誘発電位

誘発電位または誘発反応は、閃光や純音などの刺激の提示後に、人間や他の動物の神経系、特に脳の特定の部分から記録される特定のパターンの電位です。さまざまなモダリティとタイプの刺激により、さまざまな種類の電位が発生します。^{[1]誘発電位は、}脳波記録法(EEG)、筋電図法(EMG)、またはその他の電気生理学的記録方法 によって検出される自発電位とは異なります。このような電位は、疾患や薬物関連の感覚機能障害の検出、感覚経路の完全性の術中モニタリングなどの電気診断とモニタリングに役立ちます。 ^[2]

誘発電位の振幅は、EEG では数十マイクロボルト、EMG ではミリボルト、 ECGでは 20 ミリボルト近くになることが多いのに対し、1マイクロボルト未満から数マイクロボルトの範囲と低い傾向があります。これらの低振幅電位を、進行中の EEG、ECG、EMG、その他の生体信号や周囲のノイズを背景として分解するには、通常、信号の平均化が必要です。信号は刺激に時間的に同期しており、ノイズのほとんどはランダムに発生するため、繰り返し応答を平均化することでノイズを平均化できます。^[3]

信号は、大脳皮質、脳幹、脊髄、末梢神経、筋肉から記録できます。通常、「誘発電位」という用語は、中枢神経系構造からの記録または刺激のいずれかを伴う反応を指します。したがって、神経伝導検査(NCS) で使用される誘発複合運動活動電位 (CMAP) または感覚神経活動電位 (SNAP) は、上記の定義を満たしていますが、一般的には誘発電位とは考えられていません。

誘発電位は事象関連電位（ERP）とは異なりますが、ERPの方が潜時が長く、より高度な認知処理と関連しているため、これらの用語は同義語として使用されることがあります。^{[1] [4]}誘発電位は主に刺激の種類（体性感覚刺激、聴覚刺激、視覚刺激）によって分類されます。しかし、刺激の頻度、波の潜時、電位の起源、場所、および派生によって分類することもできます。

誘発電位は、感覚刺激に対する脳の電気的反応です。Regan は、明滅する（正弦波状に変調された）光の誘発電位の高調波を記録するアナログフーリエ級数分析装置を作成しました。正弦波と余弦波の積を積分する代わりに、Regan は信号をローパスフィルターを介して 2 本のペンを備えたレコーダーに送りました。^[5] これにより、脳は、応答の高調波（周波数成分）の振幅と位相が時間の経過とともにほぼ一定になる定常状態に到達したことを実証できました。初期の過渡応答に続く共振回路の定常応答との類推により、彼は、応答を構成する周波数成分が振幅と位相の両方で時間の経過とともに一定のままである、反復的な感覚刺激に対する応答の一形態として、理想的な定常誘発電位（SSEP）を定義しました。^{[5] [6]} この定義は一連の同一の時間波形を意味しますが、異なる周波数成分は全く異なる特性を持つことができるため、時間領域波形の別の記述である周波数成分の観点からSSEPを定義する方がより有用です。^{[6] [7]} たとえば、高周波フリッカーSSEP（ピーク振幅が約40〜50 Hz）の特性は、後にマカクザルの網膜で発見された大細胞ニューロンの特性に対応し、中周波フリッカーSSEP（振幅のピークが約15〜20 Hz）の特性は小細胞ニューロンの特性に対応します。^[8] SSEPは各周波数成分の振幅と位相の観点から完全に記述できるため、平均化された一過性誘発電位よりも明確に定量化できます。

