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研究論文

 

Published online 2009 May 29. 

陽極経頭蓋直流刺激による下肢のピンチ力の増強

 
執筆者:Satoshi Tanaka,Takashi Hanakawa,Manabu Honda,and Katsumi Watanabe
 

要旨

経頭蓋直流刺激(tDCS)は、ヒトの脳を分極させるための処置である。手の運動皮質上のtDCSが一時的に手の運動課題の成績を改善することが報告されている。ここでは、tDCSも脚の運動機能を向上させることができるかどうかを調べた。10人の健康な被験者は、足の運動皮質上の陽極、陰極または偽tDCSの前、間および後に左脚を使用してピンチ力(PF)および反応時間(RT)作業を行った。陽極tDCSはその適用中に最大脚PFを一時的に増強したがRTを増強しなかった。陰極刺激も偽刺激も性能を変えなかった。いずれの介入も手のPFまたはRTに影響を与えず、tDCSの効果の空間的特異性を示した。これらの結果は、手だけでなく足の運動能力も、陽極tDCSによって高めることができることを示している。

キーワード:
歩行、脚、運動皮質、リハビリテーション、経頭蓋直流刺激、経頭蓋磁気刺激

 

前書き

経頭蓋直流刺激(tDCS)は、頭蓋を通して弱い直流を送達することによって脳領域を刺激する最近提案された技術である。刺激の極性に応じて、刺激された皮質領域の興奮性を増減させることがあります。例えば、手の運動皮質の興奮性は、一過性に陽極tDCSによって増加し、陰極tDCSによって減少する(Nitsche and Paulus 2000 ; Nitsche and Paulus 2001 ; Furubayashi et al。、2008)。さらに、tDCSによる興奮性の変化は、認知課題と運動課題の両方のパフォーマンスの変化と関連しています(Priori 2003 ; Wassermann and Grafman 2005 ; Tanaka and Watanabe 2009)。)tDCS装置は比較的小型であり、他の脳刺激技術と比較してアコースティックノイズおよび筋肉のけいれんを誘発しないので、二重盲検模擬対照試験および臨床応用に適している(Gandigaら、2006; HummelおよびCohen、2006; Fregniおよび2006)。 Pascual-Leone 2007)

以前の研究はtDCSが手の運動能力を高めることができることを示しました。例えば、健康な志願者および脳卒中患者の両方において、陽極tDCSが1mAの強度で20分間手の運動皮質に適用された場合、日常生活の活動を模倣する手の運動課題(Jebsen − Taylor手機能試験)の性能は一時的に改善した。 (Fregniら、2005 ; Hummelら、2005 ; Hummel and Cohen、2005 ; Boggioら、2006)。手の運動皮質の上に陽極TDCのも(フンメルとコーエン簡単な手の運動タスクを実行する最大のピンチ力(PF)と短縮反応時間(RT)脳卒中患者で増加した2005年。らフンメル、2006)これらの知見は、tDCSが手の機能を調節するための強力なツールであり得、そして神経リハビリテーション環境における運動回復に寄与し得ることを意味する。

多くの神経障害および脳卒中はしばしば脚の運動機能および歩行の著しい欠陥を招き、そして患者は脚の障害および障害のある力の発生、より低い歩行速度、減少したケイデンスおよびより短い歩幅のような歩行障害に苦しんでいる。足の運動機能に対するtDCSの影響は神経疾患および脳卒中後の神経リハビリテーションに関連すると思われるが、足の運動皮質に適用されたtDCSが足の運動能力に何らかの影響を与える可能性があるかどうかはまだ不明である。したがって、本発明者らは、脚部運動皮質を中心としたtDCSの適用が健常者においてPFおよびRTを変化させたかどうかを調べた。以前の研究では、陽極TDCのは一過性健常者(ジェフリーらで対側脚の運動皮質における運動誘発電位(MEPの)を増強することを実証した。2007そして、我々は脚運動皮質上の陽極tDCSが脚運動課題の遂行を促進することができると仮定した。

