脊髄損傷後の麻痺筋肉における運動ニューロンの放電特性に関する研究

学術的背景紹介

脊髄損傷（Spinal Cord Injury, SCI）は、深刻な神経損傷であり、通常、損傷レベル以下の運動や感覚機能の喪失を引き起こします。臨床的に完全脊髄損傷と診断された患者は、損傷レベル以下の筋肉を自発的に制御できないと考えられていますが、過去の研究によれば、一部の患者では損傷レベル以下にも機能的な運動ニューロンが残存しており、これらのニューロンは残存する神経経路を通じて制御される可能性があります。しかし、これらの残存運動ニューロンが脊髄損傷後にどのように適応するか、またその特性に関する研究は未だ不十分です。

これらの残存運動ニューロンの特性を理解することは、神経インターフェースを基にした支援機器の開発において重要です。例えば、これらの運動ニューロンの信号を解読することで、麻痺患者が部分的に運動能力を回復するためのブレイン・コンピュータ・インターフェース（Brain-Computer Interface, BCI）システムを開発することが可能となります。しかし、現在の研究は主に動物モデルに焦点を当てており、ヒトにおける脊髄損傷後の運動ニューロンの特性に関する体系的な研究は限られています。

本論文は、高密度表面筋電図（High-Density Surface Electromyography, HD-sEMG）と超音波イメージング技術を用いて、脊髄損傷患者と健常者を対象として、手の運動を試みた際の運動ニューロンの活動パターンと空間的特性を分析し、脊髄損傷後の運動ニューロンの変化と機能の保持メカニズムを明らかにすることを目的としています。

論文の出典

本研究は、Daniela Souza de Oliveira、Marco Carbonaro、Brent James Raiteriらによって共同で行われました。著者らは、Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg（ドイツ）、Politecnico di Torino（イタリア）、Ruhr University Bochum（ドイツ）などの機関に所属しています。論文は2024年12月20日にJournal of Neurophysiologyに掲載され、DOIは10.1152/jn.00389.2024です。

研究のプロセスと結果

1. 研究対象と実験設計

本研究では、8名の慢性完全脊髄損傷患者（SCI群）と12名の健常者（対照群）を募集しました。SCI群の参加者は18歳から60歳の間であり、損傷レベルはC4からC6の間に位置していました。実験中、参加者は仮想の手の動画を見て、指の屈伸運動（親指、人差し指、中指、薬指、小指の屈伸、および指のつまみ動作と開閉動作）を試みました。

実験では、高密度表面筋電図（HD-sEMG）を使用して参加者の前腕筋肉の活動を記録し、超音波イメージング技術を用いて筋肉の変位を観察しました。運動ニューロンの活動パターンを分析するために、研究チームは非負値行列因子分解（Non-negative Matrix Factorization, NMF）アルゴリズムを適用し、運動ニューロンの共通入力パターンを抽出しました。さらに、その発火パターンに基づいて、運動ニューロンをタスク調節型と非調節型（持続的または不規則な発火を示す運動ニューロン）に分類しました。

2. データ分析と主要な結果

2.1 運動ニューロンのモード分析
NMFアルゴリズムを用いて、研究チームは指の屈伸運動に対応する2つの主要な運動ニューロンモードを抽出することに成功しました。SCI群と対照群の両方において、これらのモードが運動ニューロン活動の大部分の分散を占めていました（SCI群：78.1%、対照群：74.0%）。これは、脊髄損傷後も運動ニューロンが共通の入力パターンを保持していることを示しています。

2.2 運動ニューロンの分類
位相差分析に基づいて、研究チームはSCI群において非調節型運動ニューロンの割合が対照群よりも有意に高いことを発見しました（SCI群：53.4%、対照群：46.2%）。一方、タスク調節型運動ニューロンの割合は低い結果となりました（SCI群：20.8%、対照群：26.2%）。この結果は、脊髄損傷後に運動ニューロンが共通の入力に反応する能力を保持しているものの、その発火パターンの制御能力が著しく低下していることを示しています。

2.3 筋肉の超音波画像結果
超音波イメージング技術を用いて、研究チームは脊髄損傷患者が手の運動を試みた際に、前腕筋肉が局所的に変位することを観察しました。これらの変位は、運動ニューロンの発火活動と密接に関連しており、患者が実際に指を動かせないにもかかわらず、前腕筋肉が神経入力に反応できることを示しています。

2.4 運動ニューロンの空間的特性
研究では、SCI群の運動ニューロンの活動電位の範囲が対照群よりも有意に大きいことも明らかになりました（SCI群：560.0 mm²、対照群：448.0 mm²）。これは、脊髄損傷後に神経再支配が生じ、運動ニューロンの筋繊維が筋肉内により広く分布するようになった可能性を示唆しています。

3. 結論と意義

本研究は、完全脊髄損傷患者においても、残存する運動ニューロンが共通の入力に反応し、一定の機能を保持していることを示しています。非調節型運動ニューロンの割合が高いものの、これらの運動ニューロンの活動を解読することで、運動意図を識別することが可能です。これは、神経インターフェースを基にした支援機器の開発において重要な理論的基盤を提供します。

さらに、研究チームはHD-sEMGと超音波イメージング技術を組み合わせることで、ヒトの脊髄損傷患者において運動ニューロンの活動と筋肉の変位を同時に観察することに初めて成功しました。これは、今後の神経リハビリテーション研究において新たな実験手法を提供するものです。

研究のハイライト

1. 革新的な手法：本研究では、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ることで、完全脊髄損傷患者において運動ニューロンの活動と筋肉の変位を同時に記録・分析することを初めて実現しました。
   
2. 重要な発見：研究により、完全脊髄損傷患者においても、残存する運動ニューロンが共通の入力に反応し、その活動パターンが健常者と類似していることが明らかになりました。
   
3. 応用価値：これらの残存運動ニューロンの活動を解読することで、神経インターフェースを基にした支援機器の開発に重要な理論的支援を提供し、麻痺患者が部分的に運動機能を回復するための道を開くことができます。

本研究は、European Research Council（ERC）およびドイツ教育研究省（BMBF）からの一部の資金提供を受けており、研究の円滑な実施に重要な支援を提供しました。