FNIRSによる外骨格と脳の活動 (ExoNIRS)

運動神経科学の重要な目標は、脳内の神経活動が力、速度、運動の頻度、運動方向などの運動パラメータをどのように仲介するかを特徴づけることです。 力の神経コードは、TEP、fMRI、機能的近赤外分光法 (fNIRS)、EEG、または磁気刺激を用いて、動物およびヒトで研究されています。

ヒト以外の霊長類における電気生理学的研究は、反対側の運動皮質の複数の領域における神経細胞の放電率と発揮された力の振幅との間の相関関係を示しました。

ヒトでは、機能的磁気共鳴画像法 (fMRI) 研究により、反対側の一次運動/体性感覚 (M1/S1) 皮質、補足運動野 (SMA)、および運動前皮質におけるニューロン活性化の増加と力の振幅の増加との関係が確認されました。 同側の運動皮質も力のコードに寄与している可能性があります。 大脳基底核 - 視床 - 皮質ループが力制御の調節に関与しているという証拠もあります。 淡蒼球 (GPi) および視床下核 (STN) の内部部分は、力の増加に伴ってパーセント信号変化が正の増加を示し、腹側視床領域も同じように暗示されました。 最近では、fNIRS を使用した研究により、対側および同側の半球における力レベルと脳の活性化との関係が確認されました。

人間を対象とした研究のほとんどは、等尺性静的タスクに関するものでした。 動的な動きを考慮した研究はほとんどありません。 原則として、反復的な一時的な力の変化の処理には、静的な力の生成と制御よりも多くの代謝活動が必要です。 反対側の M1 と前部小脳のニューロン ネットワーク内の力のレベルと皮質の変化との間には相関関係があります。

ほとんどの研究は上肢に関するものです。 私たちの知る限りでは、等尺性力レベルでの下肢に関する研究のみが行われています。 1 つは、慢性閉塞性肺疾患患者における大腿四頭筋トルク制御の神経相関に関するものであり、もう 1 つは、健常者における足関節背屈筋との等尺性収縮に関するものです。

fMRI と TEP はモーション アーティファクトに非常に敏感であり、動的近位関節や歩行研究には適していません。 fNIRS はモーション アーティファクトの影響を受けにくく、コントロールまたは患者のより自然な条件下での歩行に関する多数の研究を可能にしました。 fMRI と fNIRS は、神経血管結合の生理学的原理に基づいています。これは、活性な脳領域が毛細血管と細動脈の拡張を介してエネルギー需要に一致するように血流を局所的に増加させるプロセスです。 fMRI は、オキシ ヘモグロビンとデオキシ ヘモグロビンの比率に対応する血中酸素濃度依存性 (BOLD) 応答を測定します。 ただし、ヘモグロビンの 2 つの部分は fMRI で個別に測定されません。 それどころか、fNIRS は 2 つのヘモグロビン種を別々に測定します。 この神経血管結合の間、供給される酸素の量は通常、局所的に消費される量よりも多くなり、その結果、その領域の HbO2 が大幅に増加し、HbR がわずかに減少します。

歩行に関する fNIRS 研究の多くは、デュアル タスク パラダイムで前頭前皮質の血行動態の変動を記録しました。 運動皮質に関する研究はほとんどありませんでした。

近年、従来のリハビリテーションに加えて、ロボット支援リハビリテーションが利用されています。 神経可塑性を促進するのに最も効率的であると考えられている多感覚刺激による、早期の集中的なタスク固有の管理の機会を提供します。 文献によると、ロボットのリハビリテーションによって、患者の歩行能力、歩行速度、下肢の筋力、歩幅、歩行の対称性が向上することが示唆されています。 ただし、ロボット支援リハビリテーションの神経生理学的基盤はよくわかっていないままです。 外骨格を使用すると、提供される援助の割合を制御できます。 健康な被験者を対象としたこの研究では、研究者は、外骨格を歩いているときの運動領域における脳の活性化を研究することを提案しています。 4 つの強度レベルが調査されます: 完全な補助 (A100%)、部分的な補助 (A50%)、補助なし (A0%)、外骨格からの歩行に対する 25% の抵抗 (R25%)。 研究者は、fNIRS によって測定された脳の活性化レベルは、被験者の努力によって増加すると仮定しています。