立石科学技術振興財団

助成研究成果集(第27号) 2018

運動学習能力を制御する新しい神経リハビリテーション手法の開発
Futuristic neurorehabilitation by controlling the capacity for motor learning
2171012

研究代表者

大分大学福祉健康科学部

共同研究者

大分大学医学部附属病院リハビリテーション部

教菅田陽怜

理学療法士

原田太樹助

痺患者に対する tACS の臨床応用を実現するた[研 究 の 目 的］

めには，これまでに報告されている単純な運科学技術の進歩と脳機能研究の発展に伴い，動機能の評価では不十分であり，実生活に応用脳卒中後の片麻痺患者に対する新しいリハビリできるような，より複雑な運動機能に対するテーション (リハビリ) 手法の開発が試みられ

tACS の効果を明らかにすることが重要となる。ている。その中の一つに，頭皮上から脳に対しそこで，本研究では従来の単純な運動評価よて交流電気を加える経頭蓋交流電気刺激法

りも複雑な視覚運動学習課題を用いて tACS が(tACS) がある。tACS の効果については，外運動学習能力に及ぼす影響について検討した。

部からの交流刺激が大脳皮質の神経活動の律動[研究の内容，成果］(神経オシレーション) の同期化を誘導することで，非侵襲的に大脳皮質の興奮性を変調できる点にあると考えられている 1。また，tACS

1．対象

では刺激周波数を任意に設定できるため，種々27 名の右利きの健常者が本研究に参加した。の脳機能 (運動，言語，記憶など) に特異的なヘルシンキ宣言にしたがって，実験内容を説明神経オシレーションを標的とした刺激が可能でし，同意が得られた被験者にのみ実験を行った。

ある。そのため，tACS を用いて運動機能や高なお，本研究は全て大分大学医学部倫理委員会

次脳機能を制御しようとする研究が注目され始で承認されたプロトコールにしたがって実施しめている。

た。

特に，近年では tACS によって運動機能を制御しようとする研究が増加している。その中で2．実験手順も，運動指令の中枢である一次運動野に対し実験への参加登録を済ませた被験者を 10 Hz

10 Hz, 20 Hz などの運動に関連がある周波数を刺激群，20 Hz 刺激群および偽刺激群に無作為対象とした tACS が多く行われており，それにに割り当てた (表 1)。運動学習課題は center-

伴う運動機能や脳機能の変化が報告されていout task をベースとした複雑な視覚運動学習課

る 。一方，視覚運動学習課題などの，より複題とした (図 1)。本課題は，ディスプレイ上雑な運動課題を用いて，一次運動野への tACSのポインターをレバー状のコントローラーで操の介入効果を調べた研究はほとんどない。片麻作しターゲットへ到達させる課題であり，コン

2-4― 1 ―立石科学技術振興財団

表1
被験者数 (n)年齢 (歳)

課題中には頭皮脳波を同時に計測した ((Poly-

被験者の基本属性

偽刺激群
820.8±2.6

10 Hz 刺激群 20 Hz 刺激群
1021.5±4.8

922.8±9.5性別 (男：女)

2:6

4:6

1:8

利き手 (%)

91.2±25.0

98.9±3.5100±0mateMini AP108, ミユキ技研)。脳波電極は国際 10-20 法に準じて頭皮の 8 箇所 (F3, F4, C3,Cz, C4, P3, Pz, P4) に貼付した。
3．解析
3. 1

運動学習能力の評価

tACS に伴う運動学習促進効果を調べるために，まず，カーソル移動が最速になるピーク座標を検出した。次に，カーソルの開始座標とピーク座標とを結ぶ線と，ターゲットの方向と図1がなす角度を算出し，それを誤差角度として定視覚運動学習課題の概要

義した (図 2)。これを基本課題と学習課題でトローラーの動きとポインターの動きに特定のそれぞれ 200 試行分計算し，50 試行ごとに平誤差角度を付加することで，視空間的な運動学均した (Block1-4)。最後に各ブロックで偽刺習能力を評価できるものである。この課題を下激群，10 Hz 刺激群および 20Hz 刺激群の誤差

