（81）

第 37 回若手研究者のための健康科学研究助成成果報告書
2020 年度 pp.81〜86（2023.7）

加齢によって変化する運動関連脳内ネットワークの特定と強化佐々木亮

樹＊AGE-RELATED CHANGES IN MOTOR NETWORKS
AND ITS PLASTICITY
Ryoki Sasaki
Key words: aging, functional connectivity, primary motor cortex, motor learning, TMS-EEG.

緒言ある。
これまでの脳イメージング装置を用いた研究で加齢は我々が生きるうえで避けられない普遍のは、M 1 のような単一領域の評価に焦点を当ててイベントであり、さまざまな機能低下を引き起こきた。一方、実際の運動は、複数の運動関連脳領すことが知られている。そのなかでも顕著にみら域が相互に活動することで行われている。そのたれる加齢変化の 1 つは、運動機能の低下であり、め、加齢に伴う中枢性の変化を正確にとらえるに多くの人が周知する事実である。この運動機能のは、伝統的な単一脳領域の評価に加えて、M 1 を低下には、筋量や柔軟性低下などに伴う末梢性要基点とした複数脳領域のネットワーク変化も明ら因が関与することがわかっているが、中枢性要因、かにしていく必要があると考えられる。しかし、すなわち脳も同様に運動機能の低下に寄与するこ

加齢がどのような運動関連ネットワークに影響をとが脳イメージング装置の発達によって明らかに及ぼすのかは十分に明らかになっていない。したなりつつある 。

がって、本研究では、高齢者において M 1 を含8）運動には一次運動野（M 1 ）が大きく関与してむ運動関連ネットワークは低下するのか、そして、いるが、その領域の活動が加齢によって変化するそのネットワークは強化することが可能なのかをことが数多く報告されている。例えば、高齢者で明らかにすることを目的とした。これらを解明すは M 1 の可塑性機能が若年者と比べて低下してるため、本研究では若年者と高齢者を対象とし、おり、その低下は運動機能の低下と関連するこM 1 へ の 経 頭 蓋 磁 器 刺 激（Transcranial magneticとが示されている 。これらの報告から、加齢にstimulation; TMS）と脳電図（Electroencephalogram;伴う M 1 の生理学的変化は、運動機能低下の原EEG）を組み合わせた新手法 TMS-EEG を使用す因の 1 つであることが示唆される。この背景を踏ることで、M 1 の興奮性および M 1 を基点としたまえ、高齢者の M 1 の可塑性機能を高めること大脳ネットワークの解析を行った。本研究では、で運動機能を強化する試みがこれまで行われてき高齢者において M 1 の興奮性および特定の運動たが、一致した見解が得られていないのが現状で関連脳内ネットワーク、運動機能が低下しており、

4,7）

1）

*

アデレード大学医学部生理学分野

Discipline of Physiology, Biomedicine of School, The University of Adelaide, Adelaide, Australia.

（82）
非侵襲的脳刺激法による可塑性誘導によって、こる EEG キャップを頭部に装着し、全電極の抵抗れらを強化することができると仮説を立てた。

はゲルにて10 kΩ 以内に維持された。

方実験 1 （運動関連ネットワークの探索）：各被法

験者は、右示指を使用した視覚追従課題（BlockＡ．対象者1 ）を行い、運動機能の測定を行った。次に、本研究には19名の健常若年者と13名の健常高齢

M 1 へ の TMS を 行 い、MEP と TMS 誘 発 電 位者 が 参 加 し た。TMS に よ っ て 運 動 誘 発 電 位（TMS-evoked potential; TEP）の計測を行った。

（Motor-evoked potential; MEP）が生じない被験者

実験 2 （運動関連ネットワークの強化）：実験が若年者で 5 名と高齢者で 1 名いたため、対象か1 の結果をもとに M 1 の興奮性を増大させる反ら除外された。最終的に実験 1 では、14名の若年復的磁気刺激（repetitive paired-pulse TMS; iTMS）

