早稲田大学審査学位論文博士 ( スポーツ科学 ) 身体運動が認知機能に及ぼす影響 The Influence of Physical Exercise on Cognitive Function 2016 年 1 月 早稲田大学大学院スポーツ科学研究科べソンリュウ BAE, SEONGRYU 研究指

早稲田大学審査学位論文

博士（スポーツ科学）

身体運動が認知機能に及ぼす影響

The Influence of Physical Exercise on Cognitive Function

２０１６年１月

早稲田大学大学院 スポーツ科学研究科

べ ソンリュウ

BAE, SEONGRYU

研究指導教員： 正木 宏明 教授

目 次 第1 部 緒 言 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・3 第 1 章 本 論 文 の 背 景 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 4 第 1 節 一 過 性 の 有 酸 素 運 動 が 実 行 機 能 に 及 ぼ す 影 響 ・ ・ ・ ・ 6 第 2 節 習 慣 的 身 体 運 動 が 実 行 機 能 に 及 ぼ す 影 響 ・ ・ ・ ・ ・ ・ 8 第 2 章 本 論 文 の 目 的 と 構 成 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 9 第 2 部 若 年 者 に お け る 一 過 性 の 有 酸 素 運 動 が 実 行 機 能 の 異 な る タ イ プ に 及 ぼ す 影 響 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・11 第 1 章 一 過 性 有 酸 素 運 動 が 認 知 的 柔 軟 性 に 及 ぼ す 影 響（ 研 究 課 題 1 ） 第 1 節 目 的 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 1 2 第 2 節 方 法 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 1 3 第 3 節 結 果 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 1 8 第 4 節 考 察 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 2 3 第 2 章 一 過 性 有 酸 素 運 動 が ワ ー キ ン グ メ モ リ に 及 ぼ す 影 響 （ 研 究 課 題 2 ） 第 1 節 目 的 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 2 5 第 2 節 方 法 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 2 6 第 3 節 結 果 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 2 8 第 4 節 考 察 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 3 2 第 3 章 一 過 性 有 酸 素 運 動 が 抑 制 お よ び 反 応 処 理 系 に 及 ぼ す 影 響 （ 研 究 課 題 3 ） 第 1 節 目 的 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 3 4 第 2 節 方 法 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 3 6 第 3 節 結 果 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 3 9

第 4 節 考 察 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 4 5 第 3 部 高 齢 者 に お け る 習 慣 的 運 動 が 認 知 機 能 に 及 ぼ す 影 響 ・ ・ ・ 4 7 第 1 章 習 慣 的 な 身 体 運 動 が 高 齢 者 の 反 応 抑 制 機 能 に 及 ぼ す 影 響 （ 研 究 課 題 4 ） 第 1 節 目 的 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 4 8 第 2 節 方 法 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 4 9 第 3 節 結 果 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 5 2 第 4 節 考 察 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 5 7 第 2 章 習 慣 的 な 身 体 運 動 が 高 齢 者 の 注 意 お よ び 反 応 処 理 系 に 及 ぼ す 影 響 （ 研 究 課 題 5 ） 第 1 節 目 的 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 6 0 第 2 節 方 法 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 6 1 第 3 節 結 果 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 6 3 第 4 節 考 察 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 6 7 第 4 部 総 合 討 論 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 6 9 第 1 章 本 研 究 で 得 ら れ た 成 果 と そ の 意 義 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 7 0 第 2 章 本 研 究 の 限 界 と 今 後 の 課 題 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 7 5 引 用 文 献 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・7 7 謝 辞 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・9 2

1 本 博 士 学 位 論 文 の 一 部 は 、 以 下 の 学 術 誌 お よ び 学 術 大 会 で 発 表 し た 。 ＜ 原 著 論 文 ＞ 裵 成 琉 ・ 小 川 景 子 ・ 山 崎 勝 男 ( 2 0 1 2 ) . 高 齢 者 に お け る 日 常 身 体 活 動 と 反 応 抑 制 制 御 と の 関 係 ：G o / N o G o 課 題 に よ る 事 象 関 連 電 位 の 研 究 . 体 力 科 学 ，6 1 , 1 6 9 - 1 7 6 . B a e , S . , K a m i j o , K . & M a s a k i , H . ( 2 0 1 3 ) . We a r i n g e rg o n o m i c a l l y d e s i g n e d c o r e s t a b i l i t y s h o r t s i m p r o v e s c o g n i t i v e c o n t r o l a n d a ff e c t f o l l o w i n g a c u t e a e r o b i c e x e r c i s e . J o u r n a l o f E rg o n o m i c s , S 2 -0 0 3 . ＜ 学 会 発 表 ＞ B a e , S . , a n d M a s a k i , H . ( 2 0 1 2 ) . A c u t e a e r o b i c e x e r c i s e i n f l u e n c e s o n e x e c u t i v e c o n t r o l a s s e s s e d b y t a s k s w i t c h i n g p a r a d i g m . 5 2 n d A n n u a l M e e t i n g , S o c i e t y f o r P s y c h o p h y s i o l o g i c a l R e s e a r c h , S e p t e m b e r 1 9 - 2 3 , N e w O r l e a n s , U S A . べ ソ ン リ ュ ウ ・ 山 崎 勝 男 ・ 正 木 宏 明( 2 0 1 2 ) . 一 過 性 有 酸 素 運 動 と 習 慣 的 身 体 活 動 が ワ ー キ ン グ メ モ リ 機 能 に 及 ぼ す 影 響 ．第 3 0 回 日 本 生 理 心 理 学 会 大 会 ，2 0 1 2 年 5 月 2 - 3 日 , 北 海 道 . べ ソ ン リ ュ ウ ・ 正 木 宏 明 ・ 山 崎 勝 男 ( 2 0 11 ) . 日 常 身 体 活 動 が 高 齢 者 の 実 行 機 能 に 及 ぼ す 影 響. 第 2 9 回 日 本 生 理 心 理 学 会 大 会 ， 2 0 11 年 5 月 2 1 - 2 2 日 , 高 知 . べ ソ ン リ ュ ウ ・ 小 川 景 子 ・ 正 木 宏 明 ・ 山 崎 勝 男 ( 2 0 1 0 ) . 高 齢 者 に お け る 身 体 活 動 量 の 違 い が 反 応 抑 制 機 能 に 及 ぼ す 影 響. 第 2 8 回 日 本 生 理 心 理 学 会 大 会 ，2 0 1 0 年 5 月 1 5 - 1 6 日 , 茨 城 .

