微小神経記録法

微小神経記録法
人間の腕の毛深い皮膚の触覚求心性神経からの神経インパルスを記録するための実験装置の概略図。触覚刺激に対する一連の単一ユニットインパルスと、インパルスの形状を示すために拡大された時間スケール上のインパルスの 1 つが示されています。
目的	末梢神経で伝導される神経インパルスの正常な流れを記録する

マイクロニューログラフィーは、覚醒している人間の末梢神経に伝わる神経インパルスの伝達を視覚化し記録する神経生理学的手法です。動物の記録にも使用できます。この手法は、触覚、痛み、筋肉の感覚に関連する感覚系や、血管の収縮状態を制御する交感神経活動など、多くの神経系の機能特性を明らかにするために効果的に使用されています。特定された神経の神経インパルスを調べるには、細いタングステン針のマイクロ電極を神経に挿入し、高入力インピーダンス差動増幅器に接続します。次に、神経内の電極先端の正確な位置を、電極が対象の神経インパルスを識別できるまで、分単位で調整します。マイクロニューログラフィー法の独自の特徴と大きな強みは、被験者が完全に覚醒しており、精神的注意を必要とするテストに協力できる一方で、皮膚感覚器官が刺激されたときや被験者が自発的に精密な動きをしたときなど、代表的な神経線維または神経線維セットのインパルスが記録されることです。

1960年代後半にマイクロニューログラフィー技術が開発される以前は、末梢神経のインパルスは、神経を解剖して分割する技術を用いた動物実験でのみ記録されていました。この方法は、1つの研究で追求されたものの、人間への一般的な使用には耐えられません。^[1]実際、神経損傷の懸念はマイクロニューログラフィーの開発における大きな障害でした。なぜなら、針電極を人間の神経に挿入する方法は、潜在的に危険であり、永久的な神経損傷の大きなリスクを伴うと一般的に考えられていたからです。マイクロニューログラフィー技術を開発した2人のスウェーデン人科学者（ハグバースとヴァルボ）は、約2年間にわたって神経損傷を注意深くチェックしながら、自分たちの神経で大規模な一連の実験を実施することで、医療倫理上の懸念に対処しました。ウプサラ大学病院の臨床神経生理学科で研究していた彼らは、マイクロニューログラフィーの主要分野となる3つの領域、すなわち、随意収縮中の筋肉内感覚器官からの求心性感覚、触覚刺激に関連する皮膚感覚器官の反応、およびヒトの血管の収縮を制御する遠心性交感神経活動に関するデータを収集しました。^{[2] [3] [4]}エポキシ樹脂でコーティングされたタングステン微小電極に基づくハグバースとヴァルボのマイクロニューログラフィーのアプローチは現在では一般的に受け入れられていますが、ガラスでコーティングされた白金イリジウム電極を使用した別の試みは、短い音を1つしか出さず、明らかに限られた成功に終わりました。^[5]

ほとんどの神経では、さまざまな種類の神経線維（軸索）が多かれ少なかれランダムに混ざり合っています。これは、異なる機能の線維や異なるサイズの線維にも当てはまります。基本的に、線維の直径は機能と密接に関連しています。たとえば、皮膚痛覚系は小さな神経線維に依存していますが、弁別触覚は大きな線維に依存しています。線維の直径に関しては、2 つの主なカテゴリがあります。有髄 A 線維は大きく、高速または中速（5～75 m/s）でインパルスを伝導しますが、無髄 C 線維は小さく、低速（約 1 m/s）でインパルスを伝導します。マイクロニューログラフィー記録では、A 線維と C 線維のインパルスは、活動電位の主な上昇ストロークの形状と極性が異なります。ほとんどの神経では線維が混ざり合っているため、機能システムの特性を調べるには、一度に個々の神経線維から記録することが通常不可欠ですが、交感神経遠心性活動の研究では、マルチユニット記録が非常に有益です。個々の神経は、多数の束、つまりさまざまな神経線維を含む結合組織鞘に囲まれた神経線維の束で構成されています。したがって、記録を可能にするには、微小電極の先端が神経内だけでなく束内にも存在する必要があります。

