1
歩行制御系における
脊髄小脳ループ
小脳は，吻尾側方向，すなわち体軸 の前後方向において大きく 3 つの領域 に分類され，最も正中に位置する虫部， その外側の中間部（傍虫部），半球部か ら構成される．これらのなかで，虫部 と 中 間 部 は 脊 髄 小 脳（spinocerebel-lum）とも呼ばれているとおり，脊髄 との入出力関係が強く，歩行の制御系 において，いわゆる脊髄小脳ループ （spinocerebellar loop）1）を形成してい る（図 1 A）．歩行におけるリズムパタ ーンの生成は，脊髄内に存在する歩行 パ タ ー ン 生 成 機 構（central pattern generator；CPG）（特 集 1： 高 草 木 の 稿を参照）によるが，歩行中，脊髄の CPG の活動に関する情報は efference6
歩行において，1 つの肢の運動はいくつかの関節を含む多関節運動であり，さらにその多関節運動が複数の肢 で実行される．1 つの関節の動きといえども，主働筋，協働筋，さらに拮抗筋の協調した活動によって実現される ことを考慮すれば，歩行は多数の筋活動の時間・空間的パターンを同時並列的，かつ協調的に制御して，初め て円滑に遂行されるといえる．小脳は，歩行時における筋緊張の制御，肢運動の位相制御に関与し，それらを統 合した結果の肢間協調（interlimb coordination）に中心的役割を果たしている．さらに重要なことは，小脳皮質 におけるシナプス可塑性を利用して外乱，外部環境の変化に対する適応性に貢献しているという，歩行の神経 生理学的研究の中では比較的新しい知見である．本稿では，歩行制御系の中での小脳の位置づけ，種々の遺 伝子変異マウスにおける小脳性歩行失調，ならびに動物およびヒトでの歩行の適応制御に関する研究動向を整 理し，概説する．柳原 大
YANAGIHARA Dai/東京大学大学院総合文化研究科生命環境科学系 Key words 小脳 脊髄小脳路 脊髄・下オリーブ核小脳路 肢間協調 splitbelt treadmill 長期抑圧 copy として腹側脊髄小脳路（ventral spinocerebellar tract；VSCT）を介し て小脳に送られている．また，各種体 性感覚系の受容器由来の情報も，背側 脊 髄 小 脳 路（dorsal spinocerebellar tract；DSCT）を介して小脳にフィー ドバックされている．苔状線維系とし て小脳皮質に送られてくるこれらの情 報は，顆粒細胞－平行線維を経由して プルキンエ細胞に伝達される．プルキ ンエ細胞は，この苔状線維系の入力を 小脳皮質からの出力として変換し，小 脳核，脳幹下行路のニューロンを介し て脊髄内のニューロン活動を調節して いる．DSCT が，小脳に苔状線維系入 力として，どのような情報を encode しているのかについては，最近，Bos-co ら2）によって新しい知見が提出され た．彼らは，除脳ネコの中脳歩行誘発 野（MLR）の刺激によるトレッドミル特集・歩 行
歩行中の DSCT ニューロンの活動の 記録を行い，これらのニューロンの発 火活動が肢軸の向きや肢にかかる負荷 を表現している可能性を示唆している． すなわち DSCT は，小脳に単に末梢 感覚器の出力ではなく，むしろそれら をより統合した情報を送っていると考 えられる． 歩行制御における小脳の機能を理解 するために，破壊や冷却などによって 生じる脱落症状，すなわち歩行失調や， 歩行中のプルキンエ細胞の発火活動を 記録・解析することが従来行われてき た．主として，ネコを用いての急性， 亜急性あるいは慢性実験から提出され てきた実験結果は，現在でも歩行制御 における小脳の役割を説明する際，大 変重要であり，本稿でも以下に簡潔に 説明しておく．歩行中の小脳前葉のプ ルキンエ細胞の発火活動の記録・解析 により，虫部および中間部のプルキン エ細胞は，1 歩行周期中，発火頻度の 変調を示すことが明らかとなった3）-6）． 小脳皮質の特定部位を局所的に冷却し， その領域の神経細胞の活動を抑止する と，特定の肢の屈曲または伸展が過度 に生じる．Udo ら7）8）は，歩行中のネ コの小脳皮質を冷却した際の歩行パタ ーンの変化を解析した．