2024.04.22

運動出力の調節には「感覚フィードバック」が重要

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Medical news

リハビリテーションの臨床で多く接する脳卒中患者において，運動麻痺は軽度であるにも関わらず感覚障害によって動作拙劣を呈するような症例をしばしば目にすると思います．本研究はその背景メカニズムを捉えるために，手指による物体把持動作における感覚フィードバックの影響を検討することを目的として実施しました．畿央大学大学院博士後期課程／摂南総合病院の赤口諒氏，森岡周教授，国立障害者リハビリテーションセンター研究所・神経筋機能研究室の河島則天室長（畿央大学客員教授）らの研究グループは，慢性期脳卒中患者の物体把持動作中の特徴として，①過剰な力発揮，②把持動作時の安定性低下，③予測制御の停滞を見出し，これらの運動制御の停滞が運動麻痺よりもむしろ感覚障害に強く影響を受けることを明らかにしました．この研究成果はClinical neurophysiologyに掲載されています．

研究概要

脳卒中後に生じる手指の麻痺や動作の拙劣さは日常生活の利便性に直結するため，手指機能の改善はリハビリテーションの主要な目標となっています．軽度の運動麻痺にも関わらず，感覚障害が原因で動作が不器用になる脳卒中患者は決して少なくありません．そのため，手指を用いた物体の把持動作において，感覚フィードバックがどのように影響するかを理解することは，その背景メカニズムを探る上で重要です．物体把持時の力の調節は，感覚フィードバックに基づく運動制御の一般的なモデルとして，長年にわたって研究されてきました．しかし，リハビリテーション分野で広く用いられている臨床的アウトカム尺度は，主に四肢運動の運動学的特性（例：Fugl-Meyer AssessmentやAction Research Arm Test）に焦点を当てており，運動制御戦略（例：把持力制御）には焦点が当てられていません．

このギャップを埋めるために，畿央大学大学院博士後期課程／摂南総合病院の赤口　諒氏，森岡　周教授，国立障害者リハビリテーションセンター研究所・神経筋機能研究室の河島則天室長（畿央大学客員教授）を含む研究グループは，把持力計測装置を使用し，既存の研究で明らかにされた制御方略と計測・解析方法を臨床に応用する新しいアプローチを開発しました．彼らは，慢性期脳卒中患者の把持力調節の特徴把握のために，①物体重量に応じた力調節，②動作安定性，③予測制御の3つの観点から評価しました．その結果，脳卒中患者が物体を把持する際に過剰な力を発揮し，動作が不安定で，予測制御が停滞していること，さらには上記特徴が運動麻痺よりも感覚障害の影響を強く受けることを明らかにしました．この研究に用いている計測装置は，臨床現場で活用可能なシンプルなもので，かつ臨床評価の一環として取得・集積したデータを分析することで得られた知見であることに，大きな意義があると考えられます．

手指による物体の把持動作の円滑な遂行には，行った動作（運動出力）とその結果（感覚フィードバック）を照合・修正するプロセスが重要です．感覚情報に基づく運動調節は，動作実行中のオンライン制御だけでなく，運動の結果として得られた誤差情報を次の動作に修正・反映させるオフライン制御（予測制御や運動学習の基となる内部モデルに基づく運動制御）に大別されます．本研究では，運動制御における感覚フィードバックの重要性に焦点を当て，①物体重量に応じた力調節，②動作安定性，③予測制御の側面から分析するため，3つの課題を設定して把持力を計測しました．

図1．把持力計測装置と計測方法の概要

患者さんは各課題でロードセルおよび加速度計が内蔵された装置を把持して持ち上げます．計測は①3種類の異なる重量設定下での5秒反復把持課題（重量の違いに基づく力発揮調節を検証），②30秒静的把持課題（物体把持時の安定性を検証），③動的把持課題（把持物体を上下方向に動作させた際の予測制御を検証）で実施し，把持力（Grip force）と加速度（ACC）を計測しました．各課題の把持力と加速度の時系列データの代表例とその後の解析結果の代表例を提示しています．

