皮質-筋ダイナミクスの不調和がACL損傷リスクを高める

膝前十字靭帯（ACL）損傷は社会的課題

前十字靭帯（ACL）の損傷は、あらゆるスポーツ参加者の中で最も重篤な関節損傷の一つであり続けています（Agel et al. 2016; Bram et al. 2021; Montalvo et al. 2019; Palmieri-Smith et al. 2021）。アメリカでは、ACL損傷の財政的な負担は年間約130億ドル（Mather et al. 2013）であり、これには負傷した靭帯の再建（ACLR）に続くリハビリテーションの費用が含まれています。リハビリテーションを受けたにもかかわらず、ACL再建手術を受けた個人は再損傷のリスクが高くなっており（Grindem et al. 2016; Paterno et al. 2014）、持続的な下肢筋力の不均衡と萎縮（Garcia et al. 2020; Kuenze et al. 2014; Lepley et al. 2020b; Lisee et al. 2019）、膝変形性関節症のリスクが増加しています（Luc et al. 2014; Oiestad et al. 2022）。ACL再建手術に関連する長期の予後の悪さは、現行のリハビリテーションプログラムがその最大の可能性に達していないことを示唆しています。

ACL再建手術（ACLR）後の神経筋機能を改善することは、悪い臨床転帰の発生を減少させるためのリハビリテーションの重要な構成要素です（Petushek et al. 2019; van Melick et al. 2016; Webster and Hewett 2018）。表面筋電図（EMG）は、ACL再建手術後の筋力（Pamukoff et al. 2017; Yu et al. 2020）および運動（Blackburn et al. 2019; Briem et al. 2016; Ito et al. 2022; Nyland et al. 2010）評価中に筋活動を数量化するためによく使用されるツールであり、筋活動が機能的な行動にどのように寄与するかに対する洞察を提供します。ACL再建手術を受けた個人は、最大筋力テスト中にハムストリングスから大腿四頭筋への共同活動が増加しており、これは四頭筋が力を生成し、スポーツに関連する高い要求のタスク中に負荷を受け入れる能力を制限する可能性があります（Pamukoff et al. 2017; Yu et al. 2020; Sherman et al. 2021）。歩行時には、ACL再建手術を受けた個人は膝伸展モーメントのピークに続く四頭筋EMG活動のピークに遅れがあり、これが膝の異常な負荷を増加させ、骨関節炎のリスクを高める可能性があります（Ito et al. 2022）。
力追跡タスク中、ACL再建手術を受けた個人は、負傷していない側と比較して最大力出力が減少し、四頭筋モーターユニットの発火率とリクルートメント閾値が低下しています（Nuccio et al. 2021）。これらのデータは、手術後に四頭筋運動ニューロンプールへの神経ドライブの低下と神経筋興奮の減少を示唆している可能性があります（Nuccio et al. 2021）。

下肢筋のダイナミクスは、外部の感覚入力と末梢感覚器官からの体性感覚フィードバックの統合によって主に上位脳のレベルで影響を受けます（Witham et al. 2011）。論理的には、これらの情報源の一方に系統的な変更が加えられると、他方の処理に変更が必要となります（例：怪我と再建によるACL周辺の機械受容体の損傷の結果として）（Schultz et al. 1984; Çabuk and Kuşku Çabuk 2016）。ACL損傷およびACL再建（ACLR）に関連する中枢神経系の変化（神経可塑性）は、20年以上にわたる文献で特徴付けられています（Neto et al. 2019）。神経生理学的および神経画像学的な研究からは、ACL損傷およびACL再建後にも高い運動抑制（Norte et al. 2018a; Rush et al. 2021; Scheurer et al. 2020; Sherman et al. 2023a）および運動皮質脊髄路の構造的な萎縮（Lepley et al. 2020a）が無制限な身体活動に戻った後も長期間持続していることが明らかになっています。さらに、ACL再建手術を受けた患者は基本的な膝運動制御を維持するために認知的およびクロスモーダルな神経活動を増強している（つまり、神経補償）（Criss et al. 2021; An et al. 2019）。ただし、ACL再建手術に関連する神経補償が膝の固有感覚と動的な安定性を維持するために視覚的認知能力に過度に依存する可能性があるという仮説は主に理論的なものであり、歴史的にはACL再建後の運動の欠陥と再損傷リスクの中枢および末梢機構が孤立して研究されてきました（Chaput et al. 2022）。

