立石科学技術振興財団

助成研究成果集(第29号) 2020

［ 研究助成 (A) ］

脳梗塞後の筋張力制御に対する効果的なリハビリテーション支援システムの開発
Development of effective rehabilitation support system for accurate control of muscle tension
2181025

研究代表者

獨協医科大学共同研究者

茨城県立医療大学

医学部師

藤木聡一朗

准教授

四津有

講

保健医療学部人

ように，運動自体のトレーニングではなく，体[研究の目的]性感覚の判別させることで，運動機能改善の効脳梗塞などによる運動失調から回復するため果が期待される。また，体性感覚情報に加えて，には，リハビリテーション (以下，リハビリ)

プリズム適応や Virtual reality 技術のように視等の運動訓練が重要となる。これは失われた運覚情報は差異の認知が容易で，運動の修正に対動機能を再獲得するための運動学習であると捉して強く影響を与えると考えられる。本研究でえることができる。限られた設備や時間の中では体性感覚経験と共に与える誤差情報の視覚提行われるリハビリにおいて効率化を促す方法が示の仕方に着目し，筋緊張制御に関する運動学求められるが，獲得したい運動の学習を促進さ習を促進させるシステム開発を目指した。

せる神経生理学的なメカニズムは未だ明らかに[研究の内容，成果]されていない点が多い。運動学習に関する神経生理学的メカニズムの解明とそれに基づく方法

1．被 験 者の確立が必要であると考えられる。
運動学習において重要な要素は運動誤差の知

本研究は獨協医科大学の倫理審査委員会の承覚である (Shadmehr et al., 2010)。目的とする認を得て実施した。被験者は健常者 30 名で，運動イメージと実際の運動との差を検出し，評2. 2 節で説明するように，課す条件に応じて 30価し，改善するという過程が欠かせない。必要名をランダムに 10 名ずつの 3 群に分けた (条となる誤差情報を効果的に提示することができ

件 1 年齢 21.7±1.4；条件 2 年齢 21.7±1.6；条れば，運動学習 (運動機能の再獲得) が促進さ

件 3 年齢 22.2±1.5)。

れるとのではないかと期待される。感覚の取得に関連して，リハビリの認知運動療法では患者2．実験条件に対し能動的な感覚経験を積ませることを行わ

2. 1

イメージする力発揮量と実際の誤差評価せる。この手法に基づく研究として，健常者と頭の中でイメージする力発揮量と実際に発揮

老齢者に対して足の裏で硬さのことなるスポンされた力の誤差を得るためには，頭の中でイジを触らせて，硬さの違いを答えさせるようにメージしている力発揮量を定量化する必要があすると，立位姿勢の揺れの低減に効果があったる。本研究では被験者に基準となる力の感覚をと報告されている (Morioka et al., 2009)。この体験させ，その感覚を目標とする力発揮量とし― 1 ―立石科学技術振興財団

図1

助成研究成果集(第29号) 2020

感覚の記憶に基づく力発揮た。具体的には，非利き手の手のひらに置いた重りの重さの感覚を記憶してもらった後で，その時の感覚を思い出しつつセンサーを同等と感じる力で押させた (図 1)。被験者が目標値に到達したと判断したときにボタンを押させ，その時の値を実際の力発揮量とした。目標とする力の大きさは 100 g, 200 g, 300 g, 400 g, 500 g(0.98 N, 1.96 N, 2.94 N, 3.92 N, 4.90 N) の 5 段階とした。5 段階の順番はランダムとし，各段階で 3 回ずつ計測した。
2. 2

リアルタイムな力の誤差の視覚的提示に基づく学習

視覚的に誤差を提示しながら体験したことに

図2

力誤差の視覚提示を加えた感覚の記憶

よって，運動イメージと実際の誤差にどのような変化が表れるのかを調べた。モニター上に力件 3 では 3 次関数のような応答を返すように設センサーへの入力に応じて大きさの変わる円を計した。3 条件を被験者の 3 集団にそれぞれに表示させ，目標値 (0.98 N, 1.96 N, 2.94 N, 3.92割り当てた。

N, 4.90 N) となる円の大きさを教示することで誤差情報ありの条件とした。被験者には非利

3．計測結果き手でセンサーを押して基準値に円の大きさを目標値を想起しながら発揮される実際の力に近 づ け る よ う に 教 示 し，20 秒 間 そ の 動 作 を対して，3 条件に分けた被験者の視覚提示の有行ってもらった。20 秒が終了すると手をセン無による影響を調べた (図 3, 4, 5)。視覚提示

サーから離し，モニターの表示が消えた状態で，なしの課題では全ての被験者が同一の課題を記憶した力のイメージを発揮させた (図 2)。5行ったので，視覚提示なしの時に 3 つの集団間段階の順番はランダムとし，各段階で 3 回ずつに差があるのかを調べるために有意水準 5% で計測した。

