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pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/32007381/
臨床神経生理学／臨床神経生理学(2020) 50, 55-68
2020年1月29日オンライン公開
キーワード 皮膚からのフィードバック 足底 姿勢制御 感覚構造 足指
概要
足は姿勢制御のメカニズムにおいて重要な感覚構造を構成している。足裏は身体と地面の間の直接的かつ唯一のインターフェースであり、我々が環境を感じ、相互作用することを可能にしている。足裏の筋および皮膚求心性によってもたらされる感覚情報は、直立する能力に寄与し、姿勢動揺は空間における身体の位置と動きの両方を検出するために必要である。
足底の皮膚感受性の低下は、加齢や、糖尿病や化学療法の影響による様々な末梢神経障害などの神経障害の結果として自然に起こる。この感受性の低下は、これらの人々における姿勢制御の低下や転倒のリスク上昇としばしば関連している。この包括的なレビューの目的は、立位バランスにおける足底の触覚および筋肉フィードバックの機能的役割を支持する証拠と、このフィードバックが加齢や疾患によって損なわれた場合の姿勢の影響をまとめることだ。
これにより、足底皮膚フィードバックの質を向上させるための介入戦略を開発する上で、新たな臨床的視点がもたらされる。また、バランス障害、特定の慢性疼痛症候群、神経疾患、転倒の危険性がある患者の管理における有望なアプローチであると思われる。
はじめに
人間の姿勢制御は、視覚、前庭、固有受容器、触覚受容器からの感覚入力が関与する複雑なプロセスである。これは、任意の姿勢または活動中にバランス状態を達成、維持または復元する行為と定義することができ [132] 、受動および能動力学的制御の両方の組み合わせに依存する [191]。
受動的制御とは、関節の剛性および運動学的特性，ならびに重力に よって関節に及ぼされる影響のことである。能動的制御は、揺れの検出と揺れ後の補正を担う骨格筋の神経制御によって特徴付けられる [9,140]。
姿勢不安定性は、高階層的な姿勢制御と異なる脳領域の活性化を必要とするようである [144]．姿勢不安定が皮質脊髄路に及ぼす促進効果は観察さ れており [154] 、背景となる運動活動の既存のレベルに依存 している可能性がある [81] 。
さらに、運動課題によって感覚伝達の促進が生じ [14,109]、フィードフォワード機構に重要な役割を果たす可能性がある [109]。感覚的相互作用（すなわち、前視覚と触覚）および皮膚反射を 含む自動プロセスは、姿勢の制御に寄与している [64,166]。
1つまたは複数のセンサーからの信号が利用できないか、または途絶えた場合、姿勢の安定性が低下することがある。バランスが乱れると、皮膚メカノレセプターによって一連の皮膚姿勢反射による姿勢調整が開始されることがある [12,93,119] 。
* *
足が姿勢制御のメカニズムにおいて重要な感覚構造を構成していることは明らかである。身体と地面との直接的かつしばしば独特な接点である [63]足部によって、我々は環境を感知し相互作用することができる。この能力は、筋肉活動および足が発揮する圧力を制御する運動系と体性感覚求心系との間の協調によってもたらされる。
体性感覚フィードバックは、皮膚にある皮膚機械受容器や、ほとんどの骨格筋にある筋紡錘状終末など、さまざまなソースから発生し、触覚と固有感覚を一緒にフィードバックしている。足底の皮膚神経求心性神経は、足の裏にかかる圧力の変化と皮膚の伸縮に関する空間的・時間的フィードバックを伝達する [58,63,179] 。
この感覚的なフィードバックに応答して、姿勢筋によって正しい姿勢反応が引き起こされる [148,176,177]。このように、足部は重力および地面反力に応 じて直立姿勢に寄与している。この包括的なレビューの目的は、立位バランスにおける足底感覚触覚および筋肉フィードバックの機能的役割と、このフィードバックが加齢や疾患によって損なわれた場合の姿勢の結果を裏付ける証拠を要約することだ。
足底の皮膚感受性の低下は、加齢に伴い自然に起こる [127,129] と共に、異なる末梢神経障害 (PN) [129,133,178] を含む神経障害の結果生じる。この感受性の低下は、これらの集団におけるより悪い姿勢制御 [94,153]および転倒のリスク増加と関連している [69,80,133,178]。
PNは、外傷、感染症、炎症および免疫不全プロセス、代謝問題、遺伝的原因および毒素への曝露など、さまざまな病因から生じるが、糖尿病および化学療法に関連したPNが最も一般的である。このレビューの目的は、第一に、感覚構造としての足底とバランス維持との間の重要な関係を説明すること、第二に、この感覚構造が老化や疾患によってどのように変化しうるかを示すことだ。
このレビューでは、足裏の皮膚と筋肉の受容体の役割を強調することによって、足裏の感覚システムの末梢プロセスに関するものがほとんどである。皮膚と筋肉のスピンダルフィードバックに関するその他のレビューとして、著者は以下の著作を推奨している。Strzalkowskiら, [164]、ProskeとGandevia [137]、MacefieldとKnellwolf [89]。