SSEP は高繰り返し周波数の刺激によってのみ誘発されると言われることがありますが、これは一般的には正しくありません。原理的には、正弦波に変調された刺激は、その繰り返し周波数が低くても SSEP を誘発できます。SSEP の高周波ロールオフのため、高周波刺激はほぼ正弦波の SSEP 波形を生成できますが、これは SSEP の定義とは関係ありません。ズーム FFT を使用して、スペクトル分解能の理論上の限界 ΔF (Hz 単位の ΔF は、秒単位の記録持続時間の逆数) で SSEP を記録することにより、Regan と Regan は、SSEP の振幅と位相の変動が十分に小さくなり、SSEP の構成周波数成分の帯域幅が少なくとも 500 秒の記録持続時間 (この場合は 0.002 Hz) までスペクトル分解能の理論上の限界になる可能性があることを発見しました。^[9] 反復的な感覚刺激は定常磁気脳反応を引き起こし、SSEPと同じ方法で分析することができます。^[7]

この技術により、頭皮上の任意の場所から同時に複数（たとえば 4 つ）の SSEP を記録することができます。^[10]異なる刺激部位または異なる刺激に、脳と実質的に同一であるが、フーリエ級数解析器によって簡単に分離できるわずかに異なる周波数をタグ付けできます。^[10]たとえば、2 つのパターン化されていない光をわずかに異なる周波数（F1 と F2）で変調して重ね合わせると、SSEP に複数の非線形相互変調周波数成分（mF1 ± nF2）が作成されます。ここで、m と n は整数です。^[7]これらの成分により、脳内の非線形処理を調査できます。重ね合わせた 2 つの格子に周波数タグ付けすることで、空間形状を処理する脳メカニズムの空間周波数と方向調整特性を分離して研究できます。^{[11] [12]}異なる感覚様相の刺激にタグ付けすることもできます。たとえば、視覚刺激を Fv Hz で点滅させ、同時に提示された聴覚トーンを Fa Hz で振幅変調します。誘発された磁気脳反応における（2Fv + 2Fa）成分の存在は、人間の脳に視聴覚収束領域があることを示しており、この反応が頭上に分布していることから、この脳領域を特定することができました。^{[13]最近では、周波数タグ付けは感覚処理の研究から選択的注意[14]}や意識^[15]の研究にまで拡張されています。

スイープ法は、周波数領域と時間領域のハイブリッド法です。^[16]たとえば、刺激チェッカーボード パターン プロットのチェック サイズに対する応答振幅のプロットは 10 秒で取得できます。これは、時間領域平均を使用して、いくつかのチェック サイズごとに誘発電位を記録する場合よりもはるかに高速です。^[16] この手法の最初のデモンストレーションでは、黒と白の正方形が 1 秒間に 6 回入れ替わる細かいチェックのパターンを表示しながら、正弦積と余弦積をローパス フィルターに通しました (SSEP を記録する場合と同様)。次に、正方形のサイズを徐々に大きくして、誘発電位振幅とチェック サイズのプロットを作成しました (したがって、「スイープ」)。その後の著者は、コンピューター ソフトウェアを使用して格子の空間周波数を一連の小さなステップで増加させ、各離散空間周波数の時間領域平均を計算するスイープ法を実装しました。^{[17] [18]} 1回のスイープで十分な場合もありますが、スイープサイクルでトリガーされる平均化装置を使用して、数回のスイープで得られたグラフを平均化する必要がある場合があります。^[19] 16回のスイープを平均すると、グラフの信号対雑音比を4倍に改善できます。^[19] スイープ技術は、急速に適応する視覚プロセスを測定する場合や、記録時間が必然的に短い乳児の記録に有効であることが証明されています^。 NorciaとTylerは、この技術を使用して、生後1年間の視力^{[17] [21]}とコントラスト感度^[22]の発達を記録しました。 彼らは、異常な視覚発達を診断する場合、発達基準が正確であればあるほど、異常と正常をより明確に区別できることを強調し、その目的で多数の乳児の正常な視覚発達を記録しました。^{[17] [21] [22]}スイープ法は長年にわたり、世界中の小児眼科（電気診断）クリニックで使用されてきました。

この技術により、被験者の意識的な介入なしに、SSEP が SSEP を引き起こす刺激を直接制御することが可能になります。^{[5] [19]}たとえば、SSEP の移動平均は、SSEP の振幅が所定の値を下回るとチェッカーボード刺激の輝度が上昇し、この値を上回ると輝度が下がるように調整できます。すると、SSEP の振幅はこの所定の値付近で推移します。これで、刺激の波長 (色) が徐々に変化します。結果として得られる刺激輝度対波長のグラフは、視覚系のスペクトル感度のグラフになります。^{[6] [19]}

