立石科学技術振興財団

助成研究成果集(第32号) 2023

［ 研究助成 (C) ]エキスパートの手指の巧緻運動技能を促進する
神経筋トレーニングの開発と評価
Development and evaluation of neuromuscular training to enhance deterous motor skill in expert individuals
2217002

研究代表者

ソニーコンピューターサイエンス
研究所(助成受領時：上智大学
大学院理工学研究科博士研究員

木本雄

大博士後期課程)

する PAS トレーニングを熟練ピアニストに行[研 究 の 目 的]

うことで，天井効果の打破する神経トレーニン
手指運動は日常生活に不可欠であるが，長期グの開発と効果検証を行う。

間の訓練を積むことで，音楽家や外科医に見ら[研究の内容，成果]れる熟練した巧緻運動スキルを獲得できる。しかし，さらに熟練技能を洗練するにあたり，既に膨大な訓練を積んだ熟練者は，トレーニング

実験：皮質と脊髄の連合性ペア刺激法による神をさらに反復するのみでは技能の上達は見込め

経筋トレーニングの開発と評価

ない天井効果に悩まされる。反復練習で上達を方法しないため，練習量を増やして再起不可能な怪実験装置我を負ってしまうことや，自身の才能に限界をPAS による神経トレーニングと中枢神経系感じてプロのキャリアを諦めてしまうこともあと末梢神経系の興奮性の評価のために，非侵襲る。本研究では，熟練者特有の問題である天井

磁気刺激 (Transcranial Magnetic Stimulation:効果を脱却するトレーニングの開発を目的とすTMS) と末梢神経電気刺激装置を用いた。右る。

手小指の主動作筋である小指外転筋 (ADM)

運動学習に関与する神経として，一次運動野に筋電図計を貼付し，筋活動を 10 kHz で計測(M1) の再組織化が注目されてきた (Pascual-した。また，ピアノ運動スキル評価のため，電Leone et al. 1995)。一方，動物研究から，一ヶ子ピアノを用いて，MIDI から運動のタイミン

月の運動学習後に M1 を不活性化しても運動ス

グと速度を 1 kHz で計測した。

キルが損なわれないことから，運動学習において脊髄の再組織化も重要と考えられている

実験手続き (図 1)(Hwang et al. 2019)。脊髄の神経回路の可塑性

熟練ピアニスト 4 名を対象に，右手首の尺骨を 誘 導 す る 手 法 と し て，連 合 性 ペ ア 刺 激 法

神経への末梢神経電気刺激と右手小指の一次運(PAS) 確 立 さ れ て お り (Stefan et al. 2002;

動野への TMS を，脊髄で同期して刺激する

Taylor and Martin 2009)，健常成人の運動スキPAS を用いたトレーニングを行った。PAS ト

ル向上や運動障害の患者の機能回復が報告されレーニングの前，直後，30 分後に手指のタッている一方 (Bunday and Perez 2012)，熟練者

ピング運動課題，皮質脊髄路の興奮性の評価，の運動スキルへの効果に関しては未解明な部分

脊髄の興奮性の評価を行い，トレーニングが運が多い。本申請では，脊髄機能の可塑性を誘導

動スキルと中枢神経系と末梢神経系に与える影― 1 ―立石科学技術振興財団

程度で筋収縮を行っている間に，基準の電気刺激強度の 100%，110%，120%，130% の刺激強度で各 15 回刺激を行い，脊髄反射機能を示すH 波の振幅を誘発電位として評価した。
PAS トレーニング (図 2)
TMS と末梢神経電気刺激を脊髄で同期して刺激を行うため，基準の 120% の強度で TMS
図1による刺激を行った際の MEP が出現する最小実験手続きの概要潜時を算出した。また，右手首の尺骨神経にM 波の振幅が最大値を示した強度の 120% の響を評価した。

強度で電気刺激を行い，F 波を計測し，その出現潜時の最小値を算出した。先行研究に基づき，運動課題
脊髄への PAS トレーニングが，熟練者のどF 波の出現潜時と MEP の出現潜時の差を末梢のような運動スキルの上達を促すか検証するた

神経電気刺激と TMS の刺激間隔時間として算め，運動の複雑さが異なる 2 条件 (easy, com-出した (Shulga et al. 2015)。算出された時間plex) の指運動課題を設定した。easy 条件と間隔を用いった末梢神経電気刺激と TMS のペして小指の打鍵運動課題，complex 条件としてア刺激を，0.25 Hz で 200 回行った。

示指と薬指の同時打鍵と中指と小指の同時打鍵を交互に反復する運動課題を選定した。これらの運動課題を，20 秒間最大速度で打鍵を行った際の運動の速度と，3 Hz のテンポで弱い力または強い力で 24 回打鍵した際の打鍵力の正確性を評価した。
TMS
運動指令の伝達経路である皮質脊髄路の興奮性を評価するため，M1 の右手小指の領域にTMS で刺激を行い，ADM から運動誘発電位(MEP) を計測した。1 mV の MEP がでる刺図2

