【2024年版】一次運動野はどこ？障害からMRI画像・損傷後の症状は？最新ホムンクルス
はじめに
本日は一次運動野について解説したいと思います。この動画は「リハビリテーションのための臨床脳科学シリーズ」となります。
これまで発売した姉妹本の「脳卒中の機能回復」「脳卒中の動作分析」などと併用して勉強していただくと、より脳神経系に強い専門家を目指せるかと思います。ぜひご覧ください。
内容は、STROKE LAB代表の金子唯史が執筆する 2024年秋ごろ医学書院より発売の「脳の機能解剖とリハビリテーション」から
以下の内容を元に具体的トレーニングを呈示します。
それではまず解剖学的解説からいってみましょう！
一次運動野とは？
位置:
一次運動野は、脳の前頭葉の中心溝の前、中心前回に位置します。 この回は、運動機能における役割により顕著であり、さまざまな身体部分にわたる運動制御の分布を表す運動ホムンクルスとして知られる体性局所組織によって特徴付けられます。
機能:
自発的な運動の実行を担当する主要な領域です。 運動の実行を制御する神経インパルスを生成します。 これらの信号は特定の筋肉または筋肉のグループに送信され、運動動作を開始します。
血液供給：
一次運動野（Primary Motor Cortex, PMC）は、運動機能の制御において中心的な役割を果たします。その血液供給は、以下の三つの主要な脳動脈から供給されますが、その中でも特に重要なのが中大脳動脈（Middle Cerebral Artery, MCA）です。
- 前大脳動脈（Anterior Cerebral Artery, ACA）:
- 一次運動野の内側部分に血液を供給します。この領域は、主に下肢の運動機能を担当します。
- 中大脳動脈（Middle Cerebral Artery, MCA）:
- 一次運動野の大部分、特に外側部分に血液を供給します。これは、顔、手、上肢の運動機能を制御する領域です。中大脳動脈の血流障害は、これらの部位に関連する運動障害を引き起こすことが多いです。
- 後大脳動脈（Posterior Cerebral Artery, PCA）:
- 一次運動野の最尾側部分にわずかに血液を供給しますが、これは一般的に視覚野に関連する領域であり、一次運動野への寄与は限定的です。
運動経路: 皮質脊髄路と皮質延髄路
皮質脊髄路：この主要な運動経路は、一次運動野から始まり、内包の後脚を通って下降し、大脳脚に入り、延髄錐体（錐体路）で交差して対側に至ります。 脊髄前角の運動ニューロンと介在ニューロンを支配し、特に手足や体幹の随意運動に影響を与えます。
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一次運動野（Primary Motor Cortex, PMC）からの起始:
- 一次運動野（ブロードマンの第4野）から出発する運動ニューロンの軸索が皮質脊髄路を形成します。
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内包（Internal Capsule）の後脚を通過:
- 大脳基底核と視床の間に位置する内包の後脚（Posterior Limb）を通ります。この部分は運動情報の伝達において非常に重要です。
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大脳脚（Cerebral Peduncles）への進入:
- 内包を通過した後、脳幹の一部である中脳の大脳脚に入り、下行を続けます。
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延髄錐体（Medullary Pyramids）での交差（Decussation）:
- 延髄の錐体部で多くの繊維が交差（錐体交叉）し、対側（反対側）に移動します。これにより、左半球からの運動指令は体の右側に、右半球からの運動指令は体の左側に伝達されます。
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脊髄前角（Anterior Horn of the Spinal Cord）への到達:
- 交差した繊維は脊髄を下降し、最終的に脊髄前角にある運動ニューロンと介在ニューロンにシナプスを形成します。これらのニューロンは、末梢神経を介して筋肉に直接指令を送ります。
皮質延髄路(皮質核路): この経路は一次運動野から始まり、脳幹内の運動ニューロンで終わります。 顔の表情、嚥下、発話、その他の脳神経支配機能に関与する筋肉の随意運動を制御します。
経路の詳細
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一次運動野（Primary Motor Cortex, PMC）からの起始:
- 一次運動野（ブロードマンの第4野）から出発する運動ニューロンの軸索が皮質延髄路を形成します。