感覚誘発電位（SEP）は、感覚器官への刺激に続いて中枢神経系から記録されるもので、例えば、モニター上の点滅する光や変化するパターンによって引き起こされる視覚誘発電位、 ^[23]（イヤホンを通して提示されるクリック音や音の刺激による聴覚誘発電位）、または末梢の感覚神経や混合神経への触覚刺激や電気刺激によって引き起こされる触覚または体性感覚誘発電位（SSEP）などがあります。感覚誘発電位は、1970年代から臨床診断医学で広く使用されており、外科神経生理学としても知られる術中神経生理学モニタリング（IONM）でも使用されています。

臨床で広く使用されている誘発電位には3種類あります。聴覚誘発電位（通常は頭皮から記録されますが、脳幹レベルに由来します）、視覚誘発電位、および末梢神経の電気刺激によって引き起こされる体性感覚誘発電位です。SEPの使用例は次のとおりです。^[4]

• SSEP は、末梢神経や脊髄などの病変の位置を特定するために使用できます。
• VEP と BAEP は、多発性硬化症などの疾患を診断するための検査の一環として、神経画像検査を補完することができます。
• SSEP、VEP、BAEP などの短潜時 EP は、外傷性脳損傷や無酸素性脳損傷の予後を示すために使用できます。無酸素性脳損傷の直後は、反応がないことが正確に死亡を意味します。外傷性脳損傷では、異常な反応は昏睡状態からの回復が失敗したことを示します。どちらのタイプの損傷でも、正常な反応は良好な転帰を示す可能性があります。さらに、反応の回復は臨床的回復を示すことがよくあります。

ロングとアレン^{[24]は、後天性}中枢性低換気症候群から回復したアルコール依存症女性の異常な脳幹聴覚誘発電位（BAEP）を報告した最初の研究者である。この研究者らは、患者の脳幹は慢性アルコール依存症によって毒されているが破壊されているわけではないという仮説を立てた。

視覚誘発電位（VEP）は、光のフラッシュまたはパターン刺激を提示することで誘発される誘発電位であり、網膜、視神経、視交叉、視放線、後頭葉皮質 を含む視覚経路^[25]の損傷を確認するために使用できます。^[26] 1つの用途は、乳児の視力の測定です。乳児の頭部の視覚皮質の上に電極を配置し、灰色のフィールドとチェッカーボードまたは格子模様を交互に提示します。チェッカーのボックスまたはストライプが検出できるほど大きい場合はVEPが生成され、そうでない場合は生成されません。これは、乳児の視力を測定する客観的な方法です。^[27]

VEPは、病因を示せなくても、身体検査やMRIだけでは発見できない視覚機能障害に敏感である。^[26] VEPは、視神経炎、視神経症、脱髄疾患、多発性硬化症、フリードライヒ運動失調症、ビタミンB12_欠乏症、神経梅毒、片頭痛、虚血性疾患、視神経を圧迫する腫瘍、眼圧亢進、緑内障、糖尿病、中毒性弱視、アルミニウム神経毒性、マンガン中毒、球後神経炎、脳損傷で異常となることがある。^[28] 乳児の視覚障害を、成熟の遅れによる視覚経路の異常の有無を調べるために使用できる。^[26]

VEP反応のP100成分は、約100msの遅延を伴う陽性ピークであり、臨床的に大きな重要性を持っています。視交叉前の視覚経路機能障害は、VEPが最も有用な部位である可能性があります。たとえば、急性重症視神経炎の患者は、P100反応を失うか、反応が非常に減衰していることがよくあります。臨床的回復と視力改善はP100の回復とともに起こりますが、異常に長い潜時が無期限に続くため、以前のまたは無臨床の視神経炎の指標として役立つ可能性があります。^[29]

