人間の不完全なSCIにおける運動機能の薬理学的に誘起される変化を定量化する方法

本プロトコルの目的は、セロトニン作動薬の投与後に不完全脊髄損傷患者に見られる運動行動の変化を記述することである。これを達成するため、まず標準化された評価を行い、ベースラインの臨床指標、下肢筋力、および反射行動を評価する。より精密な測定値を得るために、選択した筋群の筋力と反射機能の定量的静的評価を行い、特に最大随意トルクと伸張反射興奮性を詳細に検討する。その後、さらなる定量的動的評価を実施し、トレッドミル歩行中の下肢の運動学的パターン、筋活動およびタイミング、ならびに代謝効率を測定する。

最後に、セロトニン作動薬を盲検クロスオーバーデザインで投与し、評価を繰り返します。このトランスレーショナル医学のアプローチにより、不全脊髄損傷患者における随意的な筋力反射および歩行能力に対するセロトニン作動薬の効果を体系的に評価します。脊髄損傷は、受傷直後に深刻な運動制御機能障害を引き起こす、衰弱性の疾患プロセスです。

不完全損傷を持つ患者の多くにとっての主要な目標は歩行機能の回復であり、これは損傷部位より遠位に運動制御能が残存していることを意味します。この目標は達成可能である可能性があります。動物モデルを用いた研究では、薬理学的製剤が運動制御および歩行能力の回復を加速および促進させることが示されています。

しかしながら、これらの知見をヒトに適用することには限界があります。当研究室では、これらの動物実験における知見を、不完全脊髄損傷を患うヒトへの応用に役立てようと試みています。私たちは、薬理学的薬剤が不完全脊髄病変を有する個人の運動制御および歩行能力の回復を促進できるかという問いを明らかにしたいと考えています。

I. 大腿四頭筋およびハムストリング筋群の痙縮は、大腿四頭筋の痙縮を評価するために修正アシュワーススケールを用いて定量化します。検査者は膝関節について、緩徐および急速な受動的屈曲運動を行います。同様に、ハムストリングの痙縮を評価するために、検査者は膝関節について緩徐および急速な受動的伸展運動を行います。

痙性反射は、特定の基準に基づき0から4の段階で評価されます。これらの生データを順序尺度に変換し、屈筋痙攣の強度または持続時間を左右両側で合計することで、複合スコアが算出されます。伸筋痙攣およびクローヌスは、脊髄評価ツールを用いて定量化されます。

痙性反射については、記載された基準に基づいて患者の反応を段階的に評価します。各肢および両肢間のスコアを加算し、総合スコアを算出します。個人の随意的な筋肉収縮能は、米国脊髄損傷協会（American Spinal Injury Association）のガイドラインに基づいた下肢運動スコアを用いて評価します。

関節周囲の拘縮を0から5のスケールで評価するために、規定の基準が用いられます。L2、L3、L4、L5、およびS1のマイオトームを両側性に評価し、そのスコアを合算することで複合スコアを算出します。反射活動および筋力に関する臨床評価においてこれらの明らかな欠損があるにもかかわらず、この患者は体重支持付きトレッドミル上で歩行することが可能です。

さらに、患者はローリングウォーカーの介助を受けて地上歩行が可能です。速度依存性の伸張反射をさらに定量化するため、等速性筋力測定装置と筋電図を組み合わせたシステムを用いて筋活動を測定します。

表面記録電極を前脛骨筋および内側腓腹筋に貼付します。患者の脚を、6自由度ロードセルに結合されたフットプレートに固定し、足関節軸をロードセルの中心に合わせます。緩やかなストレッチ摂動から、受動的または重力的なトルクを取得します。

このトルク応答には反射成分が含まれていないと想定し、急速伸展時の値から差し引きます。伸展反射の興奮性を評価するための正味の反射応答を算出するため、リラックス状態の患者に対して背屈または底屈方向への単回または複数回の伸展を行い、速度に伴う興奮性の変化を評価します。回転速度は、30、60、120 degrees per secondを含むさまざまな速度で測定します。

