ヒトの上肢運動に関連した脊髄固有ニューロンの機能解析

緒 言  脊髄固有ニューロン（propriospinal neuron，以下 PN） は，ネコで最初に報告された C3︲C4 髄節に存在する一群 の介在ニューロンである。このニューロンは大脳皮質から 上肢運動器官へ至る下行性経路を中継しており，大脳皮質 運動野から運動ニューロン髄節に直接投射する直接経路と ともに，間接的な corticomotoneurnal pathway を形成し ている1︲4）_。  近年 PN は霊長類にも存在することが報告されてきてい る5）_{。サルの実験で脊髄の C5 レベルで皮質脊髄路の直接} 経路だけを損傷した場合，指で掴む動作（food taking 運 動）はできなくなったが6）_{，損傷直後から腕を対象物に伸} ばす動作（target reaching 運動）は可能であった。しかし， その後このサルは徐々に food taking 運動も回復すること が観察された。このことは，上肢の運動制御に 2 つの経路 （直接経路と間接経路）があり，PN を含む間接経路は主 に近位筋の運動を司ると考えられる。また，ヒトでも間接 的皮質運動ニューロン投射が存在することが，報告されて きた7，8）_。  頚髄症性脊髄症に代表される圧迫性頚髄症による運動障 害は，これまで錐体路を中心とした索路障害にのみ注目が 集まっていた。しかし，前述の動物実験の知見をみると， ヒトにおいても PN を介した間接経路が上肢の運動機能に 重要な役割を果たす可能性が考えられる。一方，PN を介 した間接的経路は興奮性と抑制性神経細胞を含んだ複雑な 回路であり，従来の検査法では間接経路を介した興奮性入 力が観察できない場合があることが報告されており9）_，い まだ興奮性入力を確実に観察するための評価法は確立され ていない。そこで我々はヒトの上肢運動における間接経路 の機能検査法として，新しい手法の確立を計画した。  この研究のもう一つの目的は，利き腕による間接経路へ の影響を検証することである。皮質からの高頻度の興奮入 力により，脊髄の介在ニューロンでも可塑的な変化が起こ ることが動物実験で示されている10）_{。このことは，ヒトで} も使用頻度の異なる利き腕と非利き腕側で，間接経路の効

ヒトの上肢運動に関連した脊髄固有ニューロンの機能解析

佐 野 秀 仁

1

_大

_木

_紫

2

_{里 見 和 彦}

1 1_{杏林大学医学部整形外科学教室} 2_{杏林大学医学部統合生理学教室} （2010．7．6 受付， 2010．10．18 受理） 要 旨 （背景）ヒトの腕の運動指令を伝える経路には，錐体路から直接運動ニューロンにシナプス結合す る経路と C3-4 に存在する propriospinal neuron（PN）等を介して間接的に伝える経路が存在すると 言われている。患者で間接経路の機能評価を行う基礎として，検査法確立を試みた。  （方法）正常被検者の右または左腕の上腕二頭筋から表面筋電図を記録，同側の尺骨神経の電気刺 激と反対側運動野の経頭蓋磁気刺激の組み合わせ刺激を実施，刺激強度を系統的に変えた。  （結果） 全被検者で組み合わせ刺激により上腕二頭筋で観察される誘発電位の振幅が大きくなり，間 接経路を介した効果が確実に観察できた。また，右利き正常被験者では利き腕側でこの促通効果が強 いことが観察された。  （結論） 本評価法により，PN を介する間接的皮質脊髄路の機能が評価できることが示された。右利 き正常被検者で促通効果に左右差がみられたのは，手の使用頻度により PN に対する錐体路入力の強 さが変わるためと考えられた。

原 著

Key words : corticospinal tract, propiospinal neuron, transcranial magnetic stimulation （TMS）, spatial facilitation, electromyogram （EMG）

2010 年 12 月 ヒトの上肢運動に関連した脊髄固有ニューロンの機能解析 27 率が異なる可能性が示唆される。開発した検査法を患者に 用いる上でも，まず正常者に左右差が存在するかを確認す ることが重要である。そこで本研究では開発した間接経路 の検査法を用い，正常被験者で利き腕による左右差が存在 するかの検証を行った。 方 法  検査は，年齢 23 〜 45 （平均 29.8 ± 7.6） 歳の右利き 11 人と，左利き 3 人の正常被検者で行った。利き手は本人へ のインタビューと，Edinburgh の利き手テスト11）_を用いて 決定した。すなわち満点が右利き，それ以下は左利きとし た。被検者にはヘルシンキ宣言に基づいて，本検査の目的 を説明し同意を得た。  記録と刺激方法 （Fig. 1）：  検査方法は，Pauvert らが開発した方法8）_{を発展させた。} すなわち Pauvert らの方法に加え，刺激強度や条件を系 統的に変えて，どの正常被検者でも間接的経路の効果を確 実に観察できる方法の確立を目指した。  右または左の上腕二頭筋（Bi）から表面筋電図を 15︲ 10kHz の帯域通過フィルターを用いて記録し，この波形 を被験者の眼前のオシロスコープに掲示した。被験者には， この波形を見て最大収縮時の 10％程度の持続的随意収縮 を行わせた。  試験刺激には，記録筋の反対側運動野の経頭蓋磁気刺激 （TMS）を用いた。TMS には Mag Stim 200 （Mag Stim,