本総説は、感覚構造としての足底に関する新たな臨床的視点に科学的裏付けを与えることを目的とし、足底を刺激することを目的としたいくつかの介入プログラムが、いかに立位バランスを改善することができるかを強調する。
感覚構造としての足底
足裏の筋および皮膚求心性神経によってもたらされる感覚情報 [87] は、我々が直立する能力に寄与している。足の固有筋と足底のglabrous皮膚は、脛骨神経によって供給されている。脛骨神経は、ヒラメ筋のアーケードから足首の後内側に沿って踵骨管に伸びる混合神経である。
脛骨神経は、足首の後内側に沿って走行し、遠位で外側足底神経と内側足底神経に分岐し、足の平面-足底表面の皮膚神経の大部分を供給している。脛骨神経からの出力は、足部の広範な運動神経を供給している。この神経支配は、伸展を除くすべての足趾の運動に寄与し、また足趾の縦アーチの維持を助ける [73]。
筋肉求心性神経
筋紡錘は、骨格筋内に見られる機械感覚終末である。筋紡錘は、筋の伸張と伸張率に敏感であり、関節の角位置と運動速度を符号化する [137] 。一次紡錘線維は大径のIa型感覚ニューロンを用いて筋長変化の速度に関するフィードバックを伝え、二次線維はより小さなII型ニューロンを用いて静的な筋長に関する情報を提供する [89]。
足部の固有筋に存在する筋紡錘は、筋長の固有感覚フィードバックを提供することで、直立姿勢の制御に寄与している [89]。内側アーチの役割は、立位バランスを行う際の姿勢維持に重要であることが示唆されている[66]。趾や中足骨の操作時に前脛骨筋や腓腹筋のEMG反応が報告されており、足部からの感覚入力が足首に作用する筋の反応を誘発することが議論されている[192]。
このことは、固有筋の足指屈筋としての機能 [42]に関連する可能性があり、これらの筋内の筋紡錘は、支持基底面上の身体の位置を報告することができると考えられる。これらの紡錘状求心性神経の大部分は、自然な安静位では沈黙しているが [73]、起立時には紡錘は緊張性放電を示し、位置の一過性の摂動に反応する [73,150] 。
感覚求心性神経は、体性感覚神経系における特異的なコード化メ カニズムであり、活動する筋紡錘の終末数の増加は、足からの感覚 フィードバックの重要なソースとなるようだ [73]。この文脈では、足部固有筋の筋紡錘は、自然な直立姿勢の制御において役割を果たす有用な固有感覚フィードバックを提供する [74]。
図1 足底からの皮膚機械受容器の組織
原文参照
足底のglabrous skinの深部には、4クラスの皮膚メカノレセプターが分布している。これらは、大径のAb有髄求心性神経を経由して中枢神経系に情報を伝える。足裏の各親電線の神経支配密度（単位/cm2 ）の近位-遠位勾配と内側-外側勾配を示す。神経支配の密度が高いほど黒く、低いほど薄いグレーで表示。
FAI: 適応の速いタイプI; FAII: 適応の速いタイプII; SAI: 適応の遅いタイプI; SAII: 適応の遅いタイプII.
皮膚求心性神経
皮膚感覚は、皮膚で経験する圧力、伸縮、振動などの触覚刺激に続いて知覚される一連の感覚を特徴付ける [58,62,63,180] 。特殊な足底の皮膚機械受容器 [2,27,67,85] は、これらの機械的な力を活動電位の形で中枢神経系 (CNS) に伝達する。
このフィードバックの質は、メカノレセプターとそれが存在する組織のバイオメカニカルプロパティに依存する。立位バランスの場合、触覚情報は、足と地面との接触により誘発される足底の皮膚の変形から生じる。皮膚機械受容器と感覚求心性神経の組み合わせは、触覚情報を中枢神経系に伝達するための基本的な機能単位を構成している。
マイクロニューログラフィーの開発により、皮膚と筋肉からの異なる機械受容性求心性の詳細な分析が可能となった [73,88]。形態学的観点からは、皮膚受容器は一次感覚ニューロンの遊離またはカプセル化された神経終末から構成されている [98]。
皮膚機械受容器には4つのサブタイプが存在する（図1）。Ruffini神経終末とMerkelディスクは、圧痕の間、より長い時間発火を維持し、これらの神経はゆっくりとした適応（SA）として分類される。これとは対照的に、孔道筋とマイスナー小体 は、最初の接触後急速に発火を停止し、その求心性神経は速順応型 （FA）に分類される [75,88,98]．皮膚求心性神経は、受容野の特性によってさらに細分化される。
タイプ I の求心性神経は、境界が明瞭な小さな受容野を持つ。タイプⅡの求心性神経は、受容野が大きく、境界が拡散している [67,139,179]。メルケル円板とマイスナー小体に支配される求心性神経はタイプ I に分類され、ルフィニ終末と皮質筋に支配される求心性神経はタイプ II に分 類される。
メルケルディスク (SA I) とマイスナー小体 (FA I) は最も表層にあり、真皮表皮接合部のレベルに位置し、ペーシニアン小体 (FA II) とルフィニ終末 (SA II) は皮膚の深部に位置している [55,61] （図1）。
各クラスの皮膚求心性神経は、皮膚の特定の機械的変形に敏感で反応する [161,163]。振動、圧力または伸張が皮膚に加えられると、皮膚受容体はイオンチャンネルを開き、膜を脱分極させることで発電電位を生成する。発生電位が興奮閾値に達すると、1つまたは複数の活動電位またはインパルスが誘発され、軸索に沿ってCNSに伝播する [147]。