2 本 論 文 で 用 い た 略 語 は 以 下 の と お り で あ る 。 B D N F ： b r a i n - d e r i v e d n e u r o t r o p i c f a c t o r ( 脳 由 来 神 経 栄 養 因 子 ) B M I ： b o d y m a s s i n d e x ( 体 格 指 数 ) E E G ： e l e c t r o e n c e p h a l o g r a m ( 脳 波 ) E R P ： e v e n t - r e l a t e d p o t e n t i a l ( 事 象 関 連 電 位 ) f M R I ： f u n c t i o n a l m a g n e t i c r e s o n a n c e i m a g i n g ( 機 能 的 磁 気 共 鳴 映 像 ) H R ： h e a r t r a t e ( 心 拍 数 ) H R m a x ： m a x i m u m h e a r t r a t e ( 最 大 心 拍 数 ) I G F - 1 ： i n s u l i n - l i k e g r o w t h f a c t o r 1 ( イ ン ス リ ン 様 成 長 因 子 ) L R P ： l a t e r a l i z e d r e a d i n e s s p o t e n t i a l ( 偏 側 性 準 備 電 位 ) M C I ： m i l d c o g n i t i v e i m p a i r m e n t ( 軽 度 認 知 障 害 ) M E Ts ： m e t a b o l i c e q u i v a l e n t s ( 代 謝 同 等 物 ) M R I ： m a g n e t i c r e s o n a n c e i m a g i n g ( 磁 気 共 鳴 映 像 ) M V PA：m o d e r a t e t o v i g o r o u s p h y s i c a l a c t i v i t y ( 中 等 度 強 度 以 上 の 運 動 時 間 ) R ： r e s p i r a t o r y e x c h a n g e r a t i o ( 呼 吸 交 換 比 ) R P E ： r a t e o f p e r c e i v e d e x e r t i o n ( 主 観 的 運 動 強 度 ) RT ： r e a c t i o n t i m e ( 反 応 時 間 ) V E G F ： v a s c u l a r e n d o t h e l i a l g r o w t h f a c t o r ( 血 管 内 皮 増 殖 因 子 ) V O 2 ma x ： Ve n t i l a t i o n O 2 M A X ( 最 大 酸 素 摂 取 量 )

3

4

第

1 章 本 論 文 の 背 景

身 体 運 動 は 身 体 機 能 の 向 上 だ け で な く 、 う つ 状 態 の 改 善 に 代 表 さ れ る 精 神 的 健 康 や 、 認 知 機 能 お よ び 脳 神 経 活 動 に 肯 定 的 な 影 響 を 与 え る こ と が 知 ら れ て い る 。 そ の た め 、 ス ポ ー ツ 科 学 領 域 や 脳 科 学 領 域 に お い て 重 要 か つ 興 味 深 い テ ー マ の 一 つ と な っ て い る 。 現 代 は 交 通 手 段 の 発 達 や 情 報 化 社 会 へ の 移 行 に よ り 身 体 活 動 を 行 う 機 会 が 自 然 に 減 っ て き て い る 。平 成 1 8 年 度 の 青 少 年 期 の 体 力 レ ベ ル の 調 査 に よ る と 、過 去 に 比 べ て 体 力 の 低 下 が 報 告 さ れ て い る( 文 部 科 学 省 調 査 、 2 0 0 7 ) 。体 力 の 低 下 は 日 常 生 活 に お け る 身 体 活 動 の 低 下 と 密 接 に 関 係 す る 。 最 近 で は 身 体 運 動 が 学 業 成 績 に も 影 響 を 及 ぼ す こ と に 関 心 が 寄 せ ら れ て い る( B e c k e r e t a l . , 2 0 1 4 ; K ä l l e t a l . , 2 0 1 4 ) 。 ま た 、 成 人 期 で は わ ず か 1 0 分 間 の 身 体 運 動 で も 脳 機 能 を 向 上 さ せ る こ と が 明 ら か と な り( H y o d o e t a l . , 2 0 1 2 ) 、 職 場 や 学 校 の 休 憩 時 間 を 利 用 し た 身 体 活 動 量 増 加 の 試 み が 行 わ れ て い る 。 脳 の 健 康 に 対 す る 身 体 運 動 の 有 効 性 は 疫 学 研 究 に よ っ て 、 子 ど も や 成 人 だ け で な く 高 齢 者 で も 明 ら か に さ れ て い る( L a r s o n e t a l . , 2 0 0 6 ; Ya ff e e t a l . , 2 0 0 1 ; We u v e e t a l . , 2 0 0 4 ) 。習 慣 的 に 身 体 活 動 を 行 っ て い る 高 齢 者 で は 、 そ う で は な い 高 齢 者 に 比 べ て 認 知 症 の 発 症 リ ス ク が 減 少 す る と い っ た 報 告 も あ る( A b b o t t e t a l . , 2 0 0 4 ) 。 さ ら に 、 軽 度 認 知 障 害 ( m i l d c o g n i t i v e i m p a i r m e n t : M C I ) を 有 す る 高 齢 者 で も 、身 体 運 動 の 実 践 に よ り 認 知 機 能 が 向 上 す る と い う( S u z u k i e t a l . , 2 0 1 3 ) 。 今 後 高 齢 人 口 の 増 加 に 比 例 し て 認 知 症 者 数 の 増 加 が 見 込 ま れ て お り 、 高 齢 者 に お け る 認 知 症 予 防 お よ び 健 康 な 脳 づ く り は 重 要 な 課 題 に な っ て い る 。 実 行 機 能 は 自 分 の 置 か れ た 状 況 下 で 適 切 な 判 断 ・ 行 動 を 選 択 ・ 実 行 す

