脊髄損傷後の運動ニューロンの機能研究

背景紹介

脊髄損傷（Spinal Cord Injury, SCI）は、重篤な神経系疾患であり、患者の運動機能の喪失を引き起こすことが多い。脊髄損傷後、患者は四肢の自主的な運動を制御できない場合があるが、研究によれば、損傷レベル以下の運動ニューロンは一定の機能を保持している可能性がある。しかし、これらの運動ニューロンが損傷後にどのように振る舞い、機能回復のメカニズムがどのように働くかについては、まだ多くの謎が残されている。脊髄損傷後の運動ニューロンの変化をより深く理解するために、研究者らは高密度表面筋電図（High-Density Surface Electromyography, HDsEMG）と超音波イメージング技術を用いて、脊髄損傷患者と健康な対照群が手の運動を試みた際の運動単位の放電特性を分析した。

この研究は、脊髄損傷後の運動ニューロンの神経的および空間的特性を明らかにし、これらのニューロンが損傷後にどのように適応するかを探り、機能回復の潜在的なメカニズムを分析することを目的としている。脊髄損傷患者と健康な対照群の運動単位活動を比較することで、研究者らは将来の神経インターフェース技術やリハビリテーション治療に新たな知見を提供することを目指している。

論文の出典

この論文は、Daniela Souza de Oliveira、Marco Carbonaro、Brent James Raiteri、Alberto Botter、Matthias Ponfick、およびAlessandro Del Vecchioによって共同執筆された。研究チームは、ドイツのエアランゲン＝ニュルンベルク大学の人工知能と生物医学工学部門、イタリアのトリノ工科大学の神経筋システム工学研究所、ドイツのボーフム大学の運動科学部門、およびドイツのRummelsberg病院の脊髄損傷センターなど、複数の機関から構成されている。論文は2024年12月20日に『Journal of Neurophysiology』に初めて掲載され、DOIは10.1152/jn.00389.2024である。

研究の流れ

研究対象と実験設計

研究には、8名の慢性完全脊髄損傷患者（SCI群）と12名の健康な対照者（対照群）が参加した。SCI群の患者の損傷レベルはC4からC6の間に位置し、少なくとも1年以上手の自主的な運動能力がない状態であった。対照群は、年齢が27.1±3.4歳の健康な成人であった。すべての参加者はインフォームドコンセントに署名し、実験は倫理委員会の承認を得た。

実験中、研究者らは参加者の前腕筋に高密度表面筋電図電極グリッドを配置し、手の運動を試みた際の筋活動を記録した。参加者は仮想手の動きを示すビデオを見ながら、指の屈伸運動を試みた。実験タスクは、5本の指の個別の屈伸運動、指の開閉運動、および2本指と3本指のピンチ運動を含み、頻度は0.5 Hz、持続時間は42秒であった。

データ収集と分析

研究者らはHDsEMGを使用して参加者の筋活動を記録し、ブラインドソース分離アルゴリズムを用いて信号を分解し、個々の運動単位の放電パターンを抽出した。さらに、運動単位の空間的特性を分析するために、超音波イメージング技術を組み合わせ、筋組織の変位を観察した。

データ分析では、非負値行列因子分解（Non-negative Matrix Factorization, NNMF）法を用いて運動単位の共通入力パターンを抽出した。運動単位の放電パターンと仮想手の運動学との位相差を計算することで、研究者らは運動単位をタスク変調型（task-modulated）と非変調型（nonmodulated）に分類し、それらの放電特性を分析した。

実験結果

研究の結果、SCI群と対照群の両方において、運動単位の放電パターンは2つの主要なモードに分類できることが明らかになった。これらはそれぞれ指の屈曲と伸展運動に対応していた。SCI群の患者の運動単位の放電パターンは仮想手の運動学との相関が低かったが、両群間の時間遅延は類似しており、脊髄損傷後も運動ニューロンへの共通入力が保持されていることが示された。

さらに、SCI群では非変調型運動単位の割合が対照群よりも有意に高く、脊髄損傷後に一部の運動単位の放電パターンが不規則または強直性になっていることが示された。研究者らはまた、SCI群の運動単位の活動領域がより広いことを発見し、これは損傷後の神経再構築と筋線維の再支配に関連している可能性がある。

HDsEMGと超音波イメージング技術を組み合わせることで、研究者らは脊髄損傷患者の麻痺した筋肉が運動を試みた際に局所的な変位を生じることを観察し、これらの筋肉に機能的な運動単位が依然として存在することを示した。

結論と意義

この研究は、脊髄損傷後の運動ニューロンの放電特性と空間分布の変化を明らかにし、患者が四肢の自主的な運動を制御できないにもかかわらず、その運動ニューロンが一定の機能を保持していることを示した。研究結果は、運動ニューロン活動に基づく高性能のブレイン・マシン・インターフェースシステムの開発に重要な根拠を提供し、特に麻痺した筋肉の運動意図を解読する点で潜在的な応用価値がある。

さらに、研究は脊髄損傷後の運動単位の行動の多様性を強調し、将来のリハビリテーション治療では個々の差異を考慮し、異なる運動単位特性に基づいて個別化された治療計画を立てる必要があることを示唆している。

研究のハイライト

1. 新しい実験手法：研究は高密度表面筋電図と超音波イメージング技術を組み合わせ、脊髄損傷患者において初めて運動単位の神経活動と筋組織の変位を同時に記録した。
2. 重要な発見：研究は、脊髄損傷後も運動ニューロンへの共通入力が保持されており、一部の運動単位が運動意図に反応できることを明らかにし、将来の神経インターフェース技術に新たな可能性を提供した。
3. 臨床応用の可能性：研究結果は、麻痺した筋肉の運動単位活動を解読することで、運動意図のリアルタイム解読が可能であることを示し、脊髄損傷患者のリハビリテーション治療と補助機器開発に新たな視点を提供した。

その他の価値ある情報

研究チームは、将来的に脊髄損傷後の運動単位の長期的な変化をさらに探求し、閉ループトレーニングとリアルタイムフィードバックを通じて運動単位の制御を最適化することを計画している。また、研究データの公開は、他の研究者にとって貴重な研究資源を提供し、脊髄損傷分野のさらなる発展を促進するだろう。