立石科学技術振興財団

助成研究成果集(第30号) 2021

［ 研究助成 (A) ］

転倒予防に向けた脊髄神経基盤の解明とロボットリハビリテーションの開発
The development of neurorehabilitation combined with robot- assist gait training for falling
2201011

研究代表者

順天堂大学 保健医療学部
理学療法学科助 教

髙橋容子tion の働きが高まり (Faist et al., 1996)，それ[研究の背景と目的］に続く立脚後期には，膝の伸展筋が足の底屈筋
転倒予防は，健康寿命延伸の観点から，そのを抑制する heteronymous inhibition の働きが需要を増している。高齢者に限らず，中神経疾高まる (Lamy et al., 2008) など，歩行周期に患である脳卒中やパーキンソン病患者でも，そ応じて脊髄神経経路の活動の高まりが入れ替の運動麻痺や姿勢反射障害に伴うバランス能力わっていくことが示唆されている。このように，の低下や筋力の低下から，転倒リスクが高いと下肢運動のスムーズな動きの移り変わりを脊髄言われている。日本では，これら転倒リスクの神経経路が担っていることを考慮すると，脊髄高い者が約 3700 万人おり，転倒予防は超高齢神経経路が正常に機能することは，転倒しない社会における重要な課題であると考えられる。

安全な足の動きを実現するためにも，重要であ一方で，歩行能力がすでに低下した中枢神経ると考えられる。

疾患患者の転倒予防法については，未確立であ脊髄神経経路の評価は，電気刺激を用いる神る。その一因として，転倒に関与する「安全な経伝導検査によって，電気生理学的に評価する歩行遂行」のための脳・脊髄の科学的な神経基ことができる。安静時や随意運動中の相反性抑盤が不明であることが挙げられる。

制や heteronymous pathways の評価は，歩行ヒトの運動を脳や脊髄の神経活動が担ってい障害を有する脳卒中患者やパーキンソン病患者ることは言うまでもないが，特に自律的な運動でも実施されてきたが (鏡原，1996 ; Okuma etである歩行においては，随意的に行われること

al., 1996 ; Morita et al., 2001 ; Crone et al., 2003 ;が多い上肢運動に比較し，脊髄が重要な役割をDyer et al., 2009 ; 2011, Bhagchandani et al.,果たしている。脊髄は歩行運動の調節を行う歩2012, Takahashi et al., 2018)，歩行中の評価は行中枢の 1 つであり，末梢からの感覚情報を統限られていた (Knikou et al., 2011)。歩行中の合し，脊髄神経経路によって筋活動を調節して脊髄神経経路は，安静時とは異なり，脳からのいる。脊髄神経経路には相反性抑制，シナプス下行性調節や末梢からの感覚入力に影響を受け，前抑制，heteronymous pathways など多様な歩行周期に応じて変化していく。そのため，安種類があり，促通性や抑制性の介在ニューロン

静時での脊髄神経経路の評価は，歩行中の神経を介して様々な筋間の活動を調節している。特経路の賦活を反映しきれていない可能性があっに歩行においては，立脚中期には膝の伸展筋がた。そのために，脊髄神経経路に異常があるこ

足の底屈筋を促通する heteronymous facilita-とがわかっていても，従来研究の結果を効果的― 1 ―立石科学技術振興財団性があると考えた。歩行中の脊髄神経経路評価
は，歩行障害を有する患者においては歩調変化によって電気刺激の刺激タイミングが一定しないことにより難易度が高く，患者での報告は脊髄損傷患者に限られており (Knikou et al.,2011)，脳卒中患者での報告はなかった。本研
究では，歩行アシストロボットの技術 (Nodaet al., 2018) を電気生理学的評価に適用するシ
Heteronymous facilitation の値が過剰であるほど，歩行の観察評価の遊脚期の得点が悪い (値が大きい) ことを示している。

ステムにより，健常者および脳卒中患者での歩図 1A

行中の相反性抑制を計測するプロトコールを作

回復期脳卒中患者の heteronymous facilitation と歩行の観察評価 (Gait Assessment Intervention
Tool ; G. A. I. T. ) の関係成した。
1．研究計画の立案
脊髄神経経路のひとつである相反性抑制は，屈曲−伸展の相反する筋活動を調節することによって，歩行中の関節運動の切り替えに関与していると考えられている。特に，前脛骨筋によるつま先を上げる動き (背屈) とヒラメ筋を含む下腿三頭筋でつま先で地面をけり出す動き(底屈) の足関節運動の切り替えを担う相反性抑制 (図 2) は，歩行中，足で支持する時期でHeteronymous inhibition の抑制が弱いほど，歩行の観察評価の総得点が悪い (値が大きい) ことを示している。