マイクロニューログラフィーは、皮膚を通して神経に挿入されるタングステン針マイクロ電極に基づいています。この処置は最小限の不快感しか引き起こさないため、麻酔は必要ありません。タングステン微小電極の軸の直径は 100 ～ 200 μm、先端の直径は 1 ～ 5 μm で、エポキシ樹脂で先端まで絶縁されています。電極インピーダンスは、最初に測定されたとき、1 kHz で 0.3 ～ 5 MΩ の範囲で変化します。ただし、インピーダンスは実験中に減少する傾向があり、インパルスが記録されている間は通常 1 MΩ 未満です。神経放電は、神経内電極と近くの参照針電極間の電圧差によって決定されます。2 つの電極は、高入力インピーダンスと適切なバンドパス フィルタリング (多くの場合 500 ～ 5000 Hz) を備えた差動増幅器に接続されます。信号はコンピュータ画面で監視され、オフライン分析用にハード ディスクに保存されます。到達可能な末梢神経であれば、通常は腕や脚の神経がマイクロニューログラフィー記録の対象となり得ますが、顔面神経や迷走神経からの記録も達成されています。深部神経の位置を特定するには、針電極による電気刺激や超音波モニタリングがよく使用されます。これは、視覚や触診で簡単に位置を特定できる浅腓骨神経や浅橈骨神経などの皮膚浅部神経からの記録ではほとんど必要ありません。電気的位置特定が必要な場合は、記録電極または別の刺激針を介して弱い電気ショックを与え、神経反応（筋肉のけいれんまたは被験者が報告する皮膚感覚）が観察されるまで電極の先端を調整します。超音波モニタリングでは、線形の高周波超音波プローブが使用されます。^[6] 次に、プローブから 1～2 cm 離れたところにマイクロ電極を挿入します。理想的には超音波ビームに対して 90 度の角度で挿入します。これにより、最良の波の反射と画像が生成されます。超音波アプローチは神経の深さを正確に特定し、血管や骨構造など、微小電極の配置に影響を与える可能性のある周囲の関心のある解剖学的構造を特定します。超音波アプローチの特に優れた点は、電極と神経を同時に視覚化することで、神経に到達するための電極操作が容易になることです。電極の先端が神経に入ったら、まず個々の束の鞘を貫通し、次に先端を、調査したい種類の神経線維（多単位交感神経活動、または有髄求心性神経または小さな無髄神経線維の単一単位活動）に近づけるために、微調整が必​​要です。

C 線維からの単一求心性インパルスの記録は、いわゆる「マーキング技術」の開発によって大幅に改善されました。この技術は、多くの種類の C 線維の固有の特性、つまり先行するインパルスの後に伝導速度が低下することに基づいています。 ^[7] 反復的な電気刺激と物理的刺激 (機械的刺激や熱刺激など) を組み合わせると、物理的刺激に反応する単位の伝導速度が突然低下し、潜時のラスター プロットで簡単に視覚化できます。これにより、自然刺激に対する神経線維の反応を識別して特徴付けることができます。マーキング技術は、複数の線維を同時に記録できるため、非常に効率的です。ただし、単位活動に関する半定量的な情報しか生成されません。一方、インパルス列の記録では、感覚器官の機能特性をより包括的に記述できます。^[要出典]

マイクロニューログラフィー電極は、神経インパルスの記録だけでなく、個々の繊維の刺激にも使用できます。興味深い用途として、同じ求​​心性神経の連続的な記録と刺激を組み合わせることがあります。感度、受容野構造、適応など、求心性神経の機能特性が定義されると、電極を刺激装置に再接続して、制御された強度、速度、持続時間の電気パルス列を与えることができます。手の無毛皮膚の単一の触覚求心性神経から引き出される知覚は、非常に詳細で、求心性神経の特性と密接に一致し、高度な特異性を示すことがわかっています。単一の求心性神経における生物物理学的イベントと心の中の精神的現象との間のギャップを埋めるこのアプローチは、原理的には単純で直接的ですが、いくつかの理由から実際には困難です。マイクロ刺激は、収縮特性に関して個々の運動単位を特徴付けるためにも使用されています。^[要出典]

マイクロニューログラフィー記録により、人間のかなりの数の神経系の組織と正常および病的な機能が解明されました。最近では、この技術は個々の患者の状態を明らかにするための診断目的で臨床現場でも使用されています。神経系の 3 つの主要グループ、すなわち固有受容覚、皮膚感覚、および交感神経遠心性活動が研究されています。

