, Massachusetts, USA）を使用した。能動型表面. 1 回以上の定期的なスポーツ歴があり，かつ，利き手の. 電極を右上肢の尺側手根屈筋，撓側手根伸筋，上腕二頭. 違いによる脳活動への影響が生じないよう Edinburgh 利. 筋，僧帽筋に貼付し，尺側手根屈筋・上腕二頭筋の 3 秒. き手テストを行い，右利きと判定された者を対象とした。. 間の最大随意性収縮（Maximum Voluntary Contraction：. なお，本研究はヘルシンキ宣言および厚生労働省の. 以下，MVC）時の筋放電量を Labchart7 software（ADI. 「臨床研究に関する指針」に沿って計画・実施した。ま. Instruments, Colorado Springs, USA）内に集録した。3. た，東京大学大学院総合文化研究科・教養学部の「ヒト. 秒間の MVC から得られた筋電図波形のうち前後 1 秒を. を対象とした実験研究に関する倫理審査委員会」におい. 除いた中央 1 秒間を抽出し，振幅の大きさを示す Root. て承認（承認番号：581-2-2）を受け，実施した。MRI 計. mean square（以下，RMS）を算出した。RMS から. 測では日本神経科学学会の定めるガイドラインおよび東. 20%MVC 強度を算出し，被験者に見えない形で画面上. 京大学大学院総合文化研究科・進化認知科学研究セン. に表示した。本研究で用いた fMRI 中に行う上肢運動課. ターの定めるガイドラインの基準を満たし，かつ脊髄損. 題は，眼前のモニター上に 1 Hz 周期で点滅する黄色固. 傷者に関しては，主治医により MRI 計測の許可が得ら. 視点に同期させるよう，提示された課題部位のみを. れた被験者を対象とした。また，すべての被験者に対し，. 20%MVC 強度で収縮する課題である。具体的には，撮. 安全性および人権擁護のための配慮，個人情報の保護に. 像を開始後，モニターには「安静」，「グリッピング」，「上. 関して文書により説明し，同意書により同意を得た。. 腕」のいずれかが提示され，「グリッピング」提示中は 1 Hz で点滅する黄色固視点に合わせるよう握り動作を.

(3) 脊髄損傷者における脳の機能的再組織化. 579. 行い（Grip 課題），「上腕」提示中は上腕二・三頭筋の同時収縮を固視点に合わせ行う（Upper Arm 課題）ものである。不全脊髄損傷者の機能地図を調べた先行研究. 9）. では，手指筋脳機能地図は健常者よりも広かった. が，上腕二頭筋では差がないことが報告された。一方，車椅子競技中には手指筋のみでなく上腕周囲筋等の近位筋もより強い筋活動が生じていると考えられ，上腕周囲筋の支配領域に適応が生じ，上記とは異なる結果を示すと仮説をたてた。検証として遠位筋収縮時の賦活領域を算出するために Grip 課題，近位筋収縮時の賦活領域を算出するために Upper Arm 課題を設定した。事前練習では，被験者に fMRI 計測時と同様の姿勢（背臥位・右肘関節伸展位）をとらせ，眼前のモニターに動画を提示し，1 Hz 周期で点滅する黄色固視点に合わせて収縮を行わせた。筋収縮強度が 20% より強いもしくは弱い場合には口頭で教示を与え，収縮強度が 20% になるよう調整を行った。これに加え，主動筋以外の活動が生じな. 図 1 実験のセットアップ. いよう，Grip 課題練習中には上腕二頭筋および僧帽筋， Upper Arm 課題中には尺側手根屈筋，撓側手根伸筋，僧帽筋の筋電図を確認し，筋活動が生じた場合には，脱. 192 mm, 39 contiguous axial slices acquired in interleaved. 力するよう促した。それぞれの課題において，主動筋以. order, thickness = 3.0 mm, in-plane resolution = 3.0 ×. 