高齢者における歩行中の運動制御と転倒との関連

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1. 緒言人間の身体には数多くの筋肉や関節が存在しており，各課題を達成するための方法や組み合わせは無数に存在する．この冗長的な身体を人がどのように制御しているか調査する方法として，Uncontrolled…mani-fold…analysis（UCM解析）という手法がある．これは豊富性の原理（principle…of…abundance）に関連した手法であり，身体内の筋肉や関節は課題を達成するために協調して運動していることを前提に行われる． UCM解析を用いた先行研究では，健常者や有疾患者における，リーチ動作などの上肢課題や歩行などの全身課題について調査を実施しており，我々もまた，歩行中の身体の制御が転倒リスクに与える影響について調査してきた．本稿では，日常生活でも頻回にみられるリーチ動作を例に身体の冗長性の問題や豊富性の原理について概説した上で，UCM解析を歩行に応用した研究を紹介する．

高齢者における歩行中の運動制御と転倒との関連

山縣　桃子

1-3）

_{，建内　宏重}

4）

_{，市橋　則明}

3）

The relations of motor abundance during gait with fall risk in older adults

Yamagata Momoko1-3）_{, Tateuchi Hiroshige}4）_{, Ichihashi Noriaki}3）

Abstract

Our…body…has…more…elements…such…as…joints…and…muscles…than…needed…to…perform…any…activities…of… daily…living,…including…gait.…As…an…approach…to…the…problem…of…motor…redundancy,…the…principle…of… abundance…was…suggested.…The…principle…views…the…apparently…redundant…design…of…the…body…as… a…useful…and…crucial…mechanism…stabilizing…different…performance…variables…in…a…task-specific…way.… There… are… many… papers… based… on… this… idea… using… the… framework… of… the… uncontrolled… manifold… （UCM）… hypothesis.… The… UCM… hypothesis… assumes… that… the… central… nervous… system… acts… in… an… abundant…space…of…elemental…variables…and…organizes…in…that…space…a…subspace…corresponding…to…a… stable…value…of…a…performance…variable.…The…UCM…method…has…been…developed…for…various…actions,… including…multi-joint…reaching,…standing,…and…gait,…and…used…for…different…subjects…（e.g.,…younger… adults,… older… adults,… patients… with… neurological… impairment）.… Using… the… method,… we… explored… if… segment…configurations…contributing…to…the…stability…of…swing…foot…and…center…of…mass…are…related… to…falling…risk…in…older…adults.…With…this…paper,…we…introduce…our…previous…studies…as…well…as…the… basic…concept…of…motor…redundancy…and…the…principle…of…abundance.… ey words: K Motor…abundance,…Uncontrolled…manifold,…Gait,…Fall,…Older…adults 1 ）…神戸大学大学院…人間発達環境学研究科…人間発達専攻 … Human…Development,…Graduate…School…of…Human…Development… and…Environment,…Kobe…university 2 ）…日本学術振興会…特別研究員…（PD） … Research…Fellow…of…Japan…Society…for…the…Promotion…of…Science 3 ）…京都大学大学院…医学研究科…人間健康科学系専攻…理学療法学講座 … Department… of… Physical… Therapy, … Human… Health… Sciences,…

Graduate…School…of…Medicine,…Kyoto…University

4 ）…京都大学大学院…医学研究科…人間健康科学系専攻…予防理学療法学講座（産学共同講座）

… Department… of… Preventive… Physical… Therapy,… Human… Health… Sciences,…Graduate…School…of…Medicine,…Kyoto…University,…Kyo-to,…Japan 投稿責任者：山縣桃子連絡先：〒657-8501　神戸市灘区鶴甲3丁目11番 E-mail：[email protected]