さまざまな感覚器官からの情報から、関節の位置や動きに関する情報が得られます。最も精巧な固有受容感覚器官は筋紡錘です。その機能状態が脳から紡錘運動系を介して継続的に制御されているという点で、筋紡錘はユニークです。筋紡錘求心性神経からの記録によると、紡錘運動系は親筋が弛緩しているときは大部分が受動的ですが、随意収縮では定期的に活性化され、収縮が強くなるほど活性化されます。したがって、マイクロニューログラフィーは、通常の筋線維を制御する骨格運動系と紡錘運動系の 2 つの運動系の間に平行性があることを示唆しています。これは、これまで調査されてきた弱い収縮や小さな動きについては少なくとも当てはまるようです。対照的に、より大きな動きが許される動物実験 (主に猫の後肢) では、より独立した紡錘運動活動が報告されています。紡錘運動の活性化のおかげで、筋紡錘からの求心性信号は、筋肉が短縮している間に沈黙することなく、筋肉の長さの大きな変化を効率的に監視できます。一方、感覚器官の極めて敏感な感度のおかげで、非常に小さな筋肉内イベントも監視されます。^[8] 一例は、運動コマンドの 8～10 Hz での周期的な変動による、筋肉収縮の小さな脈動成分です。これらの小さな変動は知覚できませんが、スピンドル求心性神経集団によって容易に監視できます。感情的に興奮したときに経験する震えに似ています。微弱な筋肉内イベントに対する知覚できないスピンドル応答の機能的重要性はまだ評価されていません。しかし、筋肉内の大小の機械的イベントに関する詳細な情報は、脳の神経系が器用な動きのための適切なコマンドを生成するために不可欠である可能性が高いようです。

マイクロニューログラフィーは、私たちの脳が深部感覚器官だけでなく皮膚の機械受容器からも詳細な固有受容覚情報を利用していることを実証しました。わずかな皮膚の伸張を引き起こす関節の動きは、関節周囲の皮膚領域にある皮膚ルフィニ終末によって正確に監視されます。^[9]

皮膚感覚には多くの機能が含まれます。ミクロニューログラフィーは、特に識別的および感情的な触覚メカニズム、ならびに痛みのメカニズムを調査するために使用されてきましたが、掻痒や温度に関連する求心性神経もある程度研究されてきました。別の一連の研究は、無毛皮膚の皮膚触覚求心性神経による運動効果に関するものです。

2つの異なる触覚システムが特定されています。弁別的触覚システムは長年にわたり熱心に研究されてきましたが、情緒的触覚システムはごく最近になって理解され、探究されてきました。弁別的触覚は、皮膚からの大きな有髄求心性神経と深部構造からの求心性神経に基づいています。このシステムにより、皮膚の変形の空間的および時間的特徴、および物理的物体のサイズ、形状、表面構造などの特性に関する詳細な情報を抽出できます。人間の手の無毛皮膚は、弁別的触覚において極めて重要な役割を果たしています。そのため、この皮膚領域の触覚組織が広範囲に探究されてきました。 ^[10] 片手の無毛皮膚領域には、合計で約17,000の触覚求心性神経があります。これらには4つの異なるタイプがあります。2種類の求心性神経には、高い空間分解能に適した小さな受容野があります（メルケルとマイスナー）。これらは特に指の腹に多く、物体の特性の探究によく使われる部位である。パチーニ単位は高速な動きに非常に敏感であるが、空間分解能は低い。ルフィニ単位は皮膚の伸縮と爪に作用する力に非常に敏感なのが特徴である。微小刺激では、マイスナー、メルケル、またはパチーニ単位の 1 つからの入力が、触覚システム内の絶対的な特異性を示す、被験者の心の中に明確で差別的な知覚を生み出す可能性があることが示されている。マイスナー求心性神経の単一のインパルスが知覚を生み出す可能性があることさえ実証されている。^[11] 対照的に、単一のルフィニ求心性神経が刺激されたときは知覚が報告されないため、空間加算が必要であることを示している可能性がある。知覚の発見と一致して、体性感覚皮質の神経反応は、マイスナー、メルケル、パチーニ終末につながる単一の求心性神経の微小刺激で記録されているが、単一のルフィニ求心性神経では記録されていない。ヒトとサルの付随研究に基づいて、一方では皮膚変形の感覚の大きさの推定と、他方ではサルのメルケル求心性神経の反応との間に非常に緊密な一致があると主張されている。ヒトでは、このような線形関係からの逸脱が、精神物理学的記録と微小神経記録の組み合わせで見つかった。有毛皮膚では、マイスナー単位が完全に欠如している。代わりに、メルケル、パチーニ、およびルフィニが存在する一方で、大きな受容野を持つ毛包およびフィールド求心性神経がある。別のセクションで指摘されているように、毛深い皮膚の皮膚ルフィニ単位は位置感覚と運動感覚に重要です。末端器官の形態に関しては注意が必要です。上で検討した 4 種類の単位はヒトで生理学的に特定されています (FA/RA および SA 単位、つまり、速く順応するタイプ I と遅く順応するタイプ II)。一方、末端器官の形態は動物研究に基づいて推測されています。特に、SAII 求心性神経は古典的なルフィニ終末以外の形態構造に接続されている可能性が高いようです。

