#18 神経可塑性から考えるアスレティックリハビリテーション

神経可塑性 (neuroplasticity)という用語は、具体的には知らなくとも少なくとも一度は聞いたことがあると思います。

これは身体的な何らかの変化に対する脳の構造・機能的な適応¹であり、よく中枢神経系のリハビリテーションの中でフォーカスして取り上げられることが多いと感じます。

しかし、運動器疾患やスポーツ外傷・障害においても、受傷後に神経的な適応が生じることが明らかになっています。

この点について研究が進められている最たる例が膝の前十字靱帯(ACL)損傷であり、再建術後であっても特定の脳領域の活動が変化していたり、あるいは動作の制御において視覚への依存が強まっていたりする所見が見られることが明らかになっています^{2 3 4}。

ちょうどこの記事を書いている頃(2024年8月)、Journal of Athletic Trainingからこれに関する興味深いレビューが発表されました。

ということで、個人的な知識の整理がてら、この辺について少し整理しようと思います。

筋骨格系障害後に神経系の働きはどのように変化するのか？

筋骨格系障害(筋損傷、靱帯損傷など)が起きると、その組織自体の機能障害が生じるだけでなく、その関節にかかわる神経系の作用も変化することが明らかになっています。

その一例として挙げられるのが関節原性抑制(arthrogenic muscle inhibition; AMI)であり、これは例えばACL損傷後の大腿四頭筋の筋力低下と筋萎縮などに見ることができます。

AMIのメカニズムについては、Gabelらのレビュー⁵にて詳細に説明がなされています(Supplementary fileに説明があります)。
具体的には、障害に伴う局所的な求心性神経終末の損傷による求心性入力の変化、腫脹に伴うII群線維の活動によるα運動ニューロンの抑制、皮質脊髄路の興奮性の変化などが要因として挙げられるようです。

今回トピックに取り上げるNeedleらのレビュー⁶では、受傷直後の急性期におけるAMIから神経の不適応が生じるまでのプロセスを以下のようにまとめています。

1. 急性の腫脹と疼痛が分節的なAMIを誘発する
2. 脊髄レベルでの反射機構に影響し、関節の安定化などに関与する筋の活性化が抑制される
3. 急性期を終えた後も、感覚神経の求心路遮断を伴うAMIの持続と関節不安定性が運動皮質の興奮性に影響を与える
4. 運動皮質の興奮性の低下とAMIによって本来生じるべき筋活動による安定化が困難になると、他の中枢神経領域の関与が必要になる(プランニングや視覚に関する大脳皮質領域や、小脳)
   →結果的に神経的な効率が低下する

こう考えると、やはり最初の急性期の腫脹と疼痛によるAMIをいかに抑制できるか？、というのが極めて重要なプロセスになりそうだと考えられますよね。

AMIに対する介入は、具体的にはやはり炎症・腫脹・疼痛を抑えることを目標に行っていくのが良いとされています⁷。
例えばACL損傷後のAMI予防に関しては、アイシングによる冷却療法やNMESを用いた神経筋刺激、振動療法、経頭蓋磁気刺激法(TMS)などが選択肢として考慮されます⁸。

アイシングとかはよく否定的な話も出されますが、こういう観点からはやはり必要ですよね。
(どの方法もそうですが)結局のところ物は使いようだと思います。

従来のアプローチは有効なのか？

基本的な枠組みとして、アスレティックリハビリテーション(に限らず運動器のリハビリテーション全般に言えることだとは思いますが)ではimpairment-based、すなわち評価プロセスで認められた機能障害を改善するようにアプローチをしていくことが多いと思います。

例えば疼痛が強いなら疼痛に対してアプローチするし、筋機能に制限があれば筋機能を改善するためのアプローチをするし、……といった感じです。

しかし、神経可塑性の観点からこのアプローチを考えると、以下のような問題点が考えられると指摘しています。

• 仮に評価として見える形で機能障害が改善しても、それが不適切な神経筋制御によって代償的に補完されている可能性がある
• それらの機能改善が「コントロールされた」環境において示された結果である場合、実際に傷害が起こり得る「カオスな」環境での機能改善に必ずしも直結しない

この点は既にGroomsら²によって指摘されており、彼らは「現在用いられているリハビリテーションの方法は、神経筋制御の代償に寄与し、さらなる代償的な神経可塑性を引き起こしさえし得る」と指摘しています。

このような問題点について、前者についてはいくつかの研究で指摘されています。

例えばAnら⁹は、健常成人とACLR(ACL再建術)患者を対象とし、バランス能力およびバランス課題中の脳の活動を比較しています。
その結果、OSI score(バランス能力の指標)は群間でほとんど差は生じなかったものの、ACLR患者群は健常者とは異なる脳の活動パターンを呈していたことが示されています。

また、Giescheらの研究¹⁰でも、機能は比較的正常に戻っている(片脚ホッピングテストで示されるLSI(下肢対称性指数)が>85%)ACLR患者において、着地時に健常者とは異なる脳活動のパターンを呈する可能性が示されています。

