機能的電気刺激による麻痺肢の動作再建に関する基礎的研究

• Project/Area Number: 15700386
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: Rehabilitation science/Welfare engineering
• Research Institution: Kawasaki Medical School
• Principal Investigator: 青柳 陽一郎 川崎医科大学, 医学部, 講師 (30286661)
• Project Period (FY): 2003 – 2004
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2004)
• Budget Amount: ¥3,600,000 (Direct Cost: ¥3,600,000); Fiscal Year 2004: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000); Fiscal Year 2003: ¥2,900,000 (Direct Cost: ¥2,900,000)
• Keywords: 機能的電気刺激 / 脊髄刺激 / 歩行 / 脊髄損傷 / フィードバック制御 / リハビリテーション医学 / 機能再建

Research Abstract

本研究の目的は、脊髄損傷などの中枢神経障害患者を対象とした機能的電気刺激による麻痺肢の動作再建の臨床応用への橋渡しとなる基礎的研究をおこなうことであった。フィードフォワード制御に関する動物実験では、麻酔下にて末梢神経、脊髄前根・後根、脊髄灰白質を電気刺激し、後肢の運動出力特性を検討した。前根あるいは後根への電気刺激ではそれぞれ全方向への運動が誘発不可能であったのに対し、末梢神経、脊髄刺激では全方向への運動が誘発可能であった。脊髄灰白質刺激では、複数の電極刺激により麻酔下で歩行様運動が誘発可能であった。上位脳を離断した除脳状態、脊髄を切断した脊髄損傷状態下での脊髄灰白質電気刺激では、麻酔下と同様、全方向への運動を誘発できたが、多くは後肢の屈曲運動であり、伸展運動は少なかった。これは脊髄灰白質中心部(いわゆる「movement primitives」に相当する部位)の神経回路が、下行路や反射路の影響を多分に受けるためと思われた。
フィードバック制御に関しては、剣山型微細電極を用いてネコの後根神経節からの細胞外電位の記録を行った。大多数のニューロンからは足部の位置、速度と関連したスパイクが記録され、6〜8個の一次感覚ニューロン(Ia,II繊維)の発火パターンからほぼ正確に足部の位置や膝・股関節の角度を予測できることが判明した。これらのデータは実験後に解析したものであるが、今後はリアルタイムで解析し、クローズドループコントロールに反映させることにより精度が高いモーターコントロールが実現可能かどうかを確認する必要がある。

Research Products

• [Journal Article] Coding of position by simultaneously recorded sensory neurons in the cat dorsal root ganglion (2004)
  • Author(s): Stein RB, Weber DJ, Aoyagi Y, Prochazka A, Waenaar J et al.
  • Journal Title: J Physiol 560・3 Pages: 883-896
• [Journal Article] Movements generated by intraspinal microstimulation in the intermediate gray matter of the anesthetized, decerebrate, and spinal cat. (2004)
  • Author(s): Mushahwar VK, Aoyagi Y, Stein RB, Prochazka A
  • Journal Title: Can J Physiol Pharmacol 82・8-9 Pages: 702-714
• [Journal Article] Encoding mechanisms for sensory neurons studied with a multielectrode array in the cat dorsal root ganglion. (2004)
  • Author(s): Stein RB, Aoyagi Y, Weber DJ, Shoham S, Normann RA
  • Journal Title: Can J Physiol Pharmacol 82・8-9 Pages: 757-768
• [Journal Article] Therapeutic orthosis and electrical stimulation for upper extremity hemiplegis after stroke : a review of effectiveness based on evidence. (2004)
  • Author(s): Aoyagi Y, Tsubahara A
  • Journal Title: Top Stroke Rehabil 11・3 Pages: 9-15
• [Publications] Aoyagi Y, Stein RB, Branner A, Pearson KG, Normann RA: "Capabilities of a penetratingmicroelectrode array for recording single units in dorsal root ganglia of the cat"J Neurosci Methods. 128・1-2. 9-20 (2003)
• [Publications] 青柳陽一郎, VK Mushahwar, RB Stein: "生体電気刺激による運動出力に関する基礎的研究-神経筋接合部、末梢神経、脊髄根、脊髄刺激による比較-"日本FES研究会論文集. 10. 42-46 (2003)
• [Publications] Branner A, Stein RB, Fernandez E, Aoyagi Y, Normann RA: "Stability of chronic implantation using a multielectrode array in cat peripheral nerve"IEEE Trans Biomed Eng. 51・1. 146-157 (2004)
• [Publications] Aoyagi Y, Mushahwar VK, Stein RB, Prochazka A: "Movements elicited by electrical stimulation of muscles, nerves, intermediate spinal cord, and spinal roots in anesthetized and decerebrate cats"IEEE Trans Neural Syst Rehabil Eng. (in press). (2004)