FA求心性神経は、足の皮膚にかかる圧力分布の変化に関する情報を提供する [63]。FAタイプI求心性神経は、一般に、皮膚接線方向のせん断力に関する情報または皮膚への正常な接触に関する情報を提供する。また、その受容野が関節の近くにある場合、皮膚の伸縮を誘発する関節運動によって活性化されることがあり [37,38] 、FAタイプII求心性神経は皮膚の伸縮を予測することが多い [3,4]．皮膚の伸縮は運動感覚に重要であるように思われる [85] 。
FA受容体は皮膚の動的変形に敏感であるため [60] 、バランス制御と安定性において動的な役割を果たすと考えられている。足と地面との間の圧力分布に関する空間的情報を提供することにより [62,116,126] 、SA求心性神経は静的な機械的圧力刺激に対して特に敏感である [54,61] 。SA求心性神経は、足裏の体位に関連した緊張性反応を提供すると考えられている。しかし、それらは動的な合図も提供する。
図2 足底全体の皮膚求心性神経の分布と神経密度の推定
原文参照
Strzalkowskiら[164]によると、足底皮膚求心性の分布は、踵からつま先にかけて、また内側から外側にかけて増加し、主にタイプFAIの求心性によって駆動されている。(A) 円グラフは、足指、中足骨頭、土踏まず、および踵における各親電性タイプの分布のパーセンテージを示す。
(B) 足の近位-遠位勾配と内側-外側勾配を表し、足指と外側領域では神経密度（黒）が高く、かかとと内側領域では神経密度（薄灰色）が低い FAI, fast-adapting type I; FAII, fast-adapting type II; SAI, slowly adaptting type I; SAII, slowly adaptting type II.
足底の神経支配の特徴
最近、Strzalkowskiら[164]は、公開[41,67,85,161]と未公開のマイクロニューログラフィー脛骨神経記録を組み合わせて、足底の皮膚求心性発火閾値と分布を調査している。本研究では、合計364個の足底の皮膚機械受容器が同定された。
このサンプルは、遅い適応のタイプIが63個（17%)遅い適応のタイプIIが74個（20%)速い適応のタイプIが184個（51%)速い適応のタイプIIが43個（12%）であった。足底全体では、FA求心性神経はSA求心性神経よりも常に発火閾値が低い（足の中央値：FAI 0.69g、FA II 0.5g、SA I 1.74g、SA II 10.0g） [163]．足からの閾値求心性神経は手のそれよりも高く (手の中央値: FAI 0.06 g, FA II 0.05 g, SAI 0.13 g, SA II 0.76 g) [59,60] 、立位のバランスの高い力に対する同調を反映していると思われる。
Strzalkowskiら[164]は、足底皮膚求心性の分布が踵からつま先へ、そして内側から外側へ増加し、主にタイプI求心性によって駆動されていることを明らかにした(図2)。足底の皮膚求心性神経の分布は、触覚が相対的に重要な領域を示していると考えられる（図1）。
足指と外側境界線からのI型求心性フィードバックは、立位バランスの制御において特に重要な役割を果たすと考えられる（図2）。足指は、支持基底面の物理的な限界を示すことができ、適切な姿勢反応を引き起こすことができる重要な感覚部位であることが、高い受容体集団によって同定されている [192]。
足趾は支持基底面の前方限界を決定する [164,192] 。足指の筋肉の活性化により、矢状面の圧力中心(CoP)の動きを 支持基底域の範囲内で制御することが可能である [121,176]．同様に、両足の外側境界線は、正面平面における支持基底面の境界を規定している。
重心(CoM)が支持基底面の横方向の限界を超えて移動すると、転倒を防ぐためにステップ反応が起こりうる [99]。FAI求心性神経は、下肢 [41] および上肢 [10] 運動ニューロンとの強いシナプス結合があるため、足指と外側足底境界部 [164] に比較的大きな密度があり、バランス制御において重要な反射的ループの促進に役立つと考えられる（図2）。実際、足底境界部 [128] や足指からの皮膚フィードバックを増加させると、様々なカテゴリの人々においてバランス能力が変化することが示されている。
皮膚反射
下肢筋の皮膚反射は、姿勢に重要な役割を果たす [30,48]。いくつかの研究は、ヒトの足底の皮膚求心性から生じる基礎的な反射の証拠を提供している。足底の機械受容器からの求心性神経は、足首に作用する 筋肉を支配するニューロンプールと多シナプス反射接続を有 している [6,41] 。
異なる神経からの皮膚求心性神経は後角から脊髄に入り、収束して共通の脊髄介在ニューロン上でシナプスし、興奮性を調節して機能的に関連する運動ニューロン群の興奮と抑制を生み出す [115] 。腓骨神経や脛骨神経に支配された足からの皮膚求心性神経を非侵害的に電気刺激すると、発症潜時が40msと早く、200msまで続く一連の波が誘発され[6]、足首について働く筋肉に複雑な興奮性・抑制性の効果が生じる[6,41,196]。