軽い触覚は、大きな有髄求心性神経だけでなく、小さな無髄求心性神経にもコード化されている。触覚C求心性神経（CT）は、はるか昔に非ヒト種で記述されていたが、ヒトの毛深い皮膚に多数存在することが明らかになるまで、あまり関心を集めなかった。対照的に、無毛​​皮膚にはまったく存在しない。健常者と、大きな触覚求心性神経を欠く特殊な患者の両方から得られた多くの知見は、CT求心性神経が、友好的な接触の快感の側面に不可欠であることを示している。^[12]

特に、CT 求心性神経はゆっくりとした愛撫動作に活発に反応し、重要なことに、求心性反応の大きさは被験者が報告する快感と一致する。脳活動の fMRI 研究は、CT が島皮質を活性化するが、一次または二次体性感覚皮質を活性化しないことを示しており、これは CT が個人間の心地よい肌と肌の接触に対する感情、行動、およびホルモン反応に役割を果たしている可能性があるという仮説と一致している。

物体を持ち上げて操作するときはいつでも、手の無毛皮膚からの触覚求心性神経が手と指の筋肉に深く影響を及ぼし、無意識のうちに握力を制御することが示されている。^[13] 指が物体を包み込むとすぐに皮膚と物体表面の間の摩擦が引き出され、物体を握っている筋肉の収縮力がそれに応じて調整される。さらに、滑りやすい傾向は触覚求心性神経によって監視され、素早い反射を引き起こし、無意識のうちに運動出力を調整する。物体を器用に扱う多くの形態には、異なる運動活動の連続的な段階が含まれる。無毛皮膚の触覚感覚器官は、分離された段階を目的のある運動行為にタイムリーに結び付けることに関与していることが示されている。

有害刺激に反応する求心性神経は、侵害受容器として知られています。無髄C求心性神経と小さな有髄Aδ線維の2つの主要なグループがあります。ほとんどの研究はC侵害受容器に焦点を当てています。^[14] 侵害受容C線維は、体性求心性神経線維の非常に大きな割合を占めています。機械感受性C侵害受容器と機械非感受性C侵害受容器の2つの主要なグループがあります。機械感受性C侵害受容器は、ポリモーダルC侵害受容器としても知られ、機械的、熱的、化学的など、いくつかの種類の刺激によって活性化されます。機械非感受性 C 侵害受容器はサイレント侵害受容器としても知られ、他の点でもポリモーダル求心性神経とは異なっており、例えば、熱に反応しないか熱閾値が非常に高い、皮膚上の受容野が大きい、伝導速度が遅い、軸索の伝導速度の活動依存的な低下がより顕著であるなどである。機械非感受性侵害受容器は、特に炎症性メディエーターによって感作されて機械応答性になる可能性があり、このプロセスは、身体的損傷後に感じる圧痛の原因である可能性がある。さらに、C 機械非感受性繊維の電気的活性化は、ポリモーダル侵害受容器では見つかっていない神経性血管拡張における役割があることを示している。炎症性メディエーターが機械非感受性侵害受容器のタンパク質受容体に結合すると考えられているが、伝達タンパク質の発現に影響を与える遺伝子発現の変化によって感作される可能性もある。いずれの場合も、機械非感受性侵害受容器の感作は、痛覚過敏、慢性疼痛を引き起こすことが観察されています。機械非感受性侵害受容器として分類される求心性神経の約 10 パーセントは、ヒスタミンなどの掻痒誘発物質に反応して痒みの感覚に対応する活動を示すため、「痒み特異的」ユニットのグループを構成しているようです。