5 る た め に 必 要 な 機 能 と し て 、 主 に 前 頭 前 野 が 担 っ て い る と さ れ て い る ( K r a m e r e t a l . , 1 9 9 9 ; F u n a h a s h i e t a l . , 2 0 0 1 ) 。 実 行 機 能 は 、 抑 制 ( 必 要 な 情 報 に 注 意 を 向 け 、 不 必 要 な 情 報 を 抑 制 す る 機 能) 、 ワ ー キ ン グ メ モ リ ( 情 報 を 一 時 的 に 保 持 し 、必 要 に 応 じ て 適 切 に 制 御 す る 機 能) 、認 知 的 柔 軟 性 ( 状 況 に 応 じ て 柔 軟 に 注 意 や 行 動 を 切 り 替 え る 機 能 ) の 3 つ の 下 位 機 能 に 分 類 さ れ る( M i y a k e e t a l . , 2 0 0 0 ) 。 身 体 活 動 と 実 行 機 能 と の 関 係 を 調 べ る 脳 機 能 検 査 法 と し て は 、 脳 波 の 事 象 関 連 電 位 ( e v e n t - r e l a t e d p o t e n t i a l : E R P ) や 機 能 的 磁 気 共 鳴 画 像 ( f u n c t i o n a l m a g n e t i c r e s o n a n c e i m a g i n g : f M R I ) の よ う な 脳 機 能 イ メ ー ジ ン グ 法 が 用 い ら れ て い る 。 さ ら に 、 認 知 機 能 低 下 は 脳 萎 縮 と 関 係 す る こ と で 磁 気 共 鳴 画 像( m a g n e t i c r e s o n a n c e i m a g i n g : M R I ) に よ る 脳 容 積 と 身 体 運 動 と の 関 係 も 検 討 さ れ て い る( E r i c k s o n e t a l . , 2 0 11 ) 。 脳 内 情 報 処 理 過 程 を 客 観 的 に 評 価 で き る E R P は 、認 知 機 能 を 調 べ る こ と に 適 し て い る 。特 定 の 事 象 に 関 連 し た 脳 活 動 を 評 価 す る E R P は 、外 部 か ら の 刺 激 を 検 出 し て 適 切 に 判 断 を 下 し 、 そ れ に 応 じ た 反 応 を 選 択 し 実 行 す る と い っ た 一 連 の 脳 内 情 報 処 理 過 程 を ミ リ 秒 単 位 で 分 析 で き る 時 間 分 解 能 に 優 れ た 指 標 で あ る 。 さ ま ざ ま な E R P 成 分 の 中 で も 特 に 、 P 3 成 分 に 着 目 し て 身 体 運 動 と 実 行 機 能 を 検 討 し た 研 究 が 数 多 く あ る 。P 3 成 分 は 刺 激 提 示 後 か ら 約 3 0 0 ‐ 8 0 0 m s 間 に 出 現 す る 陽 性 成 分 で あ り 、 頭 皮 上 の 中 心 － 頭 頂 部 で 優 勢 に 出 現 す る 。P 3 成 分 の 潜 時 は 刺 激 評 価 に 要 し た 時 間 を 反 映 し 、 振 幅 は 標 的 刺 激 へ 配 分 さ れ た 注 意 資 源 量 を 反 映 す る と 考 え ら れ て い る( P o l i c h , 2 0 0 7 ) 。 身 体 運 動 と 認 知 機 能 と の 関 係 を 検 討 し た 研 究 で は 、 一 過 性 の 身 体 運 動 と 習 慣 的 身 体 運 動 を 用 い た 研 究 に 大 別 さ れ る 。 以 下 に 、 一 過 性 の 有 酸 素 運 動 と 実 行 機 能 と の 関 係 を 調 べ た 研 究 と 、 習 慣 的 身 体 運 動 と 実 行 機 能 と

6 の 関 係 を 調 べ た 研 究 に つ い て 概 観 す る 。 第 1 節 一 過 性 の 有 酸 素 運 動 が 実 行 機 能 に 及 ぼ す 影 響 一 過 性 運 動 が 認 知 機 能 に 及 ぼ す 影 響 に 関 し て は 多 く の 研 究 が な さ れ て お り 、 研 究 間 で 知 見 に 矛 盾 は あ る も の の 、 一 般 的 に は 一 過 性 運 動 に よ っ て 認 知 パ フ ォ ー マ ン ス は 向 上 す る こ と が 明 ら か に な っ て い る ( M c M o r r i s e t a l . , 2 0 0 0 ; To m p o r o w s k i , 2 0 0 3 ) 。 一 過 性 運 動 の 好 影 響 は 、 子 ど も か ら 若 年 成 人 ( A u d i ff r e n e t a l . , 2 0 0 8 , 2 0 0 9 ; C h a n g e t a l . , 2 0 1 4 ; L a m b o u r n e e t a l . , 2 0 1 0 ) 、 中 ・ 高 年 者 ( C h a n g e t a l . , 2 0 1 2 ; P e s c e e t a l . , 2 0 11 ) な ど さ ま ざ ま な 年 齢 層 で 認 め ら れ て い る 。 一 過 性 運 動 が 認 知 機 能 の 向 上 に 関 わ る メ カ ニ ズ ム と し て は 、 運 動 に よ っ て 引 き 起 こ さ れ た 生 理 学 的 覚 醒 水 準 の 上 昇 が 関 係 す る と さ れ て い る ( A u d i ff r e n e t a l . , 2 0 0 8 ; L a m b o u r n e e t a l . , 2 0 1 0 ) 。 ま た 、 一 過 性 運 動 に よ っ て 脳 血 流 量 が 一 過 性 に 増 加 し 、 ノ ル エ ピ ネ フ リ ン 、 ド ー パ ミ ン 、 血 漿 カ テ コ ル ア ミ ン 濃 度 が 変 化 し 、 認 知 機 能 に 影 響 を 与 え る と 考 え ら れ て い る ( M c M o r r i s , 2 0 11 ) 。 一 過 性 運 動 と 実 行 機 能 と の 関 係 を 調 べ た E R P 研 究 で は 主 に フ ラ ン カ ー 課 題 を 用 い て 干 渉 制 御 や 抑 制 機 能 に 対 す る 一 過 性 運 動 の 効 果 を 検 討 し て い る 。 た と え ば 、H i l l m a n e t a l . ( 2 0 0 3 ) に よ る と 、 中 等 度 強 度 の ト レ ッ ド ミ ル 運 動 後 に P 3 振 幅 は 増 大 し た が 、 P 3 潜 時 に は 運 動 の 効 果 が 現 れ な か っ た と い う 。K a m i j o e t a l . ( 2 0 0 7 ) は 、 低 ・ 中 等 度 強 度 の 自 転 車 運 動 後 に P 3 振 幅 が 増 大 し 、 一 致 刺 激 よ り 不 一 致 刺 激 の ほ う で 一 過 性 運 動 の 効 果 が よ り 鋭 敏 に 現 れ た と 報 告 し た 。 一 方 、 P o n t i f e x e t a l . ( 2 0 0 7 ) は 6 0 % H R m a x の 自 転 車 運 動 後 に 不 一 致 試 行 に お け る 反 応 正 答 率 が 低 く 、 P 3 潜 時 が 運 動 後 遅 延 し た と 報 告 し 、 一 過 性 運 動 は 干 渉 制 御 に 影 響 を 及 ぼ さ