例えば、脛骨神経に軽い刺激を与えると、足底皮膚神経から足首伸展筋への短時間の抑制経路が、足底をサーフェスに接触させる被験者において可能となる[1]。足底から発生する皮膚求心性神経の興奮は、同側の伸筋運動ニューロンの長時間の促進を引き起こし [41] 、膝と足首の伸筋に交差抑制性シナプス後電位を誘発する [36]（※2） 。これらの効果は、以下のことに関連していると思われる。
- Ia求心性神経終末に作用するナプス前抑制に対する足底皮膚求心性神経の作用 [56];
- 相互神経との相互作用 [146];
- Ib抑制経路への作用 [130,131]。
また、ヒトでは下腿筋を神経支配する足底反射が高度に部位特異的に組織化されているようであり [41,113,194,195]、これらの皮膚反射の大きさは姿勢によって強く変化する [1,21,77]．刺激の軌跡をつま先から踵へと系統的に移動させると、反射符号の大きさの漸進的な変化と反転が生じた。
ヒラメ筋と前脛骨筋については、足底のほぼ中央外側に境界があるようで、そこでは反射の符号が反対方向に切り替わる[113]。前足部刺激では、ヒラメ筋と内側腓腹筋に抑制性反応、前脛骨筋に興奮性反応が生じた。踵の刺激に続いて、反対の効果が誘発された[113]。
足底の外側縁の第5趾から踵までの全身的な刺激により、このヒラメ筋と前脛骨筋の反射の逆転が足底のほぼ中央付近で起こることが示され、これまで腓骨神経や脛骨神経刺激により明らかにされていたよりも、運動出力の微細な彫刻においてより高い解像度を提供することが示された。
足底への非疼痛性電気刺激による前脛骨筋とヒラメ筋の興奮性・抑制性皮膚反射の機能的構成は、随意収縮中に実証された[155]。さらに、下腿筋の皮膚反射の中潜時成分は、筋が姿勢的に活動しているときよりも、筋の随意収縮時に記録されたほうが有意に大きかった[47]。
また、前足外側と踵の刺激は長腓骨筋に興奮性反応を引き起こすが、前足内側の刺激に続いて抑制性反応が引き起こされることが観察された[113,114]。触覚刺激は姿勢の不安定化を模倣するため、足関節の安定化を通じて不整地に対抗するために長腓骨筋の反応を調節することが示唆された[113,114]。
最後に、これらの筋肉が立位で活動するとき、皮膚 フィードバックは運動ニューロン出力を調節する役割を果た し、それによって立位の安定化に貢献する可能性がある [6]．
足底の感覚的寄与：固有感覚と触覚の相互作用
足底からの感覚フィードバックは、身体の向きの変化を感知し [64]、姿勢の揺れを制御するために重要である [100,120,193,197]．足底入力による身体の垂直性の空間コーディングは、片足または両足間の異なる部位にかかる圧力の刻々と変化するコントラストに起因する [63,145]。
足底からの皮膚求心性神経は圧力スケールで符号化され、身体 の向きに関する空間的関連性のある手がかりとして復号化される [145]。足底の皮膚圧の変化は、足がどのように地面と接触しているか、そしてその後どの程度体勢を調整しなければならないかを知らせる可能性がある [145]。
皮膚-神経機械受容器は、表面接触圧に関する情報をフィードバックし、姿勢の連続的な変化を感知するのに役立つ [105]。皮膚メカノレセプターは、体位と支持状態について中枢神経系 (CNS)に通知することにより、外受容 [97] および固有受容の処理に機能的に関与していると考えられる [145] 。
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足首の固有感覚フィードバックは、立位での姿勢の揺れを検出するための敏感な手段でもあり [43,44]、足首の位置と動きを認識するために皮膚 [3,85,103] と錘 [5] の両方の手がかりが寄与することを裏付ける強い証拠が存在する。
足首周囲の皮膚からの情報は、足首関節の背屈・底屈の両角度における運動感覚タスクに必要である[85]。さらに、健康な若年成人の足背と前下肢の皮膚感受性の一過性の 低下は、受動的関節位感覚を損ない [85,86] 、歩行中の下肢運動学 を変化させることが示されている [53]．同様に、MildrenとBent [103]は、低周波と高周波の振動によって発生する足からの皮膚入力が足関節の固有感覚に影響を与え、この影響は足関節の角度によって調節されることを示した。
これらの結果は、足底からのFA皮膚入力[103]と足首からの固有感覚信号[85,103]の間の強い相互作用を強調するものであった。そして、この類似性が共処理を促進することが示唆され[4]、筋と皮膚の情報が互いに影響し合っている可能性が高いことが示された。また、皮膚と固有感覚に由来する姿勢応答は周波数に依存することがわかった[64]。
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また、触覚と体性感覚は、身体的・環境的な制約によって姿勢制御への関与が異なる可能性があり[64]、姿勢制御の目的に対して相補的な機能を果たしている可能性がある。
加齢や疾患による変化
体性感覚情報は直立立位の制御に重要であり、姿勢動揺は空間における身体の位置と動きの両方を検出するために必要である。静かに立っている時の比較的小さな体の動きは、様々な感覚受容器、特に体と地面との直接的な接点を構成する足底の皮膚機械受容器を刺激するのに十分なものである。