UK） と 8 の字コイル （内径 8 cm, 外径 11.5cm） を用い，運 動野内に誘導した postero-anterior 方向の電流で最も低閾 値で Bi の誘発筋電図（motor evoked potential （MEP）） が観察できる場所にコイルを固定した。

 磁気刺激の強度は Bi の MEP の第 1 ピーク（Fig. 2A） が 50 〜 200μV になる強度で系統的に変化させた。条件 刺激には，電気刺激装置（SEN-2201，日本光電）を用いた。 手関節部に尺骨神経の走行に沿って貼った 2 個の表面電極 （中枢側－，末梢側＋）で尺骨神経を刺激し，第一背側骨 間筋から誘発筋電図（M 波）を導出した。刺激強度は被 験 者 の M 波 が 誘 発 で き る 運 動 閾 値（motor threshold （MT））を求め，その 110％を超えない強度で系統的に変 化させた。  Test series：  1 test series は 35 回の試行により構成され，この間被 験者には Bi の持続的随意収縮を維持させた。1 試行は刺 激前 30ms 間の waiting period 後，5 種類の刺激条件のう ち 1 種類の刺激が起こるよう設定した。刺激条件は，1） 条件（尺骨神経）刺激単独，2）試験（大脳運動野）刺激 単独（Control），3 〜 5）3 種類の刺激間隔〔interstimulus interval （ISI） 8.0ms，9.0ms，15.0ms〕 で両者の組み合わ せ刺激（conditioned，条件刺激先行）の方法で行った（Fig.

Fig. 1  A schematic diagram of the experimental arrange-ment.

We stimulated the primary motor cortex magnetically （S1） and ulnar nerve electrically （S2）, and recorded electromyo-gram （EMG） from the biceps muscle （R1） and the first dor-sal interosseous muscle （FDI） （R2）.

Fig. 2 Methods of test series （n=7）

A: Averaged EMG recorded from the biceps muscle under the stimulation of ulnar nerve alone （1）, motor cortex （M1） alone （2）, and combined stimulation of M1 and ulnar nerve with different inter-stimulus intervals （ISIs: 8.0, 9.0 and 15.0ms） （3, 4, 5）. We measured the MEP size （e.g. 1st peak amplitude in 2） and the initial response size （e.g., am-plitudes of the gray areas in 2 and 5） from the records. B: One batch consisted of 5 trials with magnetic （Mag）, nerve

and combined stimulation （ISIs : 15.0ms, 8.0ms, 9.0ms）, which were applied randomaly.

EMG: electromyogram ISI: interstimulus interval MEP: motor evoked potential

2A）。試行間の interval は 3.5︲4.5s の間でランダムに選択 した。Test series は最初から順番に 5 試行ずつの batch （区画）に分けられ，1 batch 中に 5 種類の刺激条件がラ ンダムな順序で 1 回ずつ出現する。これを繰り返し，1 条 件計 7 回の試行を加算した。但し被験者には batch の切れ 目は知らせなかった（Fig. 2B）。  検討項目：  Bi で記録した加算した MEP の基本波形と測定パラメー ターを Fig. 2A および Fig. 3 に示す。第 1 ピークと第 2 ピー クが記録され，第 1 ピークの開始直後（initial response） は最短潜時の効果であり，大脳皮質から上腕二頭筋の運動 ニューロンに直接伝達される直接経路のみの効果と考えら れる。しかしその後の第 1 ピークは直接経路の効果と，大 脳皮質から色々な間接経路を介して上腕二頭筋の運動 ニューロンに伝わる効果の混合波形である。また第 2 ピー クは主に間接経路の効果と，筋線維に沿って活動が伝わる 様子を反映すると考えられる。測定するパラメーターは， ①第 1 ピークの開始潜時，②第 1 ピーク頂点潜時，③第 1 ピークの振幅，④第 2 ピーク頂点潜時，⑤開始から 0.8 ms 間の振幅（initial response, Fig. 2A（shadow））を計 測した（Fig. 3A）。  条件刺激の反射効果については，Bi 筋電図の整流した 加算波形で脊髄反射（短潜時反射）と長潜時反射の 2 つの 電位が記録された。両反射につき ⑥⑥’開始潜時，⑦⑦’ ピーク潜時，⑧⑧’ピーク振幅，をそれぞれ測定した。さ らに⑨バックグラウンドレベル（神経刺激前 15︲5 ms 間 の平均振幅）を測定した（Fig, 3B）。  Fig. 3C は同一刺激強度（1.1 × MT）の神経刺激を用い た 2 test series の反射効果を加算（n ＝ 14）したもので， Fig. 3B とスケールを変えて表示しているが，脊髄反射の 効果をさらに客観的に分析するために，⑩潜時 20 〜 30ms の間の平均振幅の積分値を求めた。  データ解析：  筋電図と両刺激のタイミングは，コンピューターシステ ム（SC/ZOOM : Physiology Section, IMB, University of Umeå, Sweden）に 1600Hz で保存，オフラインで解析を 行った。MEP の振幅は，条件ごとの加算波形で測定した。 本文中特別な記載がない限り，利き腕と非利き腕の比較は 対応のある t 検定を用い（統計ソフト（Statistica, Stat-Soft, Inc.）），有意差検定（有意水準 p ＜ 0.05）を行った。 結 果  代表的な右利き被検者の測定結果を Fig. 4 に示す。灰色 の波形は，TMS 単独刺激時の上腕二頭筋（Bi）の表面筋 電図加算波形（control）であり，黒色の波形は TMS 刺激 と尺骨神経電気刺激を組み合わせた時の加算波形（condi-tioned）である。