7 な い こ と を 示 唆 し た 。 こ の よ う に 、E R P 研 究 で は 同 じ 実 行 機 能 で あ っ て も 異 な る 結 果 が 示 さ れ て い る 。 運 動 強 度 お よ び 運 動 時 間 や 種 類 、 運 動 後 の 認 知 課 題 開 始 時 間 、 認 知 課 題 の タ イ プ な ど の 違 い に よ っ て 一 過 性 運 動 の 効 果 に 関 す る 結 果 は 一 致 し な い( K a m i j o e t a l . , 2 0 0 7 ) 。 一 過 性 運 動 と 認 知 パ フ ォ ー マ ン ス と の 関 係 は 認 知 課 題 の 特 性 に 依 存 す る と 考 え ら れ て い る( C h a n g e t a l . , 2 0 1 2 ) 。 E t n i e r e t a l . ( 1 9 9 7 ) は 、 一 過 性 運 動 は 運 動 ス キ ル や 学 業 成 績 に 好 影 響 を 及 ぼ す 一 方 、 言 語 能 力 に 関 し て は 効 果 は な い と 報 告 し た 。 初 期 の 多 く の 研 究 は 、 単 純 反 応 課 題 ( M c M o r r i s , 1 9 9 5 ; M c M o r r i s a n d K e e n , 1 9 9 4 ; Tr a v l o s a n d M a r i s i , 1 9 9 5 ) や 視 覚 再 認 課 題( B a r d a n d F l e u r y, 1 9 7 8 ; F l e u r y e t a l . , 1 9 8 1 ) を 用 い て き た 。 近 年 に な る と 、実 行 機 能( e x e c u t i v e f u n c t i o n ) が 注 目 さ れ る よ う に な り 、一 過 性 運 動 と の 関 連 が 検 討 さ れ る よ う に な っ た( C h a n g a n d E t n i e r, 2 0 0 9 ; S i b l e y e t a l . , 2 0 0 6 ; To m p o r o w s k i e t a l . , 2 0 0 5 ) 。 E t n i e r a n d C h a n g ( 2 0 0 9 ) は 、 一 過 性 運 動 は 実 行 機 能 の 特 定 タ イ プ に 選 択 的 に 影 響 す る と 主 張 し 、 こ の 見 解 を 明 ら か に す る た め に は さ ら な る 研 究 が 必 要 で あ る と 述 べ た 。 そ れ 以 降 の 研 究 で は 一 過 性 運 動 に 伴 う 抑 制( C h a n g e t a l . , 2 0 1 4 ) 、 認 知 的 柔 軟 性 ( C h a n g e t a l . , 2 0 1 2 ) 、 ワ ー キ ン グ メ モ リ ( P o n t i f e x e t a l . , 2 0 0 9 ) と い っ た 実 行 機 能 の 下 位 機 能 に 及 ぼ す 影 響 を 調 べ た 。 し か し な が ら 、 こ れ ら の 研 究 は 実 行 機 能 に お け る 3 つ の 下 位 機 能 を 別 々 の 実 験 で 検 証 し た た め 、 一 過 性 運 動 の 強 度 や 時 間 、 種 類 、 認 知 課 題 開 始 時 間 と い っ た 実 験 変 数 が 統 制 で き て い な い 。ま た 、頭 蓋 骨 厚 や 性 格 、 遺 伝 的 要 因 な ど さ ま ざ ま な バ イ ア ス が E R P に 影 響 す る 可 能 性 が 考 え ら れ る 。 し た が っ て 、 実 行 機 能 に 対 す る 一 過 性 運 動 効 果 を 総 合 的 に 理 解 す る た め に は 、 同 じ 対 象 者 に 対 し て 同 一 実 験 内 で 3 つ の 下 位 機 能 を 検 討 す る 必 要 が あ る 。