外の筋活動が生じず，かつ教示なしに 20% での収縮が. 3.0 mm, bandwidth = 1,776 Hz/pixel, volume ＝ 210. 連続で 20 回可能となった時点で，練習を終了した。練習後，MRI ガントリー内に移動し，背臥位となり，撮像. 4．解析方法. の準備を行った。この際，頭部は PEARLTEC Multipad. 得られた脳画像データの前処理および解析は Statis-. Duo03（Pearltec AG, Switzerland）を用いて固定し，. tical Parametric Mapping（以下，SPM12；Welcome Trust. 撮像中に頭部が動かないよう配慮を行った。撮像は，頭. Center for Neuroimaging, London, UK）および Matlab. 部位置合わせのためのスクリーニング画像，T1 強調画. R2017b（MathWorks Inc. Massachusetts, USA）を用い. 像，T2* 強調画像の 3 種類の撮像を行った。T2* 強調画. て行った。その後の前処理手順に関しては以下に記す。. 像撮像の際，被験者にはモニター上に練習時と同様の黄. 1）Realignment（機能画像時系列間での頭部位置合. 色点を提示し，提示された部位を 20%MVC 強度で収縮. わせ）：各 session の第 1 scan を基準として，6 個の剛. するよう教示を与えた（図 1）。実際の教示は，「安静」. 体変換パラメータ（X・Y・Z 軸方向の移動および回転）. の提示を 20 秒間行い，次に「グリッピング」「上腕」の. より頭部位置のズレを推定し，平行移動および線型変換. いずれかが 20 秒間提示され，その後，安静，課題を 2. を合わせた Affine 変換を行うことにより位置のズレを. 回ずつ繰り返し，最後の 20 秒間は安静とした。したがっ. 修正する。なお，頭部が 2 mm 以上動いた場合は解析. て 1 セッションは計 2 分 20 秒であり，計 2 セッション. の除外基準として設定したが，2 mm 以上動いた被験者. の撮像を行った。それぞれの課題は交互に提示し，2. はいなかった。2）Slice timing correction（時間的前処. セッションの間で計 3 回ずつ実施した。. 理）：TR を 2,000 ms に設定したため，各スライス間の時間的隔たりを修正した。また，Siemens 社製の MRI. 3．撮像パラメータ. 装置は奇数断面を下から上に撮像し，その後偶数断面を. 撮像は 64ch head coil を装着して行われた。撮像時に. 下から撮像する Ascending interleaved order を採用し. 設定したパラメータは以下の通りである。. ており，撮像順の補正も行った。3）Coregistration（機. ［構造画像（T1 強調画像；MPRAGE）］. 能画像と構造画像の頭部位置合わせ）：相互情報量. TR = 2,000 ms, TE = 2.9 ms, flip angle = 9.0° , FOV =. （Mutual Information）を評価関数に利用し，画像輝度. 256 mm, 176 contiguous axial slice, thickness = 1.0 mm,. の結合ヒストグラムが最小となるよう構造画像と機能画. in-plane resolution = 1.0 × 1.0 mm, volume ＝ 176. 像の位置を合わせた。4）Normalization（脳の形態を標. ［機能画像（T2* 強調画像 ; echo-planar images）］ TR = 2,000 ms, TE = 25 ms, flip angle = 90° , FOV =. 準化し，標準座標系へ変換）：構造画像を灰白質・白質・脳脊髄液・頭蓋骨下・頭蓋骨に分類し，Montreal.