 Fig. 4Aa は利き腕での測定で control MEP の第 1 ピー クの振幅が 60μV になる TMS 刺激と，運動閾値の 100％ （1.0 × MT）の尺骨神経刺激を ISI 9.0ms で組み合わせ刺 激を行った時の波形である。Fig. 4Ac は尺骨神経を単独 刺激した時の Bi の筋電図加算波形であるが，Bi にほとん ど神経刺激による電位はみられなかった。TMS 単独刺激 は Bi に MEP を誘発したが，組み合わせ刺激により con-trol に比べて MEP の振幅増大が観察された。しかし TMS の刺激強度を上げて control MEP の第 1 ピークの振幅を 128μV にすると，組み合わせ刺激による振幅の増大は観 測されなかった（Fig. 4Ab）。このことから振幅の増大を 観察するにはある特定の刺激強度が必要である事がわかっ た。  ISI 8.0ms でも同様な効果があらわれたが，ISI 15.0ms では振幅増大は観察されなかった。  そこで，ISI を 8.0 と 9.0ms にした時の組み合わせ刺激 時の第 1 ピークの振幅変化を Fig. 4B に示す（8.0ms ○， 9.0ms △）。ひとつの印が 7 回刺激の平均で，条件を変え て試験を 12 回行った。グラフの横軸は尺骨神経の刺激強 度を，縦軸は組み合わせ刺激時（conditioned）の振幅を TMS 単独刺激時（control）の振幅に対する変化率（％） で示した。この図では 100％以上の点は促通効果が観測さ れた事を示し，尺骨神経を 1.0 × MT で ISI 9.0ms で組み 合わせ刺激をすると最も促通効果が観察された（Fig. 4B）。 また尺骨神経刺激を 1.0 × MT にして TMS 刺激の強度を 変化させると，促通効果は観察されにくくなった。すなわ ち，至適刺激強度以外では十分な促通効果が観察されな かった。  Fig. 4Ad は同じ尺骨神経刺激時の Bi の筋電図を整流し た後に加算したものであるが，矢印で示した潜時 24.6 と 42.2ms 付近で背景筋電図活動に比べて活動がやや上昇す ることが観察された。これらの電位は，神経伝導速度と伝 導距離，及び中枢内潜時から脊髄反射（短潜時反射）と長 潜時反射の活動を反映するものと判断した。  同様に行った同被検者の非利き腕側の測定結果を Fig. 4C，D に示す。利き腕と同様に control MEP の第 1 ピー クの振幅が 77μV になる TMS 刺激と 1.0 × MT の尺骨神 経刺激を ISI 8.0ms で組み合わせると，第 1 ピークの促通 効果が最も観察されたが，TMS 刺激強度をあげると促通 効果は観察されなかった（Fig. 4Ca，b）。Fig. 4Cc は尺骨 神経を単独刺激した時の Bi の筋電図加算波形であるが， やはり利き腕と同様に Bi にほとんど神経刺激の効果はみ られなかった。また Fig. 4Cd は同じ尺骨神経刺激時の Bi の筋電図を整流した後に加算したものであるが，矢印で示 した場所に脊髄反射（短潜時反射）の活動を反映すると思 われる波形は観察されたが，長潜時反射を反映する波形は 同定できなかった。

2010 年 12 月 ヒトの上肢運動に関連した脊髄固有ニューロンの機能解析 29

 利き腕同様に尺骨神経を 1.0 × MT で刺激すると最も促 通効果が観察された（Fig. 4D）。

 Fig. 5A と B に最大促通効果が得られた（ISI が 8.0 また は 9.0ms で，TMS 刺激は MEP Control size の第 1 ピーク の振幅が 50 〜 150μV の強度で，尺骨神経刺激は 0.6 〜 1.1 × MT の強度）時の，右利き全披検者（n ＝ 11）と左利 き全被検者（n ＝ 3）の control と組み合わせ刺激時の Bi の第 1 ピークの振幅（実線）と，ISI 15ms 時の組み合わ せ刺激の時の Bi の initial response の振幅（点線）をグラ フに示した。  右利き，左利き披検者とも ISI が 8.0 または 9.0ms で組み 合わせ刺激を行うと Bi の第 1 ピークの振幅の増大を認めた。 しかし，ISI を 15.0ms にすると Bi の initial response の振幅 は，control に比べて振幅の増大は認められなかった。ISI Fig. 3 Fundamental wave forms of biceps muscle （Bi） and analyzed parameters.

A: For an averaged Bi MEP, ① onset latency, ② 1st peak latency, ③ 1st peak amplitude, ④ 2nd peak latency, and ⑤ ampli-tude change during 0.8 ms after the onset （initial response） were measured （see Fig 2A2, shadow）.

