経脊髄刺激が健康な人間の歩行中に屈曲反射経路をダウンレギュレートする

学術的背景

人間の歩行は、中枢神経系と末梢神経系の協調作業によって成り立つ複雑な運動プロセスです。脊髄は中枢神経系の重要な構成要素として、運動反射の制御や歩行の維持において重要な役割を果たします。屈曲反射（Flexion Reflex）は、足部が刺激を受けた際に発動する保護的な反射であり、傷害を回避するのに役立ちます。しかし、脊髄損傷（Spinal Cord Injury, SCI）患者では、屈曲反射が異常に増強し、歩行の乱れや困難を引き起こす可能性があります。そのため、神経調節技術を用いて屈曲反射の興奮性を調整することは、脊髄損傷患者の歩行機能の回復を支援する上で重要な意味を持ちます。

近年、経皮脊髄刺激（Transcutaneous Spinal Cord Stimulation, TSS）という非侵襲的な神経調節技術が、脊髄損傷の研究および治療の重要な手段として注目されています。この技術は、脊髄領域に電気刺激を与えることで、神経ネットワークの興奮性を調節し、運動機能を改善します。しかし、経脊髄刺激が屈曲反射に及ぼす具体的な影響、特に歩行中の動的な調節メカニズムについてはまだ不明な点が多く残されています。本研究は、経脊髄刺激が異なる周波数および強度で健康な人間の歩行中の前脛骨筋（Tibialis Anterior, TA）屈曲反射に及ぼす影響を探ることを目的としています。

研究の出典

本論文は、米国ニューヨーク市立大学スタテンアイランド校のKLab4Recovery Sci研究プログラムおよび理学療法学科に所属するMaria KnikouとAbdullah M. Sayed Ahmadによって共同執筆されました。この研究は2024年12月27日に受理され、2025年1月8日に『Journal of Neurophysiology』誌で初めて発表されました。

研究のプロセスと結果

研究のプロセス

1. 被験者の募集

研究では、19歳から26歳までの健康な成人9名（男性6名、女性3名）を募集しました。すべての被験者は、神経学的、整形外科的、または全身性疾患の既往歴がありませんでした。各被験者は実験前にインフォームドコンセントを提供し、実験はニューヨーク市立大学の倫理審査委員会の承認を得ました。

2. 実験設計

研究では、経脊髄刺激技術を使用し、15 Hz、30 Hz、50 Hzの周波数で、感覚閾値を上回る強度と下回る強度の2種類を設定して実験を行いました。すべての実験は、トレッドミル上での歩行中に実施されました。屈曲反射は、足の内側縦アーチに30 msの電気パルス列を適用して誘発され、刺激は歩行周期の16の等分された区間にランダムに分散されました。

3. データ収集と分析

研究者は、被験者がトレッドミル上を歩行している際の表面筋電図（Surface Electromyography, EMG）信号を記録し、前脛骨筋とヒラメ筋（Soleus, SOL）からデータを抽出しました。屈曲反射の振幅は、電気パルス列の終了後20 msから200 msまでのEMG面積を計算し、最大歩行関連EMG活動に対して正規化して測定しました。

主な結果

1. 屈曲反射の位相依存性調節：研究によると、刺激なしの状態での屈曲反射は、歩行周期において明らかな位相依存性調節を示しました。この結果は、過去に健康な人間で観察されたものと一致しています。

2. 経脊髄刺激が屈曲反射に及ぼす影響：刺激の周波数や強度に関係なく、経脊髄刺激は歩行中の屈曲反射を著しく抑制しました。この抑制効果は、歩行周期の複数の区間で顕著であり、屈曲反射の位相依存性調節パターンは維持されました。

3. 背景EMG活動の変化：研究では、経脊髄刺激が前脛骨筋の背景EMG活動に著しい変化をもたらさないことが明らかになりました。これは、屈曲反射の抑制効果が主に脊髄神経ネットワークの調節に起因し、筋肉自体の興奮性の変化によるものではないことを示しています。

4. 勾配と切片の安定性：線形回帰分析により、屈曲反射と背景EMG活動の間の勾配および切片が、経脊髄刺激の前後で安定していることが確認されました。これは、経脊髄刺激が脊髄神経ネットワークのゲインや屈曲反射の興奮性閾値を変化させていないことを示唆しています。

結論と意義

本研究は、経脊髄刺激がどの周波数や強度であっても、健康な人間の歩行中の前脛骨筋屈曲反射を著しく抑制することを初めて明らかにしました。この抑制作用は、屈曲反射の位相依存性調節パターンの維持と一致し、脊髄神経ネットワークのゲインや興奮性閾値の変化を伴いませんでした。この発見は、脊髄損傷患者のリハビリテーション治療の理論的基盤を提供するものです。過剰に増強された屈曲反射を抑制することにより、経脊髄刺激は患者の正常な歩行パターン、特に立脚相から遊脚相への移行を支援する可能性があります。

研究のハイライト

1. 重要な発見：経脊髄刺激は、歩行中の前脛骨筋屈曲反射を著しく抑制し、この抑制効果は刺激の周波数や強度に依存しませんでした。
2. 問題解決：研究は、脊髄損傷患者の歩行障害の治療に対して、新たな神経調節戦略を提供し、過剰に増強された屈曲反射の抑制における潜在的な応用価値を持ちます。
3. 方法論の革新：研究では、新しい経脊髄刺激技術を採用し、トレッドミル歩行実験と組み合わせることで、屈曲反射の調節パターンを動的に評価しました。

その他の価値のある情報

研究者はまた、経脊髄刺激が屈曲反射を調節するメカニズムはまだ完全には解明されていないものの、脊髄神経ネットワークのシナプス前抑制およびシナプス後抑制に関連している可能性があると指摘しています。今後の研究では、経脊髄刺激の脊髄損傷患者への応用効果をさらに探求し、神経調節パラメータを最適化することで、運動機能の回復を最大限に促進することができるでしょう。

まとめ

本研究の成果は、脊髄損傷患者のリハビリテーション治療に新たな視点を提供し、特に経脊髄刺激を用いて屈曲反射の興奮性を調節することで、患者の歩行パターンと生活の質を改善する可能性を示しています。さらに、研究は、経脊髄刺激が非侵襲的な神経調節技術として持つポテンシャルを明らかにし、今後の臨床研究および応用の基盤を築きました。