ACL再建手術（ACLR）後の運動の自発的な制御をさらに明確にするためには、中枢および末梢神経系の活動の統合を評価できる手法が必要です（例：運動ニューロンプールの活動と同時に主運動皮質の活動）（Witham et al. 2011）。したがって、運動中の皮質-筋肉同期は、皮質筋相関（CMC）を使用して定量化できます。これは脳波（EEG）と筋電図（EMG）信号の周波数および位相の類似性を測定するものです（Kilner et al. 2000）。ACL再建手術後の筋力の低下と中枢神経系の非活性が持続することを考慮すると、CMCは皮質制御（EEG）とモーターユニット発火（EMG）の関係の質を明らかにする有望な手法です（Witham et al. 2011）。以前の研究では、ACL再建手術を受けた者と対照群との間で、特にガンマ帯域での力追跡タスク中のCMCが低下していることが明らかになっています（Sherman et al. 2023b）。この同期の減少は、怪我の後に視覚と体性感覚の情報を統合する際に潜在的な課題があることを示唆し、それにより追加の認知的-注意リソースが関与する可能性があります。その結果、一定の力の出力を維持するプロセスは、通常、専門の視覚および体性感覚の統合と関連付けられるガンマ帯域内での高い同期が低い範囲にシフトする可能性があります（Gwin and Ferris 2012）。同期に基づく分析は有益な洞察を提供しますが、神経系の同期した振動活動は健康な神経機能の重要な側面に過ぎません。現在の作業では、EEGおよびEMGなどの複雑で非線形かつ非定常な信号の挙動に新しい有益な視点を提供する可能性がある、位相および周波数の関係に直接依存しない代替技術を使用しました。複雑な適応的な振る舞いをサポートする神経系のコンポーネント間の非同期で非線形な結合を捉えるためには、従来の周波数ベースの手法では不十分であるため、専門の解析ツールが必要です（Friston 2000）（Stam 2005）。クロス再現量化分析（cRQA）は、このようなツールの注目すべき例であり、結合された時系列データを分析するための一般的な相関手法を提供します。従来の手法とは異なり、cRQAは信号の線形性、定常性、または安定した振動構造を仮定しません（Marwan et al. 2007）。以前の研究は、再現ベースの解析を使用して脳（Thomasson et al. 2001; Bianciardi et al. 2007; Schinkel et al. 2009）および筋肉（Del Santo et al. 2007; Farina et al. 2002; Filligoi and Felici 1999）の活動のダイナミクス、および身体運動のダイナミクスを調査するために成功裡に使用されています。

ただし、cRQAは筋（Li et al. 2018）および皮質内（Scheurich et al. 2019）の結合を評価するために使用されていますが、知る限りでは、脳と筋の同時の活動を調査するために再現ベースの分析を利用した研究はありません。ACL損傷に関連して、cRQAは以前に神経筋トレーニングによって引き起こされるEMG活動の変化を調査するためにも使用されており、これはACL損傷のリスク要因を減少させるために設計されています（Kiefer and Myer 2015）。最近の研究では、神経筋トレーニング後に決定論性およびランダム性の意義ある減少を示しました。これは、アスリートの筋ダイナミクスの規則性と断続性の両方がACL損傷のリスクと関連している可能性があることを示唆しています。現在の作業の目的は、以前に公表されたEEGおよびEMGデータ（Sherman et al. 2023b）の二次分析を行い、cRQAを適用することによって、対の脳から筋への解析方法（CMCのような）の強みを実質的に結合し、cRQAによって生成された動態を理解し、ACLR患者において脳電気活動の動態に違いがあるかどうかを検討した。具体的には、ACLR患者と未傷害対照参加者の間で電気皮質動態の中で、より高い規則性および断続性が存在する可能性があり、これがCM-cRQAでの決定論性とランダム性の上昇として現れると考えられる。