本研究のポイント

・慢性脳卒中患者の物体把持力制御能は，感覚障害の影響を大きく受ける．

・長期にわたる感覚入力の欠如は，内部モデルの更新を妨げ，予測的な把持力制御を困難にしている．

・把持力制御に関する詳細な評価を行うことで，脳卒中患者における手指機能障害のメカニズム理解の一助となる．

研究内容

対象は麻痺側の手指で物体を把持できる脳卒中患者24名でした．運動麻痺はFugl-Meyer Assessment，感覚障害はSemmes Weinstein Monofilament Testで評価しました．把持力計測は，前記3課題を実施し，得られた把持力および加速度データを用いて，①物体重量に応じた把持力の感度特性（回帰式のゲイン・切片）の評価，②安定把持局面の加速度パワースペクトル解析による把持安定性，③物体把持下での上下動作時の把持力と負荷力のカップリングの程度について相互相関解析による評価を行いました．

図2．研究結果の概要

患側は健側よりも過剰な力発揮と物体把持安定性の低下，予測制御が停滞していることが明らかになりました．

全課題を通して，把持力は健側と比べ患側で有意に大きく，この結果は重量に応じた把持力の変化を示す回帰式の切片における有意な増加に反映されています．把持動作時の安定性は患側で乏しく，30秒間の静止把持課題時の加速度スペクトル密度の振幅と低周波シフトにその特徴が表れています．また，動的把持課題の把持力と負荷力の相互相関係数は，健側に比べて患側で低い値を示しました．

図3．運動麻痺・感覚障害との関連性

運動麻痺よりも感覚障害との相関係数が大きいことが明らかになりました．

これらの特徴は感覚障害との関連性が高く，感覚障害が重度であるほど過剰な出力が生じ，物体の把持安定性が失われ，予測制御が損なわれる傾向が示唆されました．感覚情報は動作逐次のフィードバック制御だけでなく，結果を次の動作に活かす「内部モデルの更新」にも不可欠です．したがって，感覚障害を持つ症例の動作の不器用さや過剰出力は，単なる実行エラーではなく，予測制御の困難さが一因である可能性を示唆しています．

図4．運動麻痺優位，感覚障害優位，双方混在の典型例の対比

感覚障害優位，双方混在の典型例Patient W, Xは運動麻痺優位の典型例Patient Cと比べて，把持力過剰出力，物体把持安定性の低下，予測制御の停滞となる特性を認めました．

本研究の臨床的意義および今後の展開

把持力計測は単に運動出力の調節を検討するだけでなく，感覚情報を手掛かりとしたフィードバック制御や予測制御の成否を把握することを可能にします．運動制御のどの側面に停滞が生じているのかを感覚障害との関連から見極めた上で適切な課題設定や動作指導を行うことができれば，残存機能を最大限に活用した動作獲得を目指す上での足掛かりとなる可能性があり，高い臨床的意義を持つものと考えます．

この論文に用いたデータは実験計画を立てた上での研究目的のデータ取得ではなく，通常臨床における症状の特性評価を目的として実施したデータを，一定数集積後に事後的に分析したものです．既に研究レベルで得られている知見を臨床評価に応用し，リハビリテーション臨床における症状特性把握に活かすことは，極めて重要だと考えられます．

研究グループでは，今回の研究で明らかにしたような「評価的観点」からの試みに加え，感覚障害由来の動作拙劣さを呈する脳卒中患者に対してどのようなリハビリテーション介入を行うことで手指機能の改善に繋げられる可能性があるのか，という視点での「介入的観点」での取り組みを進めており，把持力計測を用いてその効果検証をするための介入研究を進めています．

尚，本研究で使用した把持力計測装置は，国立障害者リハビリテーションセンター研究所・神経筋機能障害研究室の研究成果をもとに，株式会社テック技販が既に製品化しています．