20240705B: バランス障害・虚弱高齢者・脳震盪・感覚再加重・視覚依存
虚弱高齢者の感覚再重み付け: バランス障害は主に視覚または足への依存によって補われているか?
感覚源の重みは個人によって異なります。
成人は加齢とともに姿勢を制御するために主に 2 つの感覚源を使用します。
虚弱高齢者の感覚嗜好は視覚嗜好または足部嗜好である。
感覚依存の評価は簡単な方法で臨床的に可能です。
直立姿勢でのバランス制御により、環境を探索し、適応した運動行動を生み出すことができます。姿勢制御は脊髄反射のみに関連する単純なシステムではないことが長年認識されてきました 。実際、姿勢制御は中枢および末梢構造を含む多くの動的感覚運動プロセスに基づく複雑なシステムです。これらの構造内では、視覚、前庭、および体性感覚の求心性フィードバックが、運動制御システムに情報を提供する上で重要な役割を果たしています 。興味深いことに、感覚源の重みは個人によって異なります。その結果、いくつかの成人集団で自然な感覚の好みが特定されています]。
感覚源の重みも障害によって変化する
実際、後天的な欠陥によって引き起こされる感覚喪失の各状況は、最適な行動を維持するために学習によって補われる 。神経可塑性によって達成されるこのメカニズムは、タウブによって学習された非使用として理論化された 。運動障害のこの分野では、脳卒中の病理モデルが文献で十分に研究されている 。脳卒中を患った人は、姿勢を制御する際に視覚にますます依存するようになる。病的な老化の分野では、パーキンソン病の患者に視覚依存が記録されている 。しかし、通常の老化は、視覚の機能的能力の低下、前庭反射および体性感覚機械受容器の障害という、感覚情報の 3 つの主要な情報源に潜在的な変化をもたらす。発生する可能性のある機能的欠陥を補うために、高齢者は機能を維持するために代償行動をとる 。
一部の研究者によると、視覚依存は人生の非常に早い段階で現れる可能性がある 。しかし、老化は複雑なプロセスであり、個人レベルで分析する必要があります。虚弱の概念により、各患者を病的なサブグループに分類することなく、障害のある高齢者または障害前の高齢者集団を定義することができます 。虚弱集団では、感覚運動系がいくつかの（不均一な）理由により障害を受けています。その結果、各個人は自分の履歴と感覚運動能力を考慮して補償を開発する可能性があります。
視覚依存は頻繁に評価される場合でも、他の感覚嗜好が個別の補償として発生する可能性があります。体性感覚入力は、筋骨格系全体から中枢神経系（CNS）に向かって伝わります。ただし、他の領域、特に足は、この情報の取得において非常に重要です 。実際、臨床医は足の入力依存をよく観察し、さまざまな表面を歩くときに多くの患者が困難を抱えていることに気づいています。ただし、この主題に関する文献は、私たちの知る限りありません。いくつかの研究では足の入力依存が示されていますが、正常な老化の状況下での健康な高齢者に限られています 。したがって、本研究の目的は、虚弱な高齢男性と女性のグループにおける足の入力依存の有病率を決定し、文献で特定されている2つの主な補償（視覚と足の入力）の静的姿勢制御タスク中の分布を、正常な高齢者と比較することです。私たちは、虚弱な高齢者では足への依存は視覚への依存と同じくらい一般的だが、男性と女性では分布が異なるという仮説を立てました。
することを目的とした。より具体的には、視覚と足の入力嗜好の普及を調査した。この研究では、これらの入力は静かに立っている間に独立して中断され、標準状態と比較された。
視覚依存を示す虚弱高齢者
が数人いることがわかった。さらに、加齢に伴う虚弱性という文脈では、足の依存も少なくとも同程度存在することが明らかになった。この結果は、男性では視覚と足の手がかり、女性では足の手がかりに特に注意を払って、虚弱高齢者の感覚依存を評価する必要があることを裏付けている。このメカニズムを理解するために、さらなる研究を行う必要がある。