B: For a short- or long-latency reflex effect after ulnar nerve stimulation, ⑥⑥’ onset latency, ⑦⑦’ peak latency, ⑧⑧’ peak amplitude, and ⑨ background EMG （mean amplitude between 15 to 5 ms before the stimulation） were measured in an averaged record of rectified EMG.

C: Rectified EMG records superimposed, under ulnar nerve stimulation alone. Gray thin lines showed records from individ-ual trials, and a black line was for an averaged record from the individindivid-ual ones. In an averaged record of rectified EMG （black thick line）, ⑩ reflex size （area enclosed by thick black line; 20︲30 ms after the stimulation） was measured, and normalized by a background EMG （gray area; decided by the mean activity between 15 and 5 ms before the stimulation）. MEP: motor evoked potential  EMG: electromyogram  Nerve: electric ulnar nerve stimulation  M1: magnetic mo-tor cortex stimulation

15ms とは尺骨神経刺激の Bi にみられる脊髄反射のピーク が，ちょうど TMS 刺激の Bi の MEP の立ち上がりの部分 （initial response）にくるタイミングである。initial response は直接経路の波形を示しており，すなわち Bi の運動ニュー ロン上で促通効果が起きていない事を示した。  次にこの振幅の増大には利き腕による差があるのかを検 討した。Fig. 5C と D は右利きと左利きの利き腕と非利き 腕の最大促通効果を示した。その結果右利き被検者では， 一人を除いて利き腕である右腕でより大きな促通効果が観 察された（Fig. 5C）。左利き被検者では，人数が少なかっ たが利き腕による特異的な事は観測されなかった（Fig. 5D）。  全被検者の波形の測定値結果を Table 1 に示す（平均± 標準偏差）。TMS 単独刺激時（control）の Bi の MEP の 開始潜時は 11.9 ± 1.4ms，第 1 ピーク潜時は 17.2 ± 2.4 ms，第 2 ピーク潜時は 29.0 ± 2.9ms，initial response の 振幅は 12.6 ± 11.2μV であった。最大促通効果が見られる 組み合わせ刺激時の第 1 ピークの開始潜時は 11.3 ± 1.0ms， 頂点潜時は 16.3 ± 1.3ms，第 2 ピーク頂点潜時は 29.7 ± 1.3ms であった。また initial response の振幅は 12.9 ± 12.9 μV であった。組み合わせ刺激時（conditioned）では，第 1 ピークの平均振幅は 156.6 ± 49.9 と TMS 単独刺激（con-trol）に比し有意に高値（p ＜ 0.001）を示し，conditioned で み ら れ た 促 通 効 果 は 平 均 191.1 ± 44.7（126.9 〜 298.6）％であった。しかし，他の測定値には有意差はなかっ た。  一方，脊髄反射は，開始潜時 21.2 ± 4.1ms，ピーク潜時 24.6 ± 4.0ms，振幅 129.9 ± 38.6％（バックグラウンドに Fig. 4  Spatial facilitation effects observed on the dominant （A, B） and the non-dominant （C, D） sides in one right-handed

subject.

A and C: In a,b, averaged MEPs with （black line; conditioned） and without （gray line; control） conditioning ulnar nerve stimulation were shown superimposed. Stimulus strength for M1 was stronger in b than a. Averaged EMG re-cords under nerve stimulation alone were obtained from the same test series and were shown in c. Under the nerve stimulation, rectified EMG records were also obtained and were shown in d. Downward arrows in Ad were for short- and long-latency reflex, though long-latency reflex was not clear in Cd.

B and D: Summary of facilitation effected in the same subject as shown in A, C. MEP sizes by combined stimulation were shown after normalized by control MEP sizes without conditioning stimulation in the same test series. Results under different ISIs were shown by different symbols; i.e., 8.0 （black circle） and 9.0 （gray triangle） ms. When ap-propriate stimulus strength was selected for both stimulations, TMS-induced potentials in the biceps muscle were facilitated by combined ulnar stimulation. However, the facilitation was disappeared when strengthening ulnar stimulation and/or TMS.

Nerve: electric ulnar nerve stimulation  M1: magnetic motor cortex stimulation  ISI: interstimulus interval  EMG: electromyogram  MEP: motor evoked potential  TMS: transcranial magnetic stimulation

2010 年 12 月 ヒトの上肢運動に関連した脊髄固有ニューロンの機能解析 31 より正規化）であった。同様に長潜時反射は，開始潜時 35.9 ± 5.3ms， ピ ー ク 潜 時 42.2 ± 5.9ms， 振 幅 143.1 ± 33.8％であった（Table 1）。  次に，右利きと左利き被検者の測定値を比較すると，右 利き左利きともに，利き腕と非利き腕の間には Bi の開始 潜時，第 1 ピーク潜時・振幅，第 2 ピーク潜時，initial response の振幅に有意な差はなかった。また，脊髄反射， 長潜時反射でも開始潜時，ピーク潜時，ピーク振幅増加率 でも左右差はなかった。  しかし，促通効果は，右利きの利き腕側で 211 ± 46.5％， 非利き腕で 162.9 ± 25.0％と利き腕側で有意に大きな値を 示した（p ＜ 0.005）。左利き被検者では各測定値ならびに 利き腕側にみられる促通効果の有意な差はなかった（Ta-ble 1）。  Fig. 6 に右利き全被検者の尺骨神経刺激時の脊髄反射効 果を図示した。縦軸を尺骨神経刺激時の Bi 筋電図整流波 形の潜時 20 〜 30ms の間の平均振幅を神経刺激前 15 〜 5 ms 間の平均振幅（バックグランドの平均振幅⑨：Fig. 3C） で割った積分値 （⑩） であり，横軸は Bi の MEP の促 通効果が最も強く出た神経刺激強度を基準点 （0） として， 相対的に神経刺激強度を表した。右の利き腕の結果が黒の ○印と線であり，左の非利き腕の結果が灰色の□印と線で ある。線は回帰曲線である。その結果，脊髄反射そのもの の振幅増加すなわち末梢からの反射効果は非常に小さく， Fig. 5 The maximum facilitation effects observed in all subjects.

