最大下運動・最大運動後の認知機能亢進の検討 [ PDF

全文

(1)最大下運動･最大運動後の認知機能亢進の検討・. キーワード：事象関連電位(Event related brain potential) P300 有酸素運動最大酸素摂取量(VO2max) 所属行動システム専攻健康科学コース氏名１．目的. 伊奈祥一郎. た。被験者は全員が右利きで、正常な視力(矯正を含む). 動物は、外界からの情報を円滑に処理する知覚・認. と聴力を有していた。全ての被験者から安静心電図を記. 知機能を利用して、行動を起こしている。知覚・認知処. 録した。そして循環器内科の医師によって、全ての被験. 理を行う組織・器官は、脳を中心とした中枢神経系の活. 者が運動負荷に耐えうる循環器機能を有していると判定. 動に依存する。この知覚・認知処理過程を推測する方法. された。. のひとつに、事象関連電位(Event related brain potential: ERP)がある。. 本研究は、九州大学健康科学センター倫理委員会によって承認された研究である(承認番号: IHS-2003-10)。被験. 運動習慣がある人は、高い知覚･認知機能を有してい. 者には、事前に実験の目的、方法、危険性、被験者のプ. る可能性が報告されている(Dustman, et al., 1990; Polich. ライバシーに関する権利などを十分説明を行った。全て. and Lardon, 1997; 秋山ら、2000)。習慣的な運動は、骨格. の被験者が、書面による同意書にサインをして、本研究. 筋や呼吸循環器系の機能の向上をもたらすだけでなく、. に参加した。. 知覚･認知機能の発達や加齢による知覚･認知機能の低下. 2) 最大酸素摂取量の測定と最大下運動強度の算出. を抑制する可能性がある。また一過性運動とERPの関係に関する研究が報告さ. 自転車エルゴメーター(818E : Monark 社)を用いて・. れている。GeislerとSquires(1992)は、自転車エルゴメー. GXT を実施し、最大酸素摂取量 (VO2max)を測定した。この GXT はエルゴメーターの回転数 50 回転/分とし、最初. ターによる3分間の最大下運動後に、P300振幅が1-2µV有. の 3 段階は 4 分間ずつ一定強度でペダリングさせ、12 分. 意に増加し、P300潜時が15-20msec有意に短縮することを. 以降は 1 分毎に負荷を増加させて、疲労困憊にいたるプ. 報告している。Magnieら(2000)は、自転車競技者と運動. ロトコルで実施した。最初の 3 段階の負荷強度は、心拍. 習慣がない被験者を用いて、疲労困憊に至るまで漸増負. 数が 120、140、160 拍/分に達することを目標に、各被験. 荷運動(maximal graded exercise test: GXT)を実施させ、運. 者の体重や運動暦によって被験者ごとに調整した。GXT. 動前のERP(P300およびN400)と最大運動後に体温および. 中の酸素摂取量は質量呼気ガス分析器(WSMR-1400 : ウ. 心拍数が運動前の値に戻った後のERPの比較を行った。. エストロン社)とレスピロモニター (RM-300I : ミナト医. P300の潜時と振幅、およびN400の振幅と最大酸素摂取量. 科学社)を組み合わせた自動呼気ガス分析装置を用いて. ・. （VO2max）による体力レベルに差が認められず、運動後のP300とN400の振幅が被験者群間および導出部位間で. 測定した。心拍数は心電図テレメーターシステム. 同程度増大していることを報告した。このことから一過. 動呼気ガス分析装置にオンライン入力して、30 秒毎に記. 性運動による運動の効果は体力に関係なく、知覚機能や. 録した。. より高次な認知機能も含めた脳機能全体の亢進が一般的な状態効果であることが示された。しかしこの研究では、最大下運動後の認知機能については検討されていない。本研究の目的は、総仕事量を等しく設定した最大運動および 3 段階の最大下運動によって知覚・認知機能の亢. (DS-3140:フクダ電子社)によって無線送信し、上記の自. ・. GXT で 30 秒毎に測定された酸素摂取量（VO2）のう･. ち、疲労困憊前の最大値を酸素摂取量の最大値(VO2. Peak) ・. とした。被験者別に、最初の 3 段階の後半 1 分間のVO2 と負荷強度（kpm/min）との一次回帰直線を算出した (図・. 1) 。算出された一次回帰直線式にVO2 ・. Peak. に代入し、こ・. 進が見られるかどうか、運動強度の違いによってどの程. の負荷の値を 100%VO2max の負荷とした。同様にVO2max. 度亢進するか、を明らかにすることであった。. の 40%、60%、80%に相当するVO2 値を各人の回帰直線式に代入し、相当する負荷強度を算出した。. ２．方法. 3) ERP の測定手順. 1) 被験者本研究の被験者は、健常成人男性 6 名(23±1 歳)であっ. ・. ERP の測定は、外部からの騒音をできるだけ遮断した実験室で行われた。.

