パーキンソン病における視床下核活動の周期的および非周期的成分は運動障害の異なる側面を反映する

背景紹介

パーキンソン病（Parkinson’s Disease, PD）は、運動緩慢（bradykinesia）、筋強剛（rigidity）、振戦（tremor）を主な症状とする神経変性疾患です。パーキンソン病の神経生理学は広く研究されていますが、未解決の問題が多く残されています。特に、パーキンソン病の運動症状に関連する特定の電気生理学的バイオマーカーを識別することは、研究の重要な焦点です。これらのバイオマーカーは、疾患のメカニズムを理解するだけでなく、深部脳刺激（Deep Brain Stimulation, DBS）技術の発展にも寄与します。

視床下核（Subthalamic Nucleus, STN）におけるβ振動（13-35 Hz）は、パーキンソン病の主要な電気生理学的バイオマーカーとされています。しかし、DBSシステムでフィードバック信号として使用されているβ振動の「病理的」振動範囲の具体的な境界は未だ明確ではなく、特に患者が異なる状態（例：レボドパ服用中または非服用中）にある場合にその範囲が変動することが問題となっています。そのため、刺激パラメータの最適化と、異なる患者の状態に対応できる最適なバイオマーカーの識別が現在の研究の焦点です。

論文の出典

この論文は、Ksenia Sayfulina、Veronika Filyushkina、Svetlana Usovaらによって執筆されました。彼らは、ロシア科学アカデミー化学物理学研究所の人間細胞神経生理学研究室、N.N. Burdenko国立神経外科医学研究センター、およびモスクワ高度研究センターに所属しています。論文は2025年に『European Journal of Neuroscience』誌に掲載され、タイトルは「Periodic and aperiodic components of subthalamic nucleus activity reflect different aspects of motor impairment in Parkinson’s disease」です。

研究の流れと結果

研究の流れ

1. 研究対象
   研究には14名のパーキンソン病患者（年齢36-64歳、平均51.9歳、女性10名）が参加しました。全員が両側STN方向性DBS電極埋め込み手術を受け、術後に外部化電極からの記録が行われました。

2. データ収集
   術後1日目と5日目に、患者の安静状態におけるSTN局所場電位（Local Field Potential, LFP）が記録されました。記録は、レボドパ投与前と投与後の2つの部分に分けて行われました。投与前には、患者は一晩レボドパを中止し、投与後には通常量の1.5倍のレボドパが投与されました。

3. データ処理と分析
   データの前処理には、バンドパスフィルタリング（1-500 Hz）、ノッチフィルタリング、および視覚検査によるアーティファクトの除去が含まれました。研究者は、Welch法を用いて2-49 Hz範囲のパワースペクトル密度（Power Spectral Density, PSD）を計算し、Donoghueら（2020）の方法を用いて周期的成分と非周期的成分を分離しました。周期的成分は振動ピークとして現れ、非周期的成分は1/fβスペクトル法則に従います。

4. クラスタ分析
   5-35 Hz範囲内で異なる振動特性を持つサブバンドを識別するため、振動ピークのクラスタ分析が行われました。振動ピークの高さ、幅、および周波数に基づいて、Wardの階層的クラスタリング法を用いて、振動ピークを5-14 Hz、14-20 Hz、20-28 Hz、28-35 Hzの4つのクラスタに分類しました。

5. 統計モデル
   研究者は、線形混合効果モデル（Linear Mixed Effects Model, LMEM）を用いて、STN活動と薬物状態/運動症状との関係を分析しました。モデルでは、患者の個体差がランダム切片として考慮されました。

主な結果

1. レボドパがSTN活動に与える影響
   レボドパ投与は、11-32 Hz範囲の振動活動を著しく抑制し、非周期成分の傾きを増加させました。非周期成分の傾きの変化は、運動症状の緩和と関連していました。

2. 振動活動と運動障害の関係
   非投薬状態では、14-20 Hz範囲の振動ピーク振幅が、運動緩慢、筋強剛、振戦を含む全体的な運動障害と有意に関連していました。一方、投薬状態では、7-11 Hz範囲の振動ピーク振幅が運動緩慢と有意に関連していました。

3. 非周期成分と症状緩和の関係
   非周期成分の傾きの増加は、運動緩慢の緩和と負の相関があり、筋強剛の緩和とは弱い正の相関を示しました。これは、非周期成分が症状緩和の有効なバイオマーカーとなり得ることを示唆しています。

結論と意義

結論

研究結果は、STN活動の周期的および非周期的成分が、パーキンソン病の運動障害の異なる側面を反映していることを示しています。非投薬状態では、低β帯域（14-20 Hz）の振動活動が全体的な運動障害と関連しており、投薬状態ではα帯域（7-11 Hz）の振動活動が運動緩慢と関連していました。さらに、非周期成分の傾きの変化は運動症状の緩和と有意に関連しており、治療効果を評価する有効なバイオマーカーとしての可能性を示しています。

科学的価値と応用価値

この研究は、周期的および非周期的成分を分離することで、異なる周波数帯域の振動活動と運動障害の関連を明らかにし、パーキンソン病の電気生理学的バイオマーカーに関する新たな知見を提供しました。これらの発見は、パーキンソン病の神経メカニズムを理解するだけでなく、適応型DBSシステムの最適化に向けた潜在的な方向性を示しています。例えば、患者の薬物状態に応じてフィードバック信号の周波数帯域を調整することで、治療効果を向上させることが可能です。

研究のハイライト

1. 新しい研究方法：クラスタ分析を用いてSTN振動活動の機能的サブバンドを識別し、異なる周波数帯域と運動障害の関連を明らかにしました。
2. 非周期成分の応用：非周期成分の傾きの変化と運動症状の緩和の関連を初めて報告し、非周期成分がバイオマーカーとしての可能性を示しました。
3. 多状態分析：投薬状態と非投薬状態の両方を考慮し、異なる状態における「病理的」周波数帯域の変化を明らかにしました。

その他の価値ある情報

研究では、振動活動と非周期成分に基づく適応型DBS戦略も提案されています。非投薬状態では低β振動をフィードバック信号として使用し、投薬状態ではα振動に切り替えることが推奨されています。さらに、非周期成分の傾きを用いて刺激効果を評価し、刺激パラメータを調整することが可能です。

この研究は、パーキンソン病の神経調節治療に新たな視点を提供し、今後の臨床実践と基礎研究の重要な基盤を築くものです。