立石科学技術振興財団

助成研究成果集(第31号) 2022

［ 研究助成 (A) ］

個人の脳構造特性から非侵襲的脳刺激法による運動機能向上効果を予測する
Predicting the effects of noninvasive brain stimulation methods on
improving motor function based on individual brain structure
2211011

研究代表者

新潟医療福祉大学
リハビリテーション学部

理学療法学科講 師

小島

翔

36% 程度であること (Wiethoff et al., 2014) や[研 究 の 目 的]

発症初期の脳卒中患者に対する効果が乏しいこ
脳出血や脳梗塞などの脳血管障害患者は，運とがレビュー論文でも示されている動障害や感覚障害，嚥下障害，記憶障害などを(Chhatbar et al., 2016)。そこで我々は，従来用呈し，その機能障害の程度は退院後の日常生活いられている定電流刺激 (tDCS) に反応を示

動作に大きな影響を与えることが示されている

す個人の特性を明らかにできれば，反応を示さ(Kim et al., 1996)。そのような問題点に対して，ない対象者には異なる電流パターンを用いて適病院などの臨床現場では，リハビリテーション切な条件を検討することで，個人特性に合わせが処方されているた脳刺激リハビリテーションを確立できると考近年，リハビリテーションの新たな手法としえた。て，経 頭 蓋 直 流 電 流 刺 激 法 (transcranial di-

本研究の技術的課題は，個人特性をどのようrect current stimulation; tDCS) が注目されてに探索するかである。その個人特性を探索するいる。この手法は，頭皮上に貼付した 2 枚の電手法として，我々は，個人の脳構造に着目した。

極間に様々なパターンで電流を流す (定電流や近年の磁気共鳴画像法 (Magnetic Resonance交流など) ことで運動機能や感覚機能の向上をImaging; MRI) による脳機能解析技術の発展目指す介入手法であり，2000 年以降に基礎的によって，脳の内部構造を詳細に画像化し解析な研究が多く行われている。例えば，運動を司す る こ と (Voxel-based morphometry; VBMる脳領域である一次運動野に対して，一定時間手法) が可能になり，個人の脳構造と身体機能の tDCS 刺激を行うと反応時間の短縮やピンチの関係が検討され始めている。先行研究では，力が向上することが報告されている (Hummel

感覚に関連する脳領域の容積が痛み知覚と関連

et al., 2006)。また，感覚機能を司る一次体性することや (Erpelding, 2012)，電気刺激の治感覚野や二次体性感覚野に対する tDCS 刺激に療効果が感覚に関連する脳領域の容積に依存すよって感覚機能が向上することが報告されておることが報告されている (Conde, 2013)。したり (Fujimoto et al., 2016)，その効果の有効性がって，VBM 手法による個人の脳構造特性が示されている。しかしながら，この tDCS 刺(運動に関与する脳領域の容積など) を明らか

激には介入効果の個人差があることが示され始にすることで tDCS の介入効果を予測できる可め て お り，「予 想 通 り の 効 果」を 示 す 割 合 は能性があり，これにより，本研究の目標を達成― 1 ―立石科学技術振興財団できるのではないかと考えた。そこで本研究の殻：ICC (1, 2) =0.873，淡 蒼 球：ICC (1, 2) =目的は，VBM 手法を用いて，個人脳構造解析0.805)，視 床 の ICC の み moderate で あ っ たによって tDCS 介入効果を示す特性を明らかに(ICC(1, 2)=0.694)。また，各脳領域の %TRVすることとした。そのため，2 つの観点で研究の中央値は 47 領域中 43 領域 (91%) で 3% 未を 遂 行 し た。一 つ 目 は，一 定 期 間 を 空 け た満であったが，中心傍小葉，被殻，淡蒼球，視VBM 手法結果に再現性があるのか検証するこ

