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2010年11月2日オンライン公開、 2010年6月1日オンライン 予稿集
概要
過去20年間における行動神経科学の重要な発展は、実験動物において脳損傷後の機能回復を促すことが可能であることを証明したことである。齧歯類脳損傷モデルは、このようなリハビリテーションプログラムを開発するための重要なツールとなる。このモデルには、詳細な行動パラダイム、電気生理学、神経細胞の形態学、タンパク質化学、エピジェネティクスなど、さまざまなレベルでの解析が含まれている。
今後20年間の重要な課題は、この研究をヒトの脳損傷や疾患からの転帰を改善するために応用することであろう。この論文では、損傷した脳における脳の可塑性と行動に関する学際的な研究成果を統合し、リハビリテーションプログラムの開発に役立てることを目的としている。
キーワード 脳の可塑性、機能回復、大脳皮質
臨床神経科医は、脳損傷後に何らかの機能回復が可能であることを長い間知っていたが、どのように、いつ回復が起こるのかを規定するルールは、ほとんど理解されていない。その結果、特定の治療法の処方は、エビデンスに基づく無作為化臨床試験よりも、むしろ直感や習慣に大きく基づいている (Teasell et al.、2006年）。基礎研究の重要な課題は、リハビリテーション戦略を適切なターゲットに向けることができるように、機能改善の基礎となる媒介プロセスの性質とメカニズムを明らかにすることである。過去10年間、実験動物モデルを用いて、その標的のいくつかを理解することにかなりの進歩があった。これが今回の総説の主題である。
理解の妨げになるもの
エビデンスに基づいた治療法の開発には、少なくとも5つの障害があることが分かっている。第1に、何をもって「回復」とするのか、一般的に受け入れら れている定義がないことである。この言葉は、機能の完全な回復を意味することもあれば、機能の著しい改善を意味することもあり、また、実際にどの程度の改善であるかを意味することもある。私たちは、この回復の問題を「3本足の猫の問題」と呼んでいる。猫が事故で後ろ足を切断した場合、当然ながら歩行には大きな困難が伴う。しかし、数ヵ月後には、事故前と同じように歩けるようになる。この猫は明らかに3本足なので、本当に「回復」したのではなく、世界を移動するための新しい行動戦略で補うことを学んだのである。大脳の損傷後の機能的な改善は、まさに補償である。死んだり機能不全に陥った組織の領域は残っているが、その人は認知的または身体的に障害を回避する方法を学んだのである。
第2に、脳の組織は固定的ではなく、環境の多様性や傷害などの摂動に反応して、脳はその構造や機能を変化させる能力を持っている。現在、脳の可塑性という言葉は広く使われているが、その定義は容易ではなく、遺伝子発現の変化などの分子事象から行動に至るまで、神経系の多くのレベルでの変化を指して使われている (例えば、Shaw and McEachern,2001）。問題の一つは、その性質上、脳の可塑性と行動との関係が相関的であることだ。これは、因果関係の証明に対する安心感に関する限りにおいてのみ問題である。一つの相関的な研究が、臨床に急ぐ理由にはならないが、異なる研究室での何十もの研究によって集められたデータの集合は、証拠に基づく治療へと向かう根拠となる。
第3に、回復を媒介するプロセスの性質やメカニズ ムを探る基礎研究は、通常、実験室で動物モデルを用いて 始める必要がある。このことは、動物モデルの適切さが不確かであるため、臨床への応用には問題があることが証明されている。脳卒中患者に対する神経保護剤の探索の歴史を考えてみよう。ラットを用いた10年にわたる動物実験により、神経保護作用があると思われる化合物が次々と発見されたが、臨床で使えるものはなかった。問題は、モデルが不十分であったことではなく、神経保護作用のメカニズムが証明されていなかったことであった。実際、多くの研究で、化合物は実験動物の体温を下げる効果があったため、本当のメカニズムは細胞のチャンネルに作用するのではなく、凍結保護であった。というのも、人間は体が大きいので、ラットのような小動物ほど簡単に体温を下げることができないからだ。これは、明らかに相関関係の問題であるが、他にも問題がある。
第四の障害は、臨床試験のためのヒト候補の選択である。動物実験の多くは、研究者によりコントロールされた明確な傷害を持つが、人間の状態にははるかに多くのばらつきがある。動物実験の一般的な経験則では、小さな傷は大きな傷よりも治療への反応が良いが、臨床の現場では大きな傷を持つ人々が最も治療を必要としている。そのため、障害の程度が軽い人ほど原理を実証しやすいにもかかわらず、臨床試験では障害の大きい患者を選ぶ傾向がある。
最後に、ヒトの脳とネズミの脳の灰白質と白質の比率について、重要な問題がある。ヒトは白質が多く、ヒトの多くの傷害は主に白質に限局している（脳卒中、外傷性脳損傷など）。げっ歯類では、白質体積が少ないため、局所的な白質傷害の研究はほとんど行われていない。そこで、灰白質に損傷を受けた実験動物で補償の強化を促すのに有効な治療法が、白質に損傷を受けた人々にも適用できるのかどうかが問題となる。その答えのひとつは、機能的な改善の根底にあるメカニズムが何であるかを理解することにある。これは経験的な問題であり、基礎研究が手がかりを与えてくれる。一般性についての懸念に基づいてこの結果を否定するのは見当違いであるというのが、私たちの考えである。他にどんな根拠があって、新しい治療法を見出すことができるのだろうか？Harry Harlowの言葉を借りれば、「有能な者が一般化に失敗すれば、無能な者がその分野を埋めることになる」 (Harlowら、1972年）。
正常な脳における可塑性の一般原理
損傷した脳の可塑性を高める治療法を取り上げる前に、正常な脳の可塑性に関するいくつかの重要な原則を簡単に確認しておく必要がある。
脳の変化は、さまざまなレベルの分析で示すことができる