(4) 580. 理学療法学第 47 巻第 6 号. Neurological Institute（以下，MNI）標準脳座標系に置かれた Tissue Probability Map にあてはめ，その修正. ターン・広がりを視覚的かつ定量的に確認する目的で，（2）Cluster level corrected を採用した。. に用いた値により機能画像を MNI 標準脳にあてはめる. 上記の手続きに準じ，各被験者の Grip および Upper. よう変換した。5）Smoothing（空間的高周波ノイズを. Arm 課題時の全脳解析を実施した。まず，Automated. 軽減し，画像を滑らかにする）：ガウス核関数（Gaussian. Anatomical Labeling（以下，AAL）に基づき，左一次. kernel）の半幅値（8 mm FWHM）で指定し，平滑化. 運動野内に最賦活地点がある Cluster を検出し，賦活し. した。その後，得られた BOLD signal の時系列データ. たボクセル数を Number of voxels として算出した。こ. に対して，一般線形モデル（General Linear Model；以. の際，賦活した Cluster が一次運動野外へ続いている場. 下，GLM，式 1）をあてはめることにより残差が最小と. 合でも，そのボクセル数も Number of voxels へ含めた。. なるようなパラメータ推定値から課題中の神経活動を推. なお，AAL は MNI 標準座標系の空間に対応する解剖. 定した。. 学的ラベルであり，同時に，Matlab 上で動作する空間解析用アプリケーションである。脳全体がおもに脳回単式1. 位でラベリングされており脳機能マッピングにおいて広 12）13）. Y：多変量データ行列 X：計画行列 β ：推定パラ. く利用されている. メータ行列 ε ：残差. また，個人の賦活量を算出後，脊髄損傷者および健常. 。. 者間での統計的な比較を行った。統計解析には R 3.6.2 つまり，ある voxel の時系列データ（Y）を，課題関連. （R Foundation for Statistical Computing, Vienna,. 性の神経活動モデル（X）を作成し，残差（ε ）が最小. Austria）を用いた。統計処理は 2（群）× 2（課題）の. となるような β 値を推定することで，各脳領域の課題. 2 要因による反復測定デザインの分散分析を行い，主効. 中の賦活量を算出している. 10）11）. 。ここでいう課題関連. 果および交互作用について検討した。有意水準は 5% と. 性の神経活動モデル（X）とは，ブロックデザインの課. して設定した。また，主効果の検定が有意であった場合，. 題提示シーケンスに基づいて予測される神経活動であ. 下位検定として各課題内で Tukey-kramer 法による事. るが，BOLD 信号特有の反応遅延を含んだモデル. 後比較を行った。. （Hemodynamic Response Function；以下，HRF）が採 11）. さらに，運動年数と脳活動の関係を明らかにするた. 。さらに，実際の脳活動を課題間・被. め，経過年数・運動年数を共変量に加えた集団解析を. 験者間で比較するためには統計値化する必要があり，コ. SPM12 により行った。SPM12 上の集団解析は変量効果. ントラスト推定量を統計検定量へ変換する過程を経る必. モデルに基づく One sample T test によるものである。. 要がある。fMRI の解析では各ボクセルの T 統計量を式. すなわち各被験者のコントラスト画像を被験者間分散の. 2 により算出し，全脳レベルで統計的検定を実施し，有. 平方根で除し，T 値に基づく全被験者の平均統計値画像. 意な領域を T 統計量に応じて色分けし，標準脳上に. を作成するものである。今回，脊髄損傷者においては運. plot したものが全脳解析の結果である。. 動年数が異なると脳活動も異なると仮説を立てたことか. 用されている. ら，SPM12 上の 2nd level specify より集団解析を行い， T=. コントラスト推定値コントラスト分散推定値. 式2. T：各ボクセルの T 統計量統計的検定に関しては，T 値を基にしたボクセルごとの. 課題中の脳賦活信号強度を目的変数とし，経過年数・運動年数を共変量とした共分散分析により相関のある脳領域を算出した（p < 0.001, uncorrected）。結果. t 検定を行うが，空間解像度が 3 mm の全脳解析では約. 1．被験者属性の比較. 20 万のボクセルを対象とするため，偽陽性が必ず生じ. 両群の属性の差を比較すると，年齢には統計的に有意. る。そのため多重比較法による補正を行うが，脳活動は. な差を認め（p = 0.04），運動年数における差はなかっ. 時空間的に連鎖する性質をもつため，一般的な Bonferroni. た（p = 0.72）。年齢による影響がないことを確認する. 補正よりは確率場理論に基づいた Family wise error. ため，全被験者を対象として年齢と脳賦活量の相関解析. rate（以下，FWE）に基づく補正を行うことが多い。. を行ったところ，相関は検出されなかった。. FWE 補正を行う場合は，（1）Peak level corrected：ある活動ピーク地点に対する補正，（2）Cluster level. 2．一次運動野の賦活量の比較. corrected：ある活動強度閾値を設定した際のクラス. 全脳解析の結果を図 2a，一次運動野の賦活量，最賦. ターの広さ（体積）に関する補正，の 2 種類がある。本. 活地点の MNI 座標値，および各群の平均値を図 2b，表. 解析では局在的な活動強度よりは空間的な神経活動のパ. 2 に示す。2 要因による反復測定デザイン分散分析の結.