8 第 2 節 習 慣 的 身 体 運 動 が 実 行 機 能 に 及 ぼ す 影 響 高 齢 者 を 対 象 に 習 慣 的 運 動 と 認 知 機 能 と の 関 係 を 調 査 し た 先 行 研 究 に よ る と 、 身 体 活 動 レ ベ ル が 高 い 者 ほ ど 認 知 機 能 の 低 下 は 小 さ く( Ya ff e e t a l . , 2 0 0 1 ) 、 有 酸 素 能 力 の 高 い 高 齢 者 の ほ う が 認 知 機 能 は 高 い ( B a r n e s e t a l . , 2 0 0 3 ) 。 E R P を 用 い て 検 証 し た 研 究 も こ れ ま で に 多 数 報 告 さ れ て い る 。H i l l m a n e t a l . ( 2 0 0 4 ) は 、 高 齢 者 を 身 体 活 動 レ ベ ル の 違 い に よ っ て 3 群 に 分 け 、 認 知 葛 藤 課 題 遂 行 時 の P 3 成 分 を 比 較 し た 結 果 、 身 体 活 動 レ ベ ル が 低 く な る ほ ど P 3 潜 時 が 遅 延 し た こ と か ら 、 習 慣 的 身 体 活 動 が 高 齢 者 の 認 知 処 理 速 度 に 関 係 す る こ と を 示 唆 し た 。 ま た 、 高 齢 者 と 若 年 者 に お け る 有 酸 素 能 力 の 高 い 群 と 低 い 群 と の 間 で P 3 成 分 を 比 較 し た 結 果 、 有 酸 素 能 力 が 低 い 高 齢 者 群 で は 高 い 高 齢 者 群 と 若 年 者 に 比 べ て P 3 潜 時 が 遅 延 し た 。 一 方 、 若 年 者 と 有 酸 素 能 力 の 高 い 高 齢 者 と の 間 に は P 3 潜 時 に 差 が な か っ た こ と か ら 、 習 慣 的 身 体 活 動 に よ る 有 酸 素 能 力 の 向 上 は 、 加 齢 に 伴 う 認 知 機 能 低 下 を 抑 制 す る こ と を 示 唆 し た( D u s t m a n e t a l . , 1 9 9 0 ) 。 H a t t a e t a l . ( 2 0 0 5 ) は 、 運 動 群 の 高 齢 者 は 非 運 動 群 の 高 齢 者 よ り 反 応 時 間 が 短 く 、 P 3 振 幅 の 増 大 を 示 し た 。さ ら に 、高 齢 者 の 有 酸 素 能 力 の 違 い と 課 題 難 易 度 と の 関 係 を 調 べ た 研 究 で は 、 低 難 度 課 題 に お い て 有 酸 素 能 力 の 高 い 高 齢 者 群 で は 低 い 群 よ り も 反 応 時 間 が 短 縮 し 、P 3 振 幅 は 増 大 し た ( P o n t i f e x e t a l . , 2 0 0 9 ) 。 こ れ ら の 先 行 研 究 か ら 、 高 齢 者 に お け る 習 慣 的 身 体 活 動 は 認 知 機 能 向 上 に 関 係 す る こ と が 明 ら か に な っ て い る 。 し か し な が ら 、 こ れ ら の 先 行 研 究 で は 習 慣 的 身 体 活 動 を 質 問 紙 ま た は 心 肺 能 力 で 評 価 し て い た た め 、 日 常 の 身 体 活 動 量 が 正 確 に 評 価 さ れ て い な か っ た こ と が 問 題 視 さ れ る 。 さ ら に 、 認 知 機 能 を 向 上 さ せ る た め に 必 要 な 日 常 の 身 体 活 動 量 が 明 ら か に さ れ て い な か っ た 。 し た が っ て 、 習 慣

9 的 身 体 活 動 と 認 知 機 能 と の 関 係 を 検 討 す る に は 、 加 速 度 計 付 き 歩 数 計 を 使 用 し て 身 体 活 動 量 を 実 測 し て 習 慣 的 身 体 活 動 量 を 評 価 す べ き で あ る 。 E R P に よ る 運 動 介 入 の 効 果 を 検 討 し た 縦 断 的 研 究 は 未 だ 行 わ れ て い な い が 、 長 期 的 な 有 酸 素 運 動 が 反 応 時 間 や 認 知 機 能 テ ス ト の 成 績 を 向 上 さ せ る こ と は 報 告 さ れ て い る( F a b r e e t a l . , 2 0 0 2 ; K a r a e t a l . , 2 0 0 5 ) 。 こ れ ら の 習 慣 的 身 体 運 動 が 認 知 機 能 に 及 ぼ す 影 響 に 関 す る 潜 在 的 メ カ ニ ズ ム と し て は 、 長 期 的 身 体 運 動 に よ っ て 脳 由 来 神 経 栄 養 因 子 ( b r a i n - d e r i v e d n e u r o t r o p i c f a c t o r : B D N F ) や イ ン ス リ ン 様 成 長 因 子 ( i n s u l i n - l i k e g r o w t h f a c t o r 1 : I G F - 1 ) 、 血 管 内 皮 増 殖 因 子 ( v a s c u l a r e n d o t h e l i a l g r o w t h f a c t o r : V E G F ) な ど の 神 経 伝 達 物 質 が 増 加 し 、 神 経 細 胞 死 滅 の 抑 制 お よ び 分 化 に 関 与 す る と 考 え ら れ て い る( C h u r c h i l l e t a l . , 2 0 0 2 ; G a r z a e t a l . , 2 0 0 4 ; W h i t e a n d C a s t e l l a n o , 2 0 0 8 ; R h y u e t a l . , 2 0 0 3 ) 。 さ ら に 、近 年 で は M R I を 使 用 し て 身 体 運 動 に 伴 う 認 知 機 能 向 上 と 関 連 す る 脳 領 域 や 脳 容 積 と の 関 係 に つ い て も 検 討 さ れ て い る 。 高 齢 者 に お け る 6 ヶ 月 間 の 有 酸 素 運 動 の 実 践 は 干 渉 制 御 に 関 連 す る 前 頭 前 野 や 後 頭 部 の 活 動 を 活 発 さ せ る こ と が 確 認 さ れ て い る( C o l c o m b e e t a l . , 2 0 0 4 ) 。 ま た 、 E r i c k s o n e t a l . ( 2 0 11 ) は 、1 年 間 の 有 酸 素 運 動 の 実 践 に よ り 海 馬 容 積 が 2 % 増 え た こ と を 示 し 、 加 齢 に 伴 う 脳 萎 縮 を 有 酸 素 運 動 の 実 践 に よ り 抑 制 で き る こ と を 示 唆 し た 。