このように、量的に簡単に測定できうる身体的パフォーマンスが比較的正常に戻っていたとしても神経的な活動動態は健常と異なっており、それが動作の非効率さやひいては再受傷のリスクになることはあります。

また、前述した問題点の後者についても、オープンスキルが要求される課題とクローズドスキル課題では脳の活動動態は異なることが明らかになっているため^11,12、特異性の観点から考えても介入は再考される必要があると言えるでしょう。

神経可塑性を考慮した介入はどのようなものになるか？

このような神経的な不適応に対するアプローチとしてリハビリテーションを考え直すと、アプローチは大きく4つに分けられます。

1. 感覚系へのアプローチ
2. 運動系へのアプローチ
3. 情動へのアプローチ
4. 1〜3を統合するような統合的アプローチ

実際にはこれらの全てを行っていく必要があります。

感覚系へのアプローチ

感覚へのアプローチは、例えばACL患者における視覚フィードバックの修正^2,13や、それ以外にも足関節における感覚系をターゲットにしたリハビリテーション戦略(Sensory-Targeted Ankle Rehabilitation Strategies; STARS)¹⁴などが一例として挙げられます。

特に足関節について言及すれば、足底へのマッサージや振動療法は、足底の固有受容感覚を刺激し、特に開眼での静的バランスには有効であることが示されています^15,16。
一方で、これらの介入が動的バランスに有効であるかどうかは明らかでは無く、これらの介入とそれ以外の介入(バランストレーニングなど)を組み合わせることで、より機能的な改善が見込まれる可能性があります¹⁷。

運動系へのアプローチ

出力系(=ある動作や運動の実行)にフォーカスすることは当然リハビリテーションのプロセスでは必要ですが、前述したようにその方法は注意する必要があります。
というのも、出力の方法によっては代償的に活動している領域の活動をさらに増強させ、神経的な効率性の低下をより強く保持することになりかねないからです。

神経可塑性という観点に着目して出力系への介入を考えた時、以下のような方法が「運動系の脱抑制のための介入」motor disinhibitory interventionsとして利用出来るとされます。

• 遠心性収縮にフォーカスした筋力強化
• プライオメトリクス
• 神経筋電気刺激

これらの介入は、抑制された中枢・末梢神経系がより大きな神経活動を行えるようにしたり、あるいはその活動を速くしたりすることで、運動系の神経にアプローチをすることができるとされます。

余談ですが、以前膝蓋腱障害(ジャンパー膝)においては遠心性収縮が選択肢のひとつとして挙げられるということを書きましたが、これは腱障害に伴う神経的な不適応¹⁸と、遠心性収縮が引き起こす神経系への影響¹⁹が関係しています。
つまり、腱障害ではしばしば運動系全体の抑制が増強されてしまいますが、遠心性収縮を取り入れたトレーニングによってその抑制を外すことができる可能性があるため、結果として腱障害の機能改善に有効になるのではないか、ということですね。

＃10 ジャンパー膝(膝蓋腱障害)のリハビリ、何をする？

膝蓋腱障害patellar tendinopathyは「ジャンパー膝(ジャンパーズニー)」とも呼ばれ、その名の通りextensor mechanism(膝伸展機構)のうち、特に膝蓋腱patellar tendonの慢性的な機能不全や退行変性...

trainer-memo.info

2023.09.30

統合的なアプローチ

感覚系、運動系へのアプローチはそれぞれ有効ですが、最終的には中枢神経系における入力系と出力系のプロセスを最適化・自動化するようなアプローチが必要になります。

このアプローチとして、今回取り上げたレビューでは次の2つの方法を取りあげています。

• 運動学習戦略
• 非侵襲性脳刺激

ここでは特にどこでもいつでも実用できる運動学習について少し考えてみます。

今回トピックに取り上げたレビューでは、運動学習についてGokellerらによるレビュー²⁰を参照しています。
この論文はACL損傷後のリハビリテーションにおいて神経可塑性を考慮した運動学習の原理について解説したレビューであり、ACL以外の様々な筋骨格系のリハビリテーションに応用できる可能性を秘めています。

ここでは次の4つの戦略が、運動における非対称性やスポーツ動作への統合に役立てることができるとされます。

• 暗黙的学習implicit learning
• 注意の外的焦点化external focus of attention
• ディファレンシャルラーニングdifferential learning
• 自己制御学習self-controlled learning

詳細な説明は上記論文を参照して欲しいところですが、基本的にこれらの介入においてのポイントは

1. 動作それ自体(膝の曲げる角度など)に対してなるべく焦点を向けさせず、
2. 学習者自身が最適な動作戦略を発見すること

が大きな目標になります。

我々はついつい正解、というか「理想的な」動作のパターンを指導しがちですが、近年の運動学習の原理は、動作のパターンの教授ではなく、動作パターンの発見をサポートすることが指導者の役割であるべきと示唆しています。

『コンテクスチュアルトレーニング』で非常に有名なFrans Bosch(フラン・ボッシュ)はこの事実について以下のように表現しています。

……コーチたちは指揮者というよりも庭師になるべきということである。……
コーチの仕事は環境的に有効な練習状況を設定することへと変化しており、この環境は運動の正しい解決法の発見の手助けになり、学習者はバイオメカニクス的に適切な解決法を暗黙的に学び認識できるように設定された環境である……。