(5) 脊髄損傷者における脳の機能的再組織化. 図 2 a. Grip および Upper Arm 課題中の脳賦活領域 b. 各群の一次運動野賦活量の比較 c. 各脊髄損傷者における一次運動野賦活量. 581.

(6) 582. 理学療法学第 47 巻第 6 号. 表 2 課題中の脳賦活量および運動年数との相関脳領域上肢筋収縮課題中の賦活量被験者. Grip. Upper Arm MNI coordinates. Cluster size (voxels). MNI coordinates. x. y. z. Cluster size (voxels). x. y. z. Sub. A. 2,258. ‒32. ‒24. 58. 2,990. ‒20. ‒24. 76. Sub. B. 283. ‒36. ‒24. 50. 2,279. ‒30. ‒30. 62. Sub. C. 2,439. ‒38. ‒26. 50. 237. ‒20. ‒22. 74. Sub. D. 2,682. ‒34. ‒24. 68. 501. ‒28. ‒26. 70. Sub. E. 764. ‒42. ‒24. 56. 26. ‒56. 6. 34. Sub. F. 2,137. ‒40. ‒16. 64. 7. ‒28. ‒26. 52. Sub. G. 956. ‒36. ‒16. 60. 23. ‒12. ‒38. 70. Healthy.A. 657. ‒44. ‒14. 66. 450. ‒30. ‒30. 66. ‒18. ‒14. 58. Healthy.B. 170. ‒38. 68. 141. ‒28. Healthy.C. 225. ‒36. ‒22. 68. 187. ‒28. ‒28. 60. Healthy.D. 1,220. ‒36. ‒22. 64. 384. ‒28. ‒24. 62. Healthy.E. 412. ‒40. ‒22. 56. 110. ‒26. ‒24. 64. Healthy.F. 616. ‒38. ‒22. 68. 28. ‒24. ‒22. 74. 運動年数との相関脳領域 Brain region. Upper Arm MNI coordinates Cluster size (voxels). x. y. z. L.Postcentral gyrus. 140. ‒50. ‒24. 34. L.Precentral gyrus. 100. ‒24. ‒22. 64. 68. ‒24. ‒58. 66. L.Superior parietal lobule. 果，群間において主効果を認めた（F（1,11）= 7.39, p = 0.02）。また，下位検定として Tukey 法を行った結果， Grip 課題時においてのみ脊髄損傷者群の賦活量が健常者群よりも有意に大きかった（p = 0.02, t = 2.63，健常者群：550 ± 383 voxels（平均値±標準偏差），脊髄損傷者群：1,645 ± 951 voxels）。一方，Upper Arm 課題では有意な差はなかった（p = 0.23, t = 1.27，健常群： 216 ± 164 voxels，脊髄損傷者群：866 ± 1,237 voxels）。次に，脊髄損者群内の被験者ごとの結果に注目すると，Upper Arm 課題においては，パワーリフティングを行っている Sub. A, B のみ特異的に広範な賦活を示した。一方，他の脊髄損傷者では賦活量は小さく，脊髄損傷者群内でも賦活量にばらつきが見られた。特に，Sub. E, F, G において賦活量が小さかった（図 2c）。図 3 運動年数と Upper Arm 課題時脳活動の正の相関領域. 3．経過・運動年数と脳活動の関係脊髄損傷者群での集団解析の結果を図 3，表 2 に示す。受傷からの経過年数を共変量に加えた結果，有意に相関.