総　説

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2. 身体の制御 2. 1. 身体の冗長性人間の身体は数多くの筋肉や関節から構成されており，人が様々な環境においてこの冗長な身体をどのように制御しているかについて，これまで多くの研究が行われてきた．Bernsteinが行った有名な研究では，鍛冶職人が繰り返しハンマーを振り下げるとき，試行間で空間内の関節位置が大きく変動するのに対し，ハンマー位置はあまり変動しないことが明らかになった1）_{．このような現象は日常生活の中でも多くみられ} る．例えばテーブルの上にあるコップに手を伸ばすようなリーチ動作を何度も行うと，関節角度などの関節運動は試行間で大きく変動するが，手の変動は比較的小さくなる．つまり，コップへのリーチ課題を正確に行うことができても，我々の身体を構成する関節などの要素は常に変動を伴っている．このように，日常生活内の様々な動作において，私たちは関節角度などの “運動のかたち”ではなく，合目的的に身体を制御していることがわかる．コップへのリーチ動作やハンマーの振り下ろし動作など，比較的単純そうに見える動作であってもその運動制御は複雑である．これは，達成したい課題に対してそれを制御する自由度が多すぎること，つまり身体が冗長であることに起因しており，これは冗長性の問題と呼ばれている1）_{．先ほどのコップへのリーチ課題} を例にとると，リーチ動作は 3 自由度であるのに対して，それを制御する関節は肩関節 3 自由度・肘関節 1 自由度・前腕 3 自由度（橈尺関節 1 自由度，手関節 2 自由度）の計 7 自由度となる．このようにリーチ動作に必要な変数の数は運動課題を表す変数の数よりも大きくなり，運動を達成するための関節の組み合わせは無数に存在することとなる…（Fig.1）．関節だけでなく筋肉や靭帯などの軟部組織を考慮すると運動制御はさらに複雑化し，数え切れないほどの要素がリーチ動作に関与していることがわかる．このような冗長な身体の制御は豊富性の原理と関連づけられている2,3）_． 2. 2. 豊富性の原理 Bernsteinらの研究に基づき，身体は冗長性の問題を解決するために，ある特定の筋肉や関節の群を 1 つの単位として運動させることで，制御する自由度を単純化していると考えられてきた1）_{．この概念が発展し} てできた考え方が豊富性の原理であり，この原理は， Bernsteinらの冗長な自由度を除去するという考えではなく，むしろその冗長な自由度を柔軟に利用するという考えである2,3）_{．これは，日常生活の中でみられる} 様々な運動において支持されている4-6）_{．例えばリー} チ動作では，通常肩関節・肘関節・手関節が主に運動するが，肩関節屈曲の可動性が制限されたような患者では，通常ではあまり利用しない体幹の回旋や側屈をうまく利用してリーチ課題を達成するかもしれない．またリーチの途中で何らかの外乱が起こった場合は，通常とは異なる関節運動を用いてコップへのリーチ動作を達成するかもしれない．このように，人は冗長な身体を有しているからこそ身体内部の障害や外部の環境変化が起こった場合でも新しい方法で課題を達成させることができる．つまりこの原理では，冗長な身体を“問題”として扱うのではなく，柔軟な対応を可能にする“恩恵”として扱っている． 3. Uncontrolled manifold （UCM） UCMアプローチを用いた研究によって豊富性の原理は支持されてきた7）_{．この手法では，関節などの身} 体の要素は課題達成のために組織立てられており，課題達成に影響しない身体の変動を神経系のノイズ，つまり削除すべき要素ではなく，運動に寄与する重要な要素として扱っている5,7）_．例えば，上腕を固定し平面上のある地点からターゲットにリーチするような単純な動作では，運動を構成する要素は肘関節の屈伸と手関節の掌背屈の 2 自由度となり，毎回正確にターゲットへのリーチを行うことができても，試行間で肘関節や手関節の運動は変動する…（Fig.2a）．具体的には，肘関節が通常よりも屈曲した試行では，それを補うように手関節が背屈方向に運動することで最終的な手の位置は試行間で変化せず，正確にターゲットにリーチすることができる．このように手をターゲットにリーチするという課題の達成に影響を与えない関節角度の組み合わせの集合をUCM （コントロールされない集合体）と呼ぶ．もしもこの Fig. 1　An illustration of reaching task with a three-joint

arm.

In…even…simple…reaching…task,…there…are…an…infinite…num-ber…of…ways…to…perform…same…movement.

Title:JJPTF 23- 総説 1 山縣 .indd　p2　2021/02/27/ 土 10:35:43 Title:JJPTF 23- 総説 1 山縣 .indd　p3　2021/02/27/ 土 10:35:43

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肘関節と手関節の関係性が崩れターゲットに対して適切にリーチできなかった場合，UCMに対して直交する方向の変動が大きくなる…（Fig.2b）．このような UCMに沿った変動（以下，VUCM）とUCMに直交する