行動の変化は、脳内の何らかの変化から生じるに違いないが、そのような変化を調べるには多くの方法がある。例えば、様々な生体内試験イメージングに見られるような脳活動のグローバルな測定から変化を推測することもできるが、そのような変化は、変化を促す分子的プロセスとはかけ離れたものである。グローバルな変化は、おそらくシナプスの変化を反映していると思われるが、シナプスの変化は、チャネルや遺伝子発現の変化など、より分子的な変化から生じるものである。脳の可塑性を研究する際の問題は、問われている問題に最も適した代用マーカーを選ぶことである。カルシウムチャネルの変化は、単純な学習に関連するかもしれない特定のシナプスにおけるシナプス変化を研究するには最適かもしれないが、言語処理における性差を理解するには非現実的である。後者については、生体内試験イメージングや死後の細胞形態分析によって研究するのが最適かもしれない (例えば、Jacobs and Scheibel,1993）。適切なレベルは、目下の研究課題に的を絞る必要がある。損傷後の機能改善を促す戦略を研究する研究では、解剖学的（細胞形態と結合性）、生理学的（皮質刺激）、生体内試験イメージングが最もよく使われている。これらのレベルは、ヒトと非ヒトの両方の研究において、それぞれ行動学的な結果と関連付けることができるのに対し、より分子的なレベルは、行動、特に精神行動と関連付けることがはるかに困難であることが証明されている。
脳は、生涯を通じて驚くほどさまざまな体験によって変化する
脳は、表1 .1にまとめたように、生涯を通じて驚くほど多様な経験によって変化する。これらの経験の多くは、リハビリテーションプログラムで期待されるような感覚運動トレーニングのような、明白なものである。しかし、多くは直感的でない。脳は、事実上あらゆる経験によって、そして思考によってさえも変化することができる。もし、ある考えを持った1週間後にそれを思い出せるとしたら、それは脳がその考えを記憶するために変化したのだろう。このような変化はとても興味深いものであるが、リハビリテーションを行う上で重要なのは、その変化の大きさなのである。脳機能の最大の変化は、精神運動促進剤などの薬物や向神経性因子の投与、感覚運動訓練などの他の体験と併用することでもたらされる。
表1 正常な脳のシナプス構成に影響を与える要因
| ファクター | 参考例 |
|---|---|
| 1.感覚・運動経験 | Greenough and Chang(1989) |
| 2.タスク学習 | Kolb 他(2008) |
| 3.生殖腺ホルモン | スチュワートとコルブ(1988) |
| 4.精神作用のある薬物 (例：覚せい剤、THC) | ロビンソンとコルブ(2004) |
| 5.向神経性因子 (例：NGF、FGF-2) | コルブら(1997) |
| 6.自然な報酬 (例：セックス;社会的相互作用） | フィオリノとコルブ(2003) |
| 7.ソーシャル・プレイ（社会的遊び）
|
ベルほか(2010) |
| 8.エージング | Kramerら(2004) |
| 8.ストレス | マキュウエン（2005） |
| 9.抗炎症剤 (COX-2阻害剤など） | Silasi and Kolb(2007) |
| 10.食事（コリンなど） | メックとウィリアムズ(2003) |
| 11.電気刺激 | |
| 発火 興奮 | Teskeyら（2006) |
| LTP | モンフィスら（2004) |
| LTD | モンフィスとテスキー(2004) |
| 表面皮質刺激 | Teskeyら（2003) |
神経細胞変化の異なる尺度が互いに独立し、時には逆方向にも作用する
文献上では、異なる神経細胞の変化を互いの代用品と見なす傾向がある。最も一般的なのは、スパイン密度の変化は樹状突起の長さの変化を反映し、その逆もまた然りとすることである。この2つの指標は独立して変化し、時には反対方向に変化することがあるため、そうではないことが判明した (例えば、Kolb et al.、2008;Comeau et al.、2010）。さらに、皮質層が異なっていても、同じ推定列にある細胞は、同じ経験に対して非常に異なる反応を示すことがある (例えば、Teskey et al.、2006）。
可塑性を支配するルールは、大脳の領域によって明らかに異なっている
すべての皮質領域は顕著な可塑性を示すが、感覚領域と運動領域はほとんどの経験に対して、前頭前野や海馬領域とは異なる反応を示す。例えば、精神作用のある薬物や社会的・性的行動は前頭前野領域で樹状突起の構成に大きな変化をもたらすが、これらの薬物は新皮質の残りの部分にはほとんど作用しない (例えば、Robinson and Kolb,2004）。一方、感覚・運動領域は複雑な住環境（エンリッチド・ハウジングと呼ばれることもある）に反応して大きな慢性的変化を示すのに対し、前頭前野領域は数日後に消失する一過性の変化のみを示す (例えば、Kolbら、2003b; Comeauら、2010年）。どの治療法が最も効果的かを予測する上で、傷害の部位が重要であることは明らかであるため、この違いは治療法を設計する上で重要である。
経験依存の変化は相互作用する
ヒトは脳損傷前に薬物経験を含む生涯経験を積んでおり、これは自然回復だけでなく損傷後の治療効果にも影響を及ぼすと考えられる。このような相互作用については、実験動物でもヒトでもほとんど知られていないが、今後重要なテーマとなるであろう。最近、われわれは実験動物において、動物が幼少期あるいは成年期に精神運動刺激物にさらされた場合、その後の経験によってその影響がかなり緩和される（あるいは時にはない）ことを明らかにした。例えば、ラットに幼少期にメチルフェニデート、成体期にアンフェタミンを投与し、その後しばらくして複雑な住環境に置いたり学習課題を訓練したりすると、その後の経験に依存した変化が阻害される（図1参照）。1).驚くべきは、薬物は感覚皮質領域に対して明らかな直接的作用を示さないにもかかわらず、事前の曝露によってこれらの領域で予想される変化が妨げられることである (例えば、Kolbら、2003a）。しかし、このような薬物-経験相互作用は一方向的なものではない。幼児ラットに、生まれてから離乳するまで1日3回、細いブラシで15分間の触覚刺激を与えると、成体におけるアンフェタミンの作用が劇的に減弱する (Muhammad et al.、2009）。このような結果は、脳損傷の治療が、薬物歴を含め、人によって異なる履歴を持つため、「一律に対応できない」ことを意味している。可塑的な相互作用に関するわれわれの無知は明らかに大きいが、相互作用は今後、臨床上の重要な関心事として立ちはだかるだろう。さらに、研究室から臨床への単純な翻訳には、またしてもためらいが生じるかもしれない。