 

方法

科目

健康な成人ボランティア10人(男性8人および女性2人、平均年齢23.8歳、範囲20〜35歳)が本研究に参加した。全員が右利き、右脚優勢を報告しており、精神疾患または神経学的疾患の既往歴はなかった。すべての被験者は実験前に書面によるインフォームドコンセントを与え、これは国立神経科学研究所の地域倫理委員会によって承認された。


手順

我々は、PFおよびRT課題に対する右脚運動皮質に対するtDCSの効果を調べた(図1)。 a)。PF課題では、左足指と左指の最大ピンチ力を測定した。RT課題では、対象は、コンピュータ画面上に提示された視覚的刺激に応答して、できるだけ早く左のつま先を上げた(足首の屈曲)または左の親指を伸ばした(指の伸展)。すべての被験者は3つのセッションに参加した:陽極、陰極tDCSおよび偽刺激。3つのセッションは少なくとも1週間離れており、順序は被験者間で釣り合っていた。各セッションを始める前に、被験者は習熟のための課題を練習しました。各セッションは、4ブロックのPFタスク(tDCS介入後、1ブロックあたり3試行前、30、60分前)と5ブロックRTタスク(オフセット前、10、30、60分前、間)で構成されていました。介入の:ブロックあたり25試行)。おおよそ1かかりました。PFタスクのブロックを完了するために5分、RTタスクのブロックを完了するために3分。すべての作業において、天井効果を回避するために、優勢ではない(すなわち左の)手と足を使用した。脚と手の使用、およびPFとRTの作業の順序は、被験者間で釣り合っていました。PFとRTのパフォーマンスに関するフィードバックはありませんでした。1人の被験者はレッグPFタスクのみを行い、他の被験者はレッグPFおよびRTタスクのみを行った。機械のトラブルのため、他の被験者のハンドRTタスクデータは収集されませんでした。1人の被験者はレッグPFタスクのみを行い、他の被験者はレッグPFおよびRTタスクのみを行った。機械のトラブルのため、他の被験者のハンドRTタスクデータは収集されませんでした。1人の被験者はレッグPFタスクのみを行い、他の被験者はレッグPFおよびRTタスクのみを行った。機械のトラブルのため、他の被験者のハンドRTタスクデータは収集されませんでした。

実験的なデザイン。脚運動皮質に対するtDCSの効果は、PFおよびRT課題で調べた。PF課題では、左脚の最大ピンチ強度を測定した。RT課題では、被験者はできるだけ早く左脚を使用することによって視覚刺激に反応した。すべての被験者は、陽極tDCS、陰極tDCSおよび偽刺激実験セッションに参加し、各セッションは4ブロックのPF課題および5ブロックのRT課題からなった。対象がPFおよびRTタスクのブロックを実施した後、脚運動皮質上の2mAのtDCSを10分間適用した。タスクが左手で行われたときに、tDCS効果の空間的焦点をPFおよびRTも測定することによって評価した。bレッグピンチフォース装置 足指間隙力測定装置を使用して、左足親指および二次指の最大PFを評価した。被験者は肘掛け椅子に座って、ゲージを1〜3秒間できるだけ強く絞るように依頼されました。

タスク

レッグピンチ力測定
最大左親指のPF(ニュートン)とDIGITUSのsecundusはトウギャップ力測定装置を使用して評価した(図 1 B; Sokushiチェッカー、Shinkikaku出版、東京、日本)。直接PFに関連する筋肉が転hallucisと足interosseiの横ヘッドである(山下ら、2006)。足指PFはまた、伸筋指屈筋、伸筋伸筋、屈筋屈筋および前脛骨筋(TA)などの他の筋肉の協調的活性化によっても生成される。PF測定中のこれらの筋肉の筋電図活動は、発生した力と共に増加した(Yamashita and Saito 2002)。測定されたPFは、下肢の身体能力(例えば、10mの歩行時間; Yamashita et al。2006)。したがって、PFは下肢の筋力を反映していると考えられます。