者（平均± SD ＝26.0±5.4歳）と12名の高齢者（64.5を15分間施行した10）。介入は、M 1 の可塑性を誘±5.7歳）が参加し、実験 2 では、14名の若年者（26.0導する paired-pulse を使用した本条件と単発刺激±5.4歳）と 4 名の高齢者（64.5±5.6歳）が参加を使用したコントロール条件を設け、別日（> 1した（実験 2 の高齢者群ではコロナウイルスの蔓week）にランダムな順序で各被験者にそれぞれ延により，リクルートが難しくなったため 4 名のの介入が同じ時間帯（11a.m. or 2 p.m.）で行われた。

みとなった）。実験 1 と実験 2 の両方に参加した

1 つのセッションにつき、約 3 時間を費やした。

被験者は、実験間で少なくとも 1 週間以上の間隔その介入前後で、運動課題（介入前：Block 1 ，を空けた。全被験者は右利きであり、中枢神経活

介入後：Block 2 - 9 ）、MEP、TEP の計測をそれ動に影響を与える薬の服用はなかった。対象者にぞれ行った。

対して TMS の安全性に関するスクリーニングをＣ．TMS

書面にて行い、本実験の参加に問題がないことをTMS 本体（Magstim, Dyfed, UK）に接続された確認したうえで実験を行った。本研究はヘルシン

TMS コイル（branding iron coil）は、頭部に垂直キ宣言の趣旨に則り、アデレード大学倫理委員会かつ矢状面に対して45度の角度で M 1 に設置さの 承 認 の も と で 行 わ れ た（承 認 番 号：H-026-れ た。M 1 へ の TMS は、posterior-to-anterior cur-2008）。被験者は、実験に参加する前に、その内rent になるようにコイルの向きを各被験者で統一容に関する情報を書面および口頭で十分に確認しした。筋電図より MEP、EEG より TEP をそれぞた後、同意書に署名した。

れ異なるブロックで記録した。MEP は0.5〜1.0

Ｂ．実験準備とプロトコール

mV を誘発する TMS 強度に設定し、TEP は安静

被験者は背もたれのある椅子に座り、実験中は時運動閾値の TMS 強度にそれぞれ設定した。

安静状態で開眼を維持した。右の第一背側骨間筋

TMS は、4 秒に 1 回の頻度で行われ、MEP は15回、に対して筋電図電極を belly-tendon 法で貼付した。

TEP は100回それぞれ計測した。Brainsight Neuro-

また、10-10法で61チャンネル電極が接続していnavigation System（Rogue Research, Montreal, Canada）
Experiment 2

Experiment 1・ML(B1)

・ML(B1)・RMT
・MEP1 mV・TEP~1 week>・RMT
・MEP1 mV・TEP

1.
2.

iTMS
ciTMS

・MEP・TEP・ML(B2-9)
Time

図 1 ．実験プロトコール
Fig.1．Experimental protocol.
Participants visited the laboratory for each session that were approximately 3 hours long, heldat the same time of day and were separated by a period of at least one week.
B; block, ciTMS; control repetitive single-pulse transcranial magnetic stimulation, iTMS;
repetitive paired-pulse transcranial magnetic stimulation, MEP; motor-evoked potential, ML;
motor learning, RMT; resting motor threshold, TEP; TMS-evoked potential.

（83）

A）

B）

C）

D）

図 2 ．視覚追従課題の概要図とグループ間の比較
Fig.2．Visuo-motor task and comparisons between young and old.
A）Visuo-motor task, B）Motor skill between young and old groups in experiment 1,
C）Learning skill in young and old groups before and after iTMS in experiment 2,
D）Learning skill in young and old groups before and after control iTMS inexperiment 2.
*: P < 0.05 compared to old group. Mean ± SEM.

を使用することで、TMS コイルの位置は一定の運動課題：各トライアルで計測されたエラーと場所を保持した。TMS にて TEP を記録する際は、運動時間を使用して次の計算式より motor skill を磁器刺激に伴う聴覚誘発電位の混入を最小限にす算出した5）：Motor skill =（ 1 ­ Error）／ Error（Ln（move-るため、被験者はホワイトノイズをイヤホンから1.627）
ment time）。motor skill は、各ブロックで 5 つ聴き、その上からヘッドホンで両耳を覆った。のトライアルを平均化して表した。実験 2 におけＤ．運動機能と運動学習の評価