Bosch (2020)『コンテクスチュアルトレーニング』(大修館書店)

一方で、これ以外の運動学習の方法が全て破棄されるべきというのもまた違います。
例えば暗黙的学習 vs. 明示的学習explicit learningについて、Kalら²¹はEditorialの中で「明示的学習が必要になるシチュエーションも確かに存在している」と言及しています。

焦点の外的化 vs. 内的化という点についても、即時的なパフォーマンスへの効果²²、および学習効果^23,24に対しても外的焦点化の方が有効であるという傾向を示すメタ分析は出されているものの、特定の状況では内的焦点化が有効になる可能性を示唆する文献も発表されています。
(例えばAikenとBeckerによる研究²⁵は、内的焦点化によるネガティブな効果は、その焦点化が動作の実行中に行われたときに生じることを示唆しています)。

運動学習の話はそれだけで記事が2〜3本書けるほど深いところですね。
これも気が向いたらまた別の機会に書こうと思います。。。

情動へのアプローチ

運動への恐怖感や恐怖回避行動といった情動的な反応と身体的な機能障害は関連していることが示されています。
(ただしこの問題は「卵が先か、鶏が先か」というもの、すなわちどちらが原因となってもう一方が結果として生じるのかは明らかではないようです)

アスリートにおいて、競技復帰を考えるときにこの心理的側面を無視することはできません。
再受傷に関する恐怖がどのような影響を与えるか、そしてそれをどのように評価するかという点はHsuらのレビュー²⁶にて検討されており、そちらを参照されると良いかと思います。

心理社会的側面からのスポーツ外傷・障害への介入という点ではやはりACL損傷という文脈では多く研究がなされています。

ACLR後の心理社会的介入は運動恐怖症kinesiophobiaや再受傷への恐怖といった心理的側面を改善する可能性はあるものの、現時点ではさらなるエビデンスが必要であるとされています^27,28。

運動恐怖に対するアプローチとしては、認知行動療法やリラクゼーションテクニック、目標設定とそれに準拠した段階的な運動への暴露などの方法が有効であるとしています⁶。

また、アスリートの再受傷への恐怖という点からは少し外れますが、痛みに伴う運動恐怖に対しては心理的介入に加えて身体的介入も含めたマルチモーダルなアプローチが有効であるとするメタ分析も発表されています²⁹。

個人的には、明らかに心理的な側面が競技復帰やリハビリテーションのprogressionの障壁になっているのであれば、一度別の専門家にreferするのが望ましいとは考えます。

そうは言っても我々としては、介入を始めた瞬間から可能な限り心理的障壁を作らないようにセッションの取り組みを工夫するためにこのような知識を持っておく必要はあるかと思います。

まとめ

今回は主に関節系の傷害に伴う神経可塑性と、それを考慮したリハビリテーションとしてはどのようなものを行えば良いのか？という点を解説してみました。

あくまで従来のアスリハの方法を棄却するのではなく、そこに少し新しい視点を加えることで、より良い競技復帰までの道のりを作ることができるのではないかと考えています。

References(参考文献)

1. Puderbaugh M, Emmady PD. Neuroplasticity. [Updated 2023 May 1]. In: StatPearls [Internet]. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing; 2024 Jan-. Available from: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK557811/ ↩︎
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9. An YW, Kang Y, Jun HP, Chang E. Anterior Cruciate Ligament Reconstructed Patients Who Recovered Normal Postural Control Have Dissimilar Brain Activation Patterns Compared to Healthy Controls. Biology (Basel). 2022;11(1):119. Published 2022 Jan 12. doi:10.3390/biology11010119 ↩︎
10. Giesche F, Vieluf S, Wilke J, Engeroff T, Niederer D, Banzer W. Cortical Motor Planning and Biomechanical Stability During Unplanned Jump Landings in Men With Anterior Cruciate Ligament Reconstruction. J Athl Train. 2022;57(6):547-556. doi:10.4085/1062-6050-0544.20 ↩︎
11. Tsai CL, Pan CY, Chen FC, Tseng YT. Open- and Closed-Skill Exercise Interventions Produce Different Neurocognitive Effects on Executive Functions in the Elderly: A 6-Month Randomized, Controlled Trial. Front Aging Neurosci. 2017;9:294. Published 2017 Sep 12. doi:10.3389/fnagi.2017.00294 ↩︎
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28. Naderi A, Fallah Mohammadi M, Dehghan A, Baker JS. Psychosocial interventions seem redact kinesiophobia after anterior cruciate ligament reconstruction but higher level of evidence is needed: a systematic review and meta-analysis. Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc. 2023;31(12):5848-5855. doi:10.1007/s00167-023-07630-6 ↩︎
29. Huang J, Xu Y, Xuan R, Baker JS, Gu Y. A Mixed Comparison of Interventions for Kinesiophobia in Individuals With Musculoskeletal Pain: Systematic Review and Network Meta-Analysis. Front Psychol. 2022;13:886015. Published 2022 Jun 29. doi:10.3389/fpsyg.2022.886015 ↩︎