Results from right-handed subjects （A, C） and left-handed ones （B, D） were shown separately. Results from each subject were represented with oblique lines.

A, B: MEP sizes without （control） and with （conditioned） ulnar nerve stimulation were shown by solid lines, and initial response sizes of the same MEPs were shown by broken lines. （i.e., amplitudes during first 0.8 ms） MEP sizes were increased by combined stimulation whose ISI was 8.0 or 9.0 ms in all subjects. The amplitude during first 0.8 ms was no change by combined stimulation whose ISI was 15.0 ms compared with control.

C, D: MEP sizes normalized by control sizes, calculated from the values in A, B, were shown. When comparing the maxi-mum facilitations on both sides, they tended to be stronger on the dominant side in right-handed subjects （p＜0.005）. The tendency was not clear in left-handed subjects.

Table 1

 Results summarized

（Subjects' means and SDs of analyzed parameters）

total right-handed left-handed number male/female years 14 12/2 29.8 ± 7.6 （23〜45） 11 9/2 31.4 ± 8.4 3 3/0 25.7 ± 1.5 MEP Control Conditioned p value right left p value right left p value ① onset latency （ms） 11.9 ± 1.4 （ 7.5〜14.4） 11.3 ± 1.0 （ 9.4〜12.7） n.s. 11.2 ± 1.0 11.5 ± 0.8 n.s. 11.1 ± 1.5 11.9 ± 0.7 n.s. ② 1st peak latency （ms） 17.2 ± 2.4 （13.0〜24.4） 16.3 ± 1.3 （14.9〜24.6） n.s. 16.9 ± 1.4 17.7 ± 1.8 n.s. 17.4 ± 0.9 19.8 ± 4.3 n.s. ③ 1st peak amplitude （ μ V） 84.4 ± 29.4 （41.2〜145.3） 156.6 ± 49.9 （81.8〜261.3） ＜ 0.001 157.9 ± 40.0 141.5 ± 49.9 n.s. 158.2 ± 63.0 164.7 ± 42.4 n.s. ④ 2nd peak latency （ms） 29.0 ± 2.9 （24.5〜37.9） 29.7 ± 1.3 （25.4〜37.7） n.s. 29.7 ± 4.0 28.3 ± 2.1 n.s. 29.6 ± 0.7 31.9 ± 3.5 n.s. ⑤ in iti al r es po ns e am pl itu de （ μ V ） 12.6 ± 11.2 （0.59〜49.2） 12.9 ± 12.9 （ 2.9〜55.6） n.s. 16.1 ± 18.9 11.9 ± 10.8 n.s. 11.5 ± 12.1 8.6 ± 1.1 n.s. spatial facilitation （ ％） 191.1 ± 44.7 （126.9〜298.6） 211.0 ± 46.5 162.9 ± 25.0 ＜ 0.005 207.0 ± 65.2 206.0 ± 39.2 n.s.

spinal reflex onset latency

（ms） ⑥ short-latency reflex 21.2 ± 4.1 （15.8〜28.4） 23.9 ± 3.6 19.4 ± 3.6 n.s. 19.9 ± 3.7 20.2 ± 5.5 n.s. ⑥’ long-latency reflex 35.9 ± 5.3 （27.6〜45.4） 38.6 ± 7.0 34.4 ± 4.6 n.s. 33.8 ± 1.3 33.3 ± 2.6 n.s. peak latency （ms） ⑦ short-latency reflex 24.6 ± 4.0 （19.0〜31.2） 27.4 ± 3.2 23.4 ± 2.8 n.s. 22.0 ± 3.1 23.4 ± 6.7 n.s. ⑦’ long-latency reflex 42.2 ± 5.9 （35.2〜53.7） 46.3 ± 6.8 40.1 ± 5.3 n.s. 39.8 ± 2.8 40.2 ± 4.1 n.s.

peak amplitude/  backgrand amplitude（％） ⑧

short-latency reflex 129.9 ± 38.6 （97.7〜269.0） 143.4 ± 58.7 120.1 ± 15.0 n.s. 112.3 ± 3.8 138.7 ± 40.0 n.s. ⑧’ long-latency reflex 143.1 ± 33.8 （92.1〜216.6） 157.4 ± 27.0 129.0 ± 33.5 n.s. 120.3 ± 17.4 165.4 ± 45.2 n.s. ⑨ background amplitude （ μ V） 36.7 ± 14.8 （ 9.8〜79.9） 33.7 ± 10.4 37.8 ± 5.5 n.s. ⑩

spinal reflex amplitude

（％） 106.8 ± 23.0 （72.6〜159.6） 112.0 ± 22.2 95.0 ± 14.0 n.s. mean ± SD （min〜max）    n.s. : non significant （p ≧ 0.05） Data from all subjects and bilateral arms were included. Ranges were also shown in parentheses. For parameters from MEPs, statistical tests were performed between control

and conditioned data, and results were shown by superscripts af

ter the conditioned.

