軽触が前庭誘発バランス反応をどのように変えるか

背景紹介

バランス制御は、姿勢と運動を維持するための人体の重要なメカニズムであり、視覚、前庭感覚、触覚を含む複数の感覚情報の統合に依存しています。前庭系は、頭部の動きや位置変化を感知し、重要なバランス情報を提供します。しかし、これらの感覚情報が衝突する場合、中枢神経系（CNS）は「感覚運動再重み付け」（sensorimotor reweighting）を通じて、異なる感覚情報への依存度を調整し、バランスを維持する必要があります。

軽触（light touch）とは、指先と安定した表面との間の軽い接触（通常2ニュートン未満の力）を指し、体の揺れ幅（center of pressure, COP）を大幅に減少させることができます。一方、前庭電気刺激（electrical vestibular stimulation, EVS）は誤った前庭情報を導入し、体の揺れを増加させます。これらの感覚情報の衝突は、感覚運動再重み付けの動的メカニズムを研究するための独特の機会を提供します。

本研究は、カナダのウォータールー大学（University of Waterloo）の運動と健康科学科に所属するMegan H. Goar、Michael Barnett-Cowan、およびBrian C. Horslenによって共同で行われました。研究は2024年12月3日に『Journal of Neurophysiology』に掲載され、軽触が前庭誘発バランス反応にどのように影響するかを探り、感覚運動再重み付けの動的プロセスを明らかにすることを目的としています。

研究プロセスと実験設計

実験対象と倫理承認

研究では、16名の健康な若年成人（18-35歳）が実験1に参加し、10名が実験2に参加しました。すべての参加者は神経学的または整形外科的な疾患がなく、インフォームドコンセントに署名しました。実験はウォータールー大学研究倫理委員会の承認を得ています（REB #44217）。

実験装置と設定

参加者は裸足で2つのフォースプレート（AMTI OR6-5）の上に立ち、足を足の長さに等しい間隔で開きました。頭部は固定された角度（18°）で特定の姿勢を保ち、前庭電気刺激（EVS）が効果的にバランス反応を誘発できるようにしました。EVSは、両耳の乳様突起上の電極を通じて適用され、刺激信号は0-25 Hzのランダムノイズで、ピーク電流は4.5 mAでした。

実験条件

実験は2つの条件に分けられました：無接触（no-touch）と軽触（touch）。軽触条件では、参加者は人差し指でロードセル（load cell）に軽く触れ、1-2ニュートンの力を加えました。無接触条件では、参加者は指を浮かせ、何も表面に触れませんでした。

実験1：単一状態実験

実験1には2種類の試験が含まれました：ベースライン試験と単一状態試験。ベースライン試験は60秒間続き、参加者はEVSを適用せずに無接触または軽触を行いました。単一状態試験は200秒間続き、参加者はEVSを適用しながら無接触または軽触を行いました。線形システム分析（コヒーレンスとゲインなど）を使用して、EVSとCOPの関係を定量化しました。

実験2：切り替え実験

実験2では、切り替え試験が導入され、300秒間続き、参加者は6-15秒ごとに無接触と軽触の間で切り替えました。切り替えは実験者がレバーシステムを通じて制御し、軽触の導入または除去時のEVSとCOPの関係の動的変化を研究しました。

データ分析

COPデータはフォースプレートで記録され、MATLABを使用してオフライン分析されました。コヒーレンス（coherence）とゲイン（gain）は、EVSとCOPの関係を定量化するために使用されました。コヒーレンスは、COPの変化のうちEVSによって説明可能な部分を反映し、ゲインはCOPのEVSに対する応答の大きさを反映します。

主な結果

軽触がCOP変位を減少させる

実験結果は、軽触がCOPの変位幅を大幅に減少させることを示しました。ベースライン試験では、軽触条件下でCOP変位が49%（実験1）と52%（実験2）減少しました。単一状態試験では、軽触条件下でCOP変位が45%（実験1）と50%（実験2）減少しました。これは、軽触が前庭電気刺激の干渉下でも体の揺れを効果的に減少させることを示しています。

軽触が高周波数前庭寄与を増加させる

軽触はCOPの全体的な変位を減少させましたが、高周波数（12-30 Hz）範囲でのEVSとCOPのコヒーレンスを増加させました。実験1と実験2の両方で、軽触条件下で高周波数コヒーレンスが有意に増加し、特に12-28.5 Hz範囲で顕著でした。これは、軽触が前庭誘発揺れの振幅を減少させるだけでなく、高周波数前庭情報のバランス制御への寄与を増加させることを示しています。

ゲインの変化

コヒーレンスとは対照的に、軽触はEVSとCOPのゲインを有意に減少させました。実験1では、軽触条件下でゲインが58%減少し、実験2では68%減少しました。これは、軽触がCOPのEVSに対する応答振幅を減少させたことを示しています。

切り替え実験の動的変化

切り替え実験では、軽触から無接触に切り替える際、コヒーレンスとゲインの変化が接触が切れる前または後に発生しました。一方、無接触から軽触に切り替える際、コヒーレンスとゲインの変化は遅れて発生しました。これは、CNSが軽触情報を失った場合に前庭運動制御をより迅速に調整できる一方、軽触情報を獲得する際には評価と適応により多くの時間を必要とすることを示しています。

結論と意義

科学的価値

本研究は、軽触が感覚運動再重み付けメカニズムを通じて前庭誘発バランス反応をどのように調節するかを明らかにしました。軽触は、前庭誘発揺れの振幅を減少させるだけでなく、高周波数前庭情報のバランス制御への寄与を増加させます。この発見は、特に感覚情報が衝突する状況下での多感覚統合メカニズムの理解を拡大します。

応用価値

研究結果は、姿勢安定性を向上させる治療介入や補助技術の設計に潜在的な応用価値を持っています。例えば、軽触は、高齢者やバランス障害を持つ患者の姿勢制御を改善するための非侵襲的なバランストレーニング方法として使用できる可能性があります。

研究のハイライト

1. 高周波数前庭寄与の発見：軽触は高周波数範囲でのEVSとCOPのコヒーレンスを増加させ、この現象はこれまでの研究では報告されていませんでした。
2. 動的感覚運動再重み付け：切り替え実験は、CNSが軽触情報を失う場合と獲得する場合の異なる適応メカニズムを明らかにしました。
3. 機械的安定性と感覚運動的安定性の区別：ロードセルの四分位分析を通じて、軽触の効果が主に感覚運動的安定性に依存し、機械的安定性には依存しないことが確認されました。

その他の価値ある情報

研究では、軽触力の大きさがEVSとCOPの関係に与える影響も検討し、軽触力の微小な変化（2ニュートン未満）がコヒーレンスとゲインに与える影響が小さいことを発見しました。これは、軽触の安定効果が主にその可用性に依存し、具体的な力の大きさには依存しないことを示しています。

本研究は、革新的な実験設計と詳細なデータ分析を通じて、軽触が前庭運動制御において重要な役割を果たすことを明らかにし、今後のバランス制御研究に新たな方向性を提供しました。