一元分散分析を行うと，5 段階全ての目標値に視覚による誤差情報の提示の仕方によって記対して有意な差が見られなかった (1 段階目

憶後の力発揮の精度に影響があるのかを調べる

p=0.985, 2 段階目 p=0.595, 3 段階目 p=0.871，

ために，センサー入力に対する視覚提示 (円の4 段階目 p=0.706, 5 段階目 p=0.348)。このこ直径) について 3 条件を設定した (図 2)。目とから，視覚提示なしの場合において被験者集標値を中心として，条件 1 では線形な応答を，団間で結果にほとんど違いがなかったと考えら

条件 2 ではシグモイド関数のような応答を，条れる。

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図3

条件 1 の被験者 (S01〜S10) の結果

図4

助成研究成果集(第29号) 2020

条件 2 の被験者 (S11〜S20) の結果

次に，各条件において視覚提示の有無の効果と条件 3 では全ての段階で有意な差が見られたを調べるために，被験者間と視覚提示有無に関(条 件 2 ; 1 段 階 目 p=1.966×10 −11，2 段 階 目

して繰り返し計測あり二元分散分析 (有意水準p=1.671×10 −12, 3 段階目 p=1.028×10 −12, 4 段5%) を行った。視覚提示有無に関して結果を階目 p=7.383×10 −8, 5 段階目 p=4.387×10 −6)

述べると，条件 1 では 1, 2, 3 段階目では有意(条 件 3 ; 1 段 階 目 p=1.444×10 −13, 2 段 階 目

な差が見られたが (1 段階目 p=2.972×10 −7, 2p=5.858×10 -12, 3 段階目 p=2.815×10 −6，4 段

段階目 p=0.009, 3 段階目 p=0.003), 4 と 5 段

階目 p=8.335×10 −10, 5 段階目 p=1.538×10 −5)。

階目では有意な差が見られなかった (4 段階目各条件において，視覚提示がない場合とある場p=0.374, 5 段階目 p=0.376)。一方で，条件 2合に関して繰り返し計測あり二元分散分析が有― 3 ―立石科学技術振興財団

助成研究成果集(第29号) 2020られた (1 段階目 p=2.508×10 −5, 2 段階目 p=2.313×10 −5，3 段 階 目 p=0.009, 4 段 階 目 p=2.116×10 −4, 5 段階目 p=0.046)。これらの結果から，条件 2 と条件 3 では視覚提示の有無によって結果が影響されることが示唆される。特に，視覚提示ありの場合の方が目標値へと近づく傾向にあったため，視覚提示の仕方によっては力発揮の精度の向上に効果があることが示唆される。本実験では特に，誤差量を非線形な変換を介して出力することが力制御の改善に効果がある結果となった。
[今後の研究の方向，課題]
本実験では誤差量を非線形な変換を介して視覚的に提示することで，力制御の精度が向上したが，その神経生理学的なメカニズムは明らかではない。本実験で見られた現象のメカニズムが明らかとなることでより効率の良いシステム開発につながると期待される。運動の精度や学習は注意向けに影響されると報告されているが(Song, 2019)，本課題においても非線形な変換によって被験者の予測と異なる動きをしたことで同様の効果を生じた可能性がある。そこで，例えば注意向けなど被験者の意識の影響を検証することで，メカニズムの解明につながると期待される。
また，本実験は数時間程度の課題であったので長期的に効果をもたらすのかの調査が不十分であった。数週間や数ヶ月継続的にわたって継図5

条件 3 の被験者 (S21〜S30) の結果

続的に課題を行った場合の力制御の精度の変化

意な差を示した全て段階について，事後検定とに関する調査に加え，脳活動や脳画像の変化もして対応のある両側 T 検定 (有意水準 5%) を合わせて調べることで効果を実証するための多行った。その結果，条件 1 では全ての段階で有角的なデータを得られると期待される。

意な差が見られなかったが (1 段階目 p=0.081,2 段階目 p=0.096, 3 段階目 p=0.327)，条件 2[参 考 文 献]では 1 から 4 段階目で有意な差が見られ (1 段階目 p=0.001, 2 段階目 p=7.659×10 −4, 3 段階目 p=0.001, 4 段 階 目 p=0.011, 5 段 階 目 p=0.078)，条件 3 では全ての段階で有意な差が見― 4 ―・Shadmehr, R., Smith, M. A., & Krakauer, J. W. (2010).
Error Correction, Sensory Prediction, and Adaptation in Motor Control. Annu. Rev. Neurosci. 33 : 89 108.

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助成研究成果集(第29号) 2020・Song, J. H. (2019). The role of attention in motor con-crimination training on standing postural balance introl and learning. Curr. Opin. Psych. 29 : 261-265.

the elderly : a randomized controlled trial. Clin.

・Morioka, S., Hiyamizu, M., Fukumoto, T., Kataoka, Y.,& Yagi, F. (2009). Effects of plantar hardness dis-― 5 ―Rehabil. 23(6) : 483-491.