人間の神経筋システムを研究するために経頭蓋磁気刺激の活用

本手順の全体的な目的は、経頭蓋磁気刺激を行い、運動誘発電位を誘発することです。まず橈側手根屈筋において、次に脊柱起立筋において誘発を行います。これは、まず筋電図記録のために各筋肉上の皮膚を準備し、経頭蓋磁気刺激に向けて被験者をバイオメカニクス的に配置することで達成されます。

ホットスポットは、最大振幅の運動誘発電位を誘発する運動野上の刺激部位として同定されます。次のステップでは、運動閾値を決定します。ここで、単回パルス経頭蓋磁気刺激を行い、運動誘発電位の振幅およびサイレントピリオドの持続時間を定量化します。

ペアパルス経頭蓋磁気刺激法も併せて行い、皮質内促進および短 interval・長 interval 皮質内抑制を定量化します。最終的に、経頭蓋磁気刺激法と筋電図を組み合わせて使用することで、ヒトにおける皮質脊髄路および皮質間興奮性のin vivo指標を評価することが可能です。一般的に、この手法に不慣れな人は苦労することがあります。なぜなら、TMSの微妙な技術的側面を書面での説明のみから導き出し理解することは困難である場合が多く、また、ヒト被験者を用いた実験やテストにおいて、単に試行錯誤によるアプローチで習得しようとすることは、手順を実演する上で多くの困難や課題を伴うためです。

私に加え、オハイオ筋骨格・神経研究所の研究員であるDavid Gus Jr.が同席します。TMS実験を開始する前に、まず磁気共鳴安全教育研究機構（Institute for Magnetic Resonance Safety Education and research）が定めるスクリーニングガイドラインに従って被験者のスクリーニングを行い、てんかんやけいれんの家族歴がある個人を除外してください。次に、バイポーラ電極配置を用いて、被験者の前腕にあるFCR筋の上に表面電極を配置します。

電極は、除毛していない筋肉の上に沿って、編み込み状の皮膚の上に配置してください。また、頭部の刺激部位をマークするためにROCキャップを装着します。次に、被験者にBiodex system fourダイナモメーターに左腕を伸ばした状態で安静にさせ、着席させます。

本プロトコルでは、左腕を制御する右脳を刺激して橈側手根屈筋（FCR）を刺激します。70 mmの8字型TMSコイルを頭皮に接するように接線方向に配置し、誘起電流が外後方から内前方に向かって流れるよう、正中線に対して45度の角度に設置します。次に、FCR筋において最大の運動誘発電位を誘発する刺激部位を決定するため、TMSコイルをごくわずかに動かしながら探索します。位置が特定できたら、頭皮またはキャップの上に消えないインクでこの領域をマークします。

次に、運動誘発電位のピーク・トゥ・ピーク振幅が50%以上の試行で50 µVを超え、ピークに達するまで、刺激強度を徐々に上げながら単発パルスを照射し、FCRの運動閾値を定量します。FCRの運動誘発電位振幅を検討するには、 previously determined hotspot（以前に決定したホットスポット）に対し、運動閾値の130%に相当する強度で単発TMSパルスを照射し、ピーク・トゥ・ピーク振幅を算出します。この結果は、正中神経への超最大電気刺激後に観察される最大複合筋線維活動電位で正規化することができます。

皮質にCMSパルスを筋肉収縮中に印加すると、運動誘発電位が誘発され、その後、活動が再開するまで電気的な静止状態が生じます。これは皮質―皮質脊髄路抑制を示すものであり、一般にサイレントピリオドと呼ばれています。

FCRの皮質脊髄静止期を定量化するには、被験者が最大筋力の15%で手関節屈曲筋収縮を行っている間に、運動閾値の130%の強度でホットスポットに単一のTMSパルスを印加します。FCR筋のペアパルスTMSを用いて皮質内促通を測定するには、まず0.5〜1mVの運動誘発電位を誘発するために必要な刺激強度を決定します。次に、閾値上のテストパルスの15ミリ秒前に、運動閾値の70%の閾値下条件付けパルスを印加します。テストパルスのこの時間間隔に条件付けパルスを印加することで、同一強度の単一の非条件付けパルスよりも運動誘発電位の振幅が増大または促通されます。

次に、皮質内促進の測定について述べた手順と同様の手順を用い、ペアパルスTMSを用いて短間隔皮質内抑制を定量化します。ただし、2つのパルスの刺激間間隔を3ミリ秒まで短縮させてください。この時間間隔でテストパルスの前に与えられる条件付けパルスは、同一強度の単一の非条件付けパルスよりも、運動誘発電位の振幅を減少または抑制させます。ペアパルスTMSを用いて長間隔皮質内抑制を定量化するには、100ミリ秒の間隔を空けて、同一の閾値上テストパルスを2回投与します。