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内包（Internal Capsule）の通過:
- 大脳基底核と視床の間に位置する内包を通過します。ここでの軸索は非常に密集しており、運動指令を伝達する重要な中継点となります。
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脳幹（Brainstem）への進入:
- 内包を通過した後、皮質延髄路は中脳、橋、延髄を順次下降します。この経路は脳幹内の特定の運動核に終わります。
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脳神経核（Cranial Nerve Nuclei）での終止:
- 皮質延髄路の繊維は脳神経核にシナプスを形成します。これらの核は顔面筋、咀嚼筋、咽頭筋、喉頭筋、眼筋などを支配する脳神経に接続しています。具体的には、以下の脳神経核に分布します：
- 顔面神経核（Facial Nucleus, VII）: 顔の表情筋の制御。
- 三叉神経運動核（Trigeminal Motor Nucleus, V）: 咀嚼筋の制御。
- 疑核（Nucleus Ambiguus, IX, X, XI）: 嚥下や発話に関与する咽頭筋および喉頭筋の制御。
- 舌下神経核（Hypoglossal Nucleus, XII）: 舌の運動制御。
- 皮質延髄路の繊維は脳神経核にシナプスを形成します。これらの核は顔面筋、咀嚼筋、咽頭筋、喉頭筋、眼筋などを支配する脳神経に接続しています。具体的には、以下の脳神経核に分布します：
病理学と臨床症状
一次運動野（Primary Motor Cortex, PMC）の損傷は、上位運動ニューロン症候群（Upper Motor Neuron Syndrome）を引き起こす可能性があります。具体的な症状としては、以下のものが含まれます：
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筋肉の麻痺（Paralysis）:
- 損傷された部位に対応する身体の部分で筋力低下や完全な麻痺が発生します。
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運動制御の精度の低下（Loss of Fine Motor Control）:
- 特に手指や顔面の微細な運動制御が難しくなります。
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痙縮（Spasticity）:
- 筋肉が固くなり、動きがぎこちなくなります。これは、筋肉の過度な収縮によるものです。
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深部腱反射の亢進（Hyperreflexia）:
- 例えば膝蓋腱反射（Patellar Reflex）などの深部腱反射が異常に強くなります。
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バビンスキー徴候陽性（Positive Babinski Sign）:
- 足の裏をこすると、足の指が開く（拡がる）という反応が見られます。これは上位運動ニューロンの損傷を示す典型的な徴候です。
麻痺の側
運動皮質の損傷による症状は、通常、損傷の反対側の身体に現れます。これは、延髄錐体のレベルで運動経路が交差（Decussation）するためです。具体例としては：
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左一次運動野の損傷:
- 右半身に症状が現れます。右側の腕や脚の麻痺、右側の顔面の筋肉制御の喪失などが見られるでしょう。
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右一次運動野の損傷:
- 左半身に症状が現れます。左側の腕や脚の麻痺、左側の顔面の筋肉制御の喪失などが見られるでしょう。
画像読解・CT・MRIの見方
ここで、大脳半球の側面に沿って走っている顕著なひだに注意を向けてください。これは、前頭葉と頭頂葉を分ける重要なランドマークである中央溝です。 この溝のすぐ前、つまり横から見た場合の脳の前方に、灰白質の厚い帯があります。 これは一次運動野または M1 です。
ブラケットサイン（Bracket Sign）
- 位置: 帯状溝（Cingulate Sulcus）の一部である縁枝（Marginal Branch）の延長上で識別可能です。
- 意義: 帯状溝の解剖学的ランドマークを特定するのに役立ち、一次運動野の位置を確認するための重要な指標です。
皮質の厚さ（Cortical Thickness）