これまでの研究で、加齢や疾患によって受容器の形態（受容器の密度や弾力性の低下）や生理状態（神経伝導の低下）が変化することが分かっている。足底の皮膚感受性の低下は、加齢に伴い自然に起こる [128,129] と共に、異なる末梢神経障害 [129,133,178] を含む神経障害の結果生じる。
この感受性の低下は、これらの集団におけるより悪い姿勢制御 [94,153]および転倒のリスク増加と関連している [69,80,133,178]．
加齢
足からの体性感覚情報の正確な検出と統合は、バランス制御にとって重要であり [20] 、末梢感覚受容体の変性は、外部環境との相互作用中に足の裏からの情報を検出する能力の低下をもたらす可能性がある [57,127] 。通常の加齢は、皮膚の機械的特性だけでなく、皮膚受容体の密度、形態および生理学の変化をもたらす。
加齢に伴う皮膚求心性の低下は、転倒 [57,142] ならびに歩行および平衡障害のリスク増加の一因であると仮定されている [32,84,101]．FA受容体は加齢に伴い構造変化を示し、その数は減少する [13,23,46,151,157]。
いくつかの研究では、健康な被験者の若いグループと高齢者グループの感覚閾値テストを比較している。高齢者の足は、機械的刺激（触覚および振動）に対する感度が若年者よりも有意に低かった[68,104]。高齢者における触覚閾値は、有意に増加する [174]。
これは、皮膚のパシニアン小体、マイスナー小体、メルケル小体 の密度や分布が低下し、空間視力が低下するためと考えられる [13,46,151,157]．この皮膚メカノレセプターの密度と分布の減少は、臨床的には、特に母趾における振動知覚または触覚閾値の低下と関連している[13,104]。
30人の母趾足底のマイスナー小体について、組織学的に年齢との関係を調べた[151]。角質の数は年齢が上がるにつれて指数関数的に減少することがわかった。生後数十年の間、角質は横方向と縦方向に安定した成長を示すが、高齢になるとマイスナー角質の萎縮が起こる。
かなりの個人差があるにもかかわらず、年齢による明確な依存性が認められる。母趾の触覚の劣化（青年期と高齢期の平均で400%）は、バランス維持などの多様な活動に悪影響を及ぼす可能性がある [158] 。足指の足底面におけるこの触覚の劣化は、転倒者では非転倒者に比べて有意に大きかった [101]。
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いくつかの研究は、大繊維構造の加齢による変化と感覚神経の伝導速度の低下を強調している[16,182]。加齢に伴い、感覚神経伝導速度と感覚活動電位の振幅の減少がある [143]。電気生理学的研究により、加齢に伴い運動線維よりも感覚線維が先に影響を受けることが示された [16]。
感覚神経の伝導速度と反応振幅は40歳でピークに達し、その後減少した。Rivnerら[143]は、加齢と感覚活動電位の振幅に強い相関があり、年齢と感覚神経伝導速度には小さいが明確な負の相関があることを見いだした。
例えば、腓骨神経からの感覚反応は、70歳から79歳の被験者の23%、80歳以上の被験者の40%で消失していた[143]。加齢に伴う髄鞘の変化が神経伝導速度の低下を引き起こしている可能性が推測される。したがって、足への伝導遅延が長くなると、振動触覚の機能障害が大きくなり、閾値が高くなると考えられる [68]。
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加齢に伴う姿勢安定性の変化は、動揺振幅、圧 力中心速度、全身加速度の増加など、フォースプレート 上の静的起立によって測定され、よく立証されてい る [78,96] 。高齢者における感覚障害（すなわち、振動感覚、識別触覚、または感覚神経伝導速度）は、機能低下および転倒リスクと関連する [65]。
末梢感覚は、高齢者集団における静的姿勢安定性の維持に最も重要な因子であると考えられ [84] 、高齢者における足の触覚の低下は、フィードバックの剥奪とともに姿勢の不安定性に寄与する [168,169] 。Endoら[39]は、足底屈筋のフォースプレートによる測定値と機能的支持基底域の前方限界の間に強い相関関係があることを報告した。
足指の筋機能は、高齢者のバランス維持に特に重要な役割を果た している可能性がある。Tanakaら[168,169]は、高齢者が立っているとき、若い人よりも足指で大きな圧力をかけていることを示し、おそらく筋肉と皮膚情報が減少している状況でバランスを維持するために感覚情報を強化しようとしているのであろう[168]と述べている。
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このような背景から、振動知覚閾値検査は、加齢による足底不感症の発症を検出するための高感度な指標となる可能性がある[127]。高齢者における遠位感覚障害のスクリーニングの際 には、足の識別触覚（すなわち、2点感覚）を考慮すべきであり [127,183]、老化における評価尺度として臨床的な役割を 持つ可能性がある。
末梢感覚の喪失は一般に不可逆的であるが、突起のついたインソール [91] や振動パッド [135] を用いて足底からの触覚情報を補強することで、高齢者のバランスを改善できるかもしれない、という新たなエビデンスが生まれつつある。