(7) 脊髄損傷者における脳の機能的再組織化. 583. のある脳領域は算出されなかった。一方，運動年数を共. 傷群の賦活量の標準偏差は 1,237 voxels と大きく，被験. 変量に加えると，Grip 課題時は統計的に有意な領域は. 者ごとの値に着目すると，運動強度が高いパワーリフ. 認められなかったが，Upper Arm 課題時においては，. ティング選手である Sub. A および B においては特異的. 左一次運動野，左一次体性感覚野，左上頭頂小葉それぞ. に広範な賦活がみられた。対して，運動強度が低い卓球. れの脳活動と運動年数が正の相関として検出された（p. 選手である Sub. E および F の賦活量は小さかった。ま. < 0.001, uncorrected）（図 3）。. た，アイスホッケー歴が 18 年あるものの，現役を退き 10 年以上となる Sub. G の賦活量も小さかった。要因と. 考察. して，運動歴はあるものの，最近の 10 年間はまったく. 1．脊髄損傷者における手指筋収縮時の脳賦活領域拡張. 継続されていないことで使用頻度が低下したことが考え. 脊髄完全損傷者は，Grip 課題時において健常者より. られる。さらに，運動の影響をより明らかにするために. 広範な一次運動野の賦活を示し，手指筋収縮時の脳賦活. 行った経過年数・運動年数を脳賦活強度との共変量に加. 領域の有意な拡張が認められた。fMRI 法における筋収. えた脊髄損傷者群内での集団解析では，Upper Arm 課. 縮課題中の脳賦活領域は，一次運動野の身体部位再現性. 題時の一次運動野の賦活強度と運動年数の間に正の相関. を反映するとされており. 14）. ，賦活領域の拡張は機能地. がみられた（図 3，表 2）。これらの結果をまとめると，. 図が拡大したことを示唆していると考えられる。脊髄損. 競技を問わず上肢を用いた運動を継続することで上腕周. 傷モデルラットを用いた研究では，不全損傷よりも完全. 囲筋収縮時の一次運動野における脳賦活強度が増強し，. 損傷ラットの方が 3b 野における体部位再現性の変化が. その賦活領域の拡張には競技特性が反映された。すなわ. 15）. 。別のラットモ. ち，日常生活へ適応するための上肢活動に加え，より高. デルを用いた研究では，胸髄完全損傷後数分以内に急激. 強度・頻度での上肢筋活動が生じるようなスポーツ活動. な残存部位支配領域の皮質活動増加が生じたことが報告. を長年継続することで，一次運動野の近位筋支配領域が. 劇的であったことが報告されている. 16）. 。このような求心性信号入力の完全遮断によ. 活性化され，筋の収縮様式や強度が強くなれば，支配領. り脳再組織化が促進される理由として，完全遮断により. 域自体が広がることを示唆している。このような身体運. 残存部位の脳支配領域に従来から存在しているシナプス. 動と脳再組織化との関係を調べた報告は多くあり，運動. 間の興奮性接続の顕在化（unmasking）が生じることが. を繰り返した身体部位の脳表象が機能的にも構造的にも. された. 機序として考えられている. 17）. 。実際の胸髄完全損傷者. を対象として fMRI 撮像中に手指に感覚刺激を行い，一次体性感覚野の賦活領域を算出した研究. 3）. では，脊髄. 拡張すること. 18‒21）. が明らかとなっている。Sub. A お. よび B が行っているパラ・パワーリフティングは，上肢近位筋である三角筋，上腕二・三頭筋，大胸筋，広背 22）. ことから，競技特. 完全損傷者において手指感覚刺激時の最賦活地点が頭頂. 筋，前鋸筋の筋活動を必要とする. 側へ変位しており，機能地図が拡張したことが明らかと. 異性が反映され，近位筋の機能地図がより拡張したと考. なった。この研究における脊髄完全損傷者はスポーツを. えられる。. 行っていなかったことから，本研究において明らかと. また，集団解析では上腕周囲筋収縮時の一次運動野以. なった脊髄完全損傷者にみられた手指筋収縮時の脳賦活. 外にも，一次体性感覚野，上頭頂小葉の脳賦活強度が運. 領域の拡張は，求心性信号入力が完全に遮断されたこと. 動年数と正の相関を示した（図 3，表 2）。一次体性感覚. による障害由来性代償的変化の影響が大きいと考えられ. 野の MNI 座標は x = ‒50，y = ‒24，z = 34 であり，こ. る。一方，Sub. A, C, D, E では賦活量が 2,000 を超え，. の地点が相関を示したことについて，解剖学的には上肢. 特に A, C, D では解剖学的には下肢支配領域に該当する. 筋遠位部の支配領域に該当する領域であるが，機能地図. 部位も広範に賦活している（図 2 a, c）。A, C, D が行っ. の拡張により上腕周囲筋の制御にもなんらかの関与をし. ているパワーリフティングや車椅子バスケットボールは. ていると考えられる。我々は切断や麻痺のある障がい者. 握る動作を強く行うという特性があることから，賦活領. アスリートの脳機能拡張は健常アスリートよりも大きい. 域の拡張に寄与していると考えられる。すなわち，手指. というモデルを提案しており. 筋収縮時の脳賦活領域の拡張には，障害特性性代償的変. の場合，標準脳上の解剖学的な機能的意義をそのままあ. 化の要素が大きいが，使用頻度依存性可塑的変化の要素. てはめることは妥当でないと考えられる。本研究の脊髄. もあり，その相互作用によるものと考えられる。. 損傷者においても，運動歴があり脳再組織化が促進され. 23）. ，このような被験者群. ていること，事前練習において上腕周囲筋収縮時に遠位 2．使用頻度依存性による上腕周囲筋収縮時の脳賦活領域拡張. 筋の筋活動が生じていなかったことを考慮すると，遠位部支配領域が近位筋の制御に関与した可能性が示唆され. Upper Arm 課題時の賦活量は，脊髄損傷者群と健常. る。上頭頂小葉については，解剖学的には一次体性感覚. 者群の間で有意な差はなかった。しかしながら，脊髄損. 野から直接的に投射を受け. 24）. ，機能的には身体表象を.