床の %TRV は 3% 以上であった。ととし，二つ目は，VBM 手法を用いて tDCS

〈成果② (図 2)〉

介入効果と脳構造との関連を検証することとした。

男性と女性をそれぞれ脳由来神経栄養因子の遺伝子多型 (Val/Val または Met carrier) で分類し，4 群間で %TRV を比較した結果，女[研究の内容，成果]

性の Val/Val 型は男性の Met carrier と比較して 47 領域中 3 領域の脳灰白質容積の変動性が① 一定期間を空けた VBM 手法結果に再現性があるか否かの検証高いことが明らかとなった。
〈成果のまとめ〉

一定期間の間隔を空けた VBM 解析の再現性〈方法〉

対象は若年健常成人 41 名とし，約 4 か月のは非常に高いことが示された。また，女性では間隔を空け 2 枚の T1 強調脳画像を縦断的に撮像した (1 回目：Test 1，2 回目：Test 2) (図1)。T1 強調脳画像の撮像は 3 テスラ磁気共鳴
画 像 診 断 装 置 (3T-MRI) お よ び 32ch Headcoil を用い，撮像シーケンスは Magnetizationprepared rapid gradient-echo (MPRAGE) を用いた。脳灰白質容積の算出には VBM 法を用い，Test 1，Test 2 それぞれの総灰白質容積，総白質容積，脳脊髄液容積，47 領域の局所脳灰白質容積を算出した。脳灰白質容積の変動性の指標には級内相関係数 (ICC)，Test-retestvariability (%TRV) を用いた。
〈成果①〉

全 47 領 域 中 43 領 域 の ICC は excellent(ICC (1, 2) >0.90)，3 領 域 の ICC は good であったが (中心傍小葉：ICC(1, 2)=0.813，被図1

図2― 2 ―

Tateisi Science and Technology Foundation

脳由来神経栄養因子の遺伝子によって変動性が〈成果①〉異なることが示された。以上の結果より，ヒト

tDCS 条 件 前 後 で は，modified ashworthの灰白質容積変動は小さく安定的に解析結果をscale，関節可動域，クローヌス，10 m 歩行速求めることができ，身体のバイオマーカーとし度が有意に向上したが，Brunstrome stage testて活用できる可能性が示唆された。の変化は認められなかった。一方，疑似刺激条
件前後では，歩行速度が有意に向上したものの，② tDCS 介入効果と脳構造との関連の検討

その他の評価項目では有意差が認められなかっ

〈方法〉

た。

研究連携病院に短期リハビリテーション目的〈成果②〉に 入 院 し た 脳 卒 中 患 者 33 名 (平 均 年 齢：

VBM 解析の結果，一次運動野，一次体性感65.79±8.42 歳，男性 27 名，女性 6 名) を対象

覚野，ブロードマンエリア 6 野における灰白質とした。実験の流れは，tDCS による介入前後容積は，非損傷側に比べ損傷側で有意に少ないで身体機能を評価する理学療法評価を実施した。

値を示した (図 3)。一方，成果①の関節可動脳画像計測は入院時に 3T-MRI 装置を用いて，域に対して tDCS の効果を示した患者と効果をT1 強調画像を撮像した。tDCS による介入は，示さなかった患者間の脳皮質灰白質容積の比較大脳皮質の補足運動野をターゲットとし，国際では，両者の間に有意な差が認めらなかった

10-20 法に基づく Cz の前方 3 cm の箇所に陽(図 4)。

極電極を貼付した (陰極電極：右頬部)。刺激〈成果のまとめ〉

強度は 2 mA とし，刺激時間は 15 分間とした。

補足運動野に対する tDCS 介入によって，脳介 入 条 件 は，実 際 に 15 分 間 の 刺 激 を 行 う

卒中患者の運動機能を改善する可能性が示唆さ

tDCS 条件と，30 秒間のみの刺激を行う疑似刺れたものの，その介入効果と脳構造の灰白質容激条件とし，3 日以上の間隔を空けてクロス積の間には関連が認められなかった。そのため，オーバーデザインで実験を行った。理学療法評