(2) 3000. 100%VO. 間隔をおいて実施した。試行は、ランダムな順で実施し、. ･. 被験者間でカウンターバランスを考慮して配置した。運. 80%VO2. 2500 VO2(ml/min). 行った。これらの運動は 1 日 1 回のみとし、1 日以上の. ･. 3500. 動終了後、被験者は再び座位安静状態をとり、口腔温と. ･. 2000 1500. 60%VO2. 心拍数を 6 分毎に測定した。口腔温と心拍数が両方とも. ･. 運動前の ERP 測定前の値に下がるまで回復期間をおい. 40%VO2. ･. た。口腔温と心拍数が両方とも運動前の ERP 測定前の値. 1000. に戻った後、被験者に運動前と同様の課題プログラムを. 500. 実施させ、運動後の ERP を測定した。. 0 0. 150. 300. 450. 600 750. 900 1050 1200 1350. kpm/min. 6) 脳電図の記録および ERP のデータ処理脳電図は脳波形(EEG-6514:日本光電社)を用いて、国際 10-20 法に基づき、頭皮上の 3 部位から両耳朶連結を基. 図 1 運動強度の負荷の算出方法. 準電極として、銀塩化銀皿電極を用いて単極導出した(Fz, Pz, Cz,)。バンドパスフィルターを 1-50Hz、時定数 1.0 秒、. (1) 実験条件. 電気抵抗は全て 10k! 以下とした。眼球運動によるアー. 被験者には、実験日前日から激しい運動や飲酒を控え. チファクトを測定するため、眼電図(Electro-Oculogram :. ること、実験 2 時間前から食物摂取、カフェインやニコ. EOG)を記録した。垂直眼電図を左眼窩上下縁から、水平. チンなどが含まれる食物や嗜好品の摂取を控えることを. 眼電図を両外眼角からそれぞれ双極導出した。EEG およ. 指示した。被験者は、実験室入室後 30 分間座位で安静状. び EOG は A/D 変換ボードを通してサンプリング周波数. 態を保った。口腔温を体温計(C402:テルモ社)にて 0.1℃. 900Hz で磁気記録した。記録された EEG は、刺激呈示前. の精度で測定し、心拍数を心電図テレメーターシステム. 200msec から 1000msec 間の間に P300 課題で EEG または. (DS-3140:フクダ電子社)で計測した。口腔温と心拍数測. EOG が±50µV 以上の電位が存在した試行は、アーチファ. 定後、被験者に以下の課題プログラムを実施させ、運動. クトが混入した試行として除去した。アーチファクトが. 前の ERP(P300)を測定した。. 混入していない試行を 20 回刺激別に加算平均して、平均. (2）P300 の測定. 波形を算出した。平均波形は刺激呈示前 100msec 間の平. P300 成分は、聴覚刺激によるオッドボールパラダイムを用いて誘発した。聴覚刺激として、 2 種類の聴覚刺激(ターゲット 2000Hz、提示頻度 20％、ノンターゲット 1000Hz、. 均電位を基線とした。 7) 統計処理平均値の差の検定は全て、対応のある分散分析. 提示頻度 80％、両刺激とも提示時間 50msec)を用いた。. (ANOVA)を用いて検定した。分散分析の下位検定は、. この刺激は、ランダムな順に刺激提示間隔平均 2 秒. Fisher の最小有意差法を用いた。. (1.5-2.5 秒)で、平均 160 試行(160±20)を、ヘッドフォンを用いて被験者に提示した。被験者には、提示されるター. 統計処理は全て、統計解析ソフト SPSS11.5J(SPSS 社) を用いて行われた。帰無仮説の棄却水準は 5%とした。. ゲット刺激を指や口を用いずに数えること、目を閉じた状態で、リラックスした姿勢を保つことを指示した。. 3．結果. 5) 実験手順. 1) 心拍数・口腔温の上昇度、運動後の回復時間. 運動前の ERP 測定後、被験者は自転車エルゴメータ. ・. ・. ・. ・. ー(818E : Monark 社)を用いて、4 種類の運動強度のうち. 40%VO2max、60%VO2max、80%VO2max、100%VO2max の各運動条件を実施した時の心拍数の最大値を％HRmax で. の 1 つを実施した。被験者はストレッチ運動を行った後、. 表 1 に示した。各運動強度の心拍数の最大値を％HRmax. エルゴメーターを毎分 50 回転でペダリングし、30 秒間. は、設定した％HRmax を下回った。. 