- 比較: 中心後回（Postcentral Gyrus）と比較して、中心前回（Precentral Gyrus）に沿う皮質の方が厚いです。
- 意義: この厚さの違いは、運動機能を司る一次運動野の特徴的な構造を反映しています。
オメガサイン（Omega Sign）
- 形状: 中心前回の一部である一次運動野は、手指の運動野で後方に膨らみ、オメガ（Ω）またはS字フック（Hook Sign）、ハンドノブ（Hand Knob Sign）のような形状を形成します。
- 意義: 手指の運動機能に関連する領域の識別に有用で、特にMRI画像でこの形状が確認されます。
Tサイン（T Sign）
- 上部T（Upper T）: 上前頭溝（Superior Frontal Sulcus）は中心前溝（Precentral Sulcus）と「上部T（Upper Slice）」接合部で交差します。
- 下部T（Lower T）: 下前頭溝（Inferior Frontal Sulcus）は中心前溝と「下部T（Lower Slice）」接合部で終わります。
- 意義: どちらも手前の溝が中心溝（Central Sulcus）となり、一次運動野の位置を特定するためのランドマークとして重要です。
ホワイトグレーサイン（White-Gray Sign）
- 特徴: T1強調MRIで中心溝周囲の灰白質コントラストが減少します。
- 意義: 中心溝の識別に役立ち、一次運動野の境界を明確にするための指標となります。
これらの特徴は、一次運動野の解剖学的ランドマークを特定するために使用され、特に神経放射線学や神経外科において重要な役割を果たします。MRIなどの画像診断技術を用いて、これらのサインを確認することで、一次運動野の正確な位置を特定し、診断や治療計画を支援します。
研究トピックは？
それで今回最初のページということで2023年に発見されたホムンクルスのあらたな写真ですね。トレンドなので取り上げています。
図引用：Famous ‘homunculus’ brain map redrawn to include complex movements
M1で新発見
ワシントン大学の研究者らは、一次運動皮質（M1）内のこれまで知られていなかった領域を特定しました。
この研究成果は「Nature」に掲載され、bioRxivで先行公開されました。
研究手法
研究チームは、最先端のfMRI技術を用いて、被験者がさまざまな筋肉運動や課題に取り組んでいる間に脳をマッピング。
この方法は、precision functional mapping (PFM)と呼ばれ、脳の運動制御領域のより詳細な理解を可能にしました。
古いモデルへの挑戦
この研究により、M1の組織は、1930年代にワイルダー・ペンフィールドが提唱した古典的な「ホムンクルス」モデルとは完全に一致しないことが明らかになりました。
ホムンクルスは、直接刺激実験に基づいて、運動制御を単純化しすぎた方法でマッピングしたもの。
複雑な結合：
新しい研究によると、M1はこれまで理解されていたよりも複雑な身体部位との結合性を持っていることがわかりました。
一次領域に隣接する領域（足、手、口を制御する領域など）は、身体の隣接する部分（足首、膝、腰など）を制御しています。
インターエフェクターの導入：
この研究では、M1内の新しい機能領域である「インターエフェクター」が特定されました。
これらの領域は、皮質の厚さが薄く、ミエリンの厚さが厚い。
認知との関連：
インターエフェクターは、プランニングやエラーモニタリングのような高度な脳機能に関与する、cingulo-opercular network (CON)と強く結びついています。
このことは、M1が運動だけでなく、認知プロセスにも関連していることを示唆しています。
SCANネットワーク：
研究者たちは、somato-cognitive action system（SCAN）を、より広範な脳機能とエフェクター間を統合するネットワークとして提唱。
SCANは、身体全体を調整し、意思決定や自律神経機能につなげる役割を担っていると考えられています。
応用
この研究結果は、医学教育や神経科学教育に影響を与え、最新の教材やモデルを必要とします。
また、マカクザルでも同様のパターンが見つかっており、種を超えた研究にも役立ちます。
SCANの機能は乳幼児期にも観察され、9歳までに成熟したように見えたことから、早期発達が示唆されます。
脳卒中患者では、SCANの結合は損傷を受けていない部位に残っており、回復力と治療標的の可能性を示しています。
今後の方向性
この発見により、医学的図解の改訂と神経科学の教科書の更新が必要。
さらなる研究により、脳の他の感覚領域における同様の複雑なネットワークが調査される可能性が高い。
読んでおくべき一押しの論文は？
一次運動野の機能に関連する論文はこちらですね。内容が多いので割愛しますが、古い論文をしっかり理解しておくことが大切です。