小脳皮質中間 部第Ⅴ葉の片側の冷却は，同側前肢の 過屈曲を引き起こす．この際，同側前 図 1 A：歩行制御に関わる脊髄小脳ループ B：虫部 B ゾーンのプルキンエ細胞と下オ リーブ核，登上線維系入力，外側前庭核へ の出力 肢 運動指令 求心性情報 外側前庭核 網様体 赤 核 室頂核 中位核 虫 部 小脳皮質 中間部 （傍虫部） 腹側脊髄小脳路（VSCT） 背側脊髄小脳路（DSCT） 脊髄下オリーブ核小脳路 （SOCP） 運動ニューロンプール Central pattern generatorsB1（前肢） ゾーン B2（後肢） ゾーン 登上線維 プルキンエ細胞 下オリーブ核 正中 外側前庭核 左前肢 左後肢 右後肢 右前肢
A
B
が過度に伸展したまま着地し，胴体は 反対側に倒れやすくなる．この小脳皮 質の冷却において観察された部位によ る相違は，虫部および中間部のプルキ ンエ細胞の出力先との対応で理解する ことができる．虫部の正中に位置する A ゾーンにおいて，プルキンエ細胞 の多くが，室頂核に投射し，さらに室 頂核の出力は脳幹網様体および前庭神 経核に投射する．A ゾーンの外側に 位置する B ゾーンのプルキンエ細胞 は，外側前庭核に投射している（図 1 B）．中間部の C ゾーンに位置する プルキンエ細胞の多くは，中位核に投 射し，脊髄小脳ループの中においては， 中位核から赤核への投射は重要である． 小脳虫部のプルキンエ細胞の出力先で ある外側前庭核ニューロンは，前庭脊 髄路を構成しているが，この外側前庭 核ニューロンは，歩行の接地相中に発 火活動のピークを持つような発火頻度 の変調を示す．また，この発火頻度の 変調は伸筋の活動と関係づけられる． Orlovsky9）は，歩行中の外側前庭核ニ ューロンの発火頻度の変調が，小脳皮 質の除去によって消失し，さらに発火 頻度が亢進することを示している．網 様体脊髄路を構成する網様体のニュー ロンも，歩行の遊脚相中に発火活動の ピークを示すが，やはり小脳の除去に より発火頻度の変調は消失する10）．以 上より，歩行のリズムパターンの生成 介して脊髄内の神経回路を on line で 調節していると考えられる．
2
外乱に対する肢間協調と小脳
歩行中の一肢に外乱が加えられると， 外乱が加えられた肢の歩行周期が外乱 前とは変化する．この外乱に対する運 動応答は，外乱が加えられた肢のみな らず，その他の肢にも生じて各肢の歩 行周期や肢間の位相関係が変化する． しかしながら，このような運動応答は， 2～3 歩行周期の後では外乱が加えら れる前の状態に戻る．この単発的な外 乱に対する一過性の運動応答は，肢間 の協調が外乱に応じて制御されること を顕著に示している．ネコの歩行中， 接地相にある一肢に機械的刺激を与え ると，その接地相は短縮される．この 機械的刺激に対する応答は，正常無傷 のネコ，除脳ネコ，脊髄ネコのどの歩 行標本においても基本的な違いはない． ここで，一肢が接地相にある時に刺激 が加えられると，刺激が加えられた肢 の反対側の肢は遊脚相にあるが，正常 無傷のネコと除脳ネコでは，この反対 側の遊脚相が刺激に応じて短縮され， 接地が早められることにより両脚支持 相が確保され，スムーズな体重移動が 行われる11）12）．しかしながら，脊髄ネ コにおいては，反対側の肢に刺激に応 で脊髄を切断した慢性脊髄ネコにおい ては，後四半部を自発的に支持するこ とができないが，トレッドミル上で歩 行を発現することができる．しかしな がら，前肢および後肢の歩行周期など のパラメータの変動係数は，脊髄切断 前と比較して約 10 倍に増大する．ま た，前肢と後肢の接地のインターバル も大きく変動し，前肢と後肢との協調 が著しく障害されることが判明してい る14）． ま た，English15）は， 脊 髄 の CPG の活動に関する efference copy を 小 脳 に 送 る と 考 え ら れ て い る VSCT の胸髄レベルでの破壊後に，前 肢と後肢との位相関係が崩れ，前肢と 後肢との協調が障害されることを報告 している．以上より，歩行における肢 間 協 調（interlimb coordination）に お いて，脊髄における神経機構だけでは， 少なくとも時間的（位相的）に協調され た歩行は実現できず，脳幹および小脳 が重要な役割を果たしていると考えら れる．3