図 1B

ある立脚期から，足を前にふり出す遊脚期へ

慢性期脳卒中患者の heteronymous inhibition と歩行の観察評価 (G. A. I. T. ) の関係の移行の際に働くことが示唆されている(Petersen et al., 1999)。

なニューロリハビリテーションに落とし込むこ

この足関節の相反性抑制は，加齢変化とともとが難しかった。我々が実施した研究においてに，働きが低下していくことが報告されているも，脳卒中患者の脊髄神経経路の異常と歩行観(Kido et al., 2004)。さらに，脳卒中患者やパー察評価の値に有意な相関が見られたものの (図キンソン患者においても，相反性抑制の働きが1A, B)，脊髄神経経路の異常が歩行障害にどの障害されていることが明らかにされている (鏡ように関与してくるかは，不明なままであった。
そのため，転倒や歩行障害と，脊髄神経経路の状態を評価することが必要不可欠であると考えられる。
[研究の内容，成果］
歩行中の脊髄神経経路の評価によって，病後の歩行障害との関与を明らかにすることができれば，ロボットによる歩行リハビリテーション

足関節における相反性抑制は，ヒラメ筋の活動を，拮抗筋である前脛骨筋が，脊髄レベルで Ia 抑制性介在ニューロンを介して抑制する脊髄神経経路である。脊髄にある介在ニューロンなどは，脳からの下行性調節と，末梢からの感覚入力によって調節される。の，新たな神経学的バイオマーカーとなる可能― 2 ―図2

足関節の相反性抑制

Tateisi Science and Technology Foundation

原，1996 ; Crone et al., 2003)。以上から，高齢者や脳卒中患者，パーキンソン病患者では，この相反性抑制の働きが低下し，足関節運動の切り替えがスムーズでなくなることが，足のつまずきのリスクの一因になるのではないかといった仮説を持った。本研究では，転倒リスクを抱える高齢者や中枢神経疾患患者において，歩行中の相反性抑制とつまずきの関与を検討することで，転倒を予防するためのロボットリハビリテーションへの神経学的バイオマーカーを明らかにすることを最終目的とした。

歩行周期の 0 が立脚期の開始 (踵接地時) で，bin 0〜5 は立脚期，bin 5〜8 は遊脚期にほぼ相当している。縦軸の値が 1.0 より下に行くほど，抑制が強まっていくことを示している。

図 3 健常者における歩行中の相反性抑制

2．研究の方法
歩行中の脊髄相反性抑制を評価するために，度が解析対象となった。試験刺激と条件刺激の電気生理学的評価とロボットを用いた脊髄神経両方を加えて得られた H 反射振幅平均を，試経路評価システムを別途構築し，本研究でも用験刺激のみで得られた H 反射振幅平均で除しいた。

た値を，相反性抑制の値として算出した。

電気生理学的評価は，ヒラメ筋 H 反射を用健常者でのプレリミナルな結果を，図 3 に示いた条件−試験刺激法にて，前脛骨筋からヒラす。歩行周期を 9 分割 (bin 0〜8) しており，メ筋に対する相反性抑制の評価を実施した。試bin 0 は立脚期の開始時 (踵接地時)，bin 0〜5験刺激は，脛骨神経に対して，その歩行周期には立脚期，bin 5〜8 は遊脚期にほぼ相当していおける最大 M 波の振幅の 4〜 9 % の M 波が得る。縦軸の 1.0 が，抑制も促通もない中間の値

ら れ る 刺 激 強 度 で 実 施 し た (Petersen et al.,であり，値が 1 より下に行くほど，抑制が強1999)。刺激部位は，膝窩とした。条件刺激は，まっていくことを示している。立脚期において総腓骨神経に対し，前脛骨筋の M 波閾値の刺は，1.0 に近い中間の値だったが，遊脚期に移激強度で実施した。刺激部位は，腓骨頭下とし行していくと抑制が強まっていく様子が見られ，た。条件−試験刺激間隔は，1, 2, 3, 4 ms のう先行研究と矛盾しない結果が得られた

ち，実験開始時の測定で最も強い抑制が得られ(Petersen et al., 1999)。このような計測は，脳る間隔を選択した。実験開始時に，立位にて卒中患者においては今までに実施されていない

H 反射・M 波のリクルートメントカーブを確ため，今後は脳卒中などの中枢神経疾患患者で認し，最適な刺激条件を設定した。歩行中の計のデータ収集を進めていく予定である。

測は，踵接地歩行周期における立脚期の開始点( 0 %)，次の踵接地の直前を遊脚期の終了点[今後の研究の方向，課題］(100%) とし，1 歩行周期を 9 分割したタイミングにて，H 反射の計測を行った。試験刺激