皮質-筋動態とACL損傷リスク

脳と筋の健康なコミュニケーションが基本的に振動的であるとする多くの研究がありますが、ここではその仮定を緩和し、共有された振動行動に依存せずに複雑な信号の関係を評価できるcRQAを使用して、包括的な皮質筋動態を調査しました。結果は、ACLR患者の脚の間で一貫した皮質筋動態の変化を示しており、対照群には類似の非対称性がなく、いかなるcRQAメトリクスでも群間で有意な違いはありませんでした。具体的には、ACLRグループはVLにおいて7つのcRQAメトリクスのうち5つ（DET、MDL、ENT、HLAM、およびHTT）で顕著な差を示し、VM（内側広筋）においては3つの尺度（DET、HLAM、およびHTT）で差がありました。これらのメトリクス全般として、ACLR患者は以前に負傷した脚の脳と筋肉のコミュニケーションにおいてより規則的で断続的であることを示唆しており、これは感覚運動システムの柔軟性の低さを示しており、さらなる損傷のリスクを増加させる可能性があります（Kiefer and Myer 2015）。cRQAの現在の利用と同様に、現在の研究に対応する単一変量分析手法である再現量化分析（RQA）も、Bonnetteら（2020）の研究と合わせて、前十字靭帯（ACL）損傷のリスク要因として活動する可能性があることを示唆する補完的な結果を明らかにしました。具体的には、ACL損傷の高いリスクがあると判断された健康な被験者（ドロップバーチカルジャンプのパフォーマンスで分類された）は、低リスクの被験者と比較して、安静時EEGダイナミクス（例：前頭部シータ：Fz）がより決定論的（DET）であり、再発性の脳電活動がより長く維持される（MDL）ことを示しています。現在の研究は、観察された皮質筋動態が負傷前に存在したかどうかを特定することはできませんが、Bonnetteら（2020）の結果と現在の研究の結果の組み合わせは、神経集団の活動（例：感覚運動統合）がACL損傷の回復に重要な要因として機能し、初発ACL損傷のリスクへの潜在的な寄与者である可能性を示唆しています。

ACL損傷脚は皮質と同期しやすい

現在の調査では、平均対角線長尺度（MDL）が、ACL再建手術を受けた個体の関与した脚と非関与した脚の間で脳と外側広筋（VL）との同期がより長い期間であることを示しています。さらに、脳とVL、およびVMの間のより高い決定論性（DET）は、ACLRグループが脳の活動を関与した脚の筋肉とより容易に同期させる傾向があることを示しています。さらに、水平層状性（HLAM）およびトラッピングタイム（HTT）の尺度は、ACLRグループにおいて脳から関与した脚への信号の間でより長く一貫した中断期間があり、これはEEG信号がEMG信号に対して静止していることから生じています。総合すると、運動皮質と筋肉信号の間のより強いトップダウンの運動制御（MDLおよびDET）とより高い中断性（HLAMおよびHTT）は、末梢体性感覚の統合からのより少ない反応性を示唆しています。関節機械受容体および筋アッファレントの変更されたシグナルからくる感覚運動の統合の障害が、以前の関節損傷を持つ人々の関節原性筋抑制に寄与することが知られています（Norte et al. 2021）。これは、神経の抑制が完全な自発的な筋肉の活性化を防ぐ現象です。現在、関節原性筋抑制における皮質体性統合の役割は不明ですが、ここで観察されたように、運動皮質EEG（EMGに対して相対的な）の休止期間が、健康な脚と比較して敏感で巧妙な力の制御を脅かすかもしれない重要な膝からのフィードバックが欠如している可能性があります。逆に、ACLRグループの脚間で垂直線の尺度（VLAMおよびVTT）には差がなく、以前のACL損傷にかかわらずEMGがEEG信号の変化に対して同様に反応していることを示唆しており、感覚運動統合の障害とは独立したよりトップダウンの制御スキームをサポートしています。これは、このデータセットの先行研究で発表された皮質筋相関分析の主な結論と一致しており、弱いガンマ帯の皮質筋相関が多感覚統合の障害に起因していると考えられていました。