第

2 章 本 論 文 の 目 的 と 構 成

本 研 究 で は 若 年 者 と 高 齢 者 に お け る 身 体 運 動 が 実 行 機 能 に 及 ぼ す 影 響 を 特 に 脳 内 情 報 処 理 過 程 に 着 目 し E R P に よ っ て 多 角 的 に 検 討 す る こ と を 目 的 と し た 。 ま た 、 実 行 機 能 に 対 す る 一 過 性 の 有 酸 素 運 動 と 習 慣 的 身 体 運 動 そ れ ぞ れ の 効 果 に 関 し て 検 討 し 、 よ り 総 合 的 な 理 解 を 目 指 す こ

10 と と し た 。 2 . 1 若 年 者 に お け る 一 過 性 の 有 酸 素 運 動 が 実 行 機 能 の 異 な る タ イ プ に 及 ぼ す 影 響 こ こ で は 、 実 行 機 能 を 構 成 す る 3 つ の 下 位 機 能 そ れ ぞ れ に 対 す る 一 過 性 有 酸 素 運 動 の 効 果 を 明 ら か に す る こ と を 目 的 と し 、 以 下 の 研 究 課 題 を 設 け た( 研 究 課 題 1 , 2 , 3 ) 。 研 究 課 題 1 . 一 過 性 有 酸 素 運 動 が 認 知 的 柔 軟 性 に 及 ぼ す 影 響 研 究 課 題 2 . 一 過 性 有 酸 素 運 動 が ワ ー キ ン グ メ モ リ に 及 ぼ す 影 響 研 究 課 題 3 . 一 過 性 有 酸 素 運 動 が 抑 制 お よ び 反 応 処 理 系 に 及 ぼ す 影 響 2 . 2 高 齢 者 に お け る 習 慣 的 身 体 運 動 が 認 知 機 能 に 及 ぼ す 影 響 日 常 身 体 活 動 の 遂 行 が 高 齢 者 の 認 知 機 能 に 及 ぼ す 影 響 を 明 ら か に す る た め に 以 下 の 研 究 課 題 を 設 け た( 研 究 課 題 4 , 5 ) 。 研 究 課 題 4 . 習 慣 的 な 身 体 運 動 が 高 齢 者 の 反 応 抑 制 機 能 に 及 ぼ す 影 響 研 究 課 題 5 . 習 慣 的 な 身 体 運 動 が 高 齢 者 の 注 意 お よ び 反 応 処 理 系 に 及 ぼ す 影 響 本 研 究 は 、 若 年 者 に お い て 一 過 性 の 身 体 運 動 が ど の 実 行 機 能 に 有 効 に 働 く か に 関 す る 知 見 を 提 供 し 得 る も の で あ る 。 さ ら に 、 高 齢 者 に お い て 認 知 機 能 を 向 上 さ せ る 日 常 生 活 下 の 身 体 活 動 量 を 明 ら か に し 得 る も の で あ る 。 総 合 的 に 、 身 体 運 動 が も た ら す 効 果 に 理 論 的 根 拠 を 与 え る 一 助 と な る も の と 考 え ら れ る 。

11

第

2 部

若 年 者 に お け る 一 過 性 の 有 酸 素 運 動 が

実 行 機 能 の 異 な る タ イ プ に 及 ぼ す 影 響

12

第

1 章 一 過 性 有 酸 素 運 動 が 認 知 的 柔 軟 性 に 及 ぼ す 影 響

(研 究 課 題 1)

第 1 節 目 的 認 知 的 柔 軟 性 の 評 価 に は タ ス ク ス イ ッ チ ン グ 課 題 が 広 く 用 い ら れ て き た 。 タ ス ク ス イ ッ チ ン グ 課 題 は 、 ル ー ル の 異 な る 2 つ 以 上 の 課 題 が 切 り 替 わ る も の で あ り 、 主 に 切 り 替 え コ ス ト と 混 合 コ ス ト が 認 知 的 柔 軟 性 の 指 標 と し て 使 わ れ て い る 。 切 り 替 え コ ス ト は 、 同 じ 課 題 ブ ロ ッ ク 内 で 課 題 ル ー ル が 切 り 替 わ る s w i t c h 試 行 と 切 り 替 え が な い n o n - s w i t c h 試 行 間 の パ フ ォ ー マ ン ス の 差 を 指 し 、 タ ス ク セ ッ ト の 再 構 築 に お け る 柔 軟 性 を 反 映 す る 。 一 方 、 混 合 コ ス ト は 、 複 数 の 課 題 を 同 時 並 行 的 に 遂 行 す る 際 に 生 じ る コ ス ト を 指 す 。例 え ば 、同 一 課 題 を 繰 り 返 し て 行 う 場 合 よ り も 、 ル ー ル の 異 な る 課 題 を 並 列 し て 遂 行 す る 場 合 に よ り 多 く の 時 間 が 費 や さ れ 、 正 答 率 も 低 く な る 。 主 に ワ ー キ ン グ メ モ リ に お け る タ ス ク セ ッ ト の 維 持 を 反 映 す る( M o n s e l l , 2 0 0 3 ) 。 反 応 時 間 や 正 答 率 の よ う な 行 動 指 標 を 用 い て 認 知 的 柔 軟 性 に 対 す る 一 過 性 運 動 の 効 果 を 調 べ た 研 究 が 複 数 あ る 。 4 0 分 間 自 転 車 漕 ぎ 運 動 後 で は 、タ ス ク ス イ ッ チ ン グ 課 題 の パ フ ォ ー マ ン ス は 安 静 条 件 後 と 比 較 し て 変 わ ら な か っ た と い う 報 告 が あ る ( To m p o r o w s k i a n d G a n i o , 2 0 0 6 ; C o l e s a n d To mp o r o w s k i , 2 0 0 8 ) 。 ま た 、 安 静 条 件 と 比 べ て 約 2 0 分 間 の ト レ ッ ド ミ ル 運 動 後 の 切 り 替 え コ ス ト と エ ラ ー 率 に 変 化 が み ら れ な か っ た こ と か ら 、 一 過 性 の 身 体 運 動 は タ ス ク ス イ ッ チ ン グ で 要 求 さ れ る 認 知 機 能 に は 影 響 を 及 ぼ さ な い こ と が 示 唆 さ れ て い る( To m p o r o w s k i e t a l . , 2 0 0 8 ) 。こ の よ う に 行 動 指 標 の み を 用 い て タ ス ク ス イ ッ チ ン グ 課 題 に よ る 認 知 的 柔 軟 性 を 評 価 し た 先 行 研 究 で は 、 一 過 性 運 動 の 効 果 検 出 に 失 敗 し て い る 。 行 動 指 標 は 認 知 機 能 評 価 の 指 標 と し て 広 く 用 い ら れ て い る が 、 脳 内 の 神 経 活 動 を 検 討 す る に は 限 界 が あ る 。