種々の遺伝子変異マウスに
おける小脳性歩行失調
遺伝子改変動物の作製技術をはじめ とする分子生物学，遺伝子工学の急速 な発展により，特定の遺伝子，蛋白質 の変異・欠損が，小脳機能にどのよう な影響を生じるのかについて調べる研特集・歩 行
究は，現在非常に盛んに行われている． 動物種としてはマウスを用いるが，マ ウスにおける歩行の解析は，主として 後肢の足跡（footprint）や回転棒課題 （rotating rod test）が簡便なためによ く用いられている．これらのテストか ら， 運 動 の 協 調 性（motor coordina-tion）を観測するわけであるが，たと えば回転棒テストでの成績（棒上での 滞在時間，歩行時間および試行を重ね ることによる学習）が野生型マウスと 比較して著しく悪いとしても，歩行に おけるどのような協調性が損なわれて いるのかを明らかにすることはできず， 歩行運動の厳密な解析とは言いがたい． しかしながら，特定の遺伝子・蛋白質 の機能を，スライス標本あるいは培養 標本での電気生理学的解析による生理 機能と照らし合わせながら考察できる という点では非常に有用であり，特に さまざまな疾患における歩行失調の解 明という点では，これからより重要性 が増してくると考えられる．本稿では 与えられた紙面の都合上，特に小脳の シナプス可塑性に関連する受容体蛋白 質などのノックアウトマウスの歩行失 調について以下にまとめ，脊髄小脳変 性症モデルマウスなどの歩行失調など は別の機会とさせていただく． 代 謝 型 グ ル タ ミ ン 酸 受 容 体 1 型 （metabotropic glutamate receptor
subtype 1；mGluR1）は，小脳プルキ ンエ細胞に強く発現し，平行線維－プ ルキンエ細胞シナプスにおける長期抑 圧の発現に必要である．この mGluR1 のノックアウトマウスでは，小脳スラ イス標本での長期抑圧が欠損しており， まっすぐに歩行することができず，足 を引きずりながら歩く．回転棒課題に おいても，ほとんど棒の上で歩くこと が で き ず に す ぐ に 落 ち て し ま う16）． mGluR1 ノックアウトマウスでは，下 オリーブ核から発する登上線維とプル キンエ細胞のシナプスに発達異常があ る．幼若動物においては，プルキンエ 細胞はいくつかの登上線維によって， いわゆる多重支配を受けているが，発 達に伴って余剰な登上線維シナプスは 除去され，成熟後は，1 つのプルキン エ細胞は 1 本の登上線維によって支配 される．ところが，mGluR1 ノックア ウトマウスでは，成熟後もプルキンエ 細胞に対する登上線維の多重支配が残 存してしまう17）．mGluR1 を介した細 胞内信号伝達系の起点として，G 蛋白 質αサブユニットの活性化があるが， プルキンエ細胞には Gαq と Gα11 が 発現している．Gαq ノックアウトマ ウスでは，登上線維の多重支配の残 存18），長期抑圧の欠損が観察され19）， 歩行失調も観察される．回転棒課題に おいてもすぐに落ちてしまい，成績の 向上は生じない18）19）．Gα11 ノックア ウトマウスでは，長期抑圧の発現は正 常野生型と比べて減弱しているが，回 転棒課題においては，野生型と同様に 成績の向上が認められる19）．G 蛋白質 αサブユニットの活性化は，次にホス ホ リ パ ー ゼ C（phospholipase C； PLC）の活性化を引き起こす．小脳前 葉のプルキンエ細胞には，PLCβ4 が 強く発現しているが，このノックアウ トマウスでは，登上線維の多重支配の 残存が前葉に高い頻度で観察され20）， 長期抑圧の欠損，軽微な歩行失調も生 じており，回転棒課題での学習も障害 されている21）．PLC の活性化は，リン 脂質を分解してジアシルグリセロール とイノシトール三リン酸の合成を促し， さらにプロテインキナーゼ C（PKC） の活性化を引き起こす．プルキンエ細 胞に発現している PKCγのノックア ウトマウスでは，登上線維の多重支配 の残存はあるが22），長期抑圧は正常に 生じる23）．