頭頂葉のIII 層錐体細胞の頂端 (A,B）および底端 (C,D）の樹状突起枝 (A,C）およびスパイン (B,D ）に対するアンフェタミンと複雑な住環境。枝分かれ：複雑な住環境 (C）は頂端と脳底の両方の枝の数を増加させたが、アンフェタミン (A）は効果を示さなかった。アンフェタミンを事前に投与すると、複雑な住環境下でのハウジングの効果が完全にブロックされた。脊椎：複雑な住環境での収容は脊椎の数を増加させ、アンフェタミンは密度を減少させた。アンフェタミン投与群 (A/C）では対照群 (S/C）よりもスパイン密度が低いままであった (Kolbら、2003aの後）。
可塑性の変化は時間に依存する
可塑的な変化は永久的である必要はなく、時間の経過とともに劇的に変化することもある。このことを最も明確に示しているのが、発火（興奮）に反応する脳の可塑性の研究である。発火とは、電気的刺激と行動的刺激を繰り返すことにより、発作活動が徐々に強まることを指し、脳の感作のモデルとされている（総説はTeskey,2001参照）。電気的発火では、通常、脳の特定部位に1日1回、短時間の訓練で刺激が加えられる (Racine,1972）。発作の発生と発現は、錐体細胞層に依存した樹状突起の配列とスパインの密度の動的な変化と関連している。III層では、発作停止後、樹状突起の長さとスパインの密度が最初に減少し、その後3週間後にリバウンドして増加することが示された。V層では、樹状突起が最初に長くなり、その後リバウンドして3週間後に減少するという、驚くべきことに逆の変化が起こった (Teskey et al.)V層錐体細胞とIII層錐体細胞の間の差効果は、これらの領域が発作の発現と発火の持続的効果に対する脳の適応において異なる役割を果たすことを示唆する。
しかし、時間依存的な可塑性は、電気刺激に限ったことではない。例えば、ラットを複雑な住環境に置くと、前頭前野の樹状突起の長さが一過性に増加し、複雑な住環境に4日後には見られるが、14日後には消失する（図 (Figure2)。2).一方、感覚野では4日後には明らかな変化は見られないが、14日後には明らかな、そして永続的と思われる変化が見られる (Comeau et al.)
ラットの複雑なハウジングに反応したシナプスの変化の模式図。前頭前野の錐体細胞は急性変化を示し、10日ほどでベースラインまで回復する。一方、感覚野や運動野の錐体細胞は、処理後数ヶ月経過してもゆっくりとした変化を示す。
大脳の神経細胞には、慢性的な変化と一過性の経験依存的な変化がある可能性は、複雑な住環境に応答して急性的・慢性的に発現する遺伝子が異なることを示した遺伝子研究 (例えば、Rampon et al.、2000）と一致する。神経細胞ネットワークの一過性の変化と持続的な変化がどのように行動に関係するのか、その違いは不明である。
脳の可塑性に時間依存性があることは、脳が傷害に対してどのように変化するかという問題に関係する。例えば、傷害を受けた後、分子や細胞の変化のカスケードが展開することが知られている。このように、損傷後の数日から数週間の間に、損傷に関連した領域で神経細胞の死とシナプスの萎縮に見られるような退行過程が存在する。時間が経過し、退行過程が安定すると、前脳全体に新しい神経拡張神経回路網がゆっくりと発達する (例えば、GonzalezとKolb、2003）。重要な問題は、再生可塑性を利用し、おそらくは変性変化の進化にも影響を与えるようなリハビリテーションプログラムをいつ始めるのが最も有益であるかということである。私たちはこの点について無知であり、このことが、損傷後にいつ治療を開始すべきかについてほとんど知られていない理由の一つであることは間違いない。
可塑性の変化は年齢に依存する
一般に、成長期の脳は成人期や老年期の脳よりも経験に対して反応しやすいと考えられている。しかし、もう一つ重要なことがある。それは、同じように見える経験でも、年齢が異なると、それに対する脳の反応が質的に異なるということである。例えば、幼若ラット、成体ラット、老化ラットを複雑な住環境に置くと、どのグループも大きなシナプス変化を示したが、その内容は驚くほど異なっていた。具体的には、複雑な住環境に置かれたラットはスパインの密度が増加すると予想されたが、それが当てはまるのは成体ラットと老齢ラットだけであった。幼少時に環境に置かれたラットは、スパイン密度の減少を示した (Kolb et al.,2003c)。その後の研究で、新生児ラットに柔らかいブラシによる触覚刺激を15分間、生後10日間に渡って毎日3回与えたところ、同様の脊椎密度の低下が見られた (Kolb and Gibb,2010）。シナプスの変化の年齢依存的な性質は、小児と成人の神経疾患に対してどのような治療が有効かを理解する上で明らかに重要である。
正常な脳と傷ついた脳では、同じ経験をしても反応が異なることが多い
私たちが行った脳損傷のない動物の脳可塑性に関する研究は、根拠に基づいたリハビリテーションプログラムを設計するための新しい戦略を開発することを可能にするために行われた。その根底にあるのは、正常な脳と損傷を受けた脳は、同じ経験をすれば同じように反応するという仮定だった。しかし、これは必ずしも正しいとは言えない。例えば、私たちは、成人および幼児の脳損傷からの回復を促進するために、損傷後の触覚刺激を用った (Gibbら、2010年;KolbとGibb、2010年）。しかし、実際にはそうではなかった。例えば、周産期前頭前野損傷動物では皮質錐体ニューロンにおけるスパイン密度の増加が見られたのに対し、偽操作動物では減少が見られた。それにもかかわらず、脳損傷動物も偽動物も、未処置の動物に比べ、運動能力や認知能力が有意に向上した。これは予想外のことであり、触覚刺激の有益な効果をもたらす基礎的なメカニズムについて、われわれが無知であることを改めて示すものである。
同じ体験を正常な脳と損傷した脳に与える効果の差は、私たちに考えるきっかけを与えてくれるが、正常な脳を変化させる体験を利用して機能回復を促進する治療法を探す論理を否定するものではない。結局のところ、その治療法はうまくいった。しかし、体験がどのように脳を変化させるかについては、まだ分かっていないことがたくさんあることを思い知らされる。
可塑性ばかりが良いとは限らない