温度受容器は、温かさと冷たさを感知する 2 つのグループに分けられます。無髄繊維のサブセットは、温かさを感知する役割を担っています。無髄繊維は機械刺激に反応せず、数も少なく、小さな受容野を支配しています。Aδ 繊維は冷たさを感知する役割を担っています。しかし、A 繊維とともに冷たさを感知する C 繊維のサブセットも存在するようです。驚くべきことに、これらの C 冷たさ繊維は、A 繊維からの入力がないときに不快な熱さの感覚を生み出すようです。全体として、温度受容求心性神経は、他のシステムほど研究されていません。

マイクロニューログラフィーによる交感神経遠心系の探究は、他のほとんどのシステムでは単一ユニットの記録が不可欠であるのに対し、マルチユニットの記録は非常に成功しているため、技術的な観点からユニークです。マイクロニューログラフィーが開始されて間もなく、交感神経活動は筋肉と皮膚神経で大きく異なることが実証されました。 ^{[15] [16] [17]}筋肉神経の瞬間的な交感神経活動 (MSA / MSNA) は、圧反射メカニズムによって大きく制御されており、特徴的な心臓の律動性、および通常は呼吸と同調して継続的に発生する血圧の小さな変動と密接な逆相関関係をもたらします。対照的に、皮膚神経の交感神経活動 (SSA/SSNA) は、心臓や呼吸のイベントと密接な関係がありません。一方、皮膚神経の交感神経活動は、覚醒、感情、周囲温度の変化などによって変化が容易に引き起こされるため、他の多くのメカニズムに依存しており、これらの刺激は筋神経の遠心性には効果がありません。これらの知見やその他の知見は、個々のエフェクターが独自の制御システムと特定の反射によって制御されているため、交感神経遠心性活動は高度に分化していることを示しています。100心拍あたりのバースト数として測定される筋交感神経活動の量は、被験者間でかなり異なりますが、一方で、個々の被験者内では時間の経過とともに非常に再現性があります。ただし、年齢とともにいくらか増加します。直感に反して、グループ研究で見られるように、交感神経遠心性活動と高血圧の間には、弱く、ほとんど有意ではない相関関係があるようです。 ^[18]

1998年、微小重力が人間の交感神経系に与える影響を調査する目的で、スペースシャトルコロンビア号の宇宙飛行中に初めて微小神経記録が行われた。2人の宇宙飛行士が同僚の宇宙飛行士の腓骨神経からMSNAを測定した。この結果は、無重力状態が圧反射メカニズムを通じてMSNAの活動を減少させるという以前の観察を裏付けるものである。^[19]

マイクロニューログラフィー技術は、対象者の個々の神経線維のインパルス活動を絶対的な解像度で記録することを可能にします。したがって、対象者はさまざまなテストに協力することができ、個々の神経線維によって運ばれる正確で完全な情報が監視され、神経活動と身体的または精神的イベントとの相関関係の分析に提供されます。一方、組織内で自由に浮遊するマイクロ電極を伴う特定の物理的条件では、正確な電極位置が簡単に危険にさらされるため、活発で大きな動きが妨げられます。深部にある神経をターゲットにする場合、探索手順が特に要求されるため、実験に時間がかかる場合があります。ただし、足の背にある浅腓骨神経などの浅皮下神経にアクセスするのは非常に迅速です。これにより、当初は診断テストには不適切であると考えられていたこの技術が、臨床目的に適用できるようになりました。マイクロニューログラフィーの強みは、さまざまな神経疾患の正常な神経メカニズムと病態生理学的状態を調査する独自の力にあります。マイクロニューログラフィーは、生体内で損傷のない軸索を記録し、侵襲性は最小限です。永続的な神経損傷の報告はありません。その結果、同じ被験者で繰り返し記録することができ、長期にわたる観察を行うことができます。この技術は最近、新しい抗神経性鎮痛剤の臨床試験で使用されています。記録中は、心理的に安心できる雰囲気を作り、被験者の反応を注意深く観察して、それに応じて手順を調整することが重要です。この技術にはトレーニングとスキルが必要であり、この方法を定期的に使用している経験豊富な研究室でこの方法を採用することを強くお勧めします。

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