独立行政机构国立产业技术综合研究所[理事长中钵良二]（以下简称“AIST”）人类生命技术研究部[研究部主任松冈克典]系统脑科学研究组研究员村田由美、肥后纪之首席研究员兼RIKEN[主席野依良二]（以下简称“RIKEN”）生命科学技术基础设施研究中心[主任渡边靖]林卓也组组长、大学间研究所法人尾上广隆组组长与副教授合作国立大学法人国立大学灵长类研究所国立大学生理科学研究所的西村幸雄和伊佐正教授、大石隆夫副教授、滨松光子学株式会社中央研究所所长冢田英夫等人，我们发现了大脑的变化，这些变化可以替代因脑损伤而丧失的运动功能。
模型动物大脑皮层对运动皮层造成永久性损伤后，通过康复来调查运动功能恢复过程中大脑活动的变化，我们发现在恢复过程中保留的大脑区域（腹侧前运动皮层并接近损坏初级运动皮层)活动发生变化并接管了受损区域的功能。该研究成果是一种基于脑功能机制的新型康复方法神经康复的关键
该研究成果于2015年1月7日（日本时间）发表在《美国科学杂志》上神经科学杂志
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负责运动指令的区域受损后，通过抓握运动进行康复治疗，恢复了手部的运动功能。
此时，其余大脑区域发生大脑活动变化，接管受损区域的功能。 |
包括中风在内的脑损伤正在成为日本人口老龄化的一个严重社会问题。脑损伤通常会留下后遗症，而中风是发病后需要护理的第一大原因。其中，手部运动功能下降是造成患者日常生活不便的主要因素。为了减轻患者及其家属的负担，通过康复提高功能恢复效率极为重要，已成为国际性课题。
近年来，神经康复这一基于大脑恢复机制的新型康复方式备受关注。这有望成为一种有前景的方法，比传统方法更有可能促进康复，但存在一个问题，即导致康复的大脑变化尚不清楚。基于导致康复的大脑变化的更有效的康复治疗的发展，将减轻患者及其家人的身体和经济负担，以及医疗和护理的社会负担，从而导致老年人能够过上健康生活的社会。
产业技术研究院在利用模型动物研究脑恢复机制方面具有优势，一直在进行脑功能恢复及支援技术的研究开发。另一方面，RIKEN在脑活动测量技术及其分析方法方面具有优势。这次，我们利用两者的优势来揭示大脑活动的变化，这些变化在手部运动功能的恢复中发挥着重要作用。
这项研究和开发得到了CREST（2004-2004财年）、日本科学技术振兴机构战略基础研究促进项目（2009-2010财年）、独立行政机构日本学术振兴会科学研究补助金的支持。这项工作是在研究活动启动支持（FY2012-FY2012）和基础研究C（FY2013-FY2013）的支持下进行的。
使用模型动物，我们对初级运动皮层中负责手部运动功能的区域造成了局部损伤，该区域是将运动命令从大脑皮层发送到肌肉的中心区域。受伤后，大脑皮层无法发出运动指令，导致双手运动瘫痪。手部灵巧性，例如用指尖拾起物体，是只有人类和某些动物才拥有的高级运动功能，需要大脑皮层进行信息处理，因此人们认为如果初级运动皮层受损，就不可能恢复。然而，通过抓握运动的积极康复，大约一个月后手部的运动功能（包括手的灵活性）恢复了。在通过康复进行功能恢复的过程中，人们认为大脑中发生了一些变化，以补偿受损的初级运动皮层的功能。
为了捕捉大脑中的这种变化，正电子发射断层扫描 (PET)，我们研究了用手灵巧运动时的大脑活动。受伤前，观察到以初级运动皮层为中心的大脑活动（图 1，左）。初级运动皮层受伤后，一旦通过康复恢复灵巧运动，就测量大脑活动。尽管受伤的初级运动皮层的活动与受伤前相比有所下降，但有多个大脑区域的活动与受伤前相比有所增加。运动恢复后，与受伤前相比，大脑皮层的另一个区域（称为腹侧前运动皮层）的活动立即增加（图 1，右）。此外，当我们检查受伤后几个月恢复稳定期间的大脑活动时，我们发现受伤附近的初级运动皮层的活动发生了变化（图2）。
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图1 脑损伤前（左）和功能恢复后立即（右）的PET图像
恢复后，腹侧运动前皮层的活动与受伤前相比立即增加。 |
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图2 功能恢复后几个月稳定期的PET图像
在恢复后的稳定期内，损伤附近的初级运动皮层的活动增加。 |
迄今为止的临床研究表明，与健康人相比，中风患者的大脑活动发生了变化。然而，人们认为并非所有大脑活动的变化都会导致功能恢复。大脑活动的一些变化可能会干扰正常的大脑活动，而每个大脑区域的作用尚未确定。
因此，为了调查这次观察到的大脑活动的变化是否有助于功能恢复，我们施用了药物（蘑菇) 用于阻断病变附近腹侧前运动皮层和初级运动皮层的活动。阻断每个区域的活动会导致手部运动障碍复发，证实这些区域的大脑活动变化取代了受损的初级运动皮层，而初级运动皮层负责手部运动功能。在通过康复恢复运动功能的过程中，可能已经建立了一条通路，将新的运动命令传递到损伤附近的腹侧前运动皮层和初级运动皮层，以补偿受伤区域的功能。
之前使用模型动物进行的研究提出，接管受伤区域功能的神经网络会发生变化，但由于在麻醉下仅观察或检查大脑的一部分，因此存在一个问题，即尚不清楚改变的神经网络是否真正被使用。在这项研究中，我们分析了用手实际抓握动作时整个大脑的活动，发现逃脱损伤的其余区域的大脑活动在运动功能恢复过程中发生了变化。我们还证明了活动的变化对于恢复至关重要，这是一种因果关系，有望直接带动康复技术的发展。
AIST将分析康复带来的基因表达变化，RIKEN将分析神经网络的结构变化，从多个角度阐明康复产生大脑活动变化的详细过程。我们将把这些知识提供给参与康复的医疗技术人员，为开发新的康复方法、更直接改变大脑活动的脑电刺激疗法、促进康复的药物以及评估康复效果的方法做出贡献。