文献の一般的な要旨は、脳の可塑的変化が運動や認知機能の改善をサポートするというものであるが、可塑的変化は行動にも支障をきたすことがある。その良い例が、精神運動刺激剤に反応することで見られる薬物誘発性の変化である (例えば、Robinson and Kolb,2004）。薬物中毒者の不適応行動の一部は、前頭前野ニューロンの形態における薬物関連の変化に起因している可能性があることを提案するのは妥当である。
病的疼痛 (Baranauskas,2001）、病気に対する病的反応 (Raison et al,2006）、てんかん (Teskey,2001）、統合失調症 (Black et al,2004）、痴呆 (Mattson et al,2001）など、他にも多くの病的可塑性の事例がある。脳損傷のリハビリテーションプログラムを設計する際の重要な注意点の1つは、治療が回復を実際に妨げる可能性のある可塑的変化を誘発しないことを保証することである。その一例が、脳卒中後のSSRIの日常的な使用であろう。fluoxetine (Prozac)のようなこれらの薬物は、脳卒中後のうつ症状を予防あるいは軽減するためにしばしば投与される。実験動物を用いた研究はほとんどないが、Keithらによる研究（2007年）は心配である。著者らは、海馬に病変のあるラットにfluoxetineを投与したところ、無処置のラットに比べて空間記憶課題の回復が損なわれたことを明らかにした。WindleとCorbettによる同様の研究では、大脳皮質の虚血性障害からの運動回復に対するfluoxetineの効果について検討されている。著者らは、fluoxetineが脳に様々な可塑的変化をもたらすことが知られていることから、回復を促進するのではないかと仮定した。Keithら（2007）の研究とは異なり、有害な作用もなかったが、有益な作用は見いだせなかった。この結果の違いは、損傷の種類、損傷の部位、行動学的指標に関連している可能性があるが、損傷した脳の病的可塑性を不用意に刺激する可能性があるという問題を示している。
脳損傷モデル動物の使用について
実験用のげっ歯類を用いて人間の状態をモデル化することの難しさの一つは、げっ歯類と人間の灰白質比が異なることであることはすでに言及したとおりだ。しかし、もう一つの問題も同じように問題である。この問題は、実験室で使うのに最も適した傷害の病因は何かという問題に関連している。脳卒中、外傷性脳損傷、認知症などを誘発する方法は複数ある。しかし、どれが最も「自然」なのか。これは重要な問題で、多くの臨床医の中には、ネズミのモデルはヒトの病気とは違うから関係ないと言って、ネズミのモデルを否定したくなる人がいる。これは、神経リハビリテーションについて、人間の疾患とは異なるから一般化できないと言うようなものである。認知症と虚血が異なることは間違いないが、私たちは脳を変える方法を探しているのだから、ある治療法が成功すれば、他の疾患でも試すことができるはずだ。
ヒトの病態の動物モデルでも同じことが言えると、私たちは考えている。しかし、ここで重要な注意点がある。実験室では、治療効果がモデル依存でないことを確認するために、可能な限り複数のモデルを比較することが重要である。GonzalezとKolbによる研究（2003）がここで参考になる。これらの著者らは、いくつかのタイプの脳損傷の効果を比較し、シナプスの変化のパターンは病因に依存するが、すべて時間の経過とともに機能的な改善と相関することを見いだした。例えば、運動皮質への虚血性脳梗塞では、対側の運動皮質と内側前頭前野の両側でシナプス形成が亢進した。同じ組織を切除すると、線条体のシナプス形成が両側で見られた。しかし、不思議なことに、経時的な機能改善は2つのケースで同様であり、機能改善を促進するルートが複数あることが示唆された。著者らは、病因の異なる動物で特定の治療の効果を比較したわけではないが、傷害に対する脳の「自然な」反応が異なることを考えると、リハビリテーションの経験に対する変化も明らかに異なるだろう。重要なのは、その治療法が異なる病因でも同じように有効かどうかということだが、これについても私たちは無知である。しかし、その答えは、この知見を否定するのではなく、どのような治療が効果的であるかを研究することである。
実験動物を使ったモデルで最後に問題になるのは、人間との比較を可能にするために、どのような行動指標が適切かということだ。これは簡単な問題ではない。なぜなら、実験動物では言語に基づいた測定ができないからだ。実験動物の中で最も広く研究されているのは実験用ラットであり、実験用ラットの行動解析に関する膨大な文献がある (Whishaw and Kolb,2005の巻を参照のこと）。一般に、脳損傷の回復に関する研究は、主に運動行動と認知行動という2種類の指標に焦点が当てられている。
当初の運動行動の研究では幅広い分析を行う傾向があったが(例：Kolb and Whishaw,1983)、現在の研究ではスロットからペレットに手を伸ばすなどの熟練した前肢の使用や後肢と前肢の配置の測定など高度な測定が行われている(例：Metz and Whishaw,2002)。脳障害ラットにおける認知機能の測定法のほとんどは、様々な形態の神経心理学的試験でラットを研究してきた長い歴史に由来するものである。機能回復の研究で使用される主要なタイプのテストは、動物の世界について持っている認知表現のタイプについての推論を行うために使用することができる物体認識と記憶の様々な測定 (例えば、Mumby、2005）または空間ナビゲーションの測定 (例えば、Sutherland、2005）である。これらの解析の大きな特徴は、哺乳類では異なる認知処理の基盤となる神経ネットワークが複数存在し、ヒトと同様に齧歯類の異なる大脳領域を評価するために異なる行動指標が必要となることである (例えばMcDonaldら、2004年）。
脳損傷後の神経リハビリテーション
私たちは、新しい神経リハビリテーション戦略を模索する上で、考慮しなければならないさまざまな障害や問題を明らかにした。また、その詳細や複雑さの多くについて、私たちがひどく無知であることも明らかにしたが、それでも、過去20年間に多くのことが学ばれてきた。皮質損傷の影響を調節するために始めるべきことは、表1 .1で見た、正常な脳で神経可塑性を誘導するさまざまな要因を考えることである。最も有益と思われる事象は、損傷後の経験、薬物療法、細胞療法、電気刺激、食事療法としてグループ化することができる。なお、これらの研究はすべて実験動物によるものであるが、それはこのような研究がヒトでは非現実的であるためである。
傷害後の経験