MEP

2010 年 12 月 ヒトの上肢運動に関連した脊髄固有ニューロンの機能解析 33 刺激強度を上げるとむしろその効果は減弱する傾向であっ た。また促通効果が最も強く出た神経刺激強度では利き腕 によらず，利き腕と非利き腕の間の脊髄反射効果に有意差 は観察されなかった（p ＝ 0.063） （Table 1）。 考 察  C3︲4 脊髄固有ニューロン（PN）は，ネコで最初に報告 された一群の脊髄介在ニューロンであり，細胞体は C3︲4 の灰白質に存在し，軸索は側索を下行した後直接前肢運動 ニューロンにシナプス結合する1）_{。このニューロンは大脳} 皮質から運動器官へ至る下行性経路を中継しており，大脳 皮質運動野から運動ニューロンに直接シナプス結合する直 接経路とともに，間接的な corticomotoneurnal pathway を形成している。またネコの PN は皮質脊髄路以外の様々 な下行路入力や感覚入力も受けとり，脊髄レベルで運動指 令と感覚入力を統合するセンターとしての役割を持つこと が示唆されている。すなわち C3︲4 脊髄固有ニューロンを 介した運動指令は直接経路で伝えられるものとは異なり， 感覚フィードバックにより逐次補正されることが可能であ ると考えられている。  近年，サルやヒトにもこのニューロンを介した経路が存 在することが報告されてきていている5）_{。サルにおいては，} 間接経路を介した運動の解析も始められており，PN を介 した間接経路は対象物に到達する腕の動きに関与しており， また直接経路が障害されたときの代替機能もあることが示 唆されてきている6）_{。しかし，ヒトにおける間接経路の役} 割については，いまだ全く解析が行なわれていないのが現 状である。そこで我々はこの間接経路の機能を評価する目 的で，ヒトでの脊髄介在ニューロンの検査法の確立を試み た。  ヒトで間接経路を介した効果を観察した実験としては， Pauvert らの仕事が知られている8）_{。これは PN に下行路} 入力と感覚入力が収束するのを利用したもので，両入力を 組み合わせて空間的促通効果を観察したものである。例え ば片側の上腕二頭筋から表面筋電図を記録し，同側尺骨神 経と反対側運動野の組み合わせ刺激を行うと，我々も観察 したように空間的促通効果が観察される8）_{。反射効果の潜} 時（開始潜時：約 20ms）が脳幹反射より短いことを考え ると，この促通は脊髄反射経路内で起きたと考えられる。 更に以下の理由で，促通が運動ニューロンでの興奮性後シ ナ プ ス 電 位（excitatory post synaptic potential: EPSP） の加重により生じる可能性は少ないと考えられる。第一に， 尺骨神経と上腕二頭筋運動ニューロンには単シナプス結合 は存在しないことが報告されており13）_{，尺骨神経刺激によ} る反射効果は非常に弱いため，運動ニューロンに生じる反 射性の EPSP は非常に小さいと考えられる。第二に運動 ニューロン上での加重だとすると，直接経路からの入力 （initial response）も同様に促通を受けるはずである。し かし我々の実験（Fig. 5A，B）でも，Pierrot-Deseilligny らの報告でも，この入力には促通はかからなかった（initial Fig. 6 Reflexive modulations of EMG activities by isolated ulnar nerve stimulation.

The modulations of biceps EMG at different stimulus strengths were presented for all right-handed sub-jects. The abscissa was scaled relative to the strength for the maximum spatial facilitation （vertical broken line）. Black symbols were from dominant side, which were filled with a guadratic curve （Y=106.5－33.8X－ 125.8X2_{）. Data from non-dominant side （gray symbols） were similarly fitted （Y=98.7－35.8X－5.8X}2_{）. When} relative nerve stimulation was stronger or weaker than the strength for the maximum spatial facilitation, the spinal reflex was weaker than that at strength for the maximum spatial facilitation. Magnitude of the spinal reflex of dominant side was not different from that of non-dominant side significantly.

sparing8）_{）。これらの結果より，観察した促通効果は脊髄} 介在ニューロン上での加重によると考えられた。Pierrot-Deseilligny はさらに様々な神経と筋の組み合わせで促通 効果を観察し，その中枢内潜時の違いより，介在ニューロ ンは C3︲C4 レベルに存在する PN であろうと結論してい る14）_。  しかし Pierrot-Deseilligny らは同時に，組み合わせ刺激 による抑制効果も報告している。この抑制効果は，ネコで 報告されている feedforward 抑制により説明できると考え られる。すなわち，C3︲C4 レベルに PN と混在して抑制性 介在ニューロンが存在し，PN と同様の入力を受け取って いる（Fig. 7，黒丸で示したニューロン）。この抑制ニュー ロンは PN にシナプス結合をしており，組み合わせ刺激に より抑制ニューロンが活動すると PN からの出力が減少す ることにより脱促通が生じると考えられている。近年サル でも，同様の抑制性介在ニューロンが存在することが示さ れてきた5）_{。しかし Pierrot-Deseilligny らは刺激強度を上} げると抑制効果に反転すると報告しているが，刺激が弱け れば抑制効果に妨害されず促通効果が必ず観察できるのか， 被験者ごとにどの刺激強度を用いれば促通効果が観察され るのかは検討していない。患者で PN の機能検査を行う上 で，どの被験者でも観察できる手順を確立することは重要 Fig. 7 Three possible mechanisms that explain the asymmetric facilitations in the right-handed subjects.