る介入後の motor skill スコアは、介入前の motor

運 動 機 能（Block 1 ） と 運 動 学 習（Blockskill スコアにて正規化した。

2 - 9 ）の評価には、右示指の外転運動を伴う視TMS-EEG：データの事前処理は、推奨されて覚追従課題を用いた（図 2 A） 。被験者は、評価いるプロトコールに準拠して行った9）。事前処理の前に 5 つの色の順番を記憶した（赤→青→緑→

後 に は、Brainstorm Software に よ る OpenMEEG黄→白）。その後、画面に現れた 5 つの色のター

BEM head model と LCMV beamformer を用いて全ゲットに対して被験者は、示指の外転運動によっ脳レベル（合計15000ボクセル）でのソース解析て動かすカーソルを記憶した色の順番にてできるを行った（図 3 ，ソース解析の手順は以下を参照：

だけ正確かつ速く動かすように努めた。被験者は、

https://neuroimage.usc.edu/brainstorm/Tutorials）。 実

5 つの色に対する 5 回の運動トライアルを介入前

験 1 では、M 1 の興奮性を評価するため、TEP のに 1 回、介入後に 8 回行った。

N45成分（TMS 後40〜50 ms の区間）を使用した。

6）

Ｅ．データ解析

また、M 1 の磁気刺激に伴う運動関連ネットワー

MEP：介入前後で記録された各15個の MEP のク の 評 価 に は、Corrected imaginary phase locking

peak-to-peak 値を算出し、加算平均を行った。各value（ciPLV）を用いて磁気刺激後の 1 秒区間

トライアルは、背景筋活動を含むかどうかを目視（20〜1020 ms）に対して β 帯域の機能的結合をで確認し、それらを含むトライアルを除外した。

M 1 -seed にて算出した（M 1 -seed ×15000ボクセ

平均化した介入後の MEP 振幅値は、介入前のル）。実験 2 では、実験 1 と同様に、TEP の N45

MEP 振幅値で正規化を行った。

成分と ciPLV を介入前後で算出した。

（84）

結果

実験中に TMS に伴う副作用を訴える者はいなかった。また、運動課題後に筋疲労を訴える被験者はいなかった。
Sensor level

Source level

図 3 ．EEG によるソースレベルの解析
Fig.3．EEG analysis on source level.
LCMV beamformer was performed to estimate whole brain
activity at source level.

Ａ．MEP
実験 2 の MEP 解析では、グループ間（F1,525 =0.273, P = 0.601）、条件間（F1,525 = 0 , P = 1 ）、グル ー プ × 条 件 間 の 交 互 作 用（F1,525 = 0.061, P =0.806）はいずれも有意差を認めなかった（若年F．統計解析

者：本条件96.3±7.0％，コントロール条件119.9

統計解析には、SPSS（SPSS; IBM, Armonk, NY,±9.5％，高齢者：本条件131.6±19.9％，コントUSA）、MATLAB（R2019b, The Mathworks, USA）、ロール条件118.1±11.6％）。

Brainstorm（v07-Jan-2022）をそれぞれ使用した。

Ｂ．運動機能と運動学習

MEP：正規化した MEP 振幅値に対してグルー

実験 1 の最初のブロックにおけるグループ間のプ（若年者と高齢者）×介入（本条件とコントロー

比較では、motor skill において有意差は認められル 条 件） を 要 因 と し た Generalized linear mixed

なかった（P = 0.643）（図 2 B）。実験 2 の Blockmodel を使用した。モデルは Gamma 分布を適応し、

2 - 8 からなる learning skill の解析では、グルー

identity link function を MEP 振幅値に対して使用

プ間（F1,2259 = 11.804, P < 0.001）、条件間（F1,2259 =した。ランダムな被験者効果（intercept と slope）

4.386, P = 0.036）、ブロック間（F1,2259 = 2.366, P =の影響はすべて含まれた。主効果と交互作用に対0.021）、グループ×条件間の交互作用（F1,2259 =する事後検定は、Bonferroni 法が用いられ、P <9.495, P = 0.002）のそれぞれで有意差を認めた。

0.05を有意差があると定義した。すべての値は、グループ間では、若年者のほうが高齢者よりも平均値±標準誤差にて表した。

learning skill が有意に優れていた（P < 0.001）。本

運動課題：実験 1 の motor skill に対して、グ条件では、コントロール条件と比較して learningループ間（若年者と高齢者）にて Mann-Whitneyskill の向上を認めた（P = 0.036）。ブロック間では、test を行った。実験 2 では、MEP と同様の手法でBlock 2 と比較して Block 8 - 9 にて learning skill正規化した motor skill に対してグループ（若年者の向上を認めた（P < 0.049）。また、交互作用にと高齢者）×介入（本条件とコントロール条件）