変動（以下，VORT）の量を比較することで，関節角度の組み合わせが目的を達成するために構造化されているかを評価することができる．VUCMが高くVORTが低い場合，目的を達成するために関節が協調して運動していることを意味し，先行研究では，VUCMの増大は外乱など環境の変化に適応するために重要な要素であることが報告されている8）_． Fig.3にはリーチ動作における要素を肩関節・肘関節・手関節の 3 自由度に増やした例を示したが，この場合も 2 自由度の例と同様の解釈ができる．このようにUCMの手法は多自由度に対して適応可能であり，これまで上肢セグメントを利用する課題だけでなく，立位や歩行など全身セグメントを利用するような課題にも適応されてきた9-12）_． 4. UCM解析を用いた研究 4. 1. 歩行時の目的変数の決定 UCM解析を進めていくためには，目的変数と要素変数を事前に決定しておく必要がある．目的変数は課題達成のためのゴール，つまり課題において最も重要な変数であり，この目的変数を制御するための要素が要素変数である．Fig.2の例では目的変数は手の位置，それを制御する要素変数は肘関節と手関節の関節角度となり，関節角度の組み合わせが目的を達成するために構造化されているかをUCM解析によって評価することが可能となる．このような課題では比較的容易に目的変数を決定することができるが，歩行課題の場合 Fig. 2　2D space of joint angles and the UCM during reaching task.

The… dashed… line… corresponds… to… the… uncontrolled… manifold… （UCM）… for… an… accurate… reaching…task…using…elbow…and…wrist…joints.…VUCM…is…a…variance…along…the…UCM…space,… that…does…not…affect…performance,…while…VORT…is…a…variance…orthogonal…to…the…UCM… space…affects…the…performance.

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は非常に複雑で，何を最も重要な変数，つまり目的変数と設定するかが分かりにくい．歩行時には身体重心を制御しながら遊脚足部を適切に挙動させる必要があることから，我々を含め，先行研究では遊脚足部もしくは身体重心を目的変数とした研究が多い． 4. 2. 遊脚足部とセグメントの協調遊脚足部は，歩行中の重要なエンドエフェクターであり，下腿や大腿など下肢セグメントの運動によって制御されている．加齢変化が遊脚足部を制御するためのセグメント協調に与える影響を調査した研究では，若年者と比較して高齢者のVUCMが増大しており，高齢者は遊脚足部を制御するために下肢セグメントをより協調させて歩行していることが明らかになった13）_．脳卒中患者でも類似した結果が報告されており14）_， VUCMの増大は加齢や疾患による運動機能の低下を代償するための戦略である可能性がある．しかし，このような歩行中のVUCMやVORTの増減が転倒リスクに影響を与えるかは不明であった．そこで我々は地域在住の健常高齢者を対象に，転倒とUCM変数との関連を調査した15,16）_． 1 つ目の研究として，過去 1 年間の転倒歴とUCM 変数との関連を調査した15）_{．過去 1 年間に転倒歴のあ} る健常高齢者10名と転倒歴がない健常高齢者14名を対象に歩行計測を行い，UCM解析によって歩行中の下肢セグメントが遊脚足部を制御するために協調して運動しているかを定量化した…（Fig.4a）．その結果，過去 1 年間に転倒経験のある高齢者は，転倒経験のない高齢者よりもVUCMが大きく増加していることが明らかになった．過去の転倒経験に関連したこの大幅な VUCM増大は，再び転倒しないように慎重に歩行した結果である可能性がある．しかし，実際にこの戦略が将来の転倒予防に有用な代償戦略なのかは不明であった．

Fig. 3　3D space of joint angles and the UCM during reaching task.

The…dashed…triangle…area…corresponds…to…the…uncontrolled…manifold,…UCM…for…an…ac-curate… reaching… task… using… three… joints,… shoulder,… elbow,… and… wrist… joints.… For… ab-breviation,…see…the…caption…for…Fig…2.

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そこで 2 つ目の研究として，UCM変数と将来の転倒発生との関連を調査した16）_{．地域在住の健常高齢者} 28名を対象とし，ベースライン時に歩行計測を行った．歩行中のデータからUCM変数を算出し，その 1 年後にアンケート調査により転倒発生の有無を聴取した． 1 年間で転倒した高齢者は12名，転倒しなかった高齢者は16名であり，ロジスティック回帰分析の結果，ベースライン時に遊脚中期のVUCMが高い人ほど将来転倒しており，遊脚前期や後期でも同様の傾向がみられることが明らかになった…（Table.1）．歩行時の遊脚足部を十分に制御できていたにも関わらず将来の転倒発生リスクが高まっていたという我々の結果から，将来転倒するような高齢者は，遊脚足部を過度に意識することで身体重心などの他の要素が制御不良となっている可能性を考えた．この仮説を検証するため，我々は歩行中の身体重心を制御するためのセグメント協調と将来の転倒発生との関連を調査した（次項参照）． 4. 3. 身体重心とセグメントの協調高齢者は身体重心の不適切な移動によって転倒することが多く17）_{，特に歩行中は矢状面よりも前額面の不} 安定性が高まることが知られている18）_{．身体重心を制} 御するためのセグメント協調をUCM解析によって調査した研究では，ダウン症患者や片麻痺患者は，健常者に比べて歩行中のVUCMが増加することが報告されている19,…20）_{．これは，疾患による身体機能の低下を} VUCM増加によって補った結果であると考えられているが，身体重心を制御するためのセグメント協調の低下と将来の転倒リスクとの関連については不明であった．そこで我々は，前額面の身体重心を制御するためのセグメント協調と転倒発生との関連について調査を実施することとした．

