経頭蓋磁気刺激のパルス間隔が上腕二頭筋の皮質脊髄興奮性に及ぼす影響

研究背景

経頭蓋磁気刺激（Transcranial Magnetic Stimulation, TMS）は、非侵襲的な神経科学研究技術であり、健康な個人や臨床患者の皮質脊髄興奮性を評価するために広く使用されています。TMSは、一次運動野に電磁パルスを加えることで、下行性皮質脊髄路を間接的に活性化し、標的筋肉に運動誘発電位（Motor Evoked Potential, MEP）を発生させます。MEPの振幅は、通常、皮質脊髄路の興奮状態を示す指標として解釈され、振幅が大きいほど興奮性が高いことを示します。

しかし、TMSの大きな欠点の一つは、MEPの変動性です。厳密に制御された条件下でも、数秒以内に誘発されたMEPの振幅が異なることがあります。この変動性が研究結果に及ぼす影響を減らすために、TMS研究では通常、単一の実験条件で複数のMEP（通常8～10回以上）を誘発し、これらの測定値の平均値を計算して、皮質脊髄興奮性のより合理的な指標とします。しかし、TMS研究者は、隣接する刺激間の時間間隔（パルス間隔、Inter-Pulse Interval, IPI）を選択する際に、しばしば恣意的に決定し、同じ実験内でIPIを変更することさえあります。これまでの研究では、IPIがMEPの振幅に影響を及ぼす可能性が示されており、特に安静状態の筋肉においてその影響が確認されています。しかし、能動的に収縮している筋肉におけるIPIのMEP振幅への影響については、研究が少なく、結論が明確ではありません。

そこで、本研究は、上腕二頭筋と上腕三頭筋が最大下等尺性肘屈曲を行っている際に、IPIがMEP振幅に及ぼす影響を調査することを目的としています。研究の仮説は、IPIが上腕二頭筋または上腕三頭筋のMEP振幅に影響を及ぼさないというものです。

研究の出典

本研究は、David H. Imeson、Lea Gerditschke、Liana E. Brown、およびDavis A. Formanによって共同で行われました。彼らはカナダのTrent Universityの運動学部門および心理学部門に所属しています。研究は2025年にEuropean Journal of Neuroscience誌に掲載され、論文のタイトルは《Transcranial Magnetic Stimulation Inter-Pulse Interval Does Not Influence Corticospinal Excitability to the Biceps Brachii During Submaximal Isometric Elbow Flexion》です。

研究の流れ

1. 参加者の募集と実験設定

研究では、12名の右利きの参加者（平均年齢22.1歳）を募集し、すべての参加者はTMSの安全チェックおよび身体活動適性評価を通過しました。実験中、参加者は直立して座り、右前腕をフォーム製のアームレストに置き、手首をベルクロバンドで固定して等尺性肘屈曲を行いました。実験では、コンピューターモニターを通じて上腕二頭筋の筋活動をリアルタイムでフィードバックし、参加者は筋活動を目標範囲内（最大筋活動の10％）に保つ必要がありました。

2. 筋電図（EMG）記録

双極表面電極を使用して、上腕二頭筋と上腕三頭筋の筋活動を記録しました。電極は筋繊維の方向に配置され、信号はCED Micro 1401-4デバイスを使用して5 kHzのサンプリングレートで記録され、Signal 8ソフトウェアを使用して分析されました。信号は増幅およびフィルタリング処理され、データの品質が確保されました。

3. 経頭蓋磁気刺激（TMS）設定

TMSは、円形コイルを使用して頭頂部に適用され、刺激強度は上腕二頭筋の能動的運動閾値の120％に設定されました。実験では、6つの異なるIPI条件（4、6、8、10、12、および14秒）を設計し、各条件で5回の刺激を行い、合計5セットの刺激（各セット25回の刺激）を行いました。参加者は、各刺激の1秒前に筋収縮を開始し、刺激後に0.5秒間その状態を維持する必要がありました。

4. データ分析

MEPのピークトゥピーク振幅は、背景EMG信号の初期偏位から測定され、すべてのMEP振幅はベースライン値に正規化されました。さらに、刺激前の筋活動も測定され、最大等尺性収縮（MVC）時の筋活動に正規化されました。統計分析はSPSSソフトウェアを使用し、二重反復測定分散分析（ANOVA）を用いて、IPIおよびMEP番号がMEP振幅および刺激前筋活動に及ぼす影響を評価しました。

研究結果

1. 刺激前の筋活動

上腕二頭筋と上腕三頭筋の刺激前筋活動は、異なるIPI条件およびMEP番号間で有意な差は見られませんでした。これは、筋活動が実験全体を通じて一貫しており、皮質脊髄興奮性に影響を与えなかったことを示しています。

2. 皮質脊髄興奮性

上腕二頭筋と上腕三頭筋のMEP振幅は、異なるIPI条件間で有意な差は見られませんでした。しかし、MEP振幅が刺激前筋活動の比率として表された場合、上腕二頭筋のMEP振幅は最初の刺激後に有意に減少しました（MEP 1: 32.8 ± 5.9; MEP 5: 27.7 ± 4.3, p < 0.05）。この結果は、IPIがMEP振幅に影響を与えないものの、連続刺激によりMEP振幅が徐々に減少する可能性があることを示唆しています。

結論と意義

本研究の結論は、最大下等尺性肘屈曲中、IPI（4～14秒）が上腕二頭筋および上腕三頭筋のMEP振幅に有意な影響を及ぼさないことを示しています。この発見は、安静状態の筋肉における以前の研究結果と対照的であり、IPIがMEP振幅に及ぼす影響は筋肉の収縮状態に依存する可能性があることを示唆しています。さらに、研究では、最初の刺激後のMEP振幅が有意に減少することが明らかになり、連続刺激条件下ではMEP振幅が徐々に低下する可能性があることが示されました。

研究のハイライト

1. 能動的収縮筋肉におけるIPIの影響を初めて調査：本研究は、IPIが上腕二頭筋および上腕三頭筋のMEP振幅に及ぼす影響を初めて調査し、この分野の研究ギャップを埋めました。
2. 多様なIPI条件の設計：研究では、6つの異なるIPI条件を設計し、IPIがMEP振幅に及ぼす影響を包括的に評価しました。
3. 連続刺激がMEP振幅に及ぼす影響：研究では、連続刺激によりMEP振幅が徐々に減少する可能性があることが明らかになり、この発見はTMS研究の設計において重要な指針となります。

今後の研究方向

今後の研究では、より長いIPI（例えば20秒以上）がMEP振幅に及ぼす影響や、異なる神経筋状態（疲労、損傷、またはより高い収縮強度）下でのIPIの役割をさらに探求することができます。また、より高い刺激強度下でのIPIがMEP振幅に及ぼす影響についても調査することができます。