おける事後検定では、本条件ではグループ間に有×ブロック（Block 2 - 9 ）を要因とした General-意差がないのに対して（P = 0.155）、コントロー

ized linear mixed model を使用した。

ル条件では若年者のほうが高齢者よりも learning

TMS-EEG：実験 1 では、TEP の N45成分の区

skill が有意に優れていた（P < 0.001）（図 2 C，D）。

間（40〜50 ms）および機能的結合の解析で得ら一方、その他の交互作用は有意差を認めなかった

れた M 1 -seed の ciPLV に対してグループ間（若（all P > 0.37）。

年者と高齢者）における10000回の Permutation t-Ｃ．TMS-EEG

test をクラスター解析にてそれぞれ実施した。ク

各グループの実験 1 で計測した TEPs のバタフ

ラスターは隣り合うボクセルが 2 つ以上 P < 0.05

ライプロットを図 4 A，B に示した。TEP の N45を示すものと定義した。実験 2 では、TEP の N45成分におけるグループ間の比較では、M 1 を含む成分または ciPLV 値を使用して、各グループにお運動関連領域および一次体性感覚野の活動が高齢ける介入前後で10000回の Permutation t-test にお者で有意に低下を示した（P < 0.05）。一方、M 1 -けるクラスター解析をそれぞれ実施した。

seed の機能的結合では、グループ間で有意なクラスターは認められなかった（P > 0.65）。更に実験

（85）
A）

TMS N45B）

C）

Young

YoungOldStat

図 4 ．加齢に伴う TEP の N45成分の変化
Fig.4．Age-related change in N45 of TEPs.
A）Grand-average of butterfly plot in young group. B）
Grandaverage of butterﬂy plot in old group. C）
Comparison between
young and old groups on N45 of TEPs. The colored voxels on
the brain map in Stat represent significant difference betweengroups（P < 0.05）.

OldStat

図 5 ．加齢に伴う M1-seed の機能的結合の変化
Fig.5．Age-related change in M1-seed functional connectivity.
Grand-average of beta-band M1-seed functional connectivity
in young and old groups. The brain map in Stat did not show
any signiﬁcant diﬀerences between groups（P > 0.11）.

ットワークは高齢者で低下を示さなかった。その理由として、加齢は運動関連ネットワークよりも、N45成分のような M 1 の活動そのものに大きく影響を与えるということかもしれない。しかし、本研究では機能的結合の解析は β 帯域や M 1 -seed2 では、TEP の N45成分または M 1 -seed の機能のみに限定したため、α や γ などの他の帯域や、的結合は各グループ間の介入前後ではいずれも有補足運動野や運動前野などを seed とした更なる意差を示さなかった（P > 0.10）。

解析が要求されるかもしれない。

考察

非侵襲的脳刺激は、皮質脊髄路の興奮性を表す
MEP、M 1 の興奮性を表す TEP、運動関連ネット

本研究では、加齢に伴う運動関連脳内ネットワークを表す M 1 -seed の機能的結合のそれぞれワークの特定および、非侵襲的脳刺激を使用してに影響を及ぼさなかったが、高齢者の運動学習をそのネットワークと運動機能の強化を図ることを促進することができた。本研究で使用した非侵襲目的とした。新手法 TMS-EEG によって計測した的脳刺激法は、MEP および TEP の N45成分を変TEP の N45成分は高齢者で低下を示したものの、動させることが先行研究より示されている10）。しM 1 を基点とした運動関連ネットワークは、加齢かし、本研究では、その結果を再現できなかったによって変化を示さなかった。可塑性誘導後には、ことから、その効果には被験者間にて大きなばらMEP、N45成分、運動関連ネットワークのいずれつきがあるのかもしれない。また、M 1 -seed のにおいても各グループで変化を示さなかったが、運動関連ネットワークも変化しなかったことから、興味深いことに高齢者グループにおいて運動学習