測定中、被験者は、左脚を腰(90°)および膝(90°)で屈曲させ、足首を90°の足底屈曲で肘掛け椅子に座らせた。被験者は、左手の足の親指と二次指先を使ってゲージを1〜3秒間できるだけ強く絞った。測定中、被験者はかかとを上げないように指示された。ブロックあたりの試行回数(3試行)は、疲労の影響を避けるために決定されました。3つの条件(アノード、カソード、シャム)間でベースラインPF性能に大きな違いがないこと(「結果」を参照)は、この測定方法でのテスト - 再テストの信頼性を示唆しています。すべての測定は、同じ研究者によって、同じ装置を用いて同じ実験条件下で行われた。


下肢反応時間課題

被験者はコンピュータモニターの前に座った。各試行は画面中央の視覚的警告信号(緑色の四角)で始まり、その後GO信号(赤色の四角)がランダムな間隔(2〜6秒)で表示されました。被験者は、反応した直後に筋肉を弛緩させ、次の試験の準備をするように依頼された。警告信号が表示されている間、被験者は左足を使用してペダル(FS30A − USB − UL、Kinesis Corporation、Botell、WA、USA)を押し続け、そしてできるだけ早くペダルを放すことによってGO信号に応答した。RTは、GOシグナルの開始と放出運動の開始との間の間隔(ms)として定義された。


ハンドピンチ力測定

被験者は両腕をリラックスさせて椅子に座った。彼らは、人差し指の中節骨の外側面と左手の親指パッドの間にダイナモメーター(Hydraulic Hand Dynamometer、ベースライン、アーヴィングトン、ニューヨーク州、アメリカ)の腕を握り、1 - 4の間できるだけ強く握りしめました。 3s(Mathiowetzら、1984年、1985年; Muellbacherら、2001年; Hummelら、2006年)。


手反応時間タスク

全体的な手順はレッグRTタスクの手順と同じですが、フットペダルの代わりにハンドメイドのボタンボックスがあります。警告信号が表示されている間、被験者は左手の親指を使ってボタンを押し続け、ボタンをできるだけ早く離すことでGO信号に応答しました。


tDCS

DC刺激プラス(NeuroConn、イルメナウ、ドイツ)(34センチ表面積を有する各2つのスポンジ表面電極を介して直流電流を送達する2 15ミリモルのNaCl(ダンダスらに浸漬した)。2007)一方の電極は、経頭蓋磁気刺激(TMS)がTAにおいて痙攣を誘発した右運動皮質の左脚表示上に配置され、他方の電極は反対側の眼窩上の額に配置された。陽極および陰極tDCSの強度は2mAであった。tDCSを10分間適用した(最初の15秒間に電流が0から徐々に増加し、最後の15秒間に徐々に0に減少した)。これらのパラメータを持つ陽極TDCのは、副作用を誘導することなく、脚運動野の興奮性を変更することが報告されている(ジェフリーら。2007)。刺激電極における電流密度は0.057mA / cm2であり、総電荷は0.069C / cm2であった。。これらのパラメータは、安全基準に応じて、遠組織損傷の閾値以下である(Nitscheら、2003)。TDCの印加時の電圧は同じ手順を用いたが、現在はわずか30秒間印加した偽の刺激のために10未満V.た(Gandigaら、2006)。 経頭蓋磁気刺激 tDCS電極の位置は、TMSが左TAのけいれんを誘発した頭皮位置を中心とした。TMSは、A Magstim 200 Stimulator(Magstim、Whitland、UK)を使用して、前後方向を向いた80 mm 8の字型コイルを介して送達されました。各セッションの開始時に、我々は右半球の脚の運動皮質上の左TA筋肉の安静時運動閾値(rMT)を決定した。rMTは、10回の連続試行のうち5回で100μVのピーク間振幅のMEPを引き出すのに必要とされるTMS出力の最低強度として定義された(Rossiniら、1994)。)Cz(International 10–20 system)を横切る矢状方向中央線に沿って1 cmステップでコイルを動かすことにより、TA筋肉の活性化のための最適な位置を決定した。この方法を使用して、TMSはすべての被験者において下肢MEPを誘発することができました。平均rMTは最大刺激器出力の80.9±9.2(平均±SD)パーセントであった。双極性モンタージュ(電極間距離2cm)で、EMG表面電極を左TA筋を覆う皮膚上に配置した。