本研究の最終目的は，転倒のリスクを有するのみを加えて得られた H 反射，試験刺激と条患者において，つまずきと相反性抑制の関係を件刺激の両方を加えて得られた H 反射を，そ明らかにすることである。現在，脳卒中患者にれぞれ 50 発程度記録した。その歩行周期におおける歩行中の相反性抑制の評価を進めている

ける最大 M 波の 4〜 9 % の M 波が得られた施ところである。さらには，高齢者やパーキンソ行のみを採用しているので，それぞれ 30 発程ン病患者など，安静時での評価によって，相反― 3 ―立石科学技術振興財団

性抑制が機能しにくいことが明らかとなっている患者に対しても，歩行中における相反性抑制の評価を行っていく。の障害．運動障害 6 : 17-22, 1996．
[4]

Okuma et al. : Reciprocal inhibition in hemi-

plegia : correlation with clinical features and recovery. Can J Neurol Sci. 23 : 15-23, 1996.

転倒に関与するバイオマーカーを明らかにすることができれば，ロボットリハビリテーションに対して，神経学的バイオマーカーに介入す[5]

Morita et al. : Modulation of presynaptic inhibi-tion and disynaptic reciprocal Ia inhibition during
voluntary movement in spasticity. Brain 124 : 826837, 2001.

るニューロモデュレーション手法を融合させ，[ 6 ] Crone et al. : Appearance of reciprocal facilita-

今までにない歩行ロボットニューロリハビリ

tion of ankle extensors from ankle flexors in patients

テーションを確立できるのではないかと考えてwith stroke or spinal cord injury. Brain. 126 : 495-いる。
また，研究実施期間，新型コロナウイルス感染拡大の影響を受け，多施設間でのデータ計測や，広く被験者を募集しての実験が難しくなったが，施設間の研究者の移動がなくても，実験準備を進められるよう，テレビ会議システム(図 4) を活用して，研究を推進した。しかし，解剖学的知識をもとにした神経の触診や，電気刺激部位の探索については，遠隔では難しい場

507, 2003.
[ 7 ] Dyer et al. : Transmission in heteronymous spinal pathways is modified after stroke and related tomotor incoordination. PLoS One 4, e4123, 2009.
[ 8 ] Dyer et al. : Abnormal coactivation of kneeandankle extensors in related to changes in heteronymous spinal pathways after stroke. J Neuroeng
Rehabil 8 : 41, 2011.
[ 9 ] Bhagchandani et al. : Reciprocal inhibition poststroke is related to reflex excitability and movement
ability. Clin Neurophysiol. 123 : 2239-2246, 2012.
[10] Takahashi et al. : Voruntary contraction en-合があった。今後，コロナ禍においては，遠隔

hances spinal reciprocal inhibition induced by pat-での触診などが実現できるようなシステムが必

terned electrical stimulation in patinets with stroke.

要だと考えられる。

Restor Neurol Neurosci. 26 : 99-105, 2018.
[11] Knikou et al. : Reduced reciprocal inhibition during assisted stepping in human spinal cord injury.
Exp Neurol. 231 : 104-112, 2012.
[12] Noda et al. : Robotizing double-bar ankle-footorthosis. IEEE+ICRA 2018, 2782-2787, 2018.
[13] Petersen et al. : Modulation of reciprocal inhibition between ankle extensors and flexors during
walking in man. J Physiol 520 : 605-619, 1999.
[14]

Kido et al. : Spinal excitation and inhibition

decrease as humans age. Can J Physiol Pharmacol.
82 : 238-248, 2004.

図4

テレビ会議システムを活用した遠隔でのデータ取得の準備[成果の発表，論文等］[ 1 ] Takahashi et al. : Spinal heteronymous pathways
and reciprocal inhibition in patients with sub-acuteand chronic stroke compared to age-matched[参 考 文 献］[1]healthy subjects. 第 18 回日本神経理学療法学会学

Faist et al. : Modulation, probably presynaptic in

origin, of monosynaptic Ia ecitation during human
gait. Exp Brain Res. 109 : 441-449, 1996.
[2]

術大会．2020 年．
[ 2 ] 髙橋：末梢神経電気刺激と歩行中の脊髄神経経路評価システムによる新たな歩行リハビリテーショ

Lamy et al. : Modulation of recurrent inhibition

ン戦略．第 40 回関東甲信越ブロック理学療法士学from knee extensors to ankle motoneurones during

会シンポジウム「神経科学に基づく新たなリハビリ

human walking. J Physiol 586 : 5931-5946, 2008.

テーション戦略について」．(2021 年 9 月抄録発刊[3]

鏡原：中枢性運動障害患者における相反性抑制― 4 ―予定)