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脳卒中後の運動機能とfunctional connectivity : 脳波の運動関連領域5電極による検討

星野, 高志 名古屋大学

2020.04.02

概要

【緒言】
　脳卒中の運動機能のバイオマーカーの一つとして皮質間functional connectivity（FC）が報告されている。脳卒中後は主に半球間、半球間のFCの低下が報告されている。しかしFCは研究領域では測定されているものの、機器や費用面からリハビリテーション領域での臨床応用には課題が多い。また上肢機能に関する報告は多いが下肢機能との関連は不明な点が多い。本研究では脳卒中患者を対象に、運動関連領域5電極の脳波（Electroencephalogram, EEG）信号をFC解析し、半球内・半球間のFCと上肢および下肢の運動機能との関連を調べ、脳卒中後の運動機能および予後予測のバイオマーカーとしてリハビリテーション領域の臨床で利用できる可能性を検討した。

【方法】
　対象は回復期リハビリテーション病棟入院中の初発テント上脳卒中患者とした。取り込み基準は20-85歳、発症前modified Rankin Scale2点以下（身の回りのADLが自立）、右利きの者とした。注意障害、失語等によりEEG測定または指示理解が困難な者、実施期間中に脳卒中の再発や合併症等で全身状態が悪化した者、状態の悪化した者は除外した。運動機能はFugl-Meyer Assessment上肢項目（FMAU）、下肢項目（FMAL）を用いて評価した。EEGは国際10-20法に準じてC3、C4（一次運動野,M1）、FC3、FC4（運動前野,PMC）、FCz（補足運動野,SMA）の5電極とした。記録条件は①安静閉眼背臥位にて60秒間、②麻痺側手指運動中30秒間、③麻痺側足関節運動中30秒間とした（band pass filter 0.5-100Hz, sampling rate 1,000Hz）。運動機能評価およびEEG記録は脳卒中発症後4週、8週に実施した。FC解析はソフトウェアBrainstorm ver. 3.4を用い、α帯域（8-12Hz）、β帯域（13-30Hz）における電極間amplitude envelope correlation（AEC）をFCの値として算出した。下肢ではさらにlow β帯域（13-19Hz）、high β帯域（20-30Hz）における解析も実施した。病変側半球（ipsi-lesional hemisphere）の電極をiC、iFC、病変対側半球（contra-lesional hemisphere）をcC、cFCとして重回帰分析を行った。FMAUおよびFMALスコアを有意に説明する電極間FCを抽出し予測式を生成した（多重比較：false discover rate, FDR）。解析ソフトはJMPver.13を用い、有意水準は5%とした。

【結果】
１．対象と運動機能の変化
　対象は初発脳卒中患者24名だった（平均62±12（SD）歳；脳出血9名,脳梗塞15名；左病変10名,右病変14名）。運動機能は4週と8週でそれぞれFMAUは33±24、42±23、FMALは19±9、25±8と有意に改善した。

２．上肢運動機能とFC
　安静時では、脳卒中発症後4週でiC-iFC（病変側半球内M1-PMC）とFMAUに負の相関が見られた（α帯域（R2=0.38）（Standard partial regression coefficient（β）=-0.62）、β帯域（R2=0.43,β=-0.51）。β帯域ではさらにcC-cFC（病変対側M1-PMC）はFMAUと正の相関（β=0.37）を示した。脳卒中後8週においては、α帯域、β帯域ともにFCとFMAUに有意な関連は見られなかった。また4週のFC値による8週のFMAUの予測では、α帯域（R2=0.33）において、iC-iFC（病変側M1-PMC）は8週のFMAUと負の相関（β=-0.57）を示した。β帯域（R2=0.23）ではiC-FCz（病変側M1-SMA）は8週のFMAUと正の相関を示した（β=0.48）。
　次に手指運動時では、4週において、α帯域（R2=0.28,β=-0.53）、β帯域（R2=0.37,β=-1.16）ともにFMAUとiC-iFC（病変側M1-PMC）に負の相関、さらにβ帯域ではiC-cC（両側M1間）で正の相関が見られた（β=0.80）。8週においてα帯域ではFMAUとFCに相関はなかった。β帯域（R2=0.44）ではFMAUとiFC-cFC（両側PMC間）に正の相関（β=1.07）、iC-cFC（病変側M1-病変対側PMC）に負の相関が見られた（β=-0.73）。4週のFC値による8週のFMAUの予測では、4週のiC-iFC（病変側M1-PMC）はα帯域（R2=0.23,β=-0.48）、β帯域（R2=0.27,β=-0.98）ともに負の相関が見られた。