姿勢制御は、さまざまな感覚入力の統合に基づいています。これらの感覚刺激 (視覚、前庭、固有受容) の相対的な重要性をスケーリングするプロセスは個人によって異なり、感覚の好みを生み出し、特定の情報源が優勢な場合は感覚依存につながります。この文脈では、文献では高齢者の視覚依存 (視覚入力の重み付け) が頻繁に示されています。ただし、身体感覚入力は、足依存プロファイルで優先されることもあります。虚弱な高齢者では、これら 2 つの依存の分布を示した研究はありません。
重心動揺測定パラメータ（平均速度と平均速度分散）の分析により、虚弱高齢男性の場合、視覚なしまたは泡の条件と標準条件を比較した場合に有意差が見られ、虚弱グループの女性の場合、泡の条件と標準条件を比較した場合にのみ有意差が見られました。対照群では条件間で有意差は見られませんでした。
虚弱な高齢者が姿勢を制御する際に視覚と足の情報の両方が優位に働くことが示されました。性別を考慮すると、虚弱な男性は虚弱な女性よりも視覚的な手がかりに依存していました。この結果は、この集団のリハビリテーション プログラムを設計する際に活用する必要があります。
年齢と疾患による立位バランス時の固有受容感覚情報の感覚再重み付けの変化
感覚再重み付けを使用すると、バランスをとる際にこの情報を動的に組み合わせることで、信頼できる感覚情報が信頼できない情報よりも選択されます。システム識別技術を使用して、年齢や特定の病気による立位バランス中の固有受容感覚情報の重みと重みの変化の適応プロセスを示しました。20～30歳の健康な若者10名と、65歳以上の高齢者44名（健康な高齢者10名、白内障患者10名、多発性神経障害患者10名、バランス障害患者14名を含む）が研究に参加しました。立位中、足首の固有受容感覚情報は、特定の周波数成分を含む支持面の回転によって乱され、乱れの振幅は試行ごとに増加しました。体の動揺と反応性足首トルクを測定し、乱れの振幅に対するこれらの反応の感度関数を決定しました。モデルの適合により、固有受容感覚の重み（試行ごとに変化）、時間遅延、力のフィードバック、反射剛性、減衰が得られました。固有受容覚の重みは、健康な高齢者では若年者に比べて高く、白内障のある高齢者やバランス障害のある高齢者では健康な高齢者に比べて高かった。固有受容覚の重みは、外乱振幅が増加するにつれて減少し、減少はすべてのグループで同様であった。すべてのグループで、若年者や健康な高齢者に比べて時間遅延は高く、反射性硬直は低かった。結論として、固有受容覚情報は、白内障やバランス障害のある患者では、年齢とともに重み付けが高くなります。年齢や特定の疾患では、時間遅延は高く、反射性硬直は低くなります。これらの結果は、システム識別を使用して高齢者のバランス障害の根本原因を検出する機会を示しています。
脳震盪後の姿勢制御における持続的な視覚および前庭障害
脳震盪の症状は通常2～4週間以内に解消しますが、神経生理学的障害は症状の回復後も持続する場合があります。例えば、いくつかの研究では、姿勢制御障害は受傷後2～4週間以上続くことが示唆されています。このような障害は、高度な実験装置を使用して質量中心（COM）や圧力中心（COP）の動きを測定することで検出できる場合があります。これらのリソースがない場合、臨床医は、バランスエラースコアリングシステム（BESS）、ロンバーグ、またはタンデム歩行テストなどの臨床評価を、目視と時間（例：20～30秒間の合格/不合格）で採点します。臨床評価では、姿勢制御障害は受傷後2～5日以内に回復することが示されている。医師は、臨床検査で問題がなければすぐに選手の競技復帰を許可することが多い。残留する生理学的欠損があると、競技復帰の判断が時期尚早で、重篤な結果を招く可能性があるという懸念が生じる。例えば、最近の研究では、選手は脳震盪から回復した後、その後の脳震盪や筋骨格系の損傷のリスクが2～3倍高くなることが示唆されている。これは脳震盪後の不適応な感覚運動制御によるものと考えられるが、脳震盪後の姿勢制御障害の根底にある具体的な生理学的メカニズムは不明である。