足の特性、特に触覚感度および足指の強さ [102] は、高齢者におけるバランスおよび機能的能力の重要な決定因子である。転倒のリスクを軽減するための介入研究は、おそらく足からの感覚情報の増強から恩恵を受ける可能性がある。
末梢神経障害
末梢神経障害（PN）は、末梢神経の損傷から生じる複雑な障害である。PNは、さまざまな条件によって生じる可能性があり、最も一般的なものは、糖尿病 [106] または化学療法の影響 [25]である。末梢神経の損傷は、伝導速度と振幅の異常 [7] によって特徴付けられ、一般に遠位から近位へと進行する [19] 。
PNのほとんどの症例は、触覚、振動、温度などの皮膚感覚を伝達するAb、Ad、無髄C線維などの小感覚線維の病理を伴う [167]。PN患者は、灼熱感、疼き、痛覚過敏またはアロディニア、触覚の喪失、前視覚、熱感などのいくつかの感覚を訴える [7]。この文脈で、PNは、しばしば、バランス感覚の喪失や転倒のリスクの顕著な増加といった特定の機能障害をもたらす [24,160]。
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糖尿病。末梢神経障害は、感覚神経および/または運動神経に影響を及ぼし、知覚および行動能力を低下させる病理である [141] 。これらの神経障害の最も一般的な原因は、糖尿病である[184]。糖尿病性末梢神経障害（DPN）は、高血糖の結果として、末梢神経系に多くの障害が生じるものである [173]。
神経伝導の急速に可逆的な異常は、最近の一過性のコントロール不良の糖尿病患者に起こり、不快な遠位感覚症状を伴うことがある[18,173]。高血糖にさらされた期間と重症度は、神経障害の重症度に関係する [124,156]。DPNの最も一般的な臨床症状は、感覚運動性ニューロパチーである [35,122] 。
DPNは、長さに依存したパターンで、四肢の小神経線維と大神経線維のいずれか、または両方を侵す [184]。小神経線維の損傷は、大神経線維の損傷よりも古典的に早期に発生する [92]。しかしながら、足底振動感覚や遠位腱反射もDPNのごく初期に変化するが [110,198]、これらは大径線維の切断障害に対応するものである。
DPNの病態生理はまだ不明であるが、神経イオンチャンネル（Na+とCa2+)血糖フラックス異常に関連した脊髄の損傷などの末梢メカニズムや、脳の機能および構造のリモデリングによる二次的な中枢痛処理の障害などの中枢メカニズムが示唆されている [152]．
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体性感覚系の劣化はDPNで起こり、神経伝導速度や圧力や振動などの異なるモダリティの知覚閾値で判断できる [19,141] 。DPNの典型的な症状は、遠位下肢の単一神経分布以上の対称的なしびれ、知覚異常、痛みで、求心的に進行する[171]。
足首から上の足の対称的な感覚低下（「ストッキングまたは手袋の感覚低下」）は、臨床検査で明らかである。足首とアキレス腱の反射は通常、低下または消失し、その結果、足の異常が生じることがある。このような症状は、プロプリオセプションの障害と筋の感覚機能の異常とが複合的に作用している。
振動および熱閾値の増加は、1型糖尿病および2型糖尿病患者のいずれにおいても、疾患の経過中に早期に生じる [198] 。しかしながら、DPNの症状は2型糖尿病よりも1型糖尿病の方がはるかに早く発症することがあり [124]、これはDPNにおける自然経過の違い、または糖尿病型による神経損傷のメカニズムの違いを示唆している：神経障害の重症度が同じであっても、2型糖尿病患者では小神経線維が、1型糖尿病患者では大有髄線維が、それぞれ優位に侵されている [110]．その結果、神経伝導速度や感覚閾値の低下など体性感覚系の劣化が起こり、末梢神経障害患者は平衡感覚障害を持つようになる[49]。
DPNの病理所見は、軸索の消失、軸索の再生、一部の患者では脱髄である[33]。神経伝導検査は、DPNを評価するための信頼性の高い客観的な診断方法である [40]。運動伝導と感覚伝導の両方の速度、振幅、遠位潜時、距離、F波潜時などの測定に使用される[34]。
より正確には、筋電図による7つの研究 [116-118]により、感覚フィードバックの喪失に伴う神経伝導速度の低下が、環境障害に対応した姿勢矯正の開始を遅らせる可能性が示された [49,51]．さらに、NardoneとSchieppati[117]は、IaとII線維神経症を持つ糖尿病患者において、姿勢振動と神経伝導速度の相関を確立した。
姿勢の不安定性とII型線維の関与の間には有意な関係があった [118]．同様に、感覚閾値の低下 [11]は姿勢不安定性を誘発する可能性がある [11,24]．CoPの位置からの情報の喪失は、姿勢制御にとって最も重要なパラメータであると思われる[52]。
臨床的観点からは、定量的感覚検査（QST）は、熱知覚（冷温)振動知覚、電流知覚、圧痛、および水中運動機能の閾値を検出するために、通常連続した数値スケールを使用して等級付けされる定性的方法を表す[22,33]。振動閾値は、軽度または潜在的な神経障害を検出するのに特に敏感であり、他のQST測定値とよく相関している[19]。QSTは、おそらくDPN患者の長期的な評価において、感覚異常や感覚閾値の変化を記録するのに有効である。これは、徹底的な臨床評価を補完するものであるべきである [34]。