データ分析

4つのタスク(レッグPF、レッグRT、ハンドPFおよびハンドRT)のデータを別々に分析した。各被験者について、3回の測定のうちの最大のPFおよび25回の試行の中央値のRTを各ブロックについて計算した。データは介入前のパフォーマンスに関して正規化された。各課題について、正規化されたデータを、介入(陽極、陰極および偽)およびTIME(現在の刺激の間およびその後の時間経過:PF課題について3つの時点および4つの実験について4つ)で二元配置分散分析(ANOVA)にかけた。被験者内要因としてのRT課題)多重比較に対してボンフェローニ補正を用いて事後検定を行った。

 

結果

副作用を報告した被験者はいなかった。本物と偽物の刺激セッションの違いに気づいた人は誰もいなかった。一元配置分散分析では、4つのタスクすべてで刺激前ブロックに有意差がないことが明らかにされました[区間PF(F (2,18) = 0.04、ns)、区間RT(F (2,16) = 0.01、ns)。 、ハンドPF(F(2,14) = 0.26、ns)およびハンドRT(F(2,12) = 1.18、ns)]である。したがって、データは各被験者および各タスクについて介入前のパフォーマンスに関して正規化された。

 

足の運動課題

足の運動課題における最大PFに対するtDCSの効果は、介入要因(アノード、カソードおよび偽)およびTIME(刺激後、30分後および60分後)を用いて二元配置反復測定ANOVAを行うことによって評価した。 

ハンドモータータスク

いずれの介入も手の運動課題における最大PFに有意な影響を及ぼさなかった。相互作用(F (4,28) = 0.39、ns)]とRT [図 2右下、介入(F (2,12) = 0.60、ns)、時間(F (3,18) = 0.32、ns) 手のPFまたはRTのいずれかに対するtDCSの有意な効果がないことは、現在の刺激パラメータを有する陽極tDCSが、体節的に特異的な効果を有していたことを示している。)、相互作用(F(6,36)= 0.86、ns)。

討論

本結果は、脚運動皮質上の陽極tDCSが一時的に刺激と反対の最大脚PFを促進することを初めて証明した。増強は刺激終了後30分間持続し、手の運動課題では観察されなかった。調節のエフェクター特異性は、結果が覚醒の増加または注意の変化、動機または気分のような一般的な効果によって引き起こされたのではないことを示した。エフェクター特異性はまた、おそらくは手の運動皮質が足の運動皮質から約3〜4 cm離れているために、tDCSが手の機能に影響を与えることなく足の運動機能の変化を誘発できることを示している。

陽極たTDCによって強化ハンドモーターの性能は、前のTDCの研究(フンメルらに観察されている2005年、2006年)、そして私たちの調査(20.5%)で、脚PFの改善の程度は、TDCの誘発性の改善の程度に匹敵しました手の運動機能の以前の研究で観察された。脚運動野が手の運動野(ジェフリーら未満の興奮しているので、それが私たちの研究では2ミリアンペアであったのに対し、これらの研究では、電流は、1ミリアンペアだった2007)。したがって、手の運動皮質上の1 mAの陽極tDCSと脚の運動皮質上の2 mAの陽極tDCSの間で行動的なパフォーマンスに定性的に同様の効果があるかもしれません。