この PKCγノックアウトマ ウスは軽微な歩行失調を有しており， 回 転 棒 課 題 で の 学 習 も 生 じ な い23）． Chen ら23）は，mGluR1 ノ ッ ク ア ウ ト マウスや PKCγノックアウトマウス における歩行失調や回転棒課題での学 習障害の原因は，両者の間に長期抑圧 の障害の有無が認められるので長期抑 圧ではなく，一方，登上線維の多重支 配の残存は，両方のノックアウトマウ スともに観察されることから，歩行の 協調制御に必要な登上線維入力が混乱 している可能性があり，これが歩行障 害の原因と推測している． 上述してきたノックアウトマウスで は，体のすべての細胞で標的としてい る遺伝子が欠損する．通常，標的とし た遺伝子（蛋白質）は，脳のさまざまな 部位，多種類の神経細胞に発現してい る場合が多いので，限られた神経回路 の中での電気生理学的データと個体レ ベルでの運動・行動とを直裁に議論す る の は 危 険 で あ る． そ の 意 味 で は mGluR1 も例外ではなく，小脳プルキ ンエ細胞のみならず，脳，脊髄のほか の部位（たとえば海馬，視床，脊髄運 動ニューロンなど）にも存在するので，
ロモータによって mGluR1cDNA を発 現するトランスジーンを mGluR1 ノ ックアウトマウスに導入し，体細胞の 中でプルキンエ細胞だけが mGluR1 を発現するマウス（mGluR1 レスキュ mGluR1 レスキューマウスについて， トレッドミル歩行時の四肢の動作解析 を行った24）．mGluR1 ノックアウトマ ウスにおいては，前肢，後肢ともに左 右対側肢の間の位相関係が著しく崩れ の歩行周期はベルトの速度に対応して 一律に変化し，ベルトの速度（すなわ ち，歩行速度）が速くなれば逆に歩行 周期は短縮されるという反比例の関係 を呈する．野生型マウスと mGluR1 図 2 mGluR1 ノックアウトマウスにおける歩行失調
A：mGluR1 の免疫組織化学．a：野生型マウス，b：mGluR1 ノックアウトマウス，c：mGluR1 レスキューマウス（プルキンエ細胞のみに mGluR1 が発現し， 他の神経細胞には mGluR1 は発現していない）． B：左右前肢間（Forelimb）および左右後肢間（Hindlimb）の位相関係のヒストグラム．マウスをトレッドミル上で歩行させ，四肢の動きをビデオカメラシステム において記録・解析する．野生型マウス（wild-type）においては，左右で 1/2 周期（図中では横軸 180 度に相当する）の位相差に制御されている．もし，左右の肢 が同時に着地されると，0 度または 360 度となる．mGluR1 ノックアウトマウス（mGluR1（-/-））においては，ヒストグラムの分布が広がっている． C：トレッドミルのベルト速度に応じた歩行周期の変化．グレーのコラムは前肢，青のコラムは後肢の歩行周期を示している．横軸はベルトの速度である． （文献 24 より改変して引用） 20 15 10 5 0 90 180 270 360 Wild-type 20 15 10 5 0 90 180 270 360 mGluR1（−/−） 20 15 10 5 0 90 180 270 360 mGluR1 rescue 20 15 10 5 0 90 180 270 360 Wild-type 20 15 10 5 0 90 180 270 360 mGluR1（−/−） 20 15 10 5 0 90 180 270 360 mGluR1 rescue Forelimb Hindlimb 800 600 400 200 0 12 14 16 Wild-type 位相 ベルト速度（cm/sec） Number 800 600 400 200 0 12 14 16 mGluR1（−/−） 800 600 400 200 0 12 14 16 mGluR1 rescue 1 歩 行周期の持続時間 （msec）
A
a
b
c
B
C
0 0 0 0 0 0特集・歩 行