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化学療法。タキサン系薬剤やオキサリプラチンなどの化学療法は、さまざまな種類のがんの治療にしばしば用いられている [108] 。化学療法の最も重要な副作用のひとつは、電気診断検査での感覚神経活動電位振幅の減少 [25] 、振動閾値の増加、手袋やストッキングの分布での感覚異常および知覚障害 [25,45] を伴う有痛性の末梢神経障害 [25,31,188] である。
化学療法後の末梢神経障害は、固有感覚喪失と相関し、姿勢不安定 [52,118] および転倒の高リスク [141,165,175] と関連し、身体機能に大きな影響を及ぼす可能性がある。タキサンなどの化学療法剤は、末梢神経系に選択的な損傷を与えることがよく知られており、特に体性感覚情報の処理に関与する後根神経節と末梢神経に炎症が起こる [95] 。
Ia線維のような大髄の求心性線維は、これらの神経毒性物質によって傷害され [95]、バランス障害の原因となる可能性がある [188]。神経障害による体性感覚情報および処理の喪失は、姿勢の不安定性をもたらす [15]。この文脈で、CoPパラメータは、健常対照者と比較して乳がん患者で有意に高かった [170,188]。これらのバランス障害は、累積的な化学療法により進行する傾向があり、特に足の裏の体性感覚変化により部分的に説明されるかもしれない [76] 。
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化学療法が患者のバランスに及ぼす影響は、糖尿病患者 [17] または高齢者 [134] で観察されるバランス障害と比較すると、臨床的に適切であると思われる。バランス測定は、姿勢制御を評価することにより、患者の機能の変化を定量化する客観的なアプローチを提供する。これらの結果は、乳がん患者における姿勢の不安定性を縦断的に定量化するために、腫瘍科診療のルーチンワーク中にバランス測定を実施することの臨床的関心を支持するものである[107]。
臨床的関心と介入
これまでの研究で、実験的に皮膚情報を調節することで、姿勢動揺を変化させることができるという証拠がいくつか示されている。より正確には、冷却 [90]、局所麻酔 [51]、泡の表面での起立 [125] などにより体性感覚情報を人為的に減少させると、体性感覚情報の信頼性が低下し、姿勢動揺が増加することがある。
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近年、様々な刺激方法を用いることで、付加的な体性感覚入力が姿勢制御に良い影響を与えることが研究により明らかにされている[186]。これらの知見は、足底の機械的刺激が足底の機械受容器に影響を与え、この関連する触覚情報が直立立位を助けることを確認するものである。しかしながら、皮膚感覚鋭敏性が低下している患者の姿勢制御に対する機械的刺激の効果については、まだ不明な点が多い。
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これまでの研究では、高齢者[82,83,135]、末梢糖尿病性神経障害者[50,83,136,199]、脳卒中患者[83,136]において立位バランス [50,82,83,135,199], 運動感覚 [29], 触覚 [26,190] を改善するために機械的騒音を用いたことが報告されている。
足裏に機械的なノイズを加え、特定の要素からランダムに振動させると、確率的共鳴が起こり、それまで感じられなかった閾値以下の刺激が、活動電位を生じる閾値超の刺激に変化することがある[136,190]。機械的騒音は、糖尿病性神経障害患者の足底側の振動知覚閾値を改善し、糖尿病性神経障害患者の足潰瘍の予防に役立つ可能性がある[70,199]。
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感覚を失った患者のバランスを改善するための別の潜在的な援助は、足の下に低レベルの電気刺激 [111,112] を加えることだ。これらの著者らは、足底電気刺激の毎日の家庭での使用は、振動知覚閾値の有意な減少によって定量化されるように、バランス [172] と足底感覚を高めるのに有効であることを示唆した [111]。
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パーキンソン病の被験者が示す感覚障害を考慮すると、いくつかの研究は、潜在的なリハビリテーション戦略として、足下に適用される自動機械的末梢刺激を提案している[71,72,123,159]。足下に機械的な圧力を順番に加えることで、機能的な移動性と歩行パラメータの改善 [71,72,159]、および姿勢制御 [138] という点で好ましい効果が示されている。
低圧刺激（0.3～0.9N/mm2範囲）を両足下の2つの標的部位（母趾頭部と第1中足骨基部）に同時に加えることにより[138]、動的バランス[71,159]と歩行の時空間的パラメータ[71,72,159]を改善することができた。