無負荷で漕いだ直後に、事前に算出した各運動強度に相. 運動前の口腔温、運動後の口腔温の最大値、運動前の. 当する負荷で運動した。各運動強度間で総仕事量を等し. 口腔温と運動後の最大値の口腔温の差を図 2 に示した。. くするため異なる運動時間を設定した。その運動時間は. 運動強度×運動前後の対応のある 2 要因分散分析で検定. ・. ・. 40%VO2max 強度で 10 分間、60%VO2max 強度で 6.6 分間、・. ・. 80%VO2max 強度で 5 分間、100%VO2max 強度で 4 分間であ・. った。100%VO2max の運動実施中のみ言語による励ましを. したところ、運動前後の主効果に認められた[F(1,5)=5.08, p<0.10]。運動強度の主効果に F(3,5)=3.72(p<0.05)の有意差が認められた。交互作用は認められなかった.

(3) [F(3,15)=0.96, n.s.]。運動強度の下位検定を行ったところ、・. ・. ・. 導出部位の下位検定を行ったところ、Fz と Cz 間で. 40%VO2max 運動条件の口腔温は、60％VO2max、80%VO2max 運動条件の口腔温よりも高いことが認められた(p<0.05)。. p<0.05、Fz と Pz 間および Cz と Pz 間で p<0.01 の有意差. 運動後の心拍数と口腔温が運動前の値に戻るまでの回. 100%VO2max 間に p<0.05 の有意差が認められた。以上の. ・. ・. 復時間は 30±28 分(40%VO2max)、33±12 分(60%VO2max)、・. ・. ・. が認められた。運動強度の下位検定から 60%VO2max と・. ・. ように P300 振幅は運動後に増加すること、60%VO2max ・. 52±33 分(80%VO2max)、82±37 分(100%VO2max)であった。対応のある 1 要因分散分析で検討すると、主効果に F(1,5). 運動条件では 100%VO2max 運動条件より P300 振幅が増加すること、導出部位間には Pz>Cz>Fz の順で差が認め. =6.94(p<0.05)の有意差が認められた。下位検定の結果、. られた。. ・. ・. 100%VO2max 強度での回復時間が 40%VO2max および 60%. 3). ・. P300 潜時 P300 潜時の平均値および標準偏差を運動条件別に、図. VO2max 強度での回復時間より延長していた(p<0.05)。 2) P300 振幅. 4 に示した。P300 振幅と同様に P300 潜時の差も、運動. P300 成分はアーティファクトの混入していないター. 強度×運動前後×導出部位の対応のある 3 要因分散分析で. ゲット刺激提示時の試行を加算平均することで波形を算. 検定した。運動強度の主効果に F(3,15)＝2.78(p<0.10)の傾. 出した。波形は加算平均されたノンターゲット刺激提示. 向差が認められた。運動前後および導出部位の主効果に. 時の波形と比較して 250-400msec 間に最大振幅に達する. 有意差は認められなかった[F(1,5)=.57, n.s.、F(2,10)=2.33,. 陽性波が全被験者および全ての運動強度で確認された。. n.s.]。また交互作用は認められなかった(F<2, n.s.)。・. P300 振幅の平均値および標準偏差を運動条件別に図 3. 運動強度の下位検定を行ったところ 40%VO2max と 60%. に示した。運動強度×運動前後×導出部位の対応のある 3. VO2max 間に p<0.05、40%VO2max と 80%VO2max 間に p<0.01. 要因分散分析で検定した。P300 振幅は、運動後に増加す. の有意差が認められた。以上のことから 40%VO2max 運動. ・. ・. ・. ・. る傾向が認められた[F(3,15)=2.56, p<0.10]。運動前後の主効果および導出部位の主効果に、F(1,5)=9.52(p<0.05)、 F(2,10)=18.8(p<0.01)の有意差が認められた。交互作用は. *. 12. 全ての条件間で認められなかった(F<2, n.s.)。. 