通常の実験動物の研究から、脳と行動の両方を変化させる最も効果的な方法は、動物のグループを複雑な住環境に1カ月以上置くことであることが一貫して示されている(総説はKolb and Whishaw,1998を参照)。複雑な住環境に置かれた動物は、通常、目新しく変化する刺激（おもちゃ、トンネル、走路など）をたくさん受け、たくさん運動する。このような経験は脳を大きく変化させ、最も明らかな変化は脳全体の重量が約5%増加することである。さらに、シナプスの数、アストロサイトの数と複雑さ、血管新生が一般的に増加する。動物たちは通常、幅広い神経心理学的課題において認知機能や運動機能を向上させ、その効果は複雑な住環境の期間よりもはるかに長持ちする。また、文字通り数十の研究室からの研究により、この経験は、皮質切除、皮質虚血、頭部外傷を含む様々な形態の実験的脳損傷からの機能回復を最適化するための最も成功した治療戦略であることが示されている (例えば、Kolb and Elliott,1987; Will and Kelche,1992; Johansson,1996; Biernaskie and Corbett,2001）。複雑な住環境の有益な効果のメカニズムは不明であるが、神経細胞の構造と機能に関連する遺伝子の発現に広範な変化が見られる (Rampon et al.、2000）。遺伝子発現の変化は向神経性因子の合成を増加させ、その結果シナプス可塑性が促進されるのではないかという仮説がある (例えば、Johansson,2000）。
考えるべき重要な問題の一つは、「人間にとって同等の治療法は何か」ということだ。ケージに入れられたラットは実際に奪われているのだから、複雑な住環境はより「普通」にしているだけだと主張することができる。しかし、脳に損傷を受けた人は、病院や自宅など、どちらかといえば簡素な環境に置かれることが多く、社会との接点もほとんどない場合が多いことを指摘しておきたい。また、社会との接点もほとんどない。しかし、これでは、人と同じような治療ができるのか、疑問が残る。ほとんどの研究は、動物を1日24時間複雑な住環境に置いているので、人間の治療法としては非現実的である。私たちの推測では、同等の治療を行うには、毎日激しく、認知療法や理学療法を含む様々な治療が必要になると思われる。もし、脳の深遠な可塑的変化の根底にあるメカニズムがもっとよくわかれば、同等の治療法、つまり同じメカニズムに作用する治療法を設計することができるかもしれない。
複雑な住環境飼育の効果のひとつに、動物が多くの感覚刺激、特に触覚刺激を受けることが挙げられる。そこで私たちは、触覚刺激が回復を促進するのに有効ではないかと考えた。私たちの最初の研究は、周産期の皮質損傷からの回復を調べたもので、前頭部または後頭部の損傷後の空間ナビゲーションと熟練した前肢運動のテストで劇的な回復を示すことができた (Kolb and Gibb,2010）。触覚刺激は1日3回（1回15分）だけ、損傷後2-3週間与え、成体では皮質の錐体神経細胞に明らかな形態的変化がみられた。具体的には、傷害を受けたが何も処置をしなかった動物では大脳皮質錐体細胞の広範な萎縮が見られたのに対し、処置をした動物では機能回復と相関する萎縮の逆転が見られた。また、成体ラットで前頭葉皮質の吸引性病変または運動皮質の虚血性病変を与えた場合にも、同様の結果が得られている (Gibb et al.、2010）。ここでもまた、皮質錐体ニューロンの萎縮が回復することと相関していることが示された。
特に、マッサージは作用機序が不明とはいえ、脳損傷患者の支持療法として古くから用いられてきたことを考えると、触覚刺激の研究結果は刺激的である。触覚刺激の効果は複雑な住環境によるものほど大きくないが、些細なものではなく、刺激の強度（45分/日）は複雑な住環境（24時間/日）よりはるかに小さく、臨床的にはより実用的であると考えられる。しかし、その作用機序はどうなっているのだろうか。考えられるのは、大脳皮質のコリン作動性活性化の増加、向神経性因子発現の増加、大脳活動の増加の3つである。われわれは、大脳皮質におけるアセチルコリンエステラーゼ (AChE）レベルの上昇と、少なくとも一つの向神経性因子である線維芽細胞成長因子-2 (FGF-2)の発現の上昇を、皮膚と脳の両方で確認している (R. Gibb and B. Kolb, unpublished observations)。また、60日間の複雑な住環境での飼育を行った動物の大脳皮質でも、AChEとFGF-2の発現に同様の変化が見られた (Kolbら、1998年）。両パラダイムで観察される他の多くの変化、特に神経成長因子 (NGF）や脳由来向神経性因子 (BDNF）のような他の向神経性因子があることは間違いないだろう。
大脳損傷の動物に直接NGFを利用し、有望な結果を得た研究がある (例えば、Hartら、1978）。後に行われたKolbら（1997）の研究では、大脳皮質の大きな脳梗塞を受けたラットは、残った運動領域で樹状突起の配列が約20%減少し、これがNGFによって完全に逆転することが示された。この研究の結果は説得力があったが、潜在的治療法としてのNGFの難点は、高価であることと、血液脳関門を通過しないため、脳室内に注入しなければならないことである。
理学療法士は、脳損傷に起因する運動障害を、様々な形態の反復運動訓練によって治療することが多い。反復運動訓練は、ヒトでもヒト以外の霊長類でも有効であるという証拠がいくつかある (例えば、Nudoら、1996）。しかし、そのような治療が常に有益であるとは限らず、その違いは、強度や受傷後のタイミングなどトレーニングの詳細に関連している可能性がある。後者の問題は、動物実験でも臨床試験でもあまり研究されていない。週に2,3時間のトレーニングは、実験動物でもヒトの患者でも、わずかな効果しかないようである。私たちの動物実験から得た最善の直感は、少なくとも1日2時間の実際の治療を含む毎日のトレーニングが必要であるということである。
効果的と思われる治療法の組み合わせのひとつは、損傷後の経験を増やすことと、向神経性因子などの他の治療法を併用することである。Witt-Lajeunesseら（2010)は、運動皮質を損傷した動物に、2時間/日の反復リーチトレーニングまたは24時間/日の複雑な住環境とFGF-2を併用した。FGF-2もリーチトレーニングも有益であることは証明されなかったが、Figure3. 3に 示されるように、この併用療法は有効であった。リーチトレーニングとFGF-2の組み合わせは、コンプレックスハウジング単独またはFGF-2との組み合わせと同等の効果があったことに注目してほしい。2つの治療の組み合わせは、複雑な住環境と比較して時間的な負担が少ないため、再び有望視されている。