① pyramidal inputs in PNs （gray neuron）, ② inputs from the peripheral nerve in PNs, or ③ inputs from PNs to motoneurons （MNs） could be different on dominant side and non-dominant side. An inhibitory interneuron is also shown （black neuron）. Reflex effect by ulnar nerve stimulation was not different between dominant side and non-dominant side evidently. Therefore, the asymmetric facilitations by combined stimulation of the cortex and ulnar nerve in the right-handed subjects is caused by ① pyramidal inputs to PNs.

2010 年 12 月 ヒトの上肢運動に関連した脊髄固有ニューロンの機能解析 35 能を，運動野と末梢神経の組み合わせ刺激（ISI；8，9， 15msec）による上腕二頭筋活動に対する空間的促通効果 で評価した。

 2．全被検者で利き手，非利き手側ともに，ISI が 8.0 ま たは 9.0ms で，TMS 刺激は MEP Control size の第 1 ピー クの振幅が 50 〜 150μV の強度で，尺骨神経刺激は 0.6 〜 1.1 × MT の強度下で，組み合わせ刺激による促通効果が観 察された。  3．左利きの被検者は少数であったため左右差はあきら かではないが，右利き正常被検者では利き腕側で促通効果 が有意に強かった。  4．右利き正常被検者で促通効果に利き腕による差が生 じたのは，末梢反射効果の差ではなく，脳から PN への下 行性入力に違いが生じているためと考えた。 文 献

1） Illert M, Lundberg A & Tanaka R: Integration in descend-ing motor pathways controlldescend-ing the forelimb in the cat. 3. Convergence on propriospinal neurones transmitting di-synaptic excitation from the corticospinal tract and other descending tracts. Exp Brain Res 29：323︲346, 1977. 2） Illert M, Lundberg A, Padel Y & Tanaka R : Integration

in descending motor pathways controlling the forelimb in the cat. 5. Properties of and monosynaptic excitatory con-vergence on C3︲C4 propriospinal neurones. Exp Brain Res 33：101︲130, 1978.

3） Alstermark B & Sasaki S: Integration in descending motor pathways controlling the forelimb in the cat. 13. Corticospi-nal effects in shoulder, elbow, wrist, and digit motoneurones. Exp Brain Res 59：353︲364, 1985.

4） Illert M & Wiedemann E : Pyramidal actions in identified radial motor nuclei of the cat. Pflügers Arch 41：132︲142, 1984.

5） Alstermark B, Isa T, Ohki Y & Saito Y: Disynaptic pyrami-dal excitation in forelimb motoneurons mediated via C3︲C4 propriospinal neurons in the Macaca fuscata. J Neurophysiol 82：3580︲3595, 1999.

6） Sasaki S, Isa T, Pettersson L-G, Alstermark B, Naito K, Yoshimura K, Seki K & Ohki Y : Dexterous finger move-ments in primate without monosynaptic corticomotoneu-ronal excitation. J Neurophysiol 92：3142︲3147, 2004. 7） Nakajima T, Komiyama T, Sakamoto M, Tazoe T, Shibuya S,

Endoh T, Nakazawa K & Ohki Y: Reassessment of indirect corticomotoneuronal projections to forelimb motoneurons in humans. Society for Neuroscience abstract 54：10, 2006. 8） Pauvert V, Pierrot︲Deseilligny E & Rothwell JC : Role of

spinal premotoneurones in mediating corticospinal input to forearm motoneurones in man. J Physiol （Lond） 508：301︲ 312, 1998.

9） Nicolas G, Marchand-Pauvert V, Burke D & Pierrot-Deseil-ligny E: Corticospinal excitation of presumed cervical pro-priospinal neurones and its reversal to inhibition in humans. J Physiol （Lond） 533：903︲919, 2001.

10） Favorov O, Sakamoto T & Asanuma H: Functional role of corticoperipheral loop circuits during voluntary movements in the monkey. J Neurosci 8：3266︲3277, 1988.

