20240222 : スポーツ関連脳震盪・モーターアテンション・感覚運動統合・二重課題・左IPL・OPTIMAL戦略

1.9百万件のスポーツ関連の脳震盪（SRC）が毎年小児および思春期のアスリートで発生していると推定されています（Bryan et al., 2016; Meehan 3rd et al., 2011）。これらの脳震盪は一般的に急性の神経変化だけでなく、認知、行動、および神経筋の機能の障害を引き起こします（Bonnette et al., 2020; Hammeke et al., 2013; Howell et al., 2019; Kaushal et al., 2019; Lancaster et al., 2016; Murray et al., 2021; Newsome et al., 2016; Wilde et al., 2019）。多くの場合、初期のけがの数日や数週間後には認知および臨床症状の解消が見られることがあります（Broglio et al., 2022; McCrory et al., 2017）。しかし、多くのアスリートはこれらの症状を認識せず、または適切なタイミングで報告しないため、臨床的な管理や長期的な良好な結果を期待する機会が減少します。

さらに、脳震盪を経験したアスリートは、通常の臨床クリアランスおよびプレイへの復帰を超えて持続する神経筋制御の障害を示すことがあります（Buckley et al., 2013; De Beaumont et al., 2011; Howell, Beasley, et al., 2017; Howell et al., 2020; Howell et al., 2018; Howell et al., 2019; Howell et al., 2015; Howell, Stracciolini, et al., 2017; Hugentobler et al., 2016; Lapointe et al., 2018; Quatman-Yates et al., 2015）。興味深いことに、女性アスリートは男性よりもSRCの負傷に対してより感受性があり（McGroarty et al., 2020）、SRC後にはその無傷の女性仲間に比べて筋骨格系（MSK）の負傷のリスクが約2.8倍高くなります（Herman et al., 2017）。SRC後の持続的な神経筋制御の障害は、プレイへの復帰後における次の下肢の負傷リスクの1.6～3.9倍の増加と関連している可能性があります（Biese et al., 2021; Brooks et al., 2016; Fino et al., 2019; Gilbert et al., 2016; Herman et al., 2017; Lynall et al., 2015, 2017; Nordstrom et al., 2014）。下肢の次の負傷のリスクは、初期の脳震盪の後最大3年間にわたり高まることが示されていますが（McPherson, Shirley, et al., 2020）、具体的なMSK負傷リスクの増加の時間枠とSRCと変化した神経筋制御との具体的な関係は明確に定義されていません。

SRCの経歴を持つアスリートは、不適応なランディングの生体力学（Dubose et al., 2017; Lapointe et al., 2018）および控えめな歩行戦略（例：ステップの長さおよび歩行速度の減少）を示すことがあります（Buckley et al., 2013; Gagné et al., 2019; Howell et al., 2015; Howell, Beasley, et al., 2017; Murray et al., 2021）。神経筋の変化は、最も頻繁に認知的に要求の高い状況（例：デュアルタスク）で観察されます（Howell et al., 2018; Howell, Beasley, et al., 2017; Lapointe et al., 2018）。これは、以前は「自動化された」タスクを達成するために注意のリソースがシフトする可能性や、多感覚（認知、視覚、注意、および感覚運動）の統合において崩壊が示唆されています。SRC後に次のMSK負傷のリスクが高まる一方で、現在の臨床治療は通常、認知および行動症状の解決を優先し、持続する神経筋制御の障害を軽視しています。残存する神経筋の障害は、中枢神経系（脳および脊髄）内でのSRCに関連する損傷の結果であると仮定されています（Wilkerson et al., 2017）。