灰白質容積のみならず，白質や運動遂行に関与価は，Brunstrome stage test (運動麻痺の程度する経路の線維束経などとの関連を検討していの 指 標)，足 関 節 の modified ashworth scale(筋の硬さの指標)，足関節の関節可動域 (関節の柔らかさの指標)，足関節クローヌス (筋伸張に対する反応性の指標)，10 m 歩行速度，10m 歩行歩数とし，刺激介入前後に計測を実施した (ダブルブラインドにて実施)。VBM 解析では，脳卒中による損傷側と非損傷側に分類し，運動機能に関与する一次運動野 (M1)，感覚機能に関与する一次体性感覚野 (S1)，tDCSによる刺激介入を行った補足運動野 (SMA：ブロードマンエリア 6 野) の容積を算出し，損傷側および非損傷側で比較した。また，tDCS刺激によって各理学療法評価の変化を示した患者と示さなかった患者間の各領域容積の比較を検討した。
図3― 3 ―

立石科学技術振興財団

患者の選定が可能となれば，患者の脳情報に則した脳刺激介入の確立につながり，テーラーメイド型の脳刺激リハビリテーションの確立につながると考えられるため，今後も継続的に検討を進めていく。
[参考論文][1] Kim JS, Choi-Kwon S. Discriminative sensory
dysfunction after unilateral stroke. Stroke. 1996
Apr; 27(4): 677-82. doi: 10.1161/01.str.27.4.677.
[2]

Hummel FC, Cohen LG. Non-invasive brain
stimulation: a new strategy to improve neurorehabilitation after stroke? Lancet Neurol. 2006 Aug;5(8): 708-12. doi: 10.1016/S1474-4422(06)70525-7.

[3] Fujimoto S, Kon N, Otaka Y, Yamaguchi T,Nakayama T, Kondo K, Ragert P, Tanaka S.
Transcranial Direct Current Stimulation Over thePrimary and Secondary Somatosensory Cortices
図4

Transiently Improves Tactile Spatial Discriminationin Stroke Patients. Front Neurosci. 2016 Mar 31; 10:

く必要があると考えられた。

128. doi: 10.3389/fnins.2016.00128. eCollection 2016.
[4] Wiethoff S, Hamada M, Rothwell JC. Variability in[今後の研究の方向，課題]

response to transcranial direct current stimulationof the motor cortex. Brain Stimul. 2014 May-Jun; 7

本研究では，VBM 手法を用いて，tDCS 介(3): 468-75. doi: 10.1016/j.brs.2014.02.003. Epub2014 Feb 15.

入効果と脳灰白質容積との関連を検討した。そ[5] Chhatbar PY, Ramakrishnan V, Kautz S, Georgeの結果，一次運動野や一次体性感覚野，補足運MS, Adams RJ, Feng W. Transcranial Direct

動野と tDCS 刺激効果との関連は認められなかった。脳卒中患者の大脳皮質は，複数の領域

Current Stimulation Post-Stroke Upper Extremity
Motor Recovery Studies Exhibit a Dose-ResponseRelationship. Brain Stimul. 2016 Jan-Feb; 9(1): 16-で可塑的変化が生じており，また，身体機能の26. doi: 10.1016/j.brs.2015.09.002. Epub 2015 Sep 7.

向上には，脳内の複数領域のネットワークが重[6] Erpelding N, Davis KD. Neural underpinnings of要であることが示され始めている。よって，今後は，今回ターゲットとした脳領域のみならず，複数領域の容積の総和や差分を算出して，詳細

behaviouralstrategies

that

prioritize

154 (10): 2060-2071. doi: 10.1016/j.pain.2013.06.030.
Epub 2013 Jun 20.

な検討を実施していく必要があると考えられる。
さらに，近年は VBM 手法のみならず，他の脳情報解析技術も発達してきている。そのため，他の手法と組み合わせて解析を行うことでtDCS 介入によって効果を示す患者と示さない― 4 ―eithercognitive task performance or pain. Pain. 2013 Oct;

[成果の発表，論文等]
・ 今後，成果発表を行い，論文化を進める。