図3 到達精度は、術前のパフォーマンスレベルに対するパーセンテージで表示。
複雑なハウジングは、すべてのグループでパフォーマンスを向上させた。リーチングトレーニングは、塩基性線維芽細胞増殖因子（bFGF）の注入との組み合わせでのみ有効であった (Witt-Lajeunesseら、2010年より）。
薬物療法
精神運動刺激剤（アンフェタミン、コカイン、ニコチン）は、背側線条体、側坐核、前頭前野の可塑的変化を刺激する (例えば、Lena and Changeux,1999; Robinson and Kolb,2004）。さらに、ニコチン（アンフェタミンやコカインではない）は運動野のシナプス成長をも刺激する。したがって、運動機能賦活剤が脳損傷からの回復を促進するのではないかという仮説は妥当である-特に、ある種の認知または運動訓練と組み合わせて投与された場合。アンフェタミンを損傷後の治療薬として用いた初期の研究では、ラットの運動行動に顕著な効果が見られたが (例えば、Feeney and Sutton,1987; Goldstein,2003）、その後の臨床研究では、その効果はまちまちであった。その理由のひとつは、病変の大きさにあるようだ。MorozとKolb(2005)は、アンフェタミンが局所的な脳卒中とより広範囲の脳卒中からの回復に及ぼす効果を比較した。その結果、アンフェタミンは局所的な皮質損傷ではシナプスの変化と行動の改善の両方に有効であるが、大きな中大脳閉塞ではほとんど効果がないことが明らかになった。
さらに最近、Papadopoulosら（2009）は、アンフェタミンと複雑な住環境の併用が、いずれかの治療単独よりも脳卒中後の運動回復に有益であり、対側投射ニューロンから脱脳した皮質下領域への軸索出芽の増強と相関していることを示した。
他の研究では、ニコチンの損傷後の回復に対する効果を調べ、熟練した前肢の動きにおいて、より大きな損傷後でさえ、有意な有益な効果を見出した (例えば、Gonzalez et al.、2006）。この回復には、脳卒中による萎縮を逆転させる樹状突起の長さとスパインの密度の増加が相関している。したがって、臨床試験にはニコチンが適していると思われ、すでに販売されている徐放性パッチで投与できるという利点がある。ニコチンの難点は、脳梗塞の前にニコチンに暴露されると、回復を促す効果が減弱またはブロックされるように見えることである。おそらく、脳はすでにニコチンにさらされることで変化しており、損傷後の追加投与は効果的でない可能性がある。ニコチンへの先行暴露がアンフェタミンの治療効果を低下させることは十分考えられるし、このことが先に述べた臨床試験におけるアンフェタミンの効果に影響を及ぼしている可能性もある。
メチルフェニデート（リタリン）も前頭前野と線条体に可塑的変化をもたらすので、臨床試験の候補になるかもしれない。メチルフェニデートの損傷脳への効果（または効果なし）を示す前臨床研究（実験動物など）を私たちは知らないが、低用量で処方しているリハビリテーション医がいることは知っている。彼らの論理は、大脳皮質の可塑的変化ではなく、認知リハビリテーション中の注意力を高めるためにこの薬物を使用することに基づいている。われわれの知る限り、メチルフェニデートの効果を検討した無作為臨床試験はない。前臨床試験と臨床試験の両方が必要であることは明らかである。特に小児の治療には有用であることが証明されるかもしれない。
また、脳損傷後の軸索伸長を促進する2種類の化合物の可塑性誘導特性を利用した薬物療法がある。一つ目は、プリンヌクレオシドであるイノシンで、軸索伸長に関与する複数の遺伝子の発現を調節する細胞内シグナル伝達経路を活性化することができる。Chenら（2002）は、片側皮質の脳卒中を起こした成体ラットにおいて、イノシンが損傷を受けていない側の脳神経細胞を刺激し、中脳と脊髄の変性領域に新しい突起を伸ばすことを明らかにした。この成長は、前肢運動スキルのいくつかの指標におけるパフォーマンスの改善と並行して行われた（図（Figure4;4;Zaiら、2009も参照）。より最近では、イノシンは外傷性脳損傷からの回復を促すのに有効であることも証明されている (Smithら、2007年）。この後者の研究では、運動機能の回復を促す上で、イノシンと複雑な住環境の有効性を比較した点が特徴であった。複雑な住環境を与えられた動物はより早く回復したが、28日後、イノシン処置された動物は複雑な住環境を与えられた動物と機能的に変わらなかった。
図4 脳卒中と主要な皮質神経伝達経路の模式図．
(A）右中大脳動脈閉塞により、感覚運動野をはじめとする右半球が片側ずつ損傷した。左半球の大脳皮質を起点とする経路として、大脳皮質神経回路（緑）と大脳皮質脊髄路（青）が追跡された。(B)前脳の冠状断で、傷害の範囲（黒）と無傷の大脳皮質脊髄路（青）および大脳皮質葉状路（緑）の起始細胞を示す。(C)感覚運動野から同側の赤核への投射。D）無傷の半球からの皮質脊髄路投射は尾側髄質で分枝し、対側の背側舟状突起を通り、主に頸部および腰部拡大脊髄の第4-6層の間膜にシナプスする。イノシンによって誘導された脱神経側への側副投射を赤で示した (Chenら、2002年による）。
第二の化合物は、脊髄と大脳の両方の損傷後に軸索再生を阻害する分子であるNoGo-Aに対する抗体である（レビューについては、Schwab,2004を参照）。Papadopoulosら（2006）は、NoGo-Aに対する抗体の投与が、イノシン研究と同様に軸索の生成を刺激し、さらに大脳皮質錐体ニューロンにおけるシナプス形成を増加させることを示した。これらの形態学的変化は、熟練リーチングの測定における機能回復と相関していた。
細胞治療