レスキューマウスにおいては，ベルト の速度の増加に応じた歩行周期の短縮 が観察されたが，mGluR1 ノックアウ トマウスでは，そのような変化は観察 されず，さらに前肢と後肢の歩行周期 が合致しておらず，前後肢の協調にも 障害が観察された（図 2 C）．回転棒課 題において，mGluR1 ノックアウトマ ウスは全く学習することができないが， mGluR1 レスキューマウスにおいては， 学習の効率が小脳プルキンエ細胞にお ける mGluR1 の発現量に依存してい た．最近，テトラサイクリン（tetracy-cline）を用いた conditional knockout 法により，成熟後に mGluR1 の発現 をコントロールできるマウスが作製さ れ，正常に成熟後，mGluR1 を欠失さ せた場合に歩行失調が観察された25）． 以上より，小脳プルキンエ細胞におけ る mGluR1 が，歩行時の肢間協調に 重要な役割を果たしていると結論する ことができる． δ2 型グルタミン酸受容体（GluRδ2） は，中枢神経系において小脳プルキン エ細胞に特異的に発現している．この グルタミン酸受容体サブユニットをア フリカツメガエル卵母細胞や培養細胞 に単独発現させても，あるいは他のサ ブユニットと共発現させても，チャネ ル活性を検出することはできず，その 図 3 δ2 型グルタミン酸受容体の阻害による学習の障害A〜C：小脳虫部に注入された GluRδ2 阻害抗体（anti-δH2）を蛍光色素で標識し，その局在を観察した．anti-calbindin は，calbindin がプルキンエ細胞に強く 発現していることから対比染色のために用いられ，GluRδ2 と二重染色された．GL：顆粒細胞層，P：プルキンエ細胞層，ML：分子層． D：GluRδ2 阻害抗体の注入によって生じる軽微な歩行失調．後肢の足跡を示している．E：GluRδ2 阻害抗体注入後の回転棒課題の成績．＊：6 時間後の試行 を行わなかった shamoperation のマウス． （文献 27 より改変して引用）
C
E
anti-δH2 ＋ anti-δH2 ＋ anti-GR2N anti-calbindin GL P ML overlay No. of triasl 120 100 80 60 40 20 0 2 10 20 2 h 2 10 4 h 2 10 6 h 2 10 24 h ＋ anti-δH2（n=8) ＋ anti-δGR2N（n=8)） Sham op.（n=12） Sham op.＊（n=8）A
Retention time （s）B
D
その本質的メカニズムはわからないが， 小脳機能に深く関与していることが示 唆されていた26）．われわれは，GluRδ2 の阻害抗体（anti-δH2）を作製し，成 熟した正常な小脳皮質神経回路および 歩行運動の学習・記憶におけるこの受 容体の機能を調べた27）．成熟し，正常 な小脳神経回路においても，GluRδ2 の活性化が AMPA 型グルタミン酸受 容体のクラスタリングの調節，長期抑 圧の発現に必要とされることが証明さ れた．この抗体を成熟野生型マウスの 小脳虫部直上のくも膜下腔に注入した ところ，マウスは軽微な歩行失調を示 した（図 3 D）．抗体注入 1 時間後に脳 を灌流固定し，抗体の局在を調べたと ころ，抗体は小脳に限局して皮質内に 浸透し，プルキンエ細胞樹状突起上の GluRδ2 と特異的に結合していた（図 3 A～C）．図 3 Eは，成熟した野生型 マウスに阻害抗体を投与し，回転棒課 題を行わせた結果を示している．この 阻害抗体を投与した 2，4 時間後にお いては，マウスは歩行失調のために学 習も障害されていた．しかしながら， 急性の歩行失調が観察されなくなった 6 時間後においては，コントロール群 （阻害効果を有しない IgG 抗体（anti-δGR2N）を注入したグループや sham operation のみのグループ）のマウス と同様に，棒上に安定して歩行するこ とができた．抗体を投与してから 24 が，GluRδ2 の阻害抗体を注入された マウスはうまく乗れず，再学習が必要 であった．これらの結果は，GluRδ2 が関与するシグナル伝達系が，回転棒 課題における学習・記憶の保持（re-tention）に関わっている可能性を示唆 している． 動の，時間・空間的パターンを協調的 に制御した結果，円滑かつ安定に遂行 される．歩行中の肢間協調は，外乱を 加えることによって顕著に具現される． 予測できない外乱を歩行中に加えれば， それに対する肢間協調の動態を観察す ることができ，とりわけ，外乱が毎歩， 一定の部位に一定の強さで加えられる ようにすれば，外乱を予測し適応する 過程，すなわち歩行における感覚運動 図 4 splitbelt treadmill A：除脳ネコ歩行標本におけるトレ ッドミル． （文献 28 より改変して引用） B：ヒトにおける左右分離型トレッ ドミル．