1934 年、エイドリアンとマシューは、光刺激下で後頭脳波の電位変化を観察できることに気付きました。1961 年、チガネックは後頭脳波成分の最初の命名法を開発しました。同年、ヒルシュと同僚は後頭葉 (外部および内部) の視覚誘発電位 (VEP) を記録し、鳥骨溝に沿って記録された振幅が最大であることを発見しました。1965 年、スペルマンはチェッカーボード刺激を使用して人間の VEP を説明しました。一次視覚経路の構造を局在化する試みは、シクラと同僚によって完了しました。ハリデーと同僚は、1972 年に球後神経炎の患者の遅延 VEP を記録することにより、VEP を使用した最初の臨床調査を完了しました。1970 年代から今日まで、手順と理論を改善するための多種多様な広範な研究が行われており、この方法は動物でも説明されています。^[30]

拡散光フラッシュ刺激は、被験者内および被験者間でのばらつきが大きいため、現在ではほとんど使用されていません。ただし、乳児、動物、または視力の弱い人を検査する場合は、このタイプの刺激を使用すると効果的です。チェッカーボード パターンと格子パターンでは、それぞれ明るい正方形と暗い縞模様が使用されます。これらの正方形と縞模様はサイズが同じで、コンピューター画面に 1 度に 1 つの画像が表示されます。

電極の配置は、アーチファクトのない良好な VEP 応答を引き出すために非常に重要です。一般的な (1 チャネル) セットアップでは、1 つの電極をイニオンの 2.5 cm 上に配置し、参照電極を Fz に配置します。より詳細な応答を得るには、2 つの追加電極を Oz の左右 2.5 cm に配置します。

VEP の命名法は、ピークが正 (P) か負 (N) かを示す大文字と、その特定の波の平均ピーク潜時を示す数字を使用して決定されます。たとえば、P100 は、刺激開始後約 100 ミリ秒で正のピークを持つ波です。VEP 波の平均振幅は通常、5 ～ 20 マイクロボルトです。

正常値は、使用される刺激ハードウェア（フラッシュ刺激とブラウン管または液晶ディスプレイ、チェッカーボード視野サイズなど） によって異なります。

具体的な VEP は次のとおりです。

• 単眼パターン反転（最も一般的）
• スイープ視覚誘発電位
• 両眼視覚誘発電位
• 色彩視覚誘発電位
• 半視野視覚誘発電位
• フラッシュ視覚誘発電位
• LEDゴーグル視覚誘発電位
• 運動視覚誘発電位
• 多焦点視覚誘発電位
• マルチチャンネル視覚誘発電位
• 多周波視覚誘発電位
• 立体視覚誘発電位
• 定常視覚誘発電位

聴覚誘発電位（AEP）は、音によって生成された信号を聴覚上行路を通じて追跡するために使用できます。誘発電位は蝸牛で生成され、蝸牛神経、蝸牛核、上オリーブ核、外側毛帯、中脳の下丘、内側膝状体、そして最終的に皮質に伝わります。^[31]

聴覚誘発電位 (AEP) は、事象関連電位(ERP)のサブクラスです。ERP は、感覚刺激、精神的イベント (ターゲット刺激の認識など)、または刺激の省略など、何らかの「イベント」に時間的にロックされた脳の反応です。AEP の場合、「イベント」は音です。AEP (および ERP) は、さまざまなトーン、発話音などの聴覚刺激に反応して頭皮から記録された、脳から発生する非常に小さな電位です。

脳幹聴覚誘発電位は、頭皮に置かれた電極からの聴覚刺激に反応して記録される小さな AEP です。

AEPは聴覚系の機能と神経可塑性を評価するために用いられる。^[32] AEPは子供の学習障害を診断するために使用することができ、聴覚や認知の問題を抱える子供たちに合わせた教育プログラムの開発に役立つ。^[33]