SRC後のアスリートの中枢神経系の変更は、機能的磁気共鳴画像法（fMRI）、拡散強調画像法（DWI）、磁気共鳴分光法（MRS）、脳波計（EEG）、および経頭蓋磁気刺激法（TMS）を含むさまざまな技術を使用して評価されています（Charney et al., 2020; Churchill et al., 2017; Conley et al., 2018; De Beaumont et al., 2007; Kaushal et al., 2019; Keightley et al., 2014; Lancaster et al., 2016, 2018; McCuddy et al., 2018; Meier et al., 2020; Narayana et al., 2019; Newsome et al., 2016; Wilde et al., 2019; Yuan et al., 2021; Zhu et al., 2015）。特にfMRIは、高い空間分解能で皮質および皮質下の脳の機能を非侵襲的に評価するためのゴールドスタンダードと考えられており、ヒトの行動に関するメカニズムの洞察を提供します（血液酸素レベル依存性[BOLD]信号の定量を通じた神経活動の間接的な評価）（Friston et al., 1995; Logothetis et al., 2001）。ただし、高品質のfMRIデータの取得は、被験者が休息中、認知課題を実行中、または微細な運動制御課題を達成中である間に神経活動を評価するのに制限されていました。したがって、SRCの経歴を持つアスリートが動的な下肢の運動の調整に重要な神経活動に潜在的に残存する変更が不明でした。最近の方法論の進歩により、被験者がより動的な下肢のモーターコントロール課題（例：足首の底屈/背屈、単独の膝の屈曲/伸展運動、模擬歩行、および模擬の両側下肢着地）を実行する間に高品質なfMRIデータを取得できるようになりました（Criss et al., 2020; Grooms et al., 2019, 2022; Jaeger et al., 2014; Newton et al., 2008）。
MR環境で統合された三次元動作解析法は、現在、fMRIスキャン中に下肢運動を同時に生体力学的に定量化することを可能にしています（Anand et al., 2021; Anand, Diekfuss, Bonnette, et al., 2020; Strong et al., 2023）。これらの技術の進歩に支えられて、私たちは脳機能（すなわち、BOLD信号の活動と連結性）を評価することを目指しました。この評価は、両側の足関節、膝、および股関節の屈曲/伸展運動に対抗する（すなわち、両足のレッグプレス）という動作制御課題を含んでいます（Grooms et al., 2022; Slutsky-Ganesh et al., 2023）。対照群と一致させた女子思春期のアスリートにおいて、脳機能が脳卒中の経歴を持つ場合と比較して異なる神経戦略を示すという仮説を立てました。

タスクに関連する活性化

SRCの経歴を持つ女子思春期のアスリートは、対照群と比較して、両足のレッグプレス中に左IPL（上側角回と内頭頂溝に接する領域）で脳活動が減少していました。左IPLはバランスの制御や姿勢の安定性に重要であり（Surgent et al., 2019）、特に空間的および時間的なタイミングの判断（Assmus et al., 2003）や公然と隠れた注意課題（Silk et al., 2010）において重要な役割を果たしています。左IPLに関する初期の研究では、側頭葉の損傷を持つ個体は、ある課題からの注意を外し、その焦点を別の課題に再調整するのが難しいと示唆されています（Posner et al., 1984）。さらなる研究では、注意を引き離し、公然と目の動きを反映させるための側頭葉の関与を調べ、特に四肢運動反応を調節するための側頭葉注意システムを特定することができるようになり、「モーターアテンション」と呼ばれています（Rushworth et al., 1997）。初期のTMS研究では、左IPLがモーターアテンションにおいて重要な役割を果たしており、左IPLの一時的な妨害が参加者の注意をある課題から別の課題に向ける能力に影響を与えることが示されました（Rushworth, Ellison, et al., 2001）。具体的には、個体が運動のための指示を受けると、モーターの準備課題の切り替えが妨害され、参加者は一つの動きから別の動きへのモーターアテンションの引き離しに苦しむことがあります（Rushworth, Ellison, et al., 2001）。
左IPLのこの役割は、視覚空間の注意と運動制御の統合（Rushworth et al., 2003; Rushworth, Paus, et al., 2001; Villiger et al., 2013）におけるものであり、注意リソースの崩壊がSRC後の運動安定性の喪失を促進する可能性のある独自のメカニズムを強調しています（Avedesian et al., 2021）。本研究は特に二重課題条件が下肢運動制御（たとえば、二次的な認知課題の追加）に及ぼす影響を評価していませんが、以前の研究結果では、脳震盪を起こしたアスリートは二重課題条件下でのバランス評価中に上側角回でより大きな機能的活動を示すことが示されています（Urban et al., 2021）。

ここで報告された結果とは異なるものの、左IPLの活性化の違いは、SRC後の変化した運動制御と注意に関連する潜在的な脳バイオマーカーを示唆しているかもしれません。具体的には、基本的な運動制御（バランス）では、二重課題条件は初期の脳震盪損傷後に望ましい運動出力を得るための神経補償反応（過剰活性化）を引き起こす可能性があり、一方でダイナミックな運動課題（両足のレッグプレス）においてSRCの経歴を持つアスリートでは活性化の減少が見られ、神経運動系がSRCの経歴を持つアスリートに対する入力の二重課題要求に対して十分に準備されていない可能性があります。したがって、運動を開始するために注意リソースをより大きく再分配する必要があります。あるいは、相対的に大きな対小さな左IPLの活動は課題に特有のものであり、SRCの経歴を持つアスリートにおいてそれぞれが二重課題の要求と独自に相互作用している可能性があります。