中枢神経系は、視覚、前庭、固有受容覚からの感覚フィードバックを正確に統合することで姿勢を制御します 。脳震盪後、被験者が目を閉じてテストされたときには慢性的な姿勢制御障害が観察されましたが、目を開けた状態では観察されませんでした 。視覚フィードバックがない場合、中枢神経系は姿勢の安定性を維持するために前庭および固有受容覚フィードバックへの依存を高める必要があります。これは感覚再重み付けと呼ばれるプロセスです 。目を閉じた状態で観察された結果としての姿勢制御障害は、感覚再重み付けの障害により、脳震盪後の固有受容覚および前庭覚情報に頼ることが不十分である可能性があることを示唆しています。ただし、各感覚系の姿勢制御への個々の貢献を体系的に評価しなければ、脳震盪後の感覚運動障害の範囲と性質を理解することは困難です 。我々は、感覚再重み付けを評価するための実験パラダイムを開発した。被験者は、視覚、前庭、固有受容覚刺激を同時に受ける。各感覚刺激は異なる周波数で適用されるため、刺激周波数での姿勢の揺れを分析することで、その感覚様相の個々の寄与を定量化できる。直立した被験者は、4つの実験条件にさらされる。2つは高振幅の視覚刺激、2つは低振幅の視覚刺激、2つは振動（すなわち、固有受容覚刺激）オン、2つは振動オフである。したがって、条件間での感覚依存の変化を調べることで、中枢神経系が感覚フィードバックを再重み付けする方法を評価し、脳震盪後の姿勢制御障害の根底にあるメカニズムについての洞察を得ることができる。この研究の目的は、直立姿勢に対する感覚再重み付けを、最近の脳震盪群、脳震盪歴群、対照群の3つのグループで調べることであった。これまでの研究では、慢性的な姿勢制御障害は目を閉じた状態でのみ観察されていたため、私たちは、最近の脳震盪群と脳震盪歴群の両方の参加者が、対照群と比較して感覚再重み付け障害を示すだろうと仮説を立てました。
直立姿勢を制御するための感覚情報の処理が脳震盪後
どのように変化するかを調べることでした。私たちは、最近脳震盪を起こしたグループと脳震盪の履歴があるグループの両方の参加者が、コントロール グループと比較して感覚再重み付け障害を示すだろうと仮定しましたが、結果は私たちの仮説を支持しませんでした。代わりに、最近脳震盪を起こしたグループと脳震盪の履歴があるグループの両方の参加者は、コントロール グループの参加者よりも視覚刺激と前庭刺激に対するゲインが高かったです。
これらの結果は、脳震盪後の不安定な環境では、個人が視覚と前庭フィードバックに異常に依存し、その結果、姿勢制御に対する感覚過敏が生じることを示唆しています。振動に対するゲイン、感覚再重み付け (つまり、グループごとの感覚モダリティの相互作用)、または感覚モダリティの位相にはグループ間で違いはありませんでした。しかし、最近脳震盪を起こしたグループの参加者は、脳震盪の履歴があるグループとコントロール グループの両方の参加者よりも、残留パワー (スペクトル全体にわたってより大きな揺れ) と揺れ速度が高かったです。脳震盪歴のあるグループにおける従来の揺れの測定の回復は、個人が機能を回復したか、またはノイズを打ち消すために感覚統合に大きく依存することで、より精度の低い感覚フィードバックを補うことを学んだことを示している可能性があります (つまり、ベイズの原理)。
ほとんどの臨床医や研究者は、マルチモーダル脳震盪検査の一環として姿勢制御の評価を推奨しており 、姿勢制御障害は脳震盪の診断指標と予後指標の両方である が、脳震盪後の姿勢制御障害の根底にある生理学的メカニズムは十分に解明されていない 。感覚系、神経系、および/または運動系の変化は、姿勢制御に悪影響を及ぼす可能性がある。システムの冗長性により、制御系の変化が発生した場合でも、補償戦略（例、感覚の再加重）によって直立姿勢を維持できる。BESSテストなどの現在の臨床姿勢制御評価では、目を閉じているときや不安定な表面など、感覚が困難な条件下で被験者が立位バランスを維持する能力を調べます。私たちの感覚再重み付けパラダイムは、視覚系、前庭系、固有受容覚系を個別に評価し、直立姿勢の感覚再重み付けを行うことで、これらの限界に対処し始めました 。脳震盪後、視覚刺激と前庭刺激に対するゲインが高くなることが観察されました。これは、脳震盪の参加者は対照群の参加者よりも感覚刺激に対する動揺が大きいことを示しています。私たちの研究結果と同様に、Slobounovと同僚は、移動する部屋のパラダイムを使用して、脳震盪後の視野運動の不安定化効果を実証した。