体性感覚誘発電位（SSEP）は、末梢神経を繰り返し刺激したときに脳または脊髄から記録されるEPです。^{[34] SSEPは、}手術中に患者の脊髄の機能を評価するための神経モニタリングに使用されます。これらは、典型的には電気刺激で、脛骨神経、正中神経、または尺骨神経などの末梢神経を刺激することによって記録されます。その後、患者の頭皮から反応が記録されます。

SSEPには触覚、振動、痛みなどの刺激も使用できますが、手軽さと信頼性から電気刺激が最も一般的です。^[34] SSEPは、重度の外傷性頭部損傷患者の予後予測に使用できます。^[35] 潜時が50ms未満のSSEPは意識から比較的独立しているため、昏睡状態の患者に早期に使用すれば、確実かつ効率的に結果を予測できます。^[36] たとえば、両側に反応がない昏睡患者は、昏睡から回復しない可能性が95％あります。^[37] ただし、結果を分析するには注意が必要です。たとえば、鎮静の増加や脊髄などの他のCNS損傷はSEPに影響を及ぼす可能性があります。^[34]

信号は患者の頭皮に到達した後は振幅が低く、バックグラウンドEEG、頭皮筋EMGまたは室内の電気機器によって発生する電気ノイズが比較的多いため、信号を平均化する必要があります。平均化を使用すると、信号対ノイズ比が向上します。通常、手術室では、誘発電位を適切に分解するために、100 回以上、最大 1,000 回の平均化を使用する必要があります。

SSEP で最も注目される 2 つの側面は、ピークの振幅と潜時です。最も顕著なピークは研究室で研究され、名前が付けられています。各ピークには、名前に文字と数字が付けられています。たとえば、N20 は 20 ミリ秒の負のピーク (N) を示します。このピークは、正中神経が刺激されたときに皮質から記録されます。これは、体性感覚皮質に到達する信号に対応する可能性が最も高いです。術中モニタリングで使用する場合、患者の挿管後ベースラインと比較したピークの潜時と振幅は、重要な情報です。潜時の劇的な増加または振幅の減少は、神経機能障害の指標です。

手術中、使用される大量の麻酔ガスは、SSEP の振幅と潜伏時間に影響を与える可能性があります。ハロゲン化薬剤または亜酸化窒素はいずれも潜伏時間を増加させ、反応の振幅を減少させ、場合によっては反応が検出できなくなることもあります。このため、通常はハロゲン化薬剤を減らし、静脈内催眠薬と麻薬を多く使用する麻酔が使用されます。

SEP 所見は、それ自体では特定の診断につながるものではなく、正常な SEP 所見によって必ずしも器質性疾患を除外できるわけではありません。所見は、患者の臨床症状の文脈で解釈する必要があります。SEP による末梢反応を評価することは、末梢神経損傷の診断に役立つ可能性があります。

さらに、SEP は、多発性硬化症(MS)、遺伝性脊髄小脳変性症、遺伝性痙性対麻痺、エイズ、ビタミン B ₁₂またはビタミン E 欠乏症などのさまざまな病状で異常となる可能性があります。MS 患者では、誘発電位の所見が MRI の所見を補完することがよくあります。

外傷性脊髄損傷または脳外傷後の急性期では、SEP 反応が見られないことと予後は相関しません。ただし、亜急性期に皮質反応が早期に正常に戻るか、または維持されることは、良好な転帰と相関します。

SEP は、昏睡状態の患者の皮質下および皮質機能を評価するのに役立ち、EEG よりも鎮静剤に対する感受性が低い。SEP と BAEP を併用すると、昏睡状態の患者の脳死の確認に役立つ最良のツールとなる。

成人と同様に、SEP 所見は臨床評価および EEG 所見と組み合わせることで、昏睡状態の小児の予後判定に役立ちます。高リスク新生児では、SEP 所見を経時的に追跡すると、転帰の予後判定に役立ちます。いくつかの神経変性疾患では、脊髄および皮質の SEP 成分に異常所見が見られます。さらに、脊髄の圧迫性病変 (アーノルド・キアリ奇形やムコ多糖症など) は異常な SEP と関連しており、MRI の異常に先行する場合があります。