二重課題の条件下でモーターアテンションが負担される際に見られる歩行の変更に関する証拠が増えていることを考慮すると（Howell et al., 2015, 2018; Howell, Beasley, et al., 2017; Howell, Stracciolini, et al., 2017）、私たちの研究結果はSRCの経歴と神経筋制御における二重課題のコスト（注意を一本化された状態と分割された状態の間でのパフォーマンスの差異によって生じるもの）の神経学的なリンクを提供する可能性があります。さらに、二重課題のコストの検査が、注意リソースが認知課題に使用される際にモーターコーディネーションと姿勢の安定性が崩れることを明らかにしています（Hugentobler et al., 2016; Quatman-Yates et al., 2015）、認知課題に注意リソースが利用される際にモーターコーディネーションの劣化は、変化したモーターアテンションに関連する活動と連結性が影響している可能性があります。

タスク関連の連結性

左IPLは、fMRIレッグプレス中に使用される神経戦略をより特徴づけるためのシード領域として活用されました。SRCの経歴を持つアスリートと対照群の間でタスク関連の連結性において有意な差がなかったにもかかわらず、探索的な分析は各グループがどのような神経戦略を利用したかについてのさらなる予備的な理解を提供しました。

対照群

PPI分析では、対照群では主に感覚ー運動スク関連の連結性戦略が明らかになりました。具体的には、結果は左IPLと左主運動野、左主体性体性感覚野、右主体性体性感覚野、および右側頭下回とのタスク関連の連結性を示しました。以前のヒト側頭葉の機能的連結性の調査では、左上側角回が左主運動野に接続していることが示されています（Rushworth et al., 2006; Zhang & Li, 2014）。さらに、感覚ー運動統合を担当する脳領域間の効果的なコミュニケーションは、運動のパフォーマンスにとって重要であり、運動の出力は最適な運動応答を形成するのに感覚情報を利用しています（Gale et al., 2021）。左および右体性感覚領域と左主運動野の間のこの連結性パターンは、対照群が感覚、運動、および感覚ー運動統合に重要な領域が「同期して」両手足を動かすための連結性パターンを維持していることを示唆しています。対照群において採用された感覚ー運動連結性戦略が、対照の女子思春期アスリートにとって適切で期待される神経戦略であると仮説を立てていますが、fMRI、両側の下肢運動制御、および/またはPPI分析を利用した先行文献が限られているため、今後の研究が求められます。

臨床的への示唆

この研究の結果は、SRCの経歴を持つ女子思春期アスリートにおける下肢の負傷リスク低減戦略の将来の神経治療のターゲットについて知見を提供する可能性があります。SRCの経歴を持つアスリートは、歩行（Howell et al., 2015, 2018, 2020; Howell, Beasley, et al., 2017; Howell, Stracciolini, et al., 2017）、ジャンプ着地のバイオメカニクス（Lapointe et al., 2018; Lynall et al., 2018）、姿勢の安定性（Hugentobler et al., 2016; Quatman-Yates et al., 2015）の変化が見られ、スポーツへの復帰が許可されたにもかかわらず、下肢の筋骨格系の負傷リスクが増加しています（Howell et al., 2020; Lynall et al., 2015, 2017; McPherson, Nagai, et al., 2020）。したがって、持続的な神経筋障害に対処する介入技術は、思春期アスリートの総合的な健康にとって重要です。私たちの調査結果がSRCの経歴を持つ者がモーターアテンション領域で変化を示し、追加の神経認知リソースの動員を伴うことを示していることを考慮すると、認知的に要求の高いシナリオ下でのモーターコーディネーションの崩壊が注意力の欠如に起因する可能性があります。さらに、私たちの調査結果はSRCの後に中枢神経系の異常が孤立化する可能性を示唆しており、将来の下肢の負傷に寄与する可能性があります。対照群で見られたように、IPLの活動と連結性の回復は、SRCの経歴を持つアスリートの二重課題条件下でのモーターコーディネーションの改善に寄与する可能性があります。したがって、私たちのデータはSRCの臨床管理が引き続き、認知とモーターのパフォーマンスを最適化するターゲット指向の感覚運動リハビリを通じてモーターコントロールとモーターアテンションの変化に対処するようにすべきであることを示しています。例えば、現在の臨床アプローチでは、二重課題介入を利用することが、SRC後のアスリートのモーターおよび認知機能の修正に特に有益である可能性があります（Fritz et al., 2015; Fritz & Basso, 2013; Ingriselli et al., 2014）。