彼らは、少なくとも30日後に脳震盪の残存障害を観察しただけでなく 、1回目よりも2回目の脳震盪後の転帰が悪いという用量反応関係も観察しました。さらに、めまいは脳震盪後の急性症状の中で2番目に多く報告されており、アスリートの67～77%がめまいを自覚している。私たちが観察した視覚と前庭の機能障害は、参加者の感覚刺激に対する認識の変化（例えば、フィードバックのノイズ増加）を示唆しており、その結果、めまいや平衡感覚の異常が生じる可能性がある。今後の研究では、前庭リハビリテーション療法などの標的リハビリテーション介入が脳震盪後の視覚と前庭機能の向上に及ぼす影響を調べる必要がある。
通常、ノイズが多い、または精度の低い感覚フィードバック（例：転倒しやすい高齢者の前庭フィードバック）の場合、精度の低い感覚システムに対するゲインは低く（前庭ゲインが低い）、信頼性の高い感覚フィードバックに対するゲインは高く（視覚ゲインが高い）なります 。1つの感覚システムがノイズが多い、または精度が低い場合、個人はそれを補うことができますが、2つ以上の感覚システムが不正確な場合は補うことができません 。
たとえば、若い健康な成人は視野の動きに適応し、不安定にする視覚効果を無視します。しかし、視野の動きは、すでにノイズの多い前庭フィードバックを持つ転倒しやすい高齢者にとっては、より不安定にする効果があります。転倒しやすい高齢者は、矛盾する情報源を解決できず、結果として自己の動きと環境の動きが曖昧になります。脳震盪後、私たちの研究結果は、視覚系と前庭系の両方が直立姿勢の制御に持続的な障害を抱えていることを示唆している。したがって、視覚刺激と前庭刺激に対する高いゲイン、または異常な依存は、自己運動と環境運動の曖昧さの結果である可能性がある。
感覚チャレンジバランス運動は、転倒しやすい高齢者の異常に高い感覚ゲインを軽減するために効果的に使用されており、標的を絞ったリハビリテーション介入の将来の方向性となる可能性がある。
この研究は脳震盪後の感覚再重み付けを調べた最初の研究であるが、他の研究では脳震盪後の亜急性期および慢性期の静止立位中、さまざまな感覚条件下（例：BESSテスト、感覚組織化テスト（SOT）、バランスに関する感覚相互作用の臨床テスト）、動的課題中（機能的歩行評価、動的歩行指数）の姿勢制御が調べられている 。BESSテストでは、さらには機器化されたSOTを使用した場合でも、大学の学生アスリートは受傷後2～5日以内に回復するように見える。しかし、動的課題、特に二重課題遂行中などの他のアプローチでは、受傷後少なくとも30日間は姿勢制御障害が持続することを示唆している 。最近の系統的レビューとメタアナリシスでは、BESS合計スコアや開眼時の動揺面積に永続的な障害はないが、脳震盪を起こした参加者は健常者よりも閉眼時の動揺面積が大きいことが示唆された。著者らはこれらの発見が感覚再重み付けの障害によるものだとしたが、我々の研究結果は参加者が感覚刺激の動的再重み付けが可能であったことを明確に示している。閉眼時の動揺面積が大きいことには別の説明があるかもしれない。例えば、参加者は最適ではない感覚重み付けや、矯正運動動作の大きさを不適切にスケーリングする異常な感覚から運動への変換を有している可能性がある。これらは両方とも感覚刺激に対するより高いゲインにつながる可能性があり、これは我々の研究結果と一致しており、困難な視覚条件下での静止姿勢バランス課題の困難につながるだろう。これらの研究結果は重要な意味を持つ。これらは、（1）リハビリテーション介入の設計、