11） Oldfield RC : The assessment and analysis of handedness : the Edinburgh inventory. Neuropsychologia 9：97︲113, 1971. である。  今回，我々は組み合わせ刺激の両刺激強度を系統的に変 え，促通が観察できる条件を検証した。その結果，どの被 験者でも空間的促通が観察された（Fig. 5）。しかしこの効 果は刺激強度に依存しており，最適刺激強度より弱くても 強くても促通が見られなくなった（Fig. 4）。この刺激強度 を上げても促通効果が見られなくなる事は，上述の feed-forward 抑制によるものと考えられた。促通が観察される 最適刺激強度は被検者ごとに異なっており，固定した強度 を用いることはできなかった。しかし，多くの被検者で促 通が観察された条件を考えると，神経刺激強度は 1.0 × MT から下げていき，TMS は control MEP の第 1 ピーク の振幅が 50μV 付近から徐々に上げていく方法が最も効 率的と考えられた。  今回の研究のもう一つの目的は，開発した手順を用いて， 間接経路を介した入力への利き腕の影響を検証することで あった。その結果，左利き被験者は数も少なく特異的な傾 向は見られないものの，右利き被験者では利き腕側で促通 効果が強かった。右利き被験者の利き腕側で効果が強い理 由として，3 つの要因が考えられる（Fig. 7）。すなわち皮 質脊髄路から PN への入力が強い可能性 （①），末梢神経 から PN への入力が強い可能性 （②），PN の数やシナプス 伝達効率の違いにより PN から運動ニューロンへの出力が 強い可能性 （③） である。これらの可能性を検証するため に，今回我々は神経刺激による反射効果の左右差を検証し た（Fig. 6）。すなわち②と③の可能性が大きいとすると， 神経刺激による脊髄反射効果自体が利き腕側で強くなるこ とが予想される。実際 Marchand-Pauvert らは PN を介し た興奮性反射効果を観察し，利き腕側で強いことを報告し ている15）_{。しかし，今回の我々の方法（尺骨神経刺激と} Bi 記録）ではもともと反射効果が弱いこともあり，反射 効果に左右差は観察されなかった。従って右利き被験者で 今回観察された左右差は，皮質脊髄路から PN への入力に 左右差が存在する可能性を示唆すると考えられた。  ネコの実験では，錐体路の連続刺激により脊髄介在 ニューロンへの入力効率が上昇する可塑的変化が起こるこ とが観察されている。今回の我々の結果は，このような脊 髄内変化がヒトでも起こることを示唆している。この変化 は成長期にのみ起こるものかもしれないが，もし成人でも 起こるとすると，脊髄損傷など病的状況での回復に関わる 可能性も考えられる。サルの実験では，錐体路損傷時の手 指の巧緻運動回復に PN が関わる可能性が示唆されており， 今後ヒトでも同様な変化が起こるかを検証する必要がある と考えられる。 結 論  1．正常被検者における脊髄固有ニューロン （PN） の機

12） George L, Caroline I, Paolo C, Pierrot-Deseilligny E & Pau-vert V: Mediation of late excitation from human hand mus-cles via parallel group Ⅱ spinal and group Ⅰ transcortical pathways. J Physiol 533：585︲603, 2006.

13） Cavallari P & Katz R: Pattern of projections of group I af-ferents from forearm muscles to motoneurones supplying biceps and triceps muscles in man. Exp Brain Res 78：465︲ 478, 1989.

14） Pierrot-Deseilligny E: Propriospinal transmission of part of the corticospinal excitation in humans. Muscle Nerve 26： 155︲172, 2002.

15） Marchand-Pauvert V, Mazevet D, Pierrot-Deseilligny E, Pol S & Pradat-Diehl P: Handedness-related asymmetry in transmission in a system of human cervical premotoneu-rones. Exp Brain Res 125：323︲334, 1999.

2010 年 12 月 ヒトの上肢運動に関連した脊髄固有ニューロンの機能解析 37

Function analysis of propriospinal neurons relating to

human arm movements

Hideto SANO1, Yukari OHKI2 and Kazuhiko SATOMI1

1_{Orthopedics Surgery Kyorin University of Medicine}

2_{Physiology Kyorin University of Medicine}

J Kyorin Med Soc　41：26—37，2010

For arm movements, Animal experiments suggest that indirect corticomotoneuronal pathways, which are partly mediated by C3︲C4 propriospinal neurons （PNs）, have important roles as well as direct pathways. The purpose of the present study was to establish a procedure to quantify functions of PNs in human. Surface electromyo-gram was recorded from the right or left biceps muscle （Bi） of normal human subjects （n=14）, who all gave

in-formed consent. During weak tonic voluntary contrac-tion of the muscles, 1） electric stimulacontrac-tion of the ipsilat-eral ulnar nerve alone, 2） transcranial magnetic stimulation （TMS） of the contralateral primary motor cortex alone, and 3） combined stimulation of both were delivered in pseudo-random order. Interstimulus inter-vals for the combined stimulation were set, so that excit-atory inputs by both stimulation arrived in PNs

simulta-neously. When appropriate stimulus strength was selected for both stimulation, TMS-induced potentials in Bi were facilitated by combined ulnar stimulation. How-ever, the facilitation disappeared when strength of the ulnar stimulation and/or TMS were increased. Compar-ing the maximum facilitations on both sides, they tended to be stronger on the dominant side in right-handed sub-jects （n=11）. The tendency was not clear in left-handed subjects （n=3）. We conclude that the current procedure is valuable to quantify functions of PNs, though stimulus condition and handedness have to be considered. Be-cause reflex effects on the pathway by ulnar nerve stim-ulation were not different regardless of the sides, we also conclude that the asymmetry in the right-handed sub-jects is caused by pyramidal inputs to PNs.