表 1 各運動条件の心拍数の最大値と％HRmax B C D E F A 40%VO2 123 118 101 86 96 112 (%HRmax換算） 49.2 36.2 35.1 15.2 30.5 33.8. mean SD 106 14 33 11. 60%VO2 150 154 121 111 118 122 (%HRmax換算） 70.5 65.0 48.9 34.9 44.9 41.1. 129 18 51 14. 80%VO2 174 173 150 127 130 161 (%HRmax換算） 89.4 80.2 68.7 47.5 52.7 69.8. 153 21 68 16. 100%VO2 181 185 160 179 155 157 (%HRmax換算） 94.9 89.8 75.6 88.6 69.1 66.8. 170 14 81 12. P300 amplitude(μV). 11 10 9 運動前運動後. 8 7 6 5. * p<.05. 4 ・. ・. ・. ・. 40%VO2max 60%VO2max80%VO2max 100%VO2max. 図 3 各運動強度と運動前後における P300 振幅 **. *. 37.5. 340. *. pre max. 37.0. P300 latency(msec). Oral Temperature(℃). *. 330 320 310 300 290. 36.5. * p<0.05 ・. 40%VO2max. ・. ・. 60%VO2max 80%VO2max. ・. 運動前運動後. ・・・・ 40%VO2max 60%VO2max80%VO2max 100%VO2max * p<.05 * * p<.01. 100%VO2max. 図 2 各運動条件における運動前後の口腔温. 図 4 各運動強度と運動前後における P300 潜時.

(4) ・. ・. 条件での P300 潜時は、60%VO2max および 80%VO2max 運動条件より短縮することが示された(p<0.01)。. 動後に短縮した P300 潜時は、10-20msec、17-20msec であり、本研究の運動後の P300 潜時の短縮の度合いは小さかった。先行研究と本研究の結果の違いについて考えられる明確な要因は先行研究からは見当たらない。. 4．考察聴覚刺激を用いて導出した P300 成分のうち、P300 ・. 振幅は、運動後に増加すること、60%VO2max 運動条件で・. は 100%VO2max の運動条件より増加することが明らかになった。また運動前と比較して運動後に増加した。最大. ・. ・. 40%VO2max 運動条件での P300 潜時は、60%VO2max およ・. び 80%VO2max 運動条件よりが短縮することが示された。・. ・. ・. 40%VO2max、60%VO2max および 80%VO2max 運動条件の・. 下運動後に測定された P300 振幅は、運動前と比較して. P300 潜時の平均値を見ると、40%VO2max 運動条件における P300 潜時の平均値が、運動前および運動後ともに他. 増加する傾向を示した。また導出部位に交互作用が見ら. の 2 条件より小さかった。これを裏付ける要因として各. れなかったことから、運動後に生じた P300 の増加は導. 運動条件間の口腔温が考えられる。一部の運動強度条件. 出部位間や運動強度間に関係なく、一様であった。. 間の口腔温(40%VO2max と 60%VO2max 間、40%VO2max と. GXT による最大運動前後で P300 振幅を比較した. ・. ・. ・. ・. Magnie ら(2000)は、運動後に 1.4-2.3µV 増加し、交互作. 80%VO2max 間)に有意差が認められた。口腔温で有意差が認められた運動条件間と、P300 潜時で有意差が認められ. 用も認められなかったことを報告している。これは本研. た運動条件間は同一であった。Geisler と Polich(1990)で. ・. ・. 究でも同様の傾向を示した。また 40%VO2max、60 %VO2max、・. は、P300 潜時と体温との間に負の相関が認められたこと・. 80 %VO2max の最大下運動条件では P300 振幅が 1.5-2.1µV 増大していた。Geisler と Squires(1992)の 3 分間の最大下. を報告している。このことから、40%VO2max 運動条件では被験者の体温が他の運動条件よりも高かったため、. 