（2）姿勢制御障害の根底にある生理学的メカニズムを対象としたより感度の高い臨床評価の作成、
（3）その後の脳震盪やその後の筋骨格系損傷のリスクに関する知見の提供に使用できます。
脳震盪歴群では視覚と前庭機能の持続的な障害が認められたというわれわれの調査結果とは反対に、脳震盪歴群は従来の揺れの測定において対照群と差がなかった。しかし、最近脳震盪を起こした群の参加者は、脳震盪歴群と対照群の両方の参加者よりも残留パワーと揺れ速度が高かった。従来の揺れの測定は感覚フィードバックの質に関係しており、ノイズが多い、または精度の低い感覚フィードバックは揺れを大きくする 。感覚フィードバックが悪化している高齢者の理論モデルと実験データと一致して 、個人は感覚運動統合を利用して身体状態の推定を強化し、感覚の曖昧さを解決することができる。これはベイズ統合プロセスである 。言い換えれば、2つのノイズ信号の組み合わせはどちらか一方だけよりも優れているため、感覚統合は個々のモダリティにおけるノイズの増加を補う 。脳震盪歴のあるグループでは、従来の揺れの測定値は対照グループと差がなかったため、これらの個人は感覚統合によって雑音を打ち消しているか、回復中に単に機能を回復した可能性があることが示唆されています。ただし、サンプルサイズが小さく横断的デザインであるため、特定の回復曲線を確立することはできませんでした。残留パワーと従来の揺れの測定値に大きなばらつきがあるのは、脳震盪後の時間のばらつき（範囲=負傷後18～165日）の結果である可能性があります。すべての参加者がテストの時点でプレーへの復帰を開始していたことに留意することが重要です。そのため、最近脳震盪を起こしたグループの残留パワーと揺れの速度が高いことは、姿勢制御障害がまだ残っているため、プレーへの復帰の決定が時期尚早である可能性があることを示している可能性があります。
まとめると、我々の研究結果は、最近の脳震盪と過去の脳震盪歴を持つ集団の両方で、対照群と比較して感覚運動処理に変化がある可能性があることを示唆している。さらに、過去の脳震盪歴を持つ集団では一部の影響が持続しているが、テストの1年以上前に起こった傷害に対してある程度の回復または補償を受けると思われる他の影響もある。対照的に、BESSスコア（臨床バランス評価）にはグループ間で差はなかった。参加者は若く活動的な成人であったため、微妙な持続的な神経生理学的障害を特定する上でBESSテストによって十分に挑戦されなかった可能性がある。同様に、以前の研究で、脳震盪歴を持つ人は、タスクの要求を満たすために代償神経資源を動員できるという仮説が提唱されている 。したがって、我々の研究結果は、脳震盪の影響をより明確に調べるために、さまざまなシステムをより適切に分離できる標的評価が必要であることを示唆しており、将来の臨床ケアを導くためのさらなる調査の動機となるだろう。
脳震盪後の直立姿勢中の感覚運動処理
を亜急性および慢性的に調査した初めての研究である。これらの知見は、受傷後の姿勢制御のための視覚および前庭フィードバックの障害に関する実証的証拠であり、個人は感覚統合を通じてこれを補うことを学ぶ可能性がある。脳震盪からの回復後にその後の脳震盪および/または筋骨格損傷のリスクが増加することを考慮すると、この研究は脳震盪後の残存生理学的障害を理解する上で重要な意味を持つ。
キーポイント
最近脳震盪を起こした、または過去に脳震盪を起こしたことがある若年成人は、対照群よりも視覚刺激と前庭刺激に対する反応が高いようで、不安定な環境における視覚および前庭フィードバックへの異常な依存を示唆している。
最近脳震盪を起こした若年成人は、脳震盪の履歴がある人や対照群よりも従来の揺れの測定値が悪く、最近脳震盪を起こした人の間では感覚フィードバックのノイズが多いことを示唆している。一方、脳震盪の履歴が古い人は、機能を回復したか、感覚統合に大きく依存することでそれを補うことを学んだ。
最近脳震盪を起こした若年成人も、脳震盪の履歴のある若年成人も、対照群と比較して感覚再重み付けに障害があるようには見えない。