成体前脳からの多能性神経幹細胞の分離および同定 (ReynoldsおよびWeiss、1992）ならびに齧歯類およびヒトの両方における側脳室下帯 (SVZ）へのその局在 (Morsheadら、,1994; Doetsch et al.,1999; Sanai et al.,2004）、吻側前脳ニューロン新生の治療の可能性に大きな興味を抱かせた (Alvarez-Buylla and Lim,2004; Lie et al.,2004; Lindvall et al.,2004）。齧歯類および非ヒト霊長類では、SVZ NSCsの通常の生物学的機能は、新しい嗅覚介在ニューロンの生成である (DoetschおよびHen、2005）。最近、一連の研究は、脳卒中の中大脳動脈閉塞モデルによって、SVZ内の増殖が促進され、虚血皮質および線条体に向かう神経細胞の移動、およびその後の少数の新しい神経細胞への分化が生じるという証拠を提供している (Arvidssonら、2002;Parentら、2002;Jinら、2003;Zhangら、2004）。この現象は、重大な脳損傷を修復するには不十分であることは明らかであるが、シグナルを選択的に組み合わせることで、大脳皮質のような主要構造物において実質的な機能的組織再生が起こるように、このプロセスを強化することができるかもしれない。
上皮成長因子 (EGF）は、試験管内試験および生体内試験の両方で、成体前脳SVZ神経幹細胞に対する強力なマイトジェンであることが知られており (Morsheadら、1994; Craigら、1999）、したがって、成体前脳実質へのニューロン移動を支援する放射状グリア細胞の生成を通して前駆細胞の再方向性を特に支援することができる (GregとWeiss、2003）。EGFを生体内試験で注入する際の一つの難点は、前駆細胞の増殖は見られるものの、これらの細胞は通常ニューロンに分化しないことである。この問題に対する一つの解決策は、エリスロポエチン (EPO）が神経前駆細胞からのニューロンの分化を促進できることを利用することである (Shingoら、2001年）。
Kolbら（2007）は、運動皮質に脳梗塞を起こしたラットの側脳室にEGFとEPOを組み合わせて注入し、脳室下帯の新しい細胞の成長を刺激することができた。細胞追跡調査の結果、細胞はSVZから梗塞部位に移動し、グリアと未熟な神経細胞を含む組織のプラグを形成した（図（Figure 5)．5).このプラグの形成は、前肢の熟練運動のいくつかの指標における運動機能の向上と相関していた。再生した皮質組織を除去すると、すぐにではないが、機能回復が反転した。このことは、新しい組織が機能回復に何らかの役割を果たしたものの、それは間接的なものであり、おそらく梗塞周囲の組織の機能に影響を与えたのだろうということを示唆している。その後の研究で、より後方の損傷に対するEGFおよびEPO治療の同様の効果が見出された。例えば、後頭頂梗塞によって誘発された対側無視は、EGFとEPOの治療によって回復を示し、ここでも病巣腔内に組織プラグが存在した。
図5 上皮成長因子+EPOの注入により、局所脳梗塞後の運動野の組織再生が行われた。
(A,B)実験パラダイム。0日目に血管を切断した後、脳卒中後7日目から対側半球に脳室内カニューレを介してEGFおよび/またはEPOを注入した。EGFは7日間注入し、その後EPOを7日間注入した。(C,D)CSF+CSF (C）またはEGF+EPO (D）を注入した病変脳（脳卒中後42日目）の背面写真。脳梗塞では慢性空洞が生じたが、EGF+EPOによる治療では新たに生成した皮質組織の発達が見られた。(E-H）CSF+CSF病変脳 (E）およびEGF+EPO病変脳 (F）の病変腔を示す冠状クレジルバイオレット染色切片。後者の脳では病巣腔が組織で満たされている。EGF+EPO脳の無傷の半球には運動野に特徴的な明確な層があるが (G）、新たに生じた皮質組織には明らかな組織はなく、I層が全くない (H） (Kolbら、2007を改変）。
これらの知見は、成長因子の特定の組み合わせにより、内因性の成体神経幹細胞を動員し、脳卒中後の機能回復を促進することができることを示唆している。一つの難点は、EGFは血液脳関門を通過しないので、脳に直接注入しなければならないことである。StricklandとWeissによる予備研究では、血液脳関門を通過するプロラクチンをEPOと組み合わせて使用し、EGFとEPOの結果を再現した (T. Strickland and S. Weiss, personal communication, 2009)。
線維芽細胞増殖因子-2はまた、SVZの前駆細胞に対する強力なマイトジェンである。Sunら（2009）は、成人期に外傷性脳損傷を受けたラットの側脳室内にFGF-2を注入した。FGF-2処置は歯状回での細胞増殖を刺激し、空間ナビゲーションの測定において認知機能の回復を促した。運動皮質に片側虚血を受けたラットの並行研究において、Lekerら（2007）は同様の結果を見いだした。FGF-2が回復を促すというのは心強いことだが、FGF-2は若い成体ラットだけに有効で、高齢のラットには効果がないという指摘もある (Wonら、2006年）。
EGFに対するFGF-2の利点の1つは、血液脳関門を通過することで、侵襲的な投与方法を用いずに回復に影響を与えることが可能であるはずだ。Monfilsらによる一連の研究（2005、2006、2008）は、10日齢のラットに運動皮質病変を与え、その後FGF-2を皮下投与した。この研究では、失われた組織の再生、機能回復、そして機能的な大脳皮質-脊髄投射の証拠が示された。不思議なことに、FGF-2による再生は年齢と部位に依存したものであった。したがって、10日目の損傷後の再生には有効であったが、3日目の損傷には有効でなかった (Comeau et al.)さらに、前頭前野と運動野の10日目の損傷後にFGF-2を投与すると再生が促進されるが、より後方の損傷後に同様の処理を行うと再生が促進されない。おそらく、新しい細胞が移動しなければならない距離が長くなるためであろう。しかし、今回もまた、後方部位の再生は見られなかったものの、FGF-2は機能回復を促進させた。これらの知見は、少なくとも2つの別々のFGF-2関連メカニズムが働いていることを示唆している：有糸分裂とシナプス形成である。
電気刺激