(8) 584. 理学療法学第 47 巻第 6 号. つかさどるとされている 25）26）ことから，感覚統合において重要な役割を果たす領域と考えられる。すなわち，脊髄損傷者が運動を継続することで生じる適応が，一次. 織化が生じるかを明らかにすることが必要である。結論. 運動野において局所的に生じるのではなく，運動制御に. 本研究より，脊髄完全損傷者の脳では障害由来性に手. 関する領域間のネットワークレベルで生じる可能性を示. 指筋脳機能地図の拡張が生じ，活動度や競技特性による. 唆する現象であると考えられる。. 使用頻度依存的に上腕周囲筋脳機能地図の拡張が生じうることが明らかとなった。脊髄損傷後の適応過程におい. 3．臨床的意義. て，残存機能を最大限高めるためにスポーツ等を通じて. これまで脊髄損傷者を対象とした研究は，損傷高位以. 高い活動度を維持することが，神経学的にも重要である. 下の機能に着目し，運動機能回復や歩行再建を目的とし. ことが示唆された。. たものがほとんどであった。一方，損傷高位以上の残存機能について調べた研究は，ADL レベルでは多くあるものの，詳細な運動機能を調べた研究はなく，受傷後の. 利益相反本研究において開示すべき利益相反はない。. 過程においてどのような適応を示すかは明らかでなかった。我々は脊髄完全損傷者の残存した上肢での力調節能力が健常者よりも高まり，運動年数が増えると，より調節能が高まることを明らかにしている. 7）. 。その背景には. 神経学的な適応が生じていると考察されたが，本研究より，脊髄完全損傷者の一次運動野には機能的再組織化が生じており，高強度の身体活動により再組織化が助長される可能性が示唆された。これらの知見を合わせると，残存機能の向上と背景にある神経学的な適応は密接に関連していることが示唆される。すなわち，脊髄損傷者のような脳損傷がない患者においても，受傷後のリハビリテーションにおいてより高い活動度を維持することが脳再組織化に寄与し，特に運動関連領域における脳活動の増大や機能地図の拡張は，残存した運動機能が向上する神経学的基盤となりうる知見である。結果，その適応はきわめて大きく，健常者をも超える運動機能を獲得することができる。脊髄損傷後のリハビリテーションにおいて，残存機能を用いた日常生活への適応だけでなく，これらの神経学的な適応が最大化されるような介入や指導を行うことで，上肢機能を用いるスポーツや芸術，就業場面において脊髄完全損傷者でしかなしえない超人的なパフォーマンスを発揮する可能性があると考えられる。このような可能性があることを提示することは患者への希望となり，可能性に挑むのは我々の責務ではないだろうか。 4．研究限界と課題本研究では，スポーツ経験のまったくない脊髄損傷者が含まれておらず，機能地図の変化が障害由来性もしくは使用頻度依存性によるものかを明確に区別することができないと考えられる。また，対象とした脊髄完全損傷者は 7 名であり，一般線形モデルに基づいた fMRI の解析において検出力が弱い可能性がある。今後，スポーツ歴のない脊髄損傷者や，幅広い競技の選手を計測することで，どのような運動を，どの程度行うことで脳の再組. 謝辞：本研究は日本理学療法士学会による平成 30 年度理学療法にかかわる研究助成の助成を受け，実施された（指定研究：H30-A50）。文献 1）Jurkiewicz MT, Mikulis DJ, et al.: Sensorimotor cortical activation in patients with cervical spinal cord injury with persisting paralysis. Neurorehabil Neural Repair. 2010; 24(2): 136‒140. 2）Freund P, Weiskopf N, et al.: Disability, atrophy and cortical reorganization following spinal cord injury. Brain. 2011; 134(6): 1610‒1622. 3）Henderson LA, Gustin SM, et al.: Functional reorganization of the brain in humans following spinal cord injury: evidence for underlying changes in cortical anatomy. J Neurosci. 2011; 31(7): 2630‒2637. 4）Lotze M, Laubis-Herrmannb U, et al.: Combination of TMS and fMRI reveals a specific pattern of reorganization in M1 in patients after complete SCI. Restor Neurol Neurosci. 2006; 24(2): 97‒107. 5）Lotze M, Laubis-Herrmann U, et al.: Reorganization in the primary motor cortex after spinal cord injury ̶ A functional Magnetic Resonance (fMRI) study. Restor Neurol Neurosci. 1999; 14(2-3): 183‒187. 6）Callan DE, Naito E: Neural processes distinguishing elite from expert and novice Athletes. Cogn Behav Neurol. 2014; 27(4): 183‒188. 7）Nakanishi T, Kobayashi H, et al.: Remarkable hand grip steadiness in individuals with complete spinal cord injury. Exp Brain Res. 2019; 237(12): 3175‒3183. 