MEP/TEP と同様に被験者間で大きなばらつきがの促進を図ることに成功した。

あるのか、または運動関連ネットワークの変化を多くの先行研究では、高齢者では M 1 の可塑誘導するには有効な手法ではないかもしれない。

性機能や抑制機能が低下することが報告されておそれにもかかわらず、本介入は高齢者の運動学習り、これらと関連して運動機能の低下が引き起を高めることが示された。どのようなメカニズムこることが明らかになっている。一方、本研究でで運動学習を促進しているのかは本研究からは説は、新手法である TMS-EEG を使用して TEP の明できないが、非侵襲的脳刺激法は、高齢者の運N45成分が高齢者で低下していることを初めて明動機能を高める有用なツールになる潜在性が示さらかにした。N45成分は M 1 の gamma-aminobu-れた。しかし、本研究で使用した生理学的指標かtyric acid（GABA）を含む抑制活動を反映していらは、脳内の可塑的変化をとらえることができなることから 、本研究結果は高齢者において M 1かったため、異なる解析手法、または機能的核磁の GABA の活動が低下していることを示唆して気共鳴法や脳磁図などの異なる脳イメージング装いる。一方、本研究の仮説に反して、運動関連ネ置を使用して、将来的にその詳細なメカニズムを2,7）

3）（86）解明する必要がある。また、実験 2 の高齢者グinterval intracortical inhibition and GABA levels in healthy

ループでは、 4 名の少ないサンプルだったため、young and older adults: a multimodal TMS-MRS study.

本研究で得られた結果は高い信頼性があるとはいえない。そのため、今後、サンプル数を増やし同様の結果が得られるかについても引き続き検討していく。

Neuroimage, 208, 116470.
3）Darmani G, et al.（2016）: Eﬀects of the selective alpha5GABAAR antagonist S44819 on excitability in the humanbrain: a TMS-EMG and TMS-EEG phase I study. J Neurosci,36, 12312-12320.

総括

本研究では新手法 TMS-EEG を使用し、高齢者

4）Ghasemian-Shirvan E, et al.（2020）: Age-related differences of motor cortex plasticity in adults: a transcranial
direct current stimulation study. Brain Stimul, 13, 15881599.

では特定の運動関連ネットワークの変化は示され

5）Hand BJ, et al.（2022）: Motor cortex plasticity and visuo-なかったが、M 1 における GABA を含む抑制性

motor skill learning in upper and lower limbs of endurance-

ネットワークが低下していることが初めて示された。また、非侵襲的脳刺激法は、M 1 の興奮性および M 1 -seed の運動関連ネットワークに影響を及ぼさなかったが、高齢者において運動学習を特trained cyclists. Eur J Appl Physiol, 122, 169-184.
6）Opie GM, et al.（2020）: Investigating the influence of
paired-associative stimulation on multi-session skill acquisition and retention in older adults. Clin Neurophysiol,
131, 1497-1507.

異的に強化することが示された。その脳内メカニ7）Opie GM, et al.（2017）: Priming theta burst stimulation

ズムは本研究のみでは明らかにできなかったが、

enhances motor cortex plasticity in young but not old

非侵襲的脳刺激法は高齢者の運動学習を高める有効なリハビリテーション手法になるかもしれない。
謝

辞本研究に対して助成を賜りました公益財団法人明治安田生命厚生事業団のご支援に深く感謝を申し上げます。

参 考 文 献adults. Brain Stimul, 10, 298-304.
8）Rempe MP, et al.（2022）: Spontaneous sensorimotor beta
power and cortical thickness uniquely predict motor functionin healthy aging. Neuroimage, 263, 119651.
9）Rogasch NC, et al.（2017）: Analysing concurrent transcranial
magnetic stimulation and electroencephalographic data: areview and introduction to the open-source TESA software.
Neuroimage, 147, 934-951.
10）Sasaki R, et al.（2022）: Modulation of I-wave generating

1）Cassady K, et al.（2019）: Sensorimotor network segregation

pathways with repetitive paired-pulse transcranial magnetic

declines with age and is linked to GABA and to sensorimotor

stimulation: a transcranial magnetic stimulation-electroen-performance. Neuroimage, 186, 234-244.

cephalography study. Neuromodulation, in press.

2）Cuypers K, et al.（2020）: Task-related measures of short-