国立精神・神経医療研究センター 神経研究所(NCNP:National Institute of Neuroscience)モデル動物開発研究部の関和彦部長を中心とし、自然科学研究機構 生理学研究所(NIPS)らによって構成される研究グループは、脊髄の中に手の巧みな運動を制御する独自の神経経路があることを明らかにした。

「物をつまむ」などの手の細かな動作は、人やサルなど高度に進化した動物のみが行うことができ、進化の過程で人やサルの大脳皮質の機能は大きく広がってきたためにこうした「つまむ運動」は「大脳皮質」の運動野で複雑な制御が行われていると考えられてきたており、実際に、大脳皮質の神経細胞が指の筋肉を支配する運動神経を直接支配していることも実験的に示されてきた。

しかし、大脳皮質があまり発達していない乳児でも、物をつまむ動作はでき、有名な例としては乳児の「把握反射」などが挙げられる。この点から研究グループは、「大脳皮質以外にも手の運動神経を直接支配して、つまみ動作をコントロールしている部分があるはずだ」との仮説を立て研究を行った。

研究グループは、脳と運動神経をつなぐ働きをしている脊髄介在神経に注目。麻酔をかけていない覚醒下で、ほ乳類から脊髄の神経活動を記録する技術を新たに開発し、サルがレバーを「つまむ運動」をしている際中に、この脊髄介在神経がどのように活動しているのかを記録することに世界で初めて成功した。

把握運動を引き起こす脊髄介在神経の働き方の仮説。脊髄介在神経(緑円)は、大脳皮質や脳幹からの下行性運動指令や末梢からの感覚入力を受けて、運動神経(赤円)に出力している。この脊髄介在神経が、個々の筋肉の活動をコントロールしているのか(仮説1)、それとも複数の筋肉の活動を協調させるような効果を持っているのか(仮説2)は分からなかったとしている

さらに、指の運動に関わる筋肉の活動を記録することで、脊髄介在神経の活動が筋肉の活動にどのような影響を及ぼすのかの解析を実施。結果、記録した多くの脊髄介在神経は1つひとつの筋肉をコントロールしているのではなく、複数の指の筋肉を協調させて活動させていることが明らかになった。

脊髄介在神経が指の筋肉の活動を増加させている様子。介在神経の活動を記録して(最上段)、同時に記録した指の筋肉の活動を数千回足し合わせると、個々の介在神経が引き起こす筋肉の活動を調べることができる。ここに例示されている2つの介在神経は、複数の指の筋肉を同時に活動させていることが分かる。右図は、介在神経AとBが筋肉の活動を増加させている様子を示した図。仮説2のように個々の介在神経がいくつかの指の筋肉を協調させていることが判明したとしている

これは、脊髄介在神経が大脳皮質からの神経活動をそのまま運動神経に伝えるだけの単純な中継点なのではなく、筋肉を協調させるという複雑な役割を持つことを示しているものと考えられると研究グループでは説明している。

そのため、この脊髄介在神経が、複雑な手の運動を効率良く行うための重要なものと考えられ、例えば、複数の指を曲げる筋肉を活動させる働きを持つ介在神経が活動することで複数の指を協調させて物をつまむ運動を引き起こせる可能性が考えられるとしており、今回の実験結果から、手の運動の際の「指の組み合わせ」が脊髄介在神経によって作られているのではないかという新たな仮説を導くことができたとする。

なお、研究グループは、今回の成果により今後、複数の「つまみ運動」の中枢がどのように協力して手の複雑な動きを生み出しているのかに関する研究が進められるものと予想しているほか、脳梗塞や上位頚髄損傷など、大脳皮質から下位頚髄間に障害を持つ患者の手の機能を再建する技術の開発に役立つ可能性があるとしている。すでに、脊髄に刺激電極を埋め込み、電気刺激を与えることで、さまざまな手の動作を引き起こす研究も始まっており、5年後には人に応用する基盤技術の確立を目指すとする。

さらに、このような刺激を患者自身の脳が操るBMI(Brain Machine Interface)と併用して、完全麻痺の患者でも「自分の意志で、自分の手を」操る研究の進展が期待されるほか、脊髄は反射の中枢でもあることから、皮膚や筋肉を刺激して有効な脊髄反射を引き起こし、麻痺した手や指の機能回復を促進するリハビリテーション方法の開発なども期待されると研究グループでは説明している。