ACL再建手術を受けたアスリートのEMG活動の再発分析を使用すると、最近の研究で観察されたのと同様のダイナミクスが、神経筋トレーニングを受ける前の関与した脚で示されました（Kiefer and Myer 2015）。具体的には、アスリートはトレーニング前にDETとLAMの値が高く、これらの値はトレーニング前の値およびコントロール参加者の値と比較して有意に低下しました。最近の研究で観察された異なる皮質筋ダイナミクスが損傷前に存在していたか、損傷後に発展したかは不明ですが、結果は、リハビリテーションおよびトレーニング中の神経筋機能を指標化するために再発ベースのメトリクスの使用をさらにサポートしています。さらに、調査結果は、脚間のcRQAパラメーターの非対称性が単一の脚の差異の方向性よりも神経筋機能を評価する際により重要である可能性を示唆しています。cRQAパラメーターのいずれもACLRグループとコントロールグループの間で全体的に差異がないものの、ACLRグループ内で脚間の差異に強いパターンが見られるため、アスレチックな動き中の調整欠損が生じる可能性があります。アスレチックな動き中の調整欠損は、ACLRを受けた個体の感覚運動系が両側の複雑な動きを調整する能力が不足している可能性から生じる可能性があります。この現象は理論的には負傷のリスクを高める可能性がありますが、明確な結論を得るためにはさらなる調査が必要であり、動的な両側タスクおよび周波数ベースと再発技術の両方を使用した将来の研究がこの仮説に対処するために推奨されています。さらに、脚間の差異がVLの方がVMよりも顕著であることが分かりました。ただし、これらの研究は直接VLとVMを比較しておらず、現在の発見をよりターゲットに理解するために将来の研究でこの点を詳細に調査する必要があります。現在の結果は、ACL再建手術を受けた体力活動のある個体における神経筋ダイナミクスの理解に独自かつ補完的な情報を提供しています。結果は、特定の周波数に関する仮説については言及していませんでしたが、脳と筋肉の総合的な調整に関する追加の洞察を提供しており、cRQAはCMCなどの周波数ベースの分析よりも、脳と筋肉の調整における規則性とグローバル構造の変更を捉える能力があります。

スポーツ外傷後の安全な競技復帰には神経-筋機能の明確なイメージが必要

この健康な混合物の決定論（規則性）とランダム性（不規則性）の特性を特徴づけることで、臨床家や研究者は新しい視点を開発し、筋力と並行して神経筋適応性を促進することに焦点を当てることができます。将来の研究では、周波数固有の手法（CMC）と包括的なアプローチ（CMcRQA）の両方を使用して、怪我と回復のメカニズムを調査することをお勧めします。
将来の研究では、両方の手法を実装して、ACL再建手術を受けた個人がリハビリテーションの過程で神経学的な基準に戻ったかどうかを判断できるかもしれません。神経筋機能のより完全なイメージを持つことで、競技復帰前にACL再建手術を受けた脚の神経機能を効果的に回復させるためのより効果的な介入が生まれるでしょう。神経レベルで始まる下肢機能のより完全な回復は、ACL再建手術を受けた後にスポーツに復帰する競技者で見られる再発率の高さを軽減するのに役立ちます（Wiggins et al. 2016）。
結論として、ACL再建手術を受けた人々と対照群の中枢および末梢神経系の包括的で調整された活動を特徴づけることが重要です。従来の手法とは異なり、周波数ベースの手法は使用せず、したがって、ACLRグループの脚間の神経筋機能の新しい側面を明らかにすることができました。
新しい手法（CMcRQA）を用いたEEGとEMG信号の対の研究では、ACL再建手術を受けた患者の脳と筋肉の間の動的な電気生理学的な調整の構造が明らかにされました。これらの違いを特徴づけることで、既往の整形外科的介入とリハビリテーションを受けた個人の神経筋系で生じる協調パターンは、これまでに対処されていなかった重要なリハビリテーションの目標となる可能性があります。