従来の SSEP は、触覚や振動などの感覚に関与する体性感覚系の部分の機能をモニターする。痛みや温度の信号を伝達する体性感覚系の部分は、レーザー誘発電位 (LEP) を使用してモニターされる。LEP は、レーザーを使用して、細かく集中した急速に上昇する熱を裸の皮膚に適用することで誘発される。中枢神経系では、脊髄視床路、側方脳幹、および視床から皮質に痛みや温度の信号を伝達する繊維の損傷を検出できる。末梢神経系では、痛みや温度の信号は細い繊維 ( CおよびA デルタ) に沿って脊髄に伝達され、LEP を使用して、神経障害がこれらの細い繊維にあるか、それとも大きな繊維 (触覚、振動) にあるかを判断することができる。^[38]

運動誘発電位 (MEP) は、露出した運動皮質を直接刺激するか、磁気または電気による運動皮質の経頭蓋刺激を行った後に筋肉から記録されます。経頭蓋磁気 MEP (TCmMEP) は、臨床診断に応用できる可能性があります。経頭蓋電気 MEP (TCeMEP) は、錐体路の機能的完全性の術中モニタリングに数年前から広く使用されています。

1990 年代には、脊髄を直接電気刺激した後に末梢神経から記録される「神経性運動誘発電位」を含む「運動誘発電位」をモニターする試みがありました。これらの「運動」電位は、筋肉からの記録であっても、感覚路の逆行性刺激によってほぼ完全に誘発されることが明らかになりました (逆行性感覚路刺激は、根の入り口レベルでシナプスを介して筋原性反応を引き起こします)。^{[説明が必要]} TCMEP は、電気的であれ磁気的であれ、感覚皮質を刺激しても最初のシナプスを超える下降インパルスは発生しない (シナプスが逆行することはない) ため、純粋な運動反応を確実に行う最も実用的な方法です。

TMS誘発性MEPは、認知神経科学の多くの実験で使用されています。MEPの振幅は運動興奮性と相関しているため、運動システムに対するさまざまな種類の介入（薬理学的、行動的、病変など）の役割をテストする定量的な方法を提供します。したがって、TMS誘発性MEPは、たとえば他人の行動を見たときにミラーニューロンシステムによって誘発される、隠れた運動準備または促進の指標として機能する可能性があります。 ^[39]さらに、MEPは、たとえばTMSベースの治療の文脈で、反応がそれほど簡単に測定できない可能性のある皮質領域をターゲットにする場合、TMSによって送達する必要がある刺激の強度を調整するための基準として使用されます。

体性感覚誘発電位は、脊髄の背柱をモニタリングします。感覚誘発電位は、脳構造に危険を及ぼす手術中に使用されることもあります。頸動脈内膜剥離術中の皮質虚血の判定や、脳手術中の脳の感覚領域のマッピングに効果的に使用されます。

頭皮を電気刺激すると、脳内に電流が発生し、錐体路の運動経路が活性化されます。この技術は、経頭蓋電気運動電位 (TcMEP) モニタリングとして知られています。この技術は、これらの構造を危険にさらす手術中に、中枢神経系の運動経路を効果的に評価します。外側皮質脊髄路を含むこれらの運動経路は、脊髄の外側索と腹側索にあります。腹側脊髄と背側脊髄は、側副血行路が非常に限られており、血液供給が別々であるため、前脊髄症候群 (感覚機能がある程度保持された状態での麻痺または不全麻痺) が手術後遺症として起こる可能性があり、そのため、運動経路に特有のモニタリングと脊柱モニタリングを行うことが重要です。

経頭蓋磁気刺激は電気刺激よりも麻酔に敏感であるため、一般的には術中モニタリングには不向きと考えられています。電気刺激は、目が覚めている患者に臨床的に使用するには痛みが強すぎます。したがって、この 2 つの方法は補完的であり、術中モニタリングには電気刺激、臨床用途には磁気刺激が選択されます。

• 米国国立医学図書館医学件名標目(MeSH)における Evoked+Potentials