運動後に P300 振幅が 1-2µV 増加することを報告した内容を支持する結果であった。最大運動に最大下運動条件. 40%VO2max 運動条件で測定された P300 潜時が他の運動条件よりも短かったことが影響している可能性がある。. を加え、しかも P300 潜時に影響を与えると考えられる. 今後さらに運動前の体温を統制するなどして検討される. 心拍数および体温が運動前に戻った条件下で、P300 を測. べき課題である。. ・. 定した本研究では、最大下運動後に刺激弁別のような外界からの刺激に対し反応選択を促進する感覚･刺激処理. 引用文献. 系における知覚・認知機能の処理の深さが亢進し、心拍. 秋山幸代，西平賀昭，八田有洋，麓正樹，金田健史，時. 数や体温が運動前の値に戻った後も持続している可能性. 任真一郎，下田政博 (2000) : 長期的な運動経験が事. が考えられる。. 象関連電位に及ぼす影響. 体力科学，49，267-276. ・. また運動強度条件間では 60 %VO 2max 運動条件は、・. Dustman, R. E., Emmerson, R. Y., Ruhling, R. O., Shearer, D.. 100 %VO2max 運動条件と比較して有意に P300 振幅が増加した。したがって運動による総仕事量が等しい場合は、. E., Steinhaus, L. A., Johnson, S. C., Bonekat, H. W.,. 中程度の運動後には、最大運動後と比較して、反応選択. ERPs, visual sensitivity, and cognition. Neurobiology of. を促進する感覚･刺激処理系の知覚・認知機能がより亢進. Aging, 11, 193–220.. することが示唆された。本研究で得られた P300 潜時は、導出部位間に差や、交互作用が認められなかった。これは P300 に関する最. Shigeoka, J. W. (1990) : Age and fitness effects on EEG,. Geisler, M. W. and Polich, J. (1990) : P300 and time of day: Circadian rhythms, food intake, and body temperature. Biological Psychology, 31, 117–136.. 大運動を用いた先行研究の結果と同様の傾向であった。. Geisler, M. W. & Squires, N. K. (1992) Exercise and pain. しかし Geisler と Squires(1992) で報告された最大下運動. differentially affect the P300 event-related brain potential. 後や Magnie, ら(2000)で報告された最大運動後の P300 潜. (Abstract) Psychophysiology,29, S14.. 時の短縮が認められたのに対し、本研究では、最大下運. Magnie, M.N., Bermon, S., Martin, F., Madany-Lounis, M.,. 動後の P300 潜時の平均値が運動前よりも短い値を示し. Suisse, G., Muhammad, W., Dolisi, C. (2000) : P300,. たが、有意差を認められなかった。本研究で測定された. N400, aerobic fitness, and maximal aerobic exercise.. 運動前後での P300 潜時の差が 1.0-6.3msec で、また各運. Psychophysiology, 37 369–377.. 動条件における P300 潜時の平均値は、運動前および運. Polich, J. and Lardon, M. T. (1997) : P300 and long-term. 動後ともにほぼ同様の値であった。しかし Geisler と. physical exercise. Electroencephalography and Clinical. Squires(1992)や Magnie, ら(2000)の報告ではそれぞれ運. Neurophysiology, 103, 493–498..

(5)