運動技能習熟強化のための筋疲労の活用とその神経生理学的意義

2014 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 26282168
• Research Institution: Niigata University of Health and Welfare
• Principal Investigator: 丸山 敦夫 新潟医療福祉大学, 健康科学部, 教授 (80117548)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 山代 幸哉 新潟医療福祉大学, 健康科学部, 講師 (20570782) ; 塗木 淳夫 鹿児島大学, 理工学研究科, 准教授 (50336319) ; 佐藤 大輔 新潟医療福祉大学, 健康科学部, 講師 (60544393)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: 筋疲労 / 背側運動野 / 補足運動野 / 神経ネットワーク

Outline of Annual Research Achievements

目的；本年度での研究課題は運動学習に関与する高次運動野と運動野の連結と筋疲労の関係を明らかするため、直接的及び間接的な筋収縮で起こる筋疲労が補足運動野（SMA）-一次運動野（M1）連結と背側運動野（PMd）-M1連結の神経ネットワークにどのような変化を起こすかについて検討した．
実験方法；被験者は本実験に自主的に参加しTMS刺激に不快感を示さない健康な男女大学生17名とした．脳MRIを撮影した被験者各9名をSMA-左M1連結，8名を 左PMd-右M1連結の二種類の測定を行った．二連発TMS刺激と脳マッピング装置の設定はSMA- M1連結及びPMd- M1連結の実験では二本の50mm八字コイルと三台のTMS装置と脳マッピング装置を用いて筋疲労前（コントロール値），筋疲労直後，回復期30分まで10分間隔で刺激した．同時にSICIおよびICFも測定した．
結果；SMA-M1連結の実験では両手の2分間グリップ運動（50%MVC、1秒1回のリズム）で筋疲労を起こした。刺激部位と時間の2要因分散分析を行った結果、FDI筋でのSMA- M1連結の抑制及びSICIの皮質内抑制はコントロール値と比べ、それぞれ有意に低下した（刺激部位；F(2,16)=27.452, P<0.01,時間；F(4,32)＝4.859、Ｐ＜0.01）。一方、左PMd- M1連結の実験は、27年度の100%仕事率負荷で7分間全力脚運動を行い、脚筋疲労の実験を先取りして行った。FDI筋のPMd-M1連結の抑制及びSICIの皮質内抑制はコントロール値に比べ有意に低下した（刺激部位；F (2,7) = 40.377, P<0.01, 時間； F (6,42) = 4.681, P<0.01）．
まとめ；筋疲労は補足運動野および背側運動前野の興奮性変化を起こし、高次運動野の変化が一次運動野の皮質内抑制低下にも影響する可能性が示唆された。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

26年度での研究課題は運動学習に関与する高次運動野と運動野の連結と筋疲労の関係を明らかするため、直接的な筋収縮で起こる筋疲労が補足運動野（SMA）、背側運動野（PMd）、腹側運動前野(PMv)および後部頭頂葉皮質(PPC)と一次運動野（M1）連結の神経ネットワーク検討する予定であった．しかし、26年度は直接筋の補足運動野（SMA）、脚運動による非疲労筋上肢筋の背側運動野（PMd）とM1の関係だけにとどまった．その理由に、脳マッピング装置、脳MRI、経頭蓋磁気刺激（TMS）との関係を確立するように各高次運動野およびPPCの部位判定を文献に則って行ったが、二重TMSの誘発筋電図の条件に見合う結果を導き出すことができなかった。そのため、予備実験に非常に時間を要し、SMA とPMdの2箇所の部位とM1の連結と筋疲労との関係の実験になった。
27年度には概ね行っていない部位特定ができたので筋疲労と残りのPMv、 PPC―M1連結との実験にかかることができる。これからの実験２は4箇所の部位特定ができるので比較的うまく進めることが可能である．

Strategy for Future Research Activity

27年度では下肢筋疲労と上肢非疲労筋に及ぼす影響を高次運動野や後部頭頂葉皮質と一次運動野の神経ネットワークおよび運動野皮質内抑制（SICI）の興奮性との関係から検討する（課題１の実験２）．実験1の腹側運動前野(PMv)およびPPCと直接筋による筋疲労の関係について26年度と同様な方法で明らかにする。
脚筋疲労による上肢非疲労筋の神経ネットワークとSICI の興奮性への影響は引き続き、被験者は健康な男女大学生16名で行う．被験者各8 名をA群とB群に分ける。PMv（A群）およびPPC（B群） -M1 間の連結とM1のSICIおよび促通(ICF)を群時に測定する．二連発TMS 刺激、二台のコイルと三台のTMS 装置と脳マッピング装置の設定は実験１と同様である．コントロール値，筋疲労直後，回復期30分まで刺激する．同時にSICI およびICF も測定する．
膝関節脚伸展力の負荷設定はレッグプレス装置を用いて2 秒に1 回の割合で大腿部と下腿部による膝関節脚伸展力によって最大伸展力50％でレッグプレス運動5分間を3 セットで筋疲労を起こす．脚伸展中，上肢筋である非疲労筋のFDI 筋が収縮しないように筋電図で監視する．
課題２．技能習熟強化のための筋疲労定量化と運動学習への成果
実験３の至適な筋疲労を起こす運動強度と時間の組合せによる定量化では、脳MRIを撮影した被験者で自主的に参加しTMS 刺激に不快感を示さない健康な男女大学生21 名とする．被験者をランダムに7 名ずつ３群に分け， A 群20％MVC，B 群40％MVC，C 群60％MVC の負荷強度に1 分，2 分，3 分，5 分から群別に三段階の負荷時間と設定する．至適な筋疲労の開発は等張性筋収縮によるグリップ運動を行わせ，手指筋や前腕部位筋の筋収縮活動を測定する．負荷強度と時間の関係は低い負荷では長い時間，高い強度では短い時間を組合せる．これらの組合せから回復期SICI 低下を引き起こす適切な筋疲労を見つけ出す．

Causes of Carryover

26年度の実験が3月下旬から4月初旬に渡ったため人件費（実験補助ならびに被験者への支払い）として27年度支払いとして手続きを行っている。4月に入って経理がこの人件費の支払いについては基盤研究Ｂの26年度決算が確定してから執行するために伸びている状況である。

Expenditure Plan for Carryover Budget

3月～4月初旬までの実験に対する支払い分231413円を次年度使用額は人件費（実験補助ならびに被験者料）に回して使用する。