A
B
RF LF LHRH特集・歩 行
学習を調べることができる．splitbelt treadmill，すなわちベルトが分離さ れていて，各ベルトを独立に制御でき るトレッドミル（ヒトの場合，左右 2 つのベルトで構成されている．ネコの 場合には 2～4 つのベルトで構成され ている）は，そのような研究目的に適 合した実験装置といえる（図 4）．ここ では，われわれが以前に行った除脳ネ コにおける splitbelt treadmill におけ る歩行時の肢間協調の適応学習と小脳 の 役 割 に つ い て28）-31）， さ ら に，Bas-tian の研究グループ32）-34）による，ヒト での splitbelt treadmill における肢間 協調の適応学習と小脳疾患患者におけ る学習の障害について取り上げる． 実験には，上丘の前縁と乳頭体の前 縁 を 結 ぶ 前 額 断（precollicular-pre-mammillary）で除脳された自発歩行 能（ネコは MLR（特集 1：高草木の稿 を参照）などの電気刺激なしでベルト の速度に応じて自発的に歩行する）を 有する除脳ネコを用いた．左前肢下の ベルトの速度のみを他のベルトの約 2 倍の速度で駆動すれば，左前肢には毎 歩接地するたびに他の 3 つの肢とは異 なる速度で後方に伸展されるという外 乱が加えられる．この外乱歩行が始め られた初期には，各肢の歩行周期の持 続時間は安定せず，非常に大きく変動 しており，定常的な歩行パターンを示 すことができない28）30）．この外乱歩行 中の小脳虫部第Ⅴ葉プルキンエ細胞か ら登上線維入力に伴う複雑スパイクを 記録したところ，その発火の確率は， 外乱のない通常の歩行時と比較して， 外乱が加えられている位相特異的に顕 著に高くなっていた29）．記録した小脳 虫部第Ⅴ葉のプルキンエ細胞は，いわ ゆる B ゾーンに位置し，その出力を 同側の外側前庭脊髄路に送り脊髄内の ニューロン活動を調節していると考え られるが（図 1 B），両側の前肢のタッ プ刺激などで複雑スパイクが誘発され るものであり，歩行中の左右の肢の状 況をモニターするのに適した脊髄－下 オリーブ－小脳路系（spino-olivocere-bellar pathway；SOCP）の典型といえ る．ところで，外乱のないトレッドミ ル歩行および床上での歩行では，小脳 虫部および中間部のプルキンエ細胞の 複雑スパイクは，発火頻度においても 非常に低く，歩行周期の特定の位相と の関係も示さない29）35）．複雑スパイク， すなわち下オリーブ核からの登上線維 入力は，何らかの誤差信号をプルキン エ細胞に伝送していると考えられるが， 前述した長期抑圧の発現に必要不可欠 であり，外乱に対する適応や回転棒課 題での学習に重要である36）．この外乱 歩 行 を 約 100～200 歩 続 け て い る と， やがて各肢の歩行周期は安定し，外乱 を加えない歩行時の四肢間の位相関係 とは異なる新しい位相関係を示すが， これは四肢間で新たな協調（interlimb coordination）を獲得したことを示唆 している28）30）31）．外乱に適応した後の 両側前肢においては，左右のベルトの 速度が異なるにもかかわらず，歩行周 期は一致している．外乱が加えられた 左前肢においては，主にその接地相の 持続時間を短縮し，一方，右前肢にお いては，遊脚相の持続時間を短縮させ ることで，左右の歩行周期を合わせて いた．外乱に適応した安定な歩行にお ける重要な要素として，両脚支持相 （bisupport phase）の確保がある．