13 先 行 研 究 に よ れ ば 、 一 過 性 運 動 の 効 果 は 行 動 指 標 よ り 神 経 活 動 指 標 、 た と え ば 、P 3 成 分 に よ り 鋭 敏 に 現 れ る と 報 告 し た 。 若 年 者 を 対 象 に 長 期 的 な 身 体 活 動 と 認 知 的 柔 軟 性 を E R P で 検 討 し た 研 究 が あ る 。 し か し な が ら 、 身 体 活 動 量 の 多 い 方 が 少 な い 方 よ り も 切 り 替 え コ ス ト は 減 少 す る と い っ た 報 告( H i l l m a n e t a l . , 2 0 0 6 ) や 、 習 慣 的 身 体 活 動 は タ ス ク ス イ ッ チ ン グ 課 題 遂 行 時 の 反 応 時 間 や P 3 成 分 に は 影 響 を 及 ぼ さ な い と い う 報 告 が あ り( S c i s c o e t a l . , 2 0 0 8 ) 、知 見 は 一 致 し て い な い 。 K a m i j o e t a l . ( 2 0 1 0 ) は 、 こ れ ら の 矛 盾 し た 結 果 は 研 究 方 法 に 起 因 す る こ と を 指 摘 し 、 そ れ ら の 問 題 点 を 改 善 し た 。 そ の 結 果 、 身 体 活 動 量 の 多 い 者 で は 少 な い 者 に 比 べ て 、 反 応 時 間 に 混 合 コ ス ト と 切 り 替 え コ ス ト の 減 少 を 認 め 、P 3 振 幅 に も 混 合 コ ス ト の 減 少 を 認 め た 。こ の よ う に 習 慣 的 身 体 活 動 に よ っ て 認 知 的 柔 軟 性 も 向 上 し 得 る こ と が 示 唆 さ れ て い る 。 し か し な が ら 、 若 年 者 に お け る 認 知 的 柔 軟 性 に 対 す る 一 過 性 運 動 の 効 果 を 検 討 し た E R P 研 究 は な く 、タ ス ク ス イ ッ チ ン グ パ ラ ダ イ ム の 切 り 替 え コ ス ト と 混 合 コ ス ト 両 方 と も に 一 過 性 運 動 に よ っ て 変 わ る の か 、 あ る い は 、 片 方 の み に 選 択 的 に 影 響 を 及 ぼ す の か に つ い て は 不 明 で あ る 。 そ こ で 、 研 究 課 題 1 で は 若 年 者 を 対 象 に 、3 0 分 間 の 中 等 度 強 度 の 有 酸 素 運 動 が 認 知 的 柔 軟 性 に 及 ぼ す 影 響 に つ い て 、 行 動 指 標 と P 3 成 分 に よ っ て 明 ら か に す る こ と を 目 的 と し た 。 第 2 節 方 法 2 . 1 対 象 者 本 研 究 は 、健 康 な 成 人 3 0 名 を 対 象 と し た 。す べ て の 参 加 者 は 精 神 疾 患 お よ び 神 経 疾 患 を 有 さ ず 、 矯 正 視 力 が 正 常 で あ っ た 。 参 加 者 に は 、 事 前 に 研 究 目 的 、 測 定 事 象 、 安 全 性 等 に つ い て 文 章 及 び 口 頭 で 説 明 し 、 実 験

