腰椎経皮脊髄刺激による神経構造の活性化：刺激波形と強度の違いによる影響

神経内科学 医学
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経皮脊髄刺激（TSS）による神経構造の活性化への差異的な影響

背景紹介

経皮脊髄刺激（Transcutaneous Spinal Cord Stimulation, TSS）は、皮膚表面に電極を配置し、電流を流すことで脊髄内の神経構造を活性化し、筋肉反応を誘発する非侵襲的な神経刺激技術です。TSSは脊髄損傷（Spinal Cord Injury, SCI）のリハビリテーションにおいて、患者の運動機能を向上させる可能性を示しています。しかし、TSSの具体的な作用機序はまだ完全には解明されておらず、特に異なる刺激波形や強度がどのように神経構造の活性化に影響を与えるかについては十分に研究されていません。

TSSの作用機序をより深く理解するため、研究者たちは異なる刺激波形（従来の波形と高周波バースト波形）および強度（閾値と超閾値）が腰椎TSSによって誘発される筋肉反応にどのような影響を与えるかを探究しました。具体的には、本研究は以下の疑問に答えることを目的としています：TSSによって活性化される神経構造は、刺激波形や強度の変化によって異なるのか？この問題の解答は、特に異なる筋肉の運動機能回復に対するTSSの治療効果を最適化するために重要です。

研究の出所

本研究は、Neuroscience Research Australia、University of New South Wales、Edith Cowan University、Prince of Wales Hospitalの研究チームによって共同で行われました。主な著者にはHarrison T. Finn、Marel Parono、Elizabeth A. Byeなどが含まれます。研究は2025年に『Journal of Neurophysiology』に掲載されました。

研究の流れ

1. 研究対象と実験デザイン

研究には15名の健康な成人（女性9名、男性6名）が参加し、年齢は全て18歳以上で、神経学的疾患の既往歴はありませんでした。被験者は実験中、座った状態で、股関節を120度屈曲させ、膝関節を20度屈曲させ、足関節を130度底屈させました。全ての筋肉は安静状態にありました。

2. 刺激パラメータ

TSS刺激は、L1-L3の椎骨表面に配置された電極を用いて行われ、以下の2種類の波形を使用しました： - 従来の波形：400マイクロ秒の二相パルス1回。 - 高周波バースト波形：40マイクロ秒の二相パルスを10 kHzの周波数で10回。

刺激強度は閾値と超閾値の2種類に分けられました。閾値は視覚的に確認可能な筋肉反応を誘発する最低強度と定義され、超閾値は筋肉反応のピークが最大M波（Mmax）の5％に達する強度に設定されました。

3. 実験手順

実験は以下の手順で行われました： - 単回TSS刺激：内側広筋（vastus medialis, VM）、前脛骨筋（tibialis anterior, TA）、内側腓腹筋（medial gastrocnemius, MG）の脊髄誘発運動反応（spinally evoked motor response, SEMR）を記録しました。 - 二回TSS刺激：二回の刺激の時間間隔は80ミリ秒とし、二回目のSEMRの抑制現象（postactivation depression）を評価しました。 - TMSとTSSのペア刺激：TMS（経頭蓋磁気刺激）とTSSをペアにし、運動ニューロン上での相互作用を研究しました。TMS刺激強度は、VMで超閾値SEMRを越える運動誘発電位（motor evoked potential, MEP）を誘発するように設定されました。

4. データ分析

異なる刺激条件下でのSEMR、MEP、Mmaxの潜時と面積を比較し、刺激波形と強度が神経構造の活性化に与える影響を分析しました。データ処理はPythonスクリプトを使用し、統計モデルには一般化線形混合モデル（GLMM）が採用されました。

主な結果

1. 内側広筋（VM）の反応

  • SEMR潜時：VMのSEMR潜時は短く、平均8〜9ミリ秒で、大腿神経刺激によって誘発されるM波の潜時に近く、TSSが主に運動神経軸索を活性化していることを示唆しています。
  • 二回TSS刺激：二回目のSEMRの面積は一回目よりも20〜30％減少し、TSSが感覚神経軸索をあまり活性化していないことを示しています。
  • TMSとTSSのペア刺激：TMSとTSSが同時またはやや早く運動ニューロンに到達した場合、明確な反応の増強は観察されず、TSSが主に運動神経軸索を活性化しているという結論をさらに支持しています。

2. 前脛骨筋（TA）と内側腓腹筋（MG）の反応

  • SEMR潜時：TAとMGのSEMR潜時も短く、TSSが運動神経と感覚神経軸索の両方を活性化している可能性を示しています。
  • 二回TSS刺激：超閾値刺激では、従来の波形による二回目のSEMRの抑制がより顕著であり、従来の波形がより多くの感覚神経軸索を活性化していることを示しています。
  • TMSとTSSのペア刺激：超閾値刺激では、TMSがやや早くまたは同時に運動ニューロンに到達した場合、TAとMGのペア反応が顕著に増強され、TSSが感覚神経軸索を活性化しているという結論をさらに支持しています。

結論と意義

本研究は、経皮脊髄刺激（TSS）によって活性化される神経構造が、刺激波形と強度の違いによって異なることを示しています。内側広筋（VM）では、TSSが主に運動神経軸索を活性化するのに対し、前脛骨筋（TA）と内側腓腹筋（MG）では、TSSが感覚神経軸索も同時に活性化しました。超閾値刺激と従来の波形は、感覚神経軸索をより効果的に活性化し、一方で高周波バースト波形は、より多くの運動神経軸索を活性化する可能性があります。

これらの発見は、リハビリテーションにおけるTSSの応用を最適化する上で重要な意義を持ちます。刺激パラメータを調整することで、特定の神経構造をより正確に活性化し、治療効果を向上させることが可能です。さらに、本研究はTSSの作用機序を理解するための新しい洞察を提供し、今後の研究の基盤を築きました。

研究のハイライト

  1. 筋肉間の差異：研究により、TSSが異なる筋肉の神経構造を活性化する際に差異が生じることが明らかになり、個別化されたリハビリテーション治療にとって重要な意味を持ちます。
  2. 刺激パラメータの影響：超閾値刺激と従来の波形が感覚神経軸索をより効果的に活性化することが示され、TSSパラメータの最適化に役立つ根拠を提供しました。
  3. 革新的な実験デザイン：TMSとTSSのペア刺激を組み合わせることで、研究チームはTSSが運動ニューロンに与える活性化メカニズムをより深く理解することができました。
  4. 統計モデルの応用：一般化線形混合モデル（GLMM）の使用により、データ分析の正確性と信頼性が確保されました。

その他の価値ある情報

本研究の限界には、中枢伝導時間の計算におけるいくつかの仮定、およびTAとMGのSEMRサイズを制御できなかったことが含まれます。今後の研究では、実験デザインを最適化することで、これらの発見をさらに検証することが期待されます。