両手の連携と脊髓神経の調整：経皮的脊髓刺激が両手動作の神経基盤にどう影響を与えるか

背景：人間は複雑な方法で両腕を使用し、しばしば両手の連携が求められる。神経系の疾患は、人間の運動システムの顕著な特徴を制限してしまう。神経調節技術がどのように両手の連携の神経機構を変えるかを理解することは、効果的なリハビリ介入を設計するための重要なステップである。非侵襲的な脊髓の活性化である経皮的脊髓刺激(TSCS)は、脊髓損傷後の運動機能回復を促進した。多くの研究が、これらの効果の基礎となる神経機構を様々な電気生理学的ツールで捉えようとしているが、特に両手の動作中における皮層リズムに対するTSCSの影響は、脳波(EEG)の記録を通じてはっきりとはわからない。

研究者は、神経系が健全な12名の参加者を対象に、頚部TSCSが運動感覚皮層の振動にどのような影響を与えるかを調査した。彼らは、TSCS適用中の運動運動学の変化と、片手および両手アーム伸展運動（日常生活活動を代表する）の実行中の皮層活動レベルと両半球の間の結合性を検討した。行動評価の結果、TSCS適用中に両手協調目標動作の動作時間とエラーが改善されたが、一方で片手及び両手二目標動作のパフォーマンスでは、TSCSの効果は観察されなかった。

研究源流：本稿はBehdad Parhizi、Trevor S. Barss、Alphonso Martin Dineros、Gokul Sivadasan、Darren Mann、Vivian K. Mushahwarの共著である。著者たちは複数の研究機関に所属しており、この研究は2024年の《Journal of Neuroengineering and Rehabilitation》誌に掲載された。

研究方法と結果

方法

本研究では、以下のような３種類のアーム伸展タスクを設計した： 1. 片手視覚誘導伸展タスク（VGR） 2. 両手二目標VGR 3. 両手協調目標VGR

頚部にTSCS適用した後、水平面での肘と肩の動きを元に、Kinarm外骨骼ロボットを使用して上記の動作を行った。受験者はTSCSの無しとありの状態で上記のタスクを実施し、脳波(EEG)で皮層活動を記録した。特にα周波数帯（8-12Hz）とβ周波数帯（13-30Hz）に注目し、これらは運動感覚プロセスに関連する皮層活動の関与している。

結果

本研究によると、α帯域において、頚部TSCSは一回性運動と両手二目標運動中に初期運動皮層のスペクトルパワーを顕著に増加させ、α帯域における一回性運動時には初期感覚皮層のスペクトルパワーの増加も示された。β帯域では、TSCSは共通目標の両手運動と片手運動を実行中の初期運動および感覚皮層のスペクトルパワーを顕著に増加させた。さらに、片手タスクを実行中のTSCS適用時のみ、初期運動皮層のα帯域における両半球の連結性の顕著な増加が観察された。

結論と意義

この発見は、頚部TSCSが脊髓に施加される神経調節技術として、片手および両手アームの動作実行時の脊髓上皮層効果についての初めての情報を提供し、かつ皮層レベルの抑制効果に関して以前の研究で報告されたTSCSの影響を確認した。これらの発見は、未来の上肢機能回復のためのより良いリハビリ介入を設計するためにTSCSを使用する可能性へと導くものである。

研究の限界には、健全な神経系を持つ被験者で実施されたため、神経損傷を受けた個人へのTSCSの影響については、さらなる研究が必要であることが挙げられる。加えて、本研究では刺激後の運動パフォーマンスが刺激無しの状態でどのような短期または長期的効果をもたらすか評価していない。また、IHI（内側皮層抑制）やSICI（短期皮質内抑制）など、皮層内の抑制と興奮の相互作用やネットワークに関する貴重な情報を提供できる指標も被験者にテストしていない。