運動指令信号と感覚信号が統合されて運動が作り出される過程を発見
京都大学大学院医学研究科 脳統合イメージング分野
准教授
梅田 達也
水の入ったガラスのコップを手でつかんで水を飲むといった運動を行うには、コップの重さやすべりやすさに合わせてコップを持ち上げます。このとき、皮膚や筋肉のセンサーからの感覚情報と脳からの意識的な運動制御が協調していると考えられています。本研究は、実際の手の運動において、コップの重さやすべりやすさなどの感覚情報と脳からの運動指令信号が脊髄で統合されて手の運動が作り出される様子を初めて明らかにしました。
コップの形がわからないとうまくつかむことができないように、脳は、手で握ったモノの形や材質などの感覚情報を用いて、目的にあった筋肉の活動を生み出します。こうした感覚情報は体中に散りばめられた筋肉や皮膚のセンサーで検出され、感覚神経によって筋肉の活動を制御する脊髄に直接送られます。また、手を動かそうとするには、身体の運動をつかさどる大脳皮質の運動野から、これから実行しようとする運動についての指令信号が同じく脊髄に送られます。これまで感覚神経が伝える感覚信号と運動野からの運動指令信号が筋肉の活動をコントロールする脊髄の運動ニューロンに集められていることが知られていました。しかし、実際に手を動かすときに、感覚信号と運動指令信号がどのように筋肉の活動を生み出すのに関わっているのかよくわかっていませんでした。
本研究では、背骨の中にある感覚神経に剣山様の電極を埋め込む方法を開発し、サルが手でレバーを引く動作をしているときの多数の感覚神経の活動を記録しました。また、感覚神経の活動の記録と一緒に、脳表面にシート状の電極を置いて運動野の活動と、手と腕の筋肉にワイヤー電極を埋め込み筋肉の活動も記録しました(図A)。次に、感覚神経と運動野の活動がどのタイミングの筋肉の活動を作り出しているか、分析しました。その結果、手の動きが始まる前に見られる筋肉の活動は運動野の活動によって生み出され、そして、実際に手が動いている時の筋肉の活動は運動野と感覚神経の双方の活動によって生み出されることがわかりました(図B, C)。さらに、感覚神経の活動が作る筋肉の活動はこれまで知られていた脊髄反射の特徴を持ち、脊髄反射によって手の筋肉の活動が作り出されていることがわかりました。
以上、意識的に手を動かしているとき、皮膚や筋肉のセンサーからの感覚信号と脳からの運動指令信号が異なるタイミングで筋肉の活動を作り出していることがわかりました。これまでの研究では、感覚信号による脊髄反射と脳による運動指令が別々に調べられていました。今回の研究は、感覚神経と脳の活動を初めて同時に記録することで、感覚神経由来の脊髄反射と脳からの運動指令が合わさって筋肉の活動が生まれる様子を示したものになり、身体を動かす仕組みをより詳しく理解することができました。このことは、将来的に、例えば脊髄反射をうまく活用して体を動かすことで運動能力を向上させるといった、新たな運動プログラムの創出の手掛かりになります。
<掲載ジャーナル>
Temporal dynamics of the sensorimotor convergence underlying voluntary limb movement.
Umeda T*, Isa T, Nishimura Y*. (*は責任筆者)
November 21, 2022, Proceedings of the National Academy of Science, 119(48): e220835311.
https://www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.2208353119
<図の説明>
- 感覚神経・運動野・筋肉の活動の同時記録の模式図。サルがホームボタンから手を伸ばしてレバーを引く動作をしているときに、運動野・感覚神経・筋肉の活動を同時に記録しました。
- 運動野と感覚神経の活動を用いて、筋肉の活動を計算した例。実際の筋肉の活動を灰色線、運動野と感覚神経の活動から計算した筋肉の活動を紫色で示し、実際の筋肉の活動をうまく再現していることがわかります。運動野の活動が生み出した筋肉の活動を青線で、感覚神経の活動が生み出した筋肉の活動を緑色で示しています。動きが始まる前の筋肉の活動は、運動野の活動だけで再現でき、一方で動いている時の筋肉の活動は、運動野と感覚神経の双方の活動が合わさることで再現できることがわかります。
- 手を動かしたときに、感覚信号と運動指令信号が脊髄の運動ニューロンに入力される様子を表した模式図。(左図)まず、運動野からの運動指令信号が手の運動を開始させます。(右図)そして、いったん手が動くと、脊髄運動ニューロンは運動野からの運動指令信号を継続的に受け取ると同時に、脊髄反射による感覚信号も受け取り、引き続き筋肉の活動が生じます。
<研究者の声>
動いている動物の多数の感覚神経の活動を同時に記録するという誰も成し遂げられなかった方法の開発から、今回の論文の発表まで足掛け12年かかりました。感覚信号は手や足の運動には欠かせないものですが、実際の運動中に感覚信号がどのように使われているのかあまり理解されていませんでした。今回の研究のように感覚信号を伝える脊髄反射による信号処理と大脳皮質による意識的な運動制御を合わせて調べることで、ヒトの運動制御の仕組みの本質に迫れるものと考えています。
<略歴>
2004年3月東京医科歯科大学大学院医歯学総合研究科博士課程修了、博士(医学)、
2004年4月から東京医科歯科大学大学院 博士研究員、
2007年4月から生理学研究所 博士研究員、
2013年4月から横浜市立大学医学部 助教、
2014年4月から国立精神・神経医療研究センター神経研究所 室長、
2020年5月から現在 京都大学大学院医学研究科 准教授