３．下肢運動機能とFC
　安静時では、4週時点においてα帯域（R2=0.25）でiC-iFC（病変側M1-PMC）とFMALに負の相関（β=-0.54）、high β帯域（R2=0.19）でcC-cFC（病変対側M1-PMC）は正の相関（β=0.69）を示した。β帯域全体およびlow β帯域では有意な関連は見られなかった。8週時点においては全β帯域（R2=0.13）でのみiC-cFC（病変側M1-病変対側PMC）とFMALに負の相関（β=-0.41）が得られた。4週の安静時のFC値による8週のFMALスコアの予測に関して、α帯域（R2=0.27）およびhigh β帯域（R2=0.23）ではcC-cFC（病変対側M1-PMC）とFMALに正の相関（α帯域:β=0.82;high β帯域:β=0.74）、iFC-cFC（両側PMC間）に負の相関（α帯域:β=-0.95,high β帯域:β=-0.54）が得られた。またlow β帯域（R2=0.15）ではiC-FCz（病変側M1-SMA）に正の相関（β=0.43）が見られた。
　足運動時は、4週時点においてhigh β帯域（R2=0.25）でのみFMALとiC-iFC（病変側M1-PMC）に負の相関（β=-0.73）、iC-cC（両側M1間）に正の相関（β=0.73）が見られた。全β帯域およびlow β帯域においては、安静時、運動時ともFCと下肢機能に関連は見られなかった。また8週時点においては、すべての周波数帯域で足運動時FCとFMALスコアに相関はなかった。4週の足運動時のFC値による8週のFMALの予測に関して、α帯域（R2=0.21）におけるiC-FCz（病変側M1-SMA）に正の相関（β=0.52）、β帯域（R2=0.34）およびlow β帯域（R2=0.22）ではiFC-FCz（病変側PMC-SMA）と負の相関（β帯域:β=-1.89,low β帯域:β=-0.86）、cFC-FCz（病変対側PMC-SMA）に正の相関（β帯域:β=1.59,low β帯域:β=0.88）が見られた。またβ帯域およびhigh β帯域（R2=0.25）ではiC-iFC（病変側M1-PMC）で負の相関が得られた（β帯域:β=-0.92,high β帯域:β=-0.74）。さらにhigh β帯域ではiC-cC（両側M1間）に正の相関（β=0.71）が見られた。

【考察】
１．上肢運動機能とFC
　上肢機能とFCの関係について、1）4週時点においては安静時および手指運動時のFCは上肢機能と相関を示した（主に病変対側M1-PMCのFCとFMAUは負の相関）。2）一方、8週時点ではFCと上肢機能との関係は少なかった。3）4週時点での病変側M1-PMC/SMAのFCは8週のFMAUを予測した。以上より、安静時および手指運動時の病変側および病変対側のM1-PMCなどの半球内FCは同時点での上肢機能と相関を示し、機能回復を予測する可能性が示唆された。

２．下肢運動機能とFC
　下肢機能とFCとの関係について、FCは4週時点での下肢機能と関連を示し、またその後の機能回復を予測できる可能性が示唆された。1）脳卒中発症4週時点でのFCは同時点の下肢機能を反映したが，8週においては反映しなった。2）下肢運動機能の回復予測に関して、主にhigh β帯域における4週時点での①安静時の病変対側半球内FCが高い、②足関節運動時の病変側半球内FCが低い、③足関節運動時の両側M1間のFCが高い、以上は8週のFMALを予測した。

【結論】
　本研究では比較的安価で簡便に測定可能なEEGを用い、さらに運動関連領域5電極のみでのFC解析を行い、脳卒中後の脳皮質間FCと上肢および下肢運動機能との関連を調べた。結果より、EEGを用いた運動関連領域のFCは脳卒中後の回復段階における運動機能の回復予測のバイオマーカーになり得ることが示唆された。今後リハビリテーション領域での臨床応用に向けては、本研究で用いた解析方法の信頼性・妥当性の検討、およびより精度の高い予測指標の検討など、今後更なる研究が必要である。

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