同様に、外反母趾の先端と下腿第一中足関節の足底面に低圧（0.58kg/mm2 ）を加えた足裏刺激 [8] や振動 [162] による自律神経の変化も観察された。安静時血圧値の低下をもたらす自律神経の変化は、パーキンソン病患者にしばしば見られる起立性高血圧のコントロールに役立つ可能性がある[8]。さらに、効果的な刺激により、重力刺激に応答して心臓および血管の交感神経調節を増加させる能力を再確立し、動脈圧受容器機構の機能性を拡大させた[8]。
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最後に、振動を用いた足底面への刺激は、視覚障害者のナビゲーションを支援する興味深い独自の方法となり得る[181]。振動モータを用いることで、安価で実用的な足底面刺激装置が提案されており、視覚障害者に触覚情報を伝達することができる[181]。その結果、足裏の触覚インタフェースが提供する方向性を用いて環境をナビゲートすることが可能であることが示された[181]。
まとめと結論
足底は、立位バランスの制御において重要な感覚構造である。足裏のメカノレセプターは、触覚と固有感覚を伝達し、中枢神経系が反射的・意識的に姿勢を調整するために使用する。この能力は、足下の動揺と体重配分に関する情報を恒常的に提供する触覚系と、姿勢を修正する反応を制御する筋肉活動を開始する運動系との間の連携によってもたらされるものである。
皮膚受容器と関連する求心性神経は、触覚のフィードバックをCNSに伝達するための基本的な機能単位を構成している。姿勢制御に有用な感覚情報をさらに提供することは、姿勢の安定性とバランスを向上させることにつながると考えられる。
足底皮膚入力は、弱くなった皮膚信号の検出と伝達を強化し、この領域は、高齢者や神経障害のある被験者の姿勢安定性を改善するための良い候補であると思われる [189]．この観点から、高齢者 [127]や末梢神経障害 [94]、パーキンソン病 [133]、多発性硬化症 [28]などの神経疾患患者に対する7つの介入が提案・ 研究されている。
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足趾における皮膚求心性の分布の増加 [164] は、立位バランスの制御における足趾からのフィードバックの姿勢的な重要性を反映しているのかもしれない。さらに、足指の足底屈曲筋は姿勢の制御に寄与している。姿勢動揺の振幅と速度の両方が足指足底屈筋によって制御される可能性がある[148]。
実際、足指は立位バランスにおいて独特かつ重要な役割を担っている [121,168,169,176,185,187]。バランスを維持するために、足指は屈曲と伸展を行い、地 面に圧力をかけ、姿勢の乱れを修正することができる。
静かな立位では、足指の動きがバランス維持に役立っていることを頻繁に感じることができる。さらに、足指の感度の低下と静かな立位時の体の揺れの増加との間に関連性が見出された[168]。田中ら[169]は、足指の感度が低い人は、バランスを保つためだけでなく、母指からの感覚入力を強めるために母指圧力を使っているのではないかという考えを提唱している。
同様に、足の指の筋刺激によりCoPの変位を制御できることを示した著者もおり[121,176]，このアプローチは、バランス制御の良い候補となり得る。これらの研究では、足趾の筋肉に異なる強さの電気刺激を与えることで、CoPの前方移動を誘導した。さらに、足指の筋肉に加える刺激の強さを調節することで、静かな立位時の身体加速度を制御することができた[176]。
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最後に、Viseuxら[185,187]は、足指の下に配置した小さな焦点の追加厚みが、無撹乱立位時の姿勢制御の評価に用いるCoP測定に影響を与えることを観察した。最小の厚みによって引き起こされる接触力は、おそらく身体を機械的に安定させるには小さすぎるにもかかわらず、最小の厚み（0.8mm）でバランスの有意な変化が得られた。
このことから、足指の皮膚機械受容器は、低い焦点追加厚みによって活性化されると考えられ、Tortoleroらの触覚仮説と一致するようである[176]。
足部は静かな起立時に表面に接触している唯一の身体部位であるため、足指の動きがバランス制御において重要な役割を果たしている可能性が非常に高い[148,192]。足指は地面と接触したままの安定した表面領域を提供し、中枢神経系に関連する感覚情報を中継する役割を果たす [79]。
足趾の感覚情報は、バランスの乱れが生じたときに 姿勢を修正するために使用されることが明らかであり [176]、その使用は安定感を向上させることができる [1,149,176]。これらの知見は、足趾からの触覚フィードバックと足底筋活動が、立位バランスの制御にとってより有意義である可能性があり、足底の重要な機能的役割を強調するものである。
本総説は、足底を中枢神経系と情報伝達を行う感覚構造として捉え、我々がバランスを取り、立ち上がることを支援する方法を提唱するものである。このことは、足底皮膚フィードバックの質を向上させるための介入戦略（カスタマイズされた姿勢用インソールなど）を開発するための新しい臨床的視点をもたらし、バランス障害、特定の慢性疼痛症候群、神経系疾患、転倒リスクのある患者の管理にとって興味深く有望なアプローチであるように思われる。