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発表・掲載日:2015/01/07

脳損傷によって失われた運動機能を肩代わりする脳の変化を解明

-脳から学んだリハビリの開発につながる発見-

ポイント

  • 損傷を逃れた残存する脳の領域が、損傷領域が担っていた運動機能を肩代わりする
  • 機能回復の直後には残存する別の皮質領域が、回復の安定期では損傷近傍の領域が重要な役割
  • より効果的なリハビリや機能回復技術の開発が期待される


概要

 独立行政法人 産業技術総合研究所【理事長 中鉢 良治】(以下「産総研」という)ヒューマンライフテクノロジー研究部門【研究部門長 松岡 克典】システム脳科学研究グループ 村田 弓 研究員、肥後 範行 主任研究員と独立行政法人 理化学研究所【理事長 野依 良治】(以下「理研」という)ライフサイエンス技術基盤研究センター【センター長 渡辺 恭良】林 拓也 ユニットリーダー、尾上 浩隆 グループディレクターは、大学共同利用機関法人 自然科学研究機構 生理学研究所 西村 幸男 准教授、伊佐 正 教授、国立大学法人 京都大学 霊長類研究所 大石 高生 准教授、浜松ホトニクス株式会社 中央研究所 塚田 秀夫 センター長らの協力により、脳損傷で失われた運動機能を肩代わりする脳の変化を明らかにした。

 モデル動物の大脳皮質運動野に永続的な損傷を作成後、リハビリによる運動機能の回復過程での脳活動の変化を調べた結果、回復時には残存する脳領域(運動前野腹側部と損傷近傍の第一次運動野)の活動が変化し損傷した領域の機能を肩代わりしていた。この研究成果は、脳機能のメカニズムに基づいた新しいリハビリであるニューロリハビリテーションを構築する上で鍵となる。

 なお、本研究成果は、2015年1月7日(日本時間)に米国科学誌Journal of Neuroscienceにオンライン掲載される。

運動指令を担う領域の損傷後、把握動作を用いたリハビリにより手の運動機能が回復した。このとき残存する脳領域で損傷した領域の機能を肩代わりする脳活動の変化が生じていた図
運動指令を担う領域の損傷後、把握動作を用いたリハビリにより手の運動機能が回復した。
このとき残存する脳領域で損傷した領域の機能を肩代わりする脳活動の変化が生じていた。


開発の社会的背景

 高齢化の進む日本において脳卒中をはじめとする脳の損傷は深刻な社会問題となる。脳に損傷を受けると後遺症が残ることが多く、脳卒中は発症後に介護を必要とする疾病原因の第一位となっている。なかでも、手の運動機能の低下は、患者の日常生活を不便にする大きな要因である。患者や家族の負担を軽減するために、リハビリによる機能回復の効率化が極めて重要で国際的な課題となっている。

 最近、脳の回復メカニズムに基づいた新しいリハビリであるニューロリハビリテーションが注目を集めている。これは、従来法よりも回復を促進させる可能性を持つ有望な方法と期待されているが、回復をもたらす脳の変化の理解自体が進んでいないという問題があった。回復をもたらす脳の変化に基づいたより効果的なリハビリが開発されれば、患者や家族の身体的、金銭的負担の軽減、さらに、医療や介護の社会負担も減り、高齢者が元気に暮らせる社会の実現につながる。

研究の経緯

 産総研は、モデル動物を用いた脳の回復メカニズムの研究に強みを持ち、脳機能回復・支援技術の研究開発を行ってきた。一方、理研では、脳活動計測技術とその解析法に強みを持っている。今回、両者の強みを生かして、手の運動機能回復に重要な役割を持つ脳活動の変化を明らかにした。

 なお、本研究開発は、独立行政法人 科学技術振興機構の戦略的創造研究推進事業CREST(平成16~21年度)、戦略的創造研究推進事業さきがけ(平成21~24年度)、独立行政法人 日本学術振興会 科学研究費補助金 研究活動スタート支援(平成24~25年度)と基盤研究C(平成25~27年度)による支援を受けて行った。

研究の内容

 モデル動物を用いて、大脳皮質から筋肉へ運動の指令を出す中心領域である第一次運動野の、手の運動機能を担う領域に局所的に損傷を起こさせた。損傷後は大脳皮質から運動の指令が出せないため、手に運動麻痺が生じた。指先で物をつまむというような手先の器用な動作はヒトと一部の動物だけが持つ高度な運動機能で、大脳皮質による情報処理が必要であるため、第一次運動野が損傷すると回復は不可能と考えられていた。しかし、把握動作を用いた積極的なリハビリを行わせた結果、約1カ月後に手先の器用な動作を含む手の運動機能が回復した。この、リハビリによる機能回復の過程で、損傷した第一次運動野の機能を補うため脳に何らかの変化が生じたと考えられる。