FCR筋の場合、2回目のパルスに伴う運動誘発電位は、1回目のものよりも小さくなるか、またはより強く抑制されます。次に、脊柱起立筋の刺激についてですが、被験者を回転式の椅子に座らせ、大腿部を体幹に対して90度、下腿部を大腿部に対して約45度に保ち、腰椎をニュートラルな直立姿勢にし、手は膝の上に置かせます。脊柱起立筋に対しては、除毛および研磨処理を施した皮膚上のL3からL5椎体レベルにかけて、筋肉に沿って縦方向に電極を配置し、皮質脊柱起立筋の刺激部位を適切に特定します。

ここでは、人体測定を用いて頭頂点（vertex）を特定します。矢状面におけるnasionとinionの間の交点と、冠状面における左右の耳点（trauss）の間の交点を見つけ、これを頭頂点としてマークし、脊柱起立筋を刺激します。浸透深さがより深く、ホムンクルスにおいてこれらの筋肉のより深い表現領域に到達できるダブルコーンコイルを使用します。ここでは、電流が前方から後方に向かって流れるようにコイルを配置します。

ここでのコイルは、脊柱起立筋の運動閾値を決定するためのダブルコーンコイルの再配置を補助するため、レーザーアタッチメントシステムを用いてカスタム改造されています。上肢で previously demonstrated された手法は、背筋への刺激が十分に耐えられないため、使用しないでください。代わりに、TMSプロトコルを開始する際は、まず刺激装置の最大出力の50%で単一パルスを照射し、この刺激強度が運動閾値より高いか低いかを確認してください。

脊柱起立筋の運動誘発電位の振幅を調べるには、下限運動閾値強度の40%または50%上の強度で、頭頂部に単一のTMSパルスを照射します。脊柱起立筋を支配する末梢神経に電気刺激を行うことができないため、これらの運動誘発電位を正規化することは不可能です。脊柱起立筋群を刺激すると、ホムンクルスの同じ一般的な領域に代表される下肢の筋肉を含む、他のいくつかの筋肉群も同時に目に見えて劇的に刺激されることに注意してください。

脊柱起立筋群における皮質内促通を判定するためにペアパルスTMSを用いる場合、条件刺激の強度は観察された運動閾下レベルに設定する必要があります。具体的には、刺激装置出力の40%または50%に設定し、テスト刺激の強度は運動閾下レベルの40%上に、すなわち刺激装置出力の80%または90%に設定します。次に、短潜時皮質内抑制を定量化するには、皮質内促通の測定で説明した手順と同様の手順を用いますが、2つのパルス間の刺激間隔を3ミリ秒に短縮させてください。実験が完了したら、電極とキャップの取り外しを補助し、被験者に協力への謝意を伝えてください。

ここに示されているEMG波形は、刺激装置の最大出力（so）に対するパーセンテージで表される、段階的に増加させた刺激強度に対する運動誘発電位（MEP）反応を示しています。低い刺激強度では非常に小さなMEPが誘発されていますが、32%soで運動閾値に達するMEPが誘発されていることに注目してください。サイレントピリオドは、被験者がわずかに筋収縮を行い、運動皮質に単回刺激を加えた際に観察されます。

サイレントピリオドの前半は脊髄抑制によるものであり、後半は皮質抑制、特にGABA B受容体によるものと考えられています。ここでは、橈側手根屈筋（FCR）へのペアパルスTMSによる運動誘発電位の大きさの変化を示しており、短潜時皮質内抑制（SICI）および皮質内促通（ICF）の測定結果を確認できます。また、ここでは脊柱起立筋からのEMG波形の例と、短潜時皮質内抑制および皮質内促通の測定結果を示しています。

最後に、長間隔皮質内抑制（LICI）の測定例を示します。このビデオをご覧いただくことで、橈側手根屈筋および脊柱起立筋に適用されるシングルパルスおよびペアパルスTMSの実施方法について、十分に理解していただけたはずです。なお、これらの筋肉群を用いたデモンストレーションは、人間の神経筋肉系を研究するために使用されるTMSの例の一部に過ぎません。

ヒト被験者を対象とする研究は、個人の健康にリスクを及ぼす可能性があることに留意してください。個人の強磁場への曝露が安全であることを確認することが重要であり、本手順を実施する際は常に細心の注意を払う必要があります。