記の 2 パターンで順に実施した。

角度を一元配置分散分析にて比較した。

ⅰ) 基本課題：コントローラーとポインターと3. 2

神経オシレーション解析の間で操作性に誤差を生じさせない課題。ター

基 本 課 題，学 習 課 題 時 に 計 測 し た 脳 波 はゲットは 5 方向とし，それぞれランダムに呈示。

Matlab (Mathworks) 上で起動する脳機能解各方向へのコントローラーの到達試行回数は

析ソフト Brainstorm 5 を用いて解析を行った。

40 回 (5 方向×40 回=合計 200 回)。

カ ー ソ ル 操 作 開 始 キ ュ ー を 0 ms と し，ⅱ) 学習課題：コントローラーとポインターと−1000 から +2500 ms を 1 エポックと設定しの間に 30°の操作誤差を生じさせる課題 (被て各課題で 200 試行分切り出した。その後，各験者には通知せず)。ターゲットは 5 方向とし，エポックに対して，高速フーリエ変換による時ランダムに呈示。各方向へのコントローラーの間周波数解析を行い，200 試行分のデータの平到 達 試 行 回 数 は 40 回 (5 方 向×40 回=合 計均値を算出した。ベースラインは −500 ms か200 回)。

ら 0 ms とした。刺激条件による神経オシレーⅰ) ⅱ) の両課題共に，カーソル操作開始のションの変化を明らかにするために，時間周波

キュー (1000 Hz のビープ音) から 2.5 秒以内にターゲットに到達できなかった場合，ならびにターゲット外周の破線円から逸脱した場合は2000 Hz のビープ音でエラーを通知した。
tACS による介入は基本課題と学習課題との間に実施した (図 1)。刺激電極は左の一次運動野に配置し，参照電極は右の前額部とした。
刺激強度および刺激時間はそれぞれ 1 mA，10分間とし，安静状態下で実施した。
また，tACS に伴う神経オシレーションの変化を明らかにするために，基本課題および学習― 2 ―図2

学習課題における誤差角度の算出方法

Tateisi Science and Technology Foundation

数解析にて得られた結果を統計的に比較した。
4．結果
4. 1

tACS に伴う運動学習能力の変化

tACS 介入前の基本課題においては各群共に誤差角度に有意差は見られなかったが，tACS
介入後の学習課題 Block1 においては誤差角度に 有 意 差 が 認 め ら れ た (p<0.05)。Tukey-

図5

Kramer 法による多重比較検定の結果，20 Hz

tACS によるベータ帯域のパワー変化

刺激および偽刺激群と比較して 10 Hz 刺激群差分を統計的に比較すると，10 Hz 刺激群と偽で有意な誤差角度の減少が認められた (図 3)。

刺激群の間で F3 領域の β 帯域 ERD に有意差

学 習 課 題 の Block2-4 で は 有 意 差 は 見 ら れ なが認められた (p<0.05) (図 5)。

かった。
4. 2

5．結論

tACS に伴う神経オシレーションの変化

神経オシレーション解析の結果，tACS 介

一次運動野に対して 10 Hz の tACS 介入を行入後には F3 領域において α 帯域 (8-13 Hz)うことにより，運動学習初期の遂行能力が向上

および β 帯域 (13-25 Hz) の事象関連脱同期

すると共に，運動に関連する神経オシレーショ(event-related desynchronization ; ERD) が著ンが変調されることが明らかとなった。脳卒中

明に出現することが明らかとなった (図 4 白破患者へのリハビリ実施前に，患者の一次運動野線)。さらに，学習課題と基本課題の ERD のに対し 10 Hz の tACS 介入を行い，脳のプレコンディショニングを行うことで，リハビリの効果をより向上できる可能性が示された。
[今後の研究の方向，課題］
運動の学習過程においては小脳や運動前野，補足運動野や感覚連合野などさまざまな運動関連脳領域で情報処理が行なわれている。そのため，一次運動野以外にも運動学習の重要領域が

図3

tACS による運動学習能力の変化あると考えられる。すなわち，運動学習中枢を詳細に明らかにし，その領域に対して tACS 介入を行うことが出来れば，より効率的な運動学習能力の制御につながると考える。
今後は，一次運動野以外の運動学習中枢を詳細に解明するために，てんかんの術前患者を対象とした頭蓋内電極による皮質脳波実験を行う。
そして，その結果をもとに tACS の刺激ターゲットを決定して刺激介入を行うことで，運動学習促進効果を検証する。

図4

tACS による脳律動の変化 (F3)― 3 ―

立石科学技術振興財団

2011, 879716 (2011).

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