本研究では、足の運動皮質上の陽極tDCSは刺激とは反対側の足のRTを変化させなかった。手の運動課題におけるRTは陽極たTDCによって促進されることが報告されている(フンメルとコーエン2005 ;フンメルら2006)。レッグRTに対するtDCSの影響がないのは、パフォーマンスの上限によるものと考えられます。本研究では、被験者は健康な成人ボランティア(平均年齢23.8歳)であり、彼らのRTは介入前にすでにかなり短かった(平均RT 272 ms)。以前の研究では被験者は、対照的に、慢性脳卒中と高齢患者(57.0歳平均)だったので、もっとゆっくり若く健康な成人(フンメルらよりも応答することが予想される。2006)もう一つの可能​​性は、tDCSの低い空間的焦点のために、以前の研究における陽極tDCSが手の運動皮質だけでなく運動前の皮質も刺激したということです。次いで、陽極tDCSは、RTタスクを実行するために必要とされる、外運動誘発運動、運動前皮質の可能な機能を促進し得る(Goldberg1985; Wesselら1997; Crossonら2001)。RT課題がtDCSの効果を検出するのに十分に敏感でない可能性があり、または刺激強度および/または持続時間(2mAの10分)が課題に有意義な行動上の利益を誘発するのに十分ではない可能性もある。

脚運動皮質(ジェフリーらの興奮にTDCの効果に基づき2007)、我々は行動の公演に陰極たTDCの有意な影響は観察されませんでした。これは、足の運動皮質が手の運動皮質よりも抑制回路が少ないことに起因するか、または頭皮に対する足の運動皮質の向きおよび位置が異なるためにカソード電流が足の運動皮質において効果的でない可能性がある。アル。2007)。Jefferyらによる電気生理学的研究の結果の間の一つの違い。(2007年そして我々の現在の結果はtDCSの後効果の持続時間です。彼らの研究では、10分の陽極tDCSは刺激後60分以上の間、足の傍脊柱管の興奮性を増加させた。他方、我々が観察した脚の最大PFに対する陽極tDCSの効果は比較的短期間であり、そしてPFは刺激の60分後にそのベースライン値に戻った。tDCSによる最終的な行動の出力の長期的な変化を誘発することはより難しいかもしれません。あるいは、この矛盾はJeffery et al。との間の設備、被験者集団および/または実験条件の違いに起因するかもしれない。(2007)と私たちのもの。

強化レッグPFの根底にあるメカニズムはまだ投機的です。1つの可能性は、脚運動皮質における陽極tDCSによる皮質脊髄興奮性の増加が行動獲得に寄与したことである。他の可能性は、tDCSが筋肉間結合を増大させることである。手の運動皮質の上に陽極TDCのがら電源(第一背側骨間と指伸筋communisの筋肉のベータバンドintermuscularコヒーレンスを高めることが報告されている2006)足の指のPFの発生には下肢筋肉の協調的活性化が必要です。したがって、陽極tDCSによるこれらの筋肉のより最適な結合は、脚における最大PFの向上に寄与し得る。この問題を解決するには、足の行動能力と脳と筋肉の活動を同時に測定して相関させるというさらなる実験が必要になります。

要約すると、我々は健康な成人被験者の脚の運動能力が反対側の脚の運動皮質を超える陽極tDCSによって一時的に強化されることを示した。これは、tDCSが局所皮質興奮性の変化(生理学的変化)だけでなく運動機能の行動獲得(行動/機能変化)も誘発し得るという直接的な証拠である。被験者が脚の運動課題を遂行している間にtDCSを適用することができるので、それは脚の運動障害を持つ患者の神経リハビリテーションに役立つかもしれません。

 

※こちらの論文は、原文の一部を翻訳したものになります

原文はこちら



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