トルク応答は、200 Hzでローパスフィルタ処理し、1000 HzでサンプリングしてEMGデータと同期させたトルク信号を用いて定量化します。解析に先立ち、受動的な寄与および重力によるトルクを差し引きます。筋肉の応答は、20〜450 Hzでバンドパスフィルタ処理し、1000 Hzでサンプリングして解析前にトルクデータと同期させたEMG信号を用いて定量化します。

信号は4次の再帰的バターワースフィルタを用いて10 hertzで整流および平滑化されます。伸張反射反応は、条件からトルクおよびEMG信号に基づいて解析されます。この解析の主要なアウトカム指標には、ピークトルクと最終伸張後の持続的な筋肉活動の両方が含まれます。

等速性筋力測定装置は、随意的な筋力の正確な定量化にも使用されます。大腿直筋、外側広筋、内側広筋、および内側ハムストリングを含む大腿部の4つの筋肉に表面EMGを貼付します。患者の下腿は、6自由度ロードセルに結合されたダイナモメーターアームに固定されます。

膝関節の軸をロードセルの中心に合わせます。患者をリラックスさせた状態で、関節周囲に最大筋力を出すよう指示します。随意的な最大筋力発揮を確実にするため、収縮の間、患者に対して強力な口頭での励ましを行います。

収縮中にトルクが低下し始めたとき、3×5インチの自己粘着式ゲルプレート刺激電極を介して大腿四頭筋に超最大刺激を与えます。トルクおよびEMG信号は、速度依存性伸張反射評価と同様の方法で収集および調整されます。最大トルクおよび関連するEMG応答は、調整されたトルクおよびEMG信号を用いてオフラインで評価します。

さらに、随意的な活性化の欠損を、中心活性化比（central activation ratio: CAR）を用いて評価します。歩行能力の評価には、漸増負荷トレッドミル試験を用います。被験者をセーフティハーネスでトレッドミルに固定し、リフレクティブマーカー、表面筋電図（EMG）、心拍計、およびポータブル代謝測定システムなどの測定機器を装着して、漸増負荷トレッドミル試験を実施します。

トレッドミルの初期速度を0.1 meters per secondに設定し、患者の最大速度に達するまで2分ごとに0.1 meters per secondずつ上昇させます。トレッドミルの最高速度は、歩行の不安定性が生じる前に、患者が少なくとも1分間歩行できた最高速度と定義されます。心血管系の限界に達するか、またはトレッドミル歩行中に患者が自発的にテストを終了した時点で、モーションキャプチャシステム、EMGシステム、およびポータブル代謝システムを用いて、オフラインで複数の指標を評価します。

モーションキャプチャデータは正確性を期すため手動でトラッキングし、分析には少なくとも10歩行サイクル分のエポックを選択します。歩行サイクルは踵接地の瞬間から次の踵接地までの時間をパーセントで正規化し、股関節角と膝関節角の両方について3次スプライン補間を用いて補間します。各被験者について、歩行サイクル中の最大関節角度および関節可動域を算出します。

肢内協調性の測定に加え、主な焦点は矢状面における股関節と膝関節のキネマティクスの協調性にあり、これは股関節-膝関節角度プロットの一貫性を確認することで評価できます。肢間協調性の一貫性を算出するには、平均対応係数が用いられます。股関節-膝関節角度プロットは、ベクトルの方向のコサイン（余弦）および符号を定義するために使用されます。

各フレーム間における股関節および膝関節の角度変化をベクトル長で正規化しました。これらの正弦（sin）および余弦（cos）の値は、対応する各フレーム間についてすべての歩行サイクルで平均化されます。これらの平均値を用いて、各フレーム間の平均ベクトル長を算出します。

全フレーム間における平均ベクトル長の算術平均は、0から1までの値となり、歩行周期全体における股関節と膝関節のペアの全体的な分散を表します。歩行中の筋活動を評価するために、EMG信号から得られた筋活動パターンをモーションキャプチャデータとオフラインで同期させ、平滑化されたEMG信号を歩行周期のパーセンテージに正規化し、少なくとも10歩分で平均化します。歩行時における下肢筋の標準的なオン時間およびオフ時間は、健常対照群のデータベースを用いて設定され、各筋肉の標準的なオン時間およびオフ時間を、被験者から収集したEMG信号に重ね合わせます。