 この脳の変化をとらえるために、陽電子放出断層撮影(PET)を用いて、手を用いた器用な動作を行っているときの脳活動を調べた。損傷前は、第一次運動野を中心とした脳の活動が見られた(図1左)。第一次運動野の損傷後、リハビリにより器用な動作が回復した時点で脳の活動を計測したところ、損傷前と比べて損傷した第一次運動野の活動は減少していたが、損傷前よりも活動が上昇した脳領域が複数認められた。動作の回復直後には、運動前野腹側部と呼ばれる別の大脳皮質の領域で、損傷前と比べて活動の上昇が見られた(図1右)。さらに、損傷後数カ月経過した回復の安定期の脳活動を調べたところ、損傷近くの第一次運動野で活動の変化が見られた(図2)。

脳損傷前(左)と機能回復直後(右)のPET画像の図
図1 脳損傷前(左)と機能回復直後(右)のPET画像
回復直後には損傷前と比べて運動前野腹側部の活動が高まった。

機能回復後数カ月経過した安定期のPET画像の図
図2 機能回復後数カ月経過した安定期のPET画像
回復後の安定期には損傷近くの第一次運動野の活動が高まった。

 これまでの臨床研究から、脳卒中患者では健常者と比べて脳活動の変化が生じているという報告がなされている。しかし、脳活動の変化がすべて機能回復につながっているのではなく、正常な脳活動を阻害する脳活動の変化もあると考えられ、脳部位ごとの役割が特定されていなかった。

 そのため、今回認められた脳活動の変化が機能回復に貢献しているかどうかを調べるために、回復直後と回復安定期に、薬剤(ムシモール)を用いて運動前野腹側部と損傷近くの第一次運動野の活動をブロックした。それぞれの領域の活動をブロックすると手の運動障害が再発したことから、これらの領域の脳活動の変化が、損傷した第一次運動野の手の運動機能を担う領域を肩代わりしていることが確認された。リハビリによる運動機能の回復過程で、運動前野腹側部と損傷近くの第一次運動野に、損傷した領域の機能を補う新たな運動指令を伝える経路が確立された可能性がある。

 これまでにも、モデル動物を用いた研究により損傷部位の機能を肩代わりするような神経ネットワークの変化が生じることが提唱されてきたが、脳の一部しか観察されなかったり、麻酔をかけて調べられたりしたため、変化した神経ネットワークが実際に使われているのか分からないという問題があった。今回の研究では、実際に手を使った把握運動を行っているときの脳全体の活動を解析し、損傷を逃れた残存する領域の脳活動が運動機能回復過程で変化することをとらえた点、活動の変化が回復に必須であるという因果関係を示した点で、リハビリ技術の開発に直結すると期待される。

今後の予定

 産総研ではリハビリによる遺伝子発現の変化を、理研では神経ネットワークの構造変化を解析して、リハビリが脳活動の変化を生み出すまでの詳細な過程を多角的に解明する。このような知見をリハビリに関わる医療技術者に提供し、新たなリハビリ手法や、より直接的に脳の活動を変える脳電気刺激療法、リハビリ促進薬剤の開発、リハビリ効果の評価法の開発に貢献する。



用語の説明

◆大脳皮質
脳の外表面を構成する層状の脳部位で、人を含む霊長類でとくに発達している。機能および構造が異なる数十の大脳皮質の領域により構成される。[参照元へ戻る]
◆運動前野腹側部
大脳皮質の中で運動に関わる「運動野」の一つ。どのような手の運動を行うかを制御するために重要であると考えられている。[参照元へ戻る]
◆第一次運動野
運動野の一つで、脳から筋肉へ運動の指令を出す主要な領域。顔、手、足など体のそれぞれの部位への出力を担う機能区分が存在する。[参照元へ戻る]
◆ニューロリハビリテーション
脳の機能回復メカニズムを利用し、より完全な機能回復を目指すリハビリテーション。近年になって脳の神経ネットワークは固定されたものではなく柔軟に変化しうるものであることが分かってきたので、この柔軟性を生かしたリハビリテーションが模索されている。[参照元へ戻る]
◆陽電子放出断層撮影(PET)
放射性同位元素を利用した画像化法。本研究ではこの装置を利用して脳の血流変化を測定することで、脳活動を調べている。[参照元へ戻る]
◆ムシモール
脳活動を抑制する神経伝達物質であるガンマ-アミノ酪酸(GABA)と似た働きを持つ物質であり、数時間から数日にわたって一時的に脳活動を抑制する。[参照元へ戻る]


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