8）Mizuguchi N, Nakagawa K, et al.: Functional plasticity of the ipsilateral primary sensorimotor cortex in an elite long jumper with below-knee amputation. Neuroimage Clin. 2019; 23: 101847. 9）Fassett HJ, Turco CV, et al.: Alterations in motor cortical representation of muscles following incomplete spinal cord injury in humans. BrainScience. 2018; 8(12): 225. 10）Friston KJ, Holmes AP, et al.: Analysis of fMRI timeseries revisited. NeuroImage. 1995; 2: 45‒53. 11）Friston KJ, Holmes AP, et al.: Statistical parametric maps in functional imaging: A general linear approach. Hum Brain Mapp. 1994; 2(4): 189‒210. 12）Gandolla M, Ward NS, et al.: The Neural correlates of longterm carryover following functional electrical stimulation.

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(10) 586. 理学療法学第 47 巻第 6 号. 〈Abstract〉. Sports Exercise can Induce Cortical Expansion of Upper Limb in Individuals with Complete Spinal Cord Injury. Tomoya NAKANISHI, PT, MSc, Hirohumi KOBAYASHI, PhD, Kimitaka NAKAZAWA, PhD Department of Life Science, Graduate School of Arts and Science, The University of Tokyo Tomoya NAKANISHI, PT, MSc Japan Society for the Promotion of Science Kento NAKAGAWA, PhD Faculty of Sport Sciences, Waseda University Hirohumi KOBAYASHI, PhD Shinshu Sports and Medical College. Objective: Functional magnetic resonance imaging (fMRI) was used to clarify upper limb representation in the primary motor cortex (M1) in individuals with complete spinal cord injuries who had a history of playing sports. Methods: Finger muscle and upper arm muscle contraction tasks during fMRI were conducted for seven individuals with complete spinal cord injury (SCI) and six healthy subjects, and the amount of brain activation was quantified. In addition, the brain regions that correlated with the number of years spent playing sports were calculated using population analysis. Results: M1 activation size during finger muscle contraction was greater in the SCI group than in the healthy group. Further, brain activation during upper arm muscle contraction was correlated with the number of years spent playing sports in the population analysis. Conclusion: After spinal cord injury, representation of the finger in the primary motor cortex was expanded by injury-induced plasticity, whereas representation of the upper arm was expanded by using dependent plasticity. This result suggests that intense physical activity such as sports is neurologically recommended in rehabilitation after SCI. Key Words: Spinal cord injury, Primary motor cortex, Brain reorganization, Sports, fMRI.

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