神経外科研究:傍中心小葉と一次運動野の機能的解剖学的連携に関する研究

近年、研究者は人間の脳の様々な領域間の連携を探求し続けており、特に運動機能とその可塑性に関わる脳領域に注目されています。傍中心小葉(paracentral lobule、PCL)と一次運動野(primary motor cortex、M1)は運動出力において重要な役割を果たし、密接に関係していることが知られています。本研究の目的は、傍中心小葉と一次運動野の解剖学的および機能的連携と、運動機能との関連性を深く理解することにあります。

研究目的と背景

本研究は、Yusuke Kimura、Shoto Yamada、Katsuya Komatsu、Rei Enastu氏らによって札幌医科大学、帯広綜合病院、Sunagawa市医療センター、北海道こども総合医療・リハビリテーションセンターで共同で行われました。研究結果は『Journal of Neurosurgery』誌に掲載されました。主な目標は、傍中心小葉(補足運動野(SMA)を含む)と一次運動野(M1)の解剖学的および機能的な連携を明らかにすることでした。

傍中心小葉には補足運動野が含まれており、運動準備と運動意図において重要な役割を果たすだけでなく、運動機能の可塑性にも関与していることが示唆されています。Penfieldらの初期の研究では、電気刺激によりM1とSMAが発見され、SMAが運動関連領域であることが示されました。しかし、近年の研究では、傍中心小葉の活動増加が運動障害と密接に関係していることから、リハビリテーションの可能性のある標的領域として提唱されています。

研究方法

研究デザインと患者選択

本研究は非ランダム化された回顾研究であり、2019年4月から2023年7月までに札幌医科大学病院で手術を受けた257名の患者からスクリーニングされました。最終的に16名の患者(男性10名、女性6名、年齢11~76歳)が中心溝付近の病変があり、半球間の切開手術が必要であったため研究対象とされました。全ての患者とその家族から同意を得ています。

MRIとfMRIデータの収集と処理

Signa HDxt 3.0-T MRIスキャナを使用してデータを収集しました。拡散テンソル画像法(DTI)の条件は以下の通りです:18の勾配方向、視野220mm、マトリックスサイズ128×128、スライス厚2.4mm、最大b値1000sec/mm2。機能的MRI(fMRI)の条件は以下の通りです:TR 3000ミリ秒、TE 30ミリ秒、マトリックスサイズ64×64、スライス厚3.0mm、ボクセルサイズ3×3×3mm。患者は指タッピングタスクを行いながらスキャンを受けました。

DTI画像とfMRI活性化画像は構造MR画像に重ね合わされ、さらにBrainlab社のiPlan Cranialソフトウェアで処理され、関心領域(ROI)が定義されました。

電極配置とCCEP測定

手術中、中心前回(PCG)と傍中心小葉(PCL)にプラチナグリッド電極が配置されました。神経ナビゲーションシステムを用いて、事前に定義されたROI位置に正確に電極を配置しました。32チャンネルのMeE 1232 neuromasterシステムを使用して、皮質-皮質誘発電位(CCEP)を測定しました。測定中、双極電気刺激がCCEP反応を記録するために行われました。

電気生理学的測定とデータ分析

患者の上肢と手の運動機能を術前・術後に評価し、手動筋力テスト(MMT)を使用しました。さらに、患者群(優位/非優位半球、男性/女性、麻痺/非麻痺)間のCCEP振幅と潜時を比較しました。同時に、CCEP振幅と潜時とDTIから得られた繊維数、平均長、およびFractional Anisotropy(FA)値との相関も測定されました。

研究結果

画像結果

DTIにより、14名の患者において傍中心小葉と一次運動野間の繊維連携が可視化されました。結果は平均FA値0.335、平均繊維数14本、平均繊維長66mmでした。

CCEP測定結果

16名の患者全員で一方向のCCEP反応が得られ、そのうち14名で双方向のCCEP反応が示されました。電極配置や電気刺激に関連する合併症はありませんでした。M1からPCLへの方向とPCLからM1への方向のCCEP振幅に有意な差はありませんでした。術後の運動機能評価で3名の患者に運動障害が見られましたが、そのうち2名は臨床経過で改善がみられました。

統計分析

スピアマンの相関検定では、CCEP振幅と平均FAとの間に有意な相関は見られませんでした。両方向(M1からPCLへ、PCLからM1へ)のCCEP潜時と繊維長の間にも有意な相関はありませんでした。さらに、CCEP測定値に優位半球と非優位半球間で有意な差は見られませんでした。

討論

本研究は初めて、DTIと双方向CCEPを組み合わせて、傍中心小葉/補足運動野と一次運動野間の解剖学的・機能的連携を探求しました。結果は、これらの脳領域間に双方向の電気生理学的接続があり、患者間で差異があることを示しています。この差異は、運動機能回復過程における可塑性の個人差を示唆しているかもしれません。

本研究の重要な発見の1つは、SMAが運動意図と準備に関与していることです。また、術後の一時的な麻痺の発生は、運動準備におけるSMAの重要な役割をさらに裏付けています。

本研究には、サンプルサイズが小さい、選択バイアス、電極配置の制限などの限界がありますが、運動機能の可塑性に関する将来の研究の基礎を提供しています。

結論

本研究の結果は、傍中心小葉(補足運動野を含む)と一次運動野の間に解剖学的および機能的な双方向の連携があることを示しました。これらの発見は、運動機能ネットワークのさらなる複雑性の探求に新たな視点を提供するだけでなく、臨床におけるリハビリテーション治療戦略の策定にも貢献します。今後の研究では、サンプル数を増やし、他の画像および電気生理学的手法を統合することで、運動機能の脳ネットワーク接続をより深く解析する必要があります。

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専門用語の説明: - CCEP(cortico-cortical evoked potential): 皮質-皮質誘発電位。脳領域間の機能的接続を測定するために使用されます。 - DTI(diffusion tensor imaging): 拡散テンソル画像法。白質における水分子の拡散の様子を解析します。 - FA(fractional anisotropy): 分数異方性。水分子の拡散の方向性を反映します。