両 脚支持相とは，対称肢の間で接地相が 交代するに際し，その両方が同時に接 地している位相であり，体重支持機能 の交代が円滑に行われるために重要な 位相である．前肢の左右間では，左前 肢が接地してから右前肢が離地するま での両脚支持相と右前肢が接地してか ら左前肢が離地するまでの両脚支持相 があり，外乱を加えていない通常の歩 行では，この 2 つの両脚支持相に差異 はない．ところが，外乱歩行の初期で は，特に右前肢が接地してから左前肢 が離地するまでの両脚支持相がしばし ば確保されず，すなわち左前肢から右 前肢への体重支持の交代が円滑に行わ れていないことが観察された．外乱に 適応し，歩行周期が安定した際には， 左前肢が接地してから右前肢が離地す るまでの両脚支持相が，右前肢が接地 してから左前肢が離地するまでの両脚 支持相の約 2 倍の持続時間を示した． これら両脚支持相の安定な確保（左右 で非対称的ではあるが）は，歩行を継 続していく過程で獲得されていくもの であり，外乱歩行を行った直後から顕 著に観察される，外乱が加えられた左 前肢における接地相の短縮と右前肢に おける遊脚相の短縮とは，それらが関 わる制御系が異なることを想像させる． 実は，両脚支持相における時間的に比 較的ゆっくりとした適応過程は，sp-litbelt treadmill 歩行における健常人 において，左右のベルト速度比を 2： 1，3：1，4：1 などに変更し，連続しわち左右のベルト速度が同じ条件での 歩行が行われた際には，すぐには元々 の外乱なしの通常の歩行パターンは示 さず，左右の両脚支持相の持続時間が 逆転する，いわゆる後効果（afteref-fect）が生じる．この後効果の存在は， その制御システム内で情報処理の履歴 が次回の制御系に利用されること，す なわち何らかの情報が一時的にせよ保 存・記憶されていることを示唆する． 小脳皮質に運動の内部表現，内部モデ ルが生成されるという仮説36）があるが， 歩行における外乱に対する適応現象や 後効果の存在も，この仮説に矛盾する ものではないと思われる30）31）33）．小脳 における内部モデルの生成には，その 神経回路内で長期抑圧などのシナプス 可塑性が必要とされるが，除脳ネコに おける外乱歩行における適応にも，長 期抑圧の発現に必要とされる一酸化窒 素の発生が必要不可欠であることが示 されている30）．また，小脳疾患患者に おいては，splitbelt treadmill におけ るベルトの速度の左右差 2：1 の歩行 において，両脚支持相の調整などの歩 行を続けることによって緩やかに生じ る 適 応（彼 ら は，predictive feedfor-ward adaptations と呼んでいる）が生 じ な い か， あ る い は 障 害 さ れ て い た33）34）．小脳皮質虫部や中間部などで 歩行に関係する何らかの内部表現，内 部モデルが生成されているかどうかに ットに適用した工学的研究では，除脳 ネコが示した適応現象が見事に再現さ れた31）37）．この際に重要なのは，振動 子の間の位相差を勾配系として記述・ 表現し，振動子間の相互作用が減少す るように勾配系，すなわちポテンシャ ル関数のアトラクタを調整することで あった．
おわりに
歩行制御に小脳皮質内神経回路がど のような情報処理を行って機能してい るのか，さらに，近年の遺伝子変異マ ウスを用いた研究により端緒に着いた ともいえる，種々の分子，蛋白質，お よびそれらが携わる種々のシナプス伝 達ならびにその可塑性が，歩行制御系 においてどのように生理学的に機能し ているのかについては，今もってほと んど明らかではなく，今後の脳神経科 学の重要なテーマのひとつであり，脊 髄小脳変性症などにおける歩行失調の 臨床医学においても，電気生理学的解 析とバイオメカニクス的解析がより重 要性を増してくると思われる． ●文 献₁ ） Arshavsky YI, Gelfand IM, Orlo-vsky GN：Trends Neurosci 6： 417-422, 1983
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