Fig. 4　An illustration of body segments controlling to performance variable.

（a）…Seven…segments…and…14…degrees…of…freedoms…were…used…as…elemental…variables…to… control…performance…variable,…swing…foot…trajectories…（filled…circle）.

（b）…Eight…segments…and…16…degrees…of…freedom…were…used…as…elemental…variables…to… control…performance…variable,…center…of…mass…trajectories…（filled…circle）.

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対象者は先行研究16）_{と同様の健常高齢者28名とし，} ベースライン時の身体重心に対するセグメント協調とその後 1 年間の転倒発生との関連を調査した… （Fig.4b）．その結果，前額面のうち左右方向の身体重心を制御するセグメント協調に違いはみられなかったが，鉛直方向の身体重心については，将来転倒した高齢者のVORTが有意に増大していることが明らかになった．つまり，歩行中に鉛直方向の身体重心を不安定にするようなセグメント運動が大きい高齢者ほど，その後に転倒してしまう可能性が示唆された．本研究の高齢者が実際にどのような状況で転倒したのかについては調査できていないため，今後は実際の転倒の原因とUCM変数の変化を比較することで，転倒についてさらに知見が深まると考える． 4. 4. 身体重心と遊脚足部の制御我々の研究から，将来の転倒発生リスクが高い高齢者の特徴として，歩行中に下肢セグメントの協調によって遊脚足部は十分に制御できているが，身体重心は制御不良となっていることが明らかになった．遊脚足部は下肢セグメントの先端に位置し視覚的にも注意を向けやすい要素であるのに対して，身体重心の位置は想定しにくく意図的に注意を向けるのが困難であることが影響しているかもしれない．しかし，遊脚足部は歩行中の支持基底面の生成やクリアランスの確保に重要な役割を持っているため，歩行中に遊脚足部の制御が不要というわけではない．歩行のような複雑な動作においては遊脚足部と身体重心の制御が共に必要であり，一方の要素を過度に制御し，もう一方の要素が制御不良になってしまうと転倒リスクが増大する可能性が示唆された． 5. 最後に様々な研究により，リーチ動作などの単純な課題だけでなく歩行などの複雑な運動においても，身体内の関節や筋肉は合目的なかたちで構造化され変動していることが明らかになっている．このように，身体変動の中には動作を行う上で必要な変動も存在するため，動作中にみられる身体変動の大小を評価するだけでなく，UCM解析などを用いて変動の質を評価することも重要である．我々は遊脚足部と身体重心の挙動に着目し，転倒とUCM変数との関連について研究を行ってきたが，実際にどのような介入方法がセグメントの協調を高め，転倒予防に有効かは不明なままである．今後は，臨床に応用できるような介入方法の確立を目指す必要がある．　献文 1 ）…Bernstein…NA:…The…co-ordination…and…regulation… of…movements.…Oxford,…Pergamon,…1967

…2…）…Gelfand… IM,… Latash… ML:… On… the… Problem… of… Adequate… Language… in… Motor… Control.… Motor… Control…2:…306–313,…1998

3 ）…Latash…ML:…The…Bliss…of…Motor…Abundance.…Exp… brain…Res…217: 1–5,…2012

…4…）…Yamagata… M,… Falaki… A,… Latash… ML:… Stability… of… vertical… posture… explored… with… unexpected… mechanical… perturbations:… synergy… indices… and… motor…equivalence.…Exp…Brain…Res…236:…1501–1517,… 2018

5 ）…Latash…ML:…Towards…physics…of…neural…processes… and… behavior.… Neurosci… Biobehav… Rev… 69: 136– 146,…2016

Table 1 Logistic regression

Gait…velocity…was…used…to…calculate…OR…for…adjusted…predictors.…The…p-values…were…adjusted…by…the…method…of…Holm… correction…across…the…three…swing…phases.

