単回の長時間橈側手根屈筋振動が感覚運動皮質領域の活動を増加させる研究

神経内科学 医学
振動 感覚運動皮質 脳の可塑性 脳波 神経生理学

局所振動が感覚運動皮質活動に及ぼす影響

背景紹介

局所振動（Local Vibration, LV）は、高周波数（≥100 Hz）および低振幅（ mm）の振動刺激を筋肉または腱に加える技術です。研究によると、LVはIa類求心性線維（Ia afferents）を繰り返し活性化することで、脳の可塑性（plasticity）を促進することが示されていますが、その具体的なメカニズムはまだ明確ではありません。LVはリハビリテーション医学やスポーツトレーニングに広く応用されており、特に脳卒中患者の運動機能回復や痙縮緩和において顕著な効果を示しています。しかし、LVが大脳皮質活動に及ぼす急性影響とその神経生理学的メカニズムについては、さらなる研究が必要です。

本研究の目的は、30分間の局所振動が手首屈筋（Flexor Carpi Radialis, FCR）の感覚運動皮質（一次運動野M1、一次感覚野S1、および後頭頂葉皮質PPC）の活動に及ぼす急性影響を探ることです。脳波（Electroencephalography, EEG）記録を通じて、研究チームはLVが感覚求心路を介して大脳皮質活動にどのように影響を与えるかを明らかにし、その神経可塑性メカニズムを探ることを目指しています。

論文の出典

本論文は、Clara Pfenninger、Marie Fabre、Narimane Zeghoudi、Ahmed Adham、Charles-Etienne Benoit、およびThomas Lapoleによって共同執筆されました。研究チームは、フランスのサン・テティエンヌ大学のLaboratoire Interuniversitaire de Biologie de la Motricité、およびリヨン大学とサヴォワ・モンブラン大学に所属しています。論文は2025年に『Journal of Neurophysiology』に掲載されました。

研究プロセスと実験設計

研究対象と実験設計

研究では、16名の健康な参加者（男性10名、女性6名）を募集し、年齢範囲は27±6歳でした。すべての参加者は神経疾患や筋骨格系の損傷を有していませんでした。実験は3つの段階に分けて行われました：ベースライン測定（Con-1）、10分間の休息後の対照測定（Con-2）、および30分間の局所振動後の測定（Post-Vib）。

実験手順

  1. ベースライン測定：参加者はまず10回の次最大等尺性収縮（submaximal isometric contractions）を行い、その後3回の最大随意収縮（Maximal Voluntary Contractions, MVCs）を行い、後続の実験の目標力（10% MVC）を決定しました。
  2. 局所振動介入：LV装置は100 Hzの周波数と1 mmの振幅で右腕屈筋に振動刺激を与え、各振動は10分間続き、合計3回行われ、各回の間に1分間の休息を挟みました。
  3. EEG記録：ベースライン、対照、および振動後、参加者は30回の等尺性手首屈曲収縮を行い、同時にEEG信号を記録しました。EEG信号は64チャンネルの電極キャップを使用して記録され、サンプリングレートは2048 Hzでした。

データ分析

EEG信号は前処理（フィルタリング、ノイズ除去、セグメント化）を経た後、Brainstormソフトウェアを使用してソースローカライゼーションと時間周波数分析が行われました。研究では、α（8-12 Hz）およびβ（15-35 Hz）帯域の脱同期化（Event-Related Desynchronization, ERD）と同期化（Event-Related Synchronization, ERS）活動に焦点を当てました。ソースローカライゼーション技術は、体積伝導（volume conduction）の影響を減らし、空間分解能を向上させるために使用されました。

主な結果

1. 収縮準備段階

収縮準備段階では、振動後（Post-Vib）のM1、S1、およびPPC領域のα帯域脱同期化が有意に増加しました（p < 0.05）。これは、これらの領域の皮質活動が増加したことを示しています。β帯域の脱同期化もM1およびS1領域で有意に増加しました（p < 0.05）が、PPC領域では有意差は見られませんでした（p = 0.07）。

2. 収縮開始段階

収縮開始段階では、M1、S1、およびPPC領域のα帯域脱同期化が有意に増加しました（p < 0.05）。β帯域の脱同期化もM1およびS1領域で有意に増加しました（p < 0.05）が、PPC領域では有意差は見られませんでした（p = 0.07）。

3. 力プラトー期

力プラトー期では、M1、S1、およびPPC領域のα帯域脱同期化が有意に増加しました（p < 0.05）が、β帯域の脱同期化には有意な変化は見られませんでした（p > 0.05）。これは、振動後の皮質活動の増加が主にα帯域に現れたことを示しています。

4. リラクゼーション段階

リラクゼーション段階では、αおよびβ帯域の脱同期化に有意な変化は見られませんでした（p > 0.05）。これは、振動がリラクゼーション段階の皮質活動に及ぼす影響が小さいことを示しています。

結論と意義

本研究は、30分間の局所振動が感覚運動皮質（M1、S1）および後頭頂葉皮質（PPC）の活動を有意に増加させることを示しました。特に、収縮準備および開始段階でこの増加が顕著でした。この皮質活動の増加は、LVによって誘発されたIa類求心性線維の放電が感覚求心路を介して皮質領域に投射し、脳の可塑性変化を引き起こすためである可能性があります。研究結果は、LVのリハビリテーション医学への応用に神経生理学的根拠を提供し、今後の研究で繰り返しLV介入の長期的効果を探るための基盤を築きました。

研究のハイライト

  1. 初めてソースレベルでEEG信号を分析：ソースローカライゼーション技術を使用することで、研究チームはM1、S1、およびPPC領域の活動をより正確に推測し、体積伝導の影響を減らすことができました。
  2. LVが感覚運動皮質に及ぼす急性影響を明らかに：研究は初めて、LVが感覚求心路を介して大脳皮質活動にどのように影響を与えるかを体系的に示しました。
  3. LVの臨床応用に理論的支援を提供：研究結果は、LVの脳卒中リハビリテーションおよびスポーツトレーニングへの応用に新たな神経生理学的証拠を提供しました。

その他の価値ある情報

研究チームは、今後の研究では繰り返しLV介入が脳の可塑性に及ぼす長期的影響をさらに探求し、異なる患者集団での応用効果を考慮するべきであると指摘しています。また、研究データは公開されており、他の研究者によるさらなる分析と検証が可能です。