EMG信号は、規定のオン時間とオフ時間の間で積分されます。痙縮指数は、オフ値をオン値で除して算出します。段階的トレッドミル試験中の最高酸素摂取量は、ポータブル代謝データを解析用コンピューターにダウンロードした後に決定します。

トレッドミル試験の完了後、具体的には、2分ごとの速度エポックにおけるVO₂データの最後の1分間の平均値を算出し、速度ごとの結果をプロットします。随意運動は、通常、一次運動野の神経信号から開始されます。これらの信号は皮質脊髄路を介して、セントラルパターンジェネレーターを含む脊髄介在ニューロンへと伝わり、脊髄運動ニューロンのレベルで収束します。

運動ニューロンは筋肉を直接支配し、筋肉の収縮を引き起こします。随意運動は、脳幹脊髄路または球脊髄路の並行経路を活性化させる場合もあります。これらの球脊髄路の機能の一つは、ニューロモジュレーター、特にセロトニンの放出を通じて脊髄ニューロンの興奮性を調節することです。脊髄への不完全損傷は、皮質脊髄路の遮断により、完全な随意制御の喪失をもたらします。

さらに、延髄脊髄路からのニューロモジュレーターが部分的に消失することにより、脊髄回路および運動ニューロン自体の興奮性が低下します。これらの複合的な変化が、本ビデオの前3パートで観察された運動機能の欠損に寄与しています。動物モデルにおいて、セロトニンなどのニューロモジュレーターまたはそのアナログを脊髄に直接投与すると、これらの脊髄回路が再活性化され、運動出力の増強、反射活動の亢進、および移動能力の改善がもたらされます。

このビデオの最後のパートでは、この基礎科学の枠組みをどのようにヒトへ応用しようとしているかについて実演します。二重盲検ランダム化プラセボ対照クロスオーバー試験において、選択的セロトニン再取り込み阻害薬（SSRI）の急性経口投与が運動活動に及ぼす影響を、不完全脊髄損傷（SCI）患者で評価しました。modified Ashworth、痙性反射のための脊髄評価ツール（SCAT）、下肢運動スコアを含む臨床指標では、不完全SCI患者におけるSSRIの経口投与後に、不随意な反射活動と随意的な筋力発生の両方が増加することが示されました。さらに、運動活動の定量的静的測定では、足底屈筋の反復伸展に対する足関節底屈トルクとEMGの増強および持続、ならびに等尺性トルクの増加と、中心賦活比（central activation ratio）の上昇による賦活不足の軽減が認められました。

CCを用いた歩行中の股関節および膝関節の運動学的特性に関する定量的動的測定により、SSRI投与後に一貫性が向上することが明らかになりました。興味深いことに、歩行中の下肢EMG活動では、SSRI投与後に筋肉活動の不適切なタイミングの増加が認められました。最後に、歩行中の代謝パラメータからは、SSRI投与後の漸増負荷トレッドミル試験において、酸素消費量がわずかに増加することが示されました。

これらの変化は慢性期の不完全脊髄損傷（SCI）患者において観察されますが、予備データでは、亜急性期の不完全SCIにおける変化の方がより顕著である可能性が示唆されています。例えば、SCI発症から4ヶ月が経過したある被験者は、投薬前は身体的介助なしに歩行することができませんでした。しかし、SSRIの投与後、この被験者はこれらの臨床的および定量的評価を通じて、歩行が可能になりました。

選択的セロトニン再取り込み阻害薬の急性投与が、不完全脊髄損傷患者の運動機能および歩行能力を改善することが示されています。しかし、これらの変化を定着させるには長期的なトレーニングが必要です。当研究室の現在の目標は、これらの薬理学的介入を集中的な身体的介入と組み合わせることで、運動機能および歩行能力の改善を永続的なものにすることです。