現在の臨床ケアに付加的なモーターラーニング戦略は、SRCの経歴を持つ女性アスリートの長期的な運動機能の回復をサポートまたは促進する可能性があります（Avedesian et al., 2021）。例えば、モーターラーニングのOPTIMAL理論（Optimizing Performance Through Intrinsic Motivation and Attention for Learning）は、モータースキルの獲得、保持、および転送を改善することが堅実に示されており（Wulf & Lewthwaite, 2016）、怪我の予防、リハビリテーション、運動、およびプレイに関連する適応的な神経可塑性を促進すると理論化されています（OPTIMAL PREP）（Diekfuss et al., 2021; Diekfuss, Bonnette, et al., 2020; Diekfuss, Hogg, et al., 2020）。具体的には、SRCの経歴を持つアスリートは、注意の外向きの焦点を採用し、自律支援が提供され、将来のパフォーマンスに対する期待が向上した場合に、モーター行動および関連する神経機能が特にサポートされる可能性があります（Avedesian et al., 2021）。例えば、最近の研究では、視覚的なバイオフィードバックを用いたシングルセッションのリアルタイムなポジティブフィードバック（すなわち、期待の向上）を伴う両脚のスクワットトレーニングが、健康な被験者においてシングルレッグの姿勢制御のデュアルタスクコストを減少させたことが示されています（Williams et al., 2022）。ただし、私たちは、OPTIMAL PREPなどの感覚運動ベースの介入は主に理論的なものであり、臨床実施の前に将来の研究が必要であると強調します。具体的には、将来の無作為化比較試験が必要であり、（a）感覚運動ベースの介入がモーターおよび認知機能の回復に対して相対的にどれだけ効果的であるかを評価し、（b）神経療法の将来の適用をサポートする基礎となるメカニズムを特定することが求められます（すなわち、特定の感覚運動介入に対する脳活動/連結性の変化の程度）。

この研究からの総合的な結果では、SRCが感覚ー運動統合とモーターアテンションに関連する脳領域の神経活動の減少と関連していることが示されました。SRCの経歴がないアスリートは、感覚ー運動ネットワーク内の領域との機能的な連結性を利用している一方、SRCの経歴がある者は両足のレッグプレス中に感覚―運動と注意の脳領域との連結性を示していました。現在の結果は、SRCの経歴を持つ女子思春期アスリートが両足のレッグプレスのタスク中に異なる脳活動とタスク関連の連結性を示すだろうという初期の仮説を支持しています。左IPLのさらなる機能的活動は、SRCの経歴を持つアスリートが両足のレッグプレス中に感覚運動統合の崩壊とモーターアテンションシステムの潜在的な障害を示唆している可能性があります。SRCの経歴がある者において左IPLと注意領域の間の上昇した機能的連結性は、モーターアテンションシステムの変化を示唆しています。研究結果は、アスリートが競技に復帰する前に、神経と運動の両方の機能を矯正するターゲット指向の治療を適用するための将来の研究の機会を示唆しています。

まとめ

スポーツ関連の脳震盪（SRC）は、競技者が競技に復帰した後の神経筋制御の欠陥と関連しています。しかし、SRCと下肢運動制御の神経調整が潜在的に混乱している可能性の関連性は調査されていませんでした。この研究の目的は、SRCの経歴を持つ女子思春期アスリートが機能的な脳磁気共鳴画像法（fMRI）の下肢運動制御課題（両足のレッグプレス）中の脳活動と連結性を調査した。SRCの経歴を持つアスリートは、対照者と比較して両足のレッグプレス中に左下頭頂葉/上角回での神経活動が減少していました。運動制御課題中、SRCの経歴を持つアスリートでは、左IPL（シード）が右後部帯状回/前溝皮質と右IPLと有意な連結性がありました。左IPLは、対照者では左主運動野（M1）および主体性感覚野（S1）、右側頭下回、および右S1と有意な連結性がありました。感覚ー運動統合およびモーターアテンションに重要な脳領域での変化した神経活動と、注意、認知、および固有受容処理に責任がある領域への独特な連結性と組み合わさり、SRCに関連する持続的な神経筋制御の欠損に対する補償的な神経メカニズムが示唆されます。