Predictor UCM…variables…and…fall…status…OR…（95%…Confidence…Interval）

early-swing p-value mid-swing p-value late-swing p-value VUCM…（10-4_） _{1.50…（1.06-2.11）… 0.02} _{1.39…（1.08-1.78） 0.01*} _{1.06…（1.00-1.12） 0.03} VORT…（10-4_） _{1.01…（0.91-1.13） 0.82} _{1.03…（0.97-1.09） 0.31} _{1.04…（0.99-1.10） 0.78} Adjusted…VUCM…（10-4_） _{1.55…（1.04-2.29） 0.03} _{1.35…（1.06-1.72） 0.016*} _{1.05…（0.99-1.11）… 0.07} Adjusted…VORT…（10-4_） _{1.02…（0.88-1.12） 0.70} _{1.40…（0.85-2.30） 0.19} _{0.99…（0.87-1.14） 0.91} *Significant…predictor

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6 ）…Yamagata… M,… Falaki… A,… Latash… ML:… Effects… of… Voluntary… Agonist–Antagonist… Coactivation… on… Stability… of… Vertical… Posture. … Motor… Control… 23: 304–326,…2019

7 ）…Scholz…JP,…Schöner…G:…The…uncontrolled…manifold… concept: … Identifying… control… variables… for… a… functional…task.…Exp…Brain…Res…126: 289–306,…1999 …8…）…Mattos…DJS,…Latash…ML,…Park…E,…Kuhl…J,…Scholz…JP:…

Unpredictable… elbow… joint… perturbation… during… reaching…results…in…multijoint…motor…equivalence.… J…Neurophysiol…106:…1424–1436,…2011

9 ）…Hsu…WL,…Scholz…JP,…Schoner…G,…Jeka…JJ,…Kiemel… T: … Control… and… estimation… of… posture… during… quiet…stance…depends…on…multijoint…coordination.… J…Neurophysiol…97: 3024–3035,…2007…

10）…Rosenblatt… NJ,… Hurt… CP,… Latash… ML,… Grabiner… MD: … An… apparent… contradiction: … Increasing… variability… to… achieve… greater… precision? … Exp… Brain…Res…232: 403–413,…2014

11）…Verrel… J,… Lövdén… M,… Lindenberger… U:… Normal… aging…reduces…motor…synergies…in…manual…pointing.… Neurobiol…Aging…33:…201–210,…2012

12）…Hsu…WL,…Scholz…JP:…Motor…abundance…supports… multitasking… while… standing.… Hum… Mov… Sci… 31 （4）:…844–62,…2012

13）…Krishnan…V,…Rosenblatt…NJ,…Latash…ML,…Grabiner… MD:… The… effects… of… age… on… stabilization… of… the… mediolateral… trajectory… of… the… swing… foot.… Gait… Posture…38: 923–928,…2013

14）…Kao… PC, … Srivastava… S: … Mediolateral… footpath… stabilization…during…walking…in…people…following… stroke.…PLoS…One…13: 1–17,…2018

15）…Yamagata…M,…Tateuchi…H,…Shimizu…I,…Ichihashi…N:… The…effects…of…fall…history…on…kinematic…synergy… during…walking.…J…Biomech…82:…204–210,…2018 16）…Yamagata… M,… Tateuchi… H,… Shimizu… I,… Saeki… J,…

Ichihashi…N:…The…relation…between…limb…segment… coordination… during… walking… and… fall… history… in… community- dwelling… older… adults. … J… Biomech… 93: 94–100,…2019

17）…Robinovitch…SN…Feldman…F,…Yang…Y,…Schonnop…R,… Leung…PM,…Sarraf…T,…Sims-Gould…J,…Loughin…M:… Video… capture… of… the… circumstances… of… falls… in… elderly… people… residing… in… long- term… care: … an… observational…study.…Lancet…381: 47–54,…2013 18）…O’Connor… SM, … Kuo… AD: … Direction- dependent…

control…of…balance…during…walking…and…standing.… J…Neurophysiol…102: 1411–1419,…2009

19）…Papi…E,…Rowe…PJ,…Pomeroy…VM:…Analysis…of…gait… within… the… uncontrolled… manifold… hypothesis:… Stabilisation…of…the…centre…of…mass…during…gait.…J… Biomech…48:…324–331,…2015

20）…Black…DP,…Smith…BA,…Wu…J,…Ulrich…BD:…Uncontrolled… manifold… analysis… of…segmental… angle… variability… during…walking:…Preadolescents…with…and…without… Down…syndrome.…Exp…Brain…Res…183:…511–521,…2007

高齢者における歩行中の運動制御と転倒との関連