ワイルダー・ペンフィールドとエドウィン・ボルドリーによる 1937 年の論文は、電気刺激の使用を通じて人間の脳皮質における運動領域と感覚領域の表現を研究した神経学における独創的な研究です。
次は皆さんがおそらく一番知りたいこと
臨床観察のポイントは？
☑ 自発的な動きは？：
腕を上げる、指をさす、歩くなどの特定の随意運動を行うように指示することができます。患者がこれらの動作に苦労するようであれば、一次運動野が影響を受けていることを示すかもしれません。また、脳卒中は体の片側がより強く侵されることが多いので、動作の非対称性の兆候を探すことができます。また、代償的に手を目標物に向ける際に、自動的ではなく、視覚的に動かす可能性があります。また、前腕の回内と回外のような急速な交互運動を評価し、皮質の関与を示唆する遅延や運動障害を検出することもできます。
腕を上げる、指をさす、歩くなどの特定の随意運動を行うように指示することができます。患者がこれらの動作に苦労するようであれば、一次運動野が影響を受けていることを示すかもしれません。また、脳卒中は体の片側がより強く侵されることが多いので、動作の非対称性の兆候を探すことができます。また、代償的に手を目標物に向ける際に、自動的ではなく、視覚的に動かす可能性があります。また、前腕の回内と回外のような急速な交互運動を評価し、皮質の関与を示唆する遅延や運動障害を検出することもできます。
☑ 運動ホムンクルスの観察 ：
一次運動野の異なる領域が身体の異なる部分を制御していることを意味します。脳卒中患者の体の特定の部分（例えば、手は弱いが肩は弱くない）に脱力や麻痺があることを観察すれば、一次運動皮質のどの部分が影響を受けているかを知る手がかりになります。
一次運動野の異なる領域が身体の異なる部分を制御していることを意味します。脳卒中患者の体の特定の部分（例えば、手は弱いが肩は弱くない）に脱力や麻痺があることを観察すれば、一次運動皮質のどの部分が影響を受けているかを知る手がかりになります。
場合によっては、「スプリットハンド症候群」と呼ばれる、手の微細運動が障害される一方で、前腕や上腕の機能が維持されるような症状を呈することがあり、これはより限局した皮質の障害を示しています。
☑ 運動の正確さと協調性：
積み木を積み重ねる、瓶を開ける、水を注ぐなどの動作をする場合、正確な動作が要求されます。一次運動野は筋肉に正確な信号を送り、動きの強さ、速さ、方向を制御する必要があります。動作が記録されていれば、セラピストは以下のような様々な属性を分析することができます：
☑ 重さの判断と力の調節：
既知の重さの物体を保持する活動は、運動系と感覚系に関与します。患者が物体の重さを判断しようとするとき、感覚入力(触覚、固有知覚、圧力を含む)を知覚し、これを運動出力と統合する能力が試されます。このプロセスには一次運動野が関与していますが、感覚情報の統合には体性感覚皮質や後頭頂皮質といった他の領域も関係しています。
リハビリのヒントは？
随意運動に関して
①受動から能動へ： 筋力低下や麻痺に対処するため、セラピストは患部の筋肉を強化するための特定のエクササイズを考案することができます。受動的な運動（セラピストが患者さんの手足を動かす）から始まり、能動的な運動（患者さんが自分で動く）へと発展していくこともあります。
②身体条件の確保：関節可動域訓練などで柔軟性を維持し、筋肉の硬さを軽減し（特に痙縮の場合）、拘縮（筋肉や腱が永久に短くなること）を防ぎます。筋や関節の準備条件を良くすることが、随意運動のやり易さを促通できます。
このような内容に関して直接関連する論文は少ないのですが、
例えばこの論文：脳卒中後の筋力低下（多くの場合、一次運動野の損傷が原因）に対する筋力強化運動の重要性を確認する研究では、運動が筋萎縮を抑制し、おそらく神経組織の適応を通じて筋力を増強できることが示されています。
運動の正確さに関して
①練習には様々な物を使用する： 重さ、大きさ、質感の異なるものを使って定期的に練習することで、患者さんの握力を適切に調整する能力を向上させることができます。バイオフィードバックを提供する機器を使用することで、患者さんが物をつかむときに使用する力を自己調整するのに役立ちます。
②漸進的な抵抗のエクササイズ： 必要な時に必要な力を発揮できるように、徐々に抵抗力を高めていきます。例えば、軽い錘やゴムバンドから始めて、患者さんの力が向上するにつれて徐々に抵抗を増やしていきます。
③動作速度や力加減を変化させるエクササイズ：ボールを様々なスピードで投げたり、キャッチしたり、様々なスピードで歩いたりするような動作です。
エビデンスは？
リハビリテーションにおけるバイオフィードバック:
この論文では、身体リハビリテーションにおけるバイオフィードバックの使用をレビューし、患者の握力の自己調整に役立つ、生体力学的測定と身体の生理学的システムに基づくバイオフィードバックの応用に焦点を当てます。
漸進的抵抗運動の使用を支持する論文:
プログレッシブ レジスタンス トレーニングのリハビリテーション効果の証拠: このレビューでは、特にパーキンソン病患者の筋力を強化し、機能的パフォーマンスの低下による転倒のリスクを軽減するための、リハビリテーション プログラムにおけるプログレッシブ レジスタンス トレーニング (PRT) の利点について議論します。
新人療法士が陥りやすいミスは？
生活場面の自立にこだわり過ぎる：瓶を開ける、食べ物を切るなど、さまざまな力を必要とする作業について、セラピストは患者さんのトレーニングを怠っている場合があります。そのため、日常生活に必要な訓練を行っても、細かい作業で苦労することがあります。疲労の側面からも、ADL訓練時に患者さんの努力的な動きや過度な集中など、様々な視点から観察しましょう。
最後はこの講座を本当に理解したかを確認する魔法の質問と回答で終わらせていただきます。
以上で今回の講座を終わらせていただきます。いかがでしたでしょうか？
一次運動野の解剖学と機能に関する質問
①一次運動野の位置はどこですか？
②一次運動野はどのような機能を担っていますか？
③一次運動野への血液供給はどの動脈から主に行われますか？
④皮質脊髄路と皮質延髄路とは何ですか？
⑤一次運動野の損傷が引き起こす可能性のある症状にはどのようなものがありますか？
⑥一次運動野のMRIで何を観察するべきですか？
⑦2023年の新発見では、一次運動野におけるどのような新しい領域が特定されましたか？
⑧新しい研究手法であるprecision functional mapping（PFM）とは何ですか？
⑨一次運動野の組織は従来のモデルとどのように異なる可能性が示されましたか？
⑩病理学的状況での観察ポイントは何ですか？
⑪脳機能の訓練で臨床家が取り組むべきアプローチにはどのようなものがありますか？
⑫新人セラピストが陥りやすいミスとは何ですか？
答えはこちらになります。
①一次運動野は脳の前頭葉に位置し、中心溝の前で中心前回にあります。
②一次運動野は自発的な運動の実行と運動制御の神経インパルス生成を担当しています。
③一次運動野の血液供給は主に中大脳動脈から行われます。
④皮質脊髄路は運動信号を脊髄に、皮質延髄路は脳幹に送る主要な運動経路です。
⑤一次運動野の損傷は上位運動ニューロン症候群を引き起こし、麻痺や痙縮などの症状を含みます。
⑥MRIで一次運動野の位置、皮質の厚さ、血液供給の様子を観察します。
⑦2023年の新発見では、一次運動野内の新しい機能領域である「インターエフェクター」が特定されました。
⑧PFMは最先端のfMRI技術を用いて運動制御領域を詳細にマッピングする方法です。
⑨新しい研究では、一次運動野の組織がペンフィールドの古典的なホムンクルスモデルと完全に一致しない可能性が示されました。
⑩運動の正確さや協調性、運動ホムンクルスの特定部位への影響、自発的な動きの観察が病理学的状況での主要な観察ポイントです。
⑪臨床家は筋肉の強化、関節の可動域維持、動作速度や力加減の訓練などのアプローチを取ります。
⑫新人セラピストは、日常生活に必要なスキルに偏重し、疲労や細かい運動制御の訓練が不足することがあります。
次回は補足運動野について解説したいと思います。それでは臨床へ行ってきます！！
今回のYouTube動画はこちら
退院後のリハビリは STROKE LABへ
当施設は脳神経疾患や整形外科疾患に対するスペシャリストが皆様のお悩みを解決します。詳しくはHPメニューをご参照ください。
STROKE LAB代表の金子唯史が執筆する 2024年秋ごろ医学書院より発売の「脳の機能解剖とリハビリテーション」から
以下の内容を元に具体的トレーニングを呈示します。
STROKE LABではお悩みに対してリハビリのサポートをさせていただきます。詳しくはHPメニューをご参照ください。
1981 ：長崎市生まれ 2003 ：国家資格取得後(作業療法士)、高知県の近森リハビリテーション病院 入職 2005 ：順天堂大学医学部附属順天堂医院 入職 2012～2014：イギリス(マンチェスター2回,ウェールズ1回)にてボバース上級講習会修了 2015 ：約10年間勤務した順天堂医院を退職 2015 ：都内文京区に自費リハビリ施設 ニューロリハビリ研究所「STROKE LAB」設立 脳卒中/脳梗塞、パーキンソン病などの神経疾患の方々のリハビリをサポート 2017： YouTube 「STROKE LAB公式チャンネル」「脳リハ.com」開設 現在計 ４万人超え 2022～：株式会社STROKE LAB代表取締役に就任 【著書,翻訳書】 近代ボバース概念:ガイアブックス (2011) エビデンスに基づく脳卒中後の上肢と手のリハビリテーション:ガイアブックス (2014) エビデンスに基づく高齢者の作業療法:ガイアブックス (2014) 新 近代ボバース概念:ガイアブックス (2017) 脳卒中の動作分析:医学書院 (2018) 脳卒中の機能回復:医学書院 (2023)