激強度を基準として，その 100%，110%，120%，130% の 刺 激 強 度 で 各 15 回 刺 激 を 行 い，PAS トレーニングの概要

解析方法

MEP を評価した。

ADM か ら 計 測 し た 誘 発 電 位 は，1.5-1000
Hz のバンドパスフィルタで平滑化を行い，振末梢神経電気刺激

幅の peak-to-peak 値と潜時の算出を行った。

脊髄の興奮性を評価するため，右手首の尺骨ノイズによる影響で適切な計測が行得なかった

神経に電気刺激を行い，ADM から M 波の振被験者 2 名は解析から除去した。

幅を計測した。M 波の振幅の peak-to-peak 値

結果がが 50 μV となる電気刺激の強度を基準とし

図 3 は，PAS トレーニングの前 (Pre)，直た。被験者が，ADM の最大発揮筋力の 10%

後 (Post)，30 分後 (Retest) に，easy と com-― 2 ―Tateisi Science and Technology Foundation

図4

3 Hz で運動時の打鍵力の正確性

図 3 最大速度運動時の打鍵速度

plex 条件の運動課題を最速度で行った際の運動の速度を示している。easy 条件では，Preに比べて Post での運動速度が向上しており，Retest でも Pre よりも速度が向上していた。
complex 条件では，Subject 2 は運動速度が向上し続けている一方で，Subject 1 では運動速度の変化は見られなかった。
図 4 は，easy と complex 条件の運動課題を，3Hz の テ ン ポ で 強 い 力 (右) ま た は 弱 い 力(左) で 24 回打鍵した際の打鍵力の正確性を評価した。Y 軸の force error の値が大きいほど，正確性が低いことを示す。easy 条件の強い力で打鍵した際の正確性に大きな変化は見られなかった。一方，easy 条件での弱い力で打鍵し

図 5 MEP の振幅た際の正確性は 2 名とも減少傾向にあり，Preよ り も Retest で の 正 確 性 が 高 い こ と か ら，120%，130% の刺激強度で，TMS で M1 を刺PAS によるトレーニング効果が長期に継続し激した際の小指の筋肉 (ADM) の MEP を示ている傾向を示している。また，complex 条件している。刺激強度が上昇すると，MEP は上

では，強い力および弱い力で打鍵した時の正確昇している。両被験者共に，PAS トレーニン性は，どちらも減少傾向を示した。

グの後は MEP が上昇していることから，運動

図 5 は，基 準 の 刺 激 強 度 の 100%，110%，指令の伝導路である皮質脊髄路の興奮性が向上― 3 ―立石科学技術振興財団

果があることが示唆された。力の正確性に関ししていることを示している。
図 6 は，基 準 の 刺 激 強 度 の 100%，110%，ては，運動課題の複雑さに加えて，二種類の強120%，130% の刺激強度で，右手首の尺骨神経さで打鍵した際の力の正確性を評価した。先行に電気刺激を与えた際の，脊髄の興奮性指標で研究から，熟練ピアニストであっても，弱い力ある H 波の振幅を示している。Subject 1 は値発揮時の方が力の正確性が低いことが報告されが微小であることから，適切に計測が行えていている (Hirano et al. 2019)。結果は，easy 条ないことが分かる。Subject 2 から，刺激強度件の強い力発揮時の正確性は向上していなかっを上げるにつれて脊髄の興奮性が向上している

た。一方，easy 条件の弱い力，complex 条件ことが分かる。また，トレーニングの直後のの弱い力・強い力発揮時の正確性が向上していPost で は 脊 髄 の 興 奮 性 は 抑 制 し て お り，た。以上より，本トレーニングは難易度の高い

Retest では Pre と同程度まで値が戻っている。

弱い力発揮時や，複雑な 4 本指の連続運動時の力の正確性が向上にも効果があることを示唆する。これらから，本トレーニングの効果が，運動スキルの指標と運動課題の複雑さで交互作用効果があることを示唆する。
神経機能運動に関与する神経機能の指標として MEP，脊髄機能の指標として H 波の振幅の変化を評価した。MEP は，Retest でも向上したままであることから，本トレーニング短期的な効果ではなく，長期的にピアニストの皮質脊髄路の塑性を誘導することを示唆する。一方，H 波に関しては Post で減少し，Retest ではベースラインに近づいているが Pre と比べて抑制傾向を示していることから，本トレーニングは一時的に脊髄反射の機能を抑制することを示した。
H 波の振幅値は脊髄反射の指標であり，運動図6スキルが向上していることから，熟練運動スキH 波の振幅ルの更なる向上のためには，感覚情報に基づい考察た脊髄反射機能を抑制が必要である可能性を示

運動課題

唆する。

本 研 究 で は，小 指 の 単 一 運 動 (easy 条 件)
[今 後 の 展 望]と，示指から小指の 4 本の指を用いた複雑運動(complex 条件) の速度と力の正確性を評価した。運動速度に関しては，easy 条件では 30 分

これらの結果から，脊髄での PAS トレーニ後まで効果が持続していた。一方，complex 条

ングは熟練者の運動スキルであっても向上させ件では，Subject 2 のみ速度の上昇が見られたることを示唆した。その一方で，被験者数が足こと。これらから，本トレーニングは比較的簡りていないため更なるデータ計測が必要である。

易な運動である小指の連続打鍵の速度上昇に効

さらに，本申請期間では脊髄への PAS トレー― 4 ―Tateisi Science and Technology Foundation

ニングしか実施できなかったが，M1 で PAS
トレーニングが熟練者のどのような運動スキルへ効果があるかは未解明であるため，同一被験者に脊髄 PAS トレーニングと M1 PAS トレーニングを行い効果の違いを検証する必要がある。

― 5 ―[成果の発表，論文等]該当なし．