脳を直接電気刺激して、運動時の局所的なニューロン活動を調節することは、脳卒中後の行動回復を促進するために有望である。中心的な考え方は、脳梗塞周囲の大脳皮質を刺激することで、前肢を伸ばすような行動の原因となる機能的な神経ネットワークへのニューロンの採用が促進されるというものである (Brown et al.、2003）。このように皮質刺激は、おそらく活動依存的なシナプス可塑性を高めることによって、行動療法中の補助的な治療法として機能する。その証拠に、感覚運動野に梗塞のあるラットの研究では、梗塞部周辺に配置した電極による皮質刺激と組み合わせることによって、運動機能のリハビリテーションの効果が向上することが示されている (Adkinsら、2006）。まず、前肢の運動を誘発するための最小電流量を決定する。これは、電極が適切な場所に設置され、所望の筋肉の動きを誘発することができることを研究者が知ることができるため、重要である。ちなみに、この方法を用いた脳卒中患者の第III相臨床試験は、刺激レベルが不十分であったこと（運動が誘発されなかった）、電極の位置が不適切であったことから、有効性を示すことができなかったということがある。このように、ヒトと非ヒトの実験操作を密接に並行させることが重要であることは、明らかな結論である。電極の埋め込みから回復した後、前肢の熟練した使い方を必要とする行動課題を毎日訓練する間、動物は運動を誘発するために閾値以下の強度（通常50%）で電流を受けることになる。様々な虚血モデル（エンドセリン-1、膿皮症、電気メス）を用いたいくつかの研究室では、初期運動閾値の40～70%、50～100Hzの間で双極または単極刺激による有効性を示している。
このような機能的効果の基盤となる神経メカニズムの詳細は、まだわかっていない。しかし、皮質刺激による到達成功率の向上は、感覚運動皮質の刺激領域における様々な神経可塑的変化と一致している。ある研究室では、V層樹状突起の表面密度の増加、多シナプスブトンを持つシナプスの密度の増加、より効果的と推定される穿孔したシナプス後密度の増加を観察した (Adkins-Muir and Jones、2003;Adkinsら、2008）。ラット (Kleim et al.,2003）やサル (Plautz et al.,2003）でも運動マップの拡張が起こっている。運動皮質誘発電位の多シナプス成分（ネットワークを介して神経活動が伝播することを示す）が増加することが観察された (Teskey et al.、2003）。これらの増強はすべて、リハビリテーションを単独で受けた比較群に比して観察された。おそらく、これらの機能的改善を仲介する特定の神経メカニズムを理解することは、脳損傷後の運動「再学習」を改善するわれわれの努力に役立つはずだ。
ダイエット
一般に、身体は良い栄養を与えられたときに良く治ると考えられているので、皮質損傷からの回復がビタミンやミネラルの補給によって促進されるかもしれないと予測することは合理的である。成人の脳損傷後のこの可能性についての研究はほとんどないが、周産期の食事性コリン補給は実験用ラットの行動と脳の両方に様々な変化をもたらす (Meck and Williams,2003）。例えば、周産期のコリン補給は、様々な空間ナビゲーションテストにおける空間記憶の強化につながり (例えば、Meckら、1988;TeesおよびMohammadi、1999）、海馬および新皮質におけるNGFのレベルを増加させる (例えば、Sandstromら、2002）。Halliwell and Kolb,(2003) は、妊娠中のラットの飲料水にコリンを添加し、離乳まで投与を継続した。新生児前頭前野病変を有するラットにコリンを投与したところ、様々な認知課題において有意な機能回復が認められた。この機能回復は、皮質錐体細胞の樹状突起の伸長と相関していた。続いての研究では、ヒトの双極性障害患者の治療に有効であることが判明している処方を用いて、ビタミンとミネラルを強化した食事をダムとその子犬に与えた (Kaplanら、2001、2004）。コリン処理と同様に、皮質錐体細胞の樹状突起の成長と相関する回復の促進が見られた (C. Halliwell and B. Kolb, unpublished observations)。
食事が初期の皮質損傷後の回復を促すのに重要である可能性は、Dabydeen ら（2008）の研究によってさらに裏付けられている。周産期の脳損傷を受けたヒトの新生児を、高エネルギー（推奨平均摂取量の120%）または平均（推奨平均摂取量の100%）のエネルギーとタンパク質の食事にランダムに割り付けた。回復への効果があまりに劇的だったため、研究は途中で打ち切られ、すべての乳児に高エネルギー食を与えることができた。このような研究では、シナプスの成長を直接解剖学的に測定することはできないが、非侵襲的イメージングにより、皮質脊髄路の軸索径、長さ、重量も有意に増加することが示された。
結論
脳可塑性や損傷からの回復の動物モデルによって、機能改善の基盤となる媒介プロセスの性質やメカニズムが明らかになり、適切なターゲットにリハビリテーション戦略を向けることができるようになった。ラットを複雑な住環境に置くと、様々な年齢、様々な病因の脳損傷後の機能回復に役立つことが、動物実験を通して一貫して証明されている。ヒトで同等の治療法があるかは不明だが、複雑な住環境での治療は、他の治療法と比較するための「ゴールドスタンダード」として有用である。また、向神経性因子や行動的リハビリテーションなどの治療法の組み合わせが最も効果的であることが期待される。
私たちは、神経生物学的な変化と行動の相関関係を強調してきたが、この2つを結びつけるメカニズムについては、まだ比較的無知なままだ。しかし、一般に脳損傷は異なる神経ネットワーク内の結合の喪失をもたらし、治療によってこれらの喪失を回復させると同時に、損傷の影響を直接受けていないネットワークでの新しい結合の生成を促すことが可能であることは分かっている。後者の変化は、代償メカニズムの発達を反映していると考えられ、これは本質的に学習の一形態である。
実験動物の研究に基づくリハビリテーション戦略の適用は、まだ実現されていない。しかし、齧歯類の研究結果は、多くのリハビリテーション戦略をかなり容易に実施できることを示唆している。これまでの動物実験がもたらした大きな貢献は、（1)早期脳損傷後のリハビリテーションプログラムが有効であること、（2)その有益な効果をもたらすメカニズムが明らかになったことであろう。後者は特に重要である。というのも、現在、脳損傷者に行われている治療のほとんどは、なぜその治療が有効なのかを理解した上で行われていないからだ。治療がなぜ効くのかがわかれば、より効果的な新しい治療法の開発に向けて、特定のターゲットを特定することができるようになる。
利益相反に関する声明
著者らは、本研究が利益相反の可能性があると解釈される商業的または金銭的関係がない状態で実施されたことを宣言している。