14 参 加 の 同 意 を 書 面 で 得 た 。本 研 究 は 、「 早 稲 田 大 学 人 を 対 象 と す る 研 究 に 関 す る 倫 理 委 員 会 」 の 承 認 を 得 て 実 施 し た 。 2 . 2 実 験 手 順 実 験 プ ロ ト コ ル を 図 1 に 示 す 。本 実 験 は 安 静 条 件 と 運 動 条 件 か ら 成 る 。 運 動 負 荷 試 験 日 を 含 め 参 加 者 が 実 験 に 参 加 し た 日 数 は 計 3 日 間 で あ り 、 そ れ ぞ れ 異 な る 日 に 行 っ た 。安 静 条 件 の 3 0 分 間 は 、シ ー ル ド ル ー ム 内 の 椅 子 に 座 っ た 状 態 で 予 め 用 意 し た 週 刊 誌 を 読 む よ う に 教 示 し た 。 参 加 者 の 様 子 は カ メ ラ を 通 し て 観 察 し た 。3 0 分 間 の 座 位 安 静 後 、 3 種 類 の 認 知 課 題 を 遂 行 し 、 そ の 間 の 脳 波 を 計 測 し た 。 運 動 条 件 で は 、 運 動 負 荷 試 験 に よ っ て 得 ら れ た 最 大 心 拍 数( H R m a x ) を 用 い て 、各 自 の H R m a x の 7 0 % 強 度 で ト レ ッ ド ミ ル 運 動( 歩 行 お よ び 走 行 ) を 3 0 分 間 行 っ た 。 運 動 終 了 後 、 1 0 分 以 内 に 安 静 条 件 と 同 様 の 3 種 類 の 認 知 課 題 遂 行 時 の 脳 波 を 計 測 し た 。 運 動 開 始 か ら 終 了 ま で 心 拍 数 計( R S 4 0 0 ， P o l a r 社 製 ， F i n l a n d ) を 用 い て 連 続 的 に 心 拍 数( H R ) を 測 定 し ， 主 観 的 運 動 強 度 ( r a t e o f p e r c e i v e d e x e r t i o n : R P E ) を 5 分 毎 に 記 録 し た 。安 静 条 件 と 運 動 条 件 終 了 後 に 実 施 し た 3 種 類 の 認 知 課 題 は 休 憩 を 挟 み な が ら 実 施 し た 。 課 題 の 実 施 順 序 は 参 加 者 間 で 固 定 し た （ タ ス ク ス イ ッ チ ン グ 課 題 フ ラ ン カ ー 課 題  ワ ー キ ン グ メ モ リ 課 題 ）。条 件 間 に は 認 知 課 題 に 対 す る 慣 れ の 影 響 を 避 け る た め に 4 日 以 上 の 期 間 を 空 け 、 条 件 の 提 示 順 序 は 、 参 加 者 間 で カ ウ ン タ ー バ ラ ン ス を と っ た 。

15 図 1 実 験 プ ロ ト コ ル 2 . 3 運 動 負 荷 試 験 対 象 者 は 、 実 験 条 件 の 遂 行 に 先 立 ち 、 ト レ ッ ド ミ ル を 用 い た 症 候 限 界 性 運 動 負 荷 試 験 を 実 施 し 、各 対 象 者 の 最 大 酸 素 摂 取 量( V O ₂ m a x ) お よ び 最 大 心 拍 数( H R m a x ) を 測 定 し た 。運 動 負 荷 プ ロ ト コ ル は 、1 分 毎 に 傾 斜 と 速 度 が 直 線 的 に 増 加( 約 1 M E Ts ず つ 増 加 ) す る ト レ ッ ド ミ ル 用 r a mp 負 荷 法 を 用 い た 。 酸 素 摂 取 量( V O ₂ ) は ， 呼 気 ガ ス 分 析 機 を 用 い て 安 静 時 か ら 運 動 終 了 ま で b r e a t h b y b r e a t h 法 に よ り 記 録 し た 。 ま た 、 B o rg ( 1 9 7 0 ) の R P E を 用 い て 、 主 観 的 な 運 動 強 度 を 1 分 毎 に 記 録 し た 。 V O ₂ m a x の 決 定 条 件 は 、 呼 吸 交 換 比( R ) が 1 . 1 0 を 超 え た 時 点 、 心 拍 数 が 予 測 最 大 心 拍 数 ( 2 2 0 － 年 齢) を 超 え た 時 点 、 R P E が 1 9 ‐ 2 0 で あ る こ と の う ち 、 い ず れ か 2 つ に 該 当 し た 時 点 と し た 。 2 . 4 認 知 的 柔 軟 性 課 題 認 知 課 題 は 、 認 知 的 柔 軟 性 、 ワ ー キ ン グ メ モ リ 、 抑 制 機 能 、 反 応 プ ロ グ ラ ミ ン グ 過 程 を 評 価 す る た め に 3 種 類 の 課 題 を 用 い た 。 対 象 者 は シ ー

16 ル ド ル ー ム 内 の 椅 子 に 座 っ た 状 態 で 課 題 を 行 っ た 。 視 覚 刺 激 は 参 加 者 の 1 m 前 方 に 設 置 さ れ た モ ニ タ よ り 提 示 さ れ た 。 課 題 は 、 タ キ ス ト ス コ ー プ( 岩 通 ア イ セ ル 製 I S -7 0 2 AV Ta c h i s t o s c o p e ) を 用 い て 提 示 し た 。 認 知 的 柔 軟 性 を 評 価 す る た め に タ ス ク ス イ ッ チ ン グ 課 題 を 用 い た( 図 2 ) 。 2 つ の 異 な る ル ー ル を 持 つ 刺 激 が ラ ン ダ ム に 提 示 さ れ た 。 破 線 ま た は 実 線 の 四 角( 手 が か り 刺 激 ) が 3 0 0 m s 間 提 示 さ れ た 後 、 5 を 除 い た 1 か ら 9 ま で の 数 字 ( タ ー ゲ ッ ト 刺 激 ) が 2 0 0 m s 間 提 示 さ れ た 。 対 象 者 に は 、 四 角 の 手 が か り 刺 激 が 破 線 ま た は 実 線 に よ っ て 異 な る 2 つ の 課 題 を 遂 行 す る よ う に 要 求 し た 。た と え ば 、手 が か り 刺 激 が 破 線 の 場 合( 奇 遇 数 課 題 ) は 、 そ の 後 提 示 さ れ た 数 字 が 奇 数 ま た は 偶 数 か を 判 断 し た 。 一 方 、 手 が か り 刺 激 が 実 線 の 場 合( 大 小 課 題 ) は 、 そ の 後 の 数 字 が 5 よ り 大 き い か 小 さ い か を 判 断 し た 。 反 応 に 関 し て は 、 タ ー ゲ ッ ト 刺 激 が 奇 数 ま た は 5 よ り 小 さ い 場 合 は 左 手 の 第 2 指 に よ る ボ タ ン 押 し を 要 求 し 、 偶 数 ま た は 5 よ り 大 き い 場 合 は 右 手 の 第 2 指 に よ る ボ タ ン 押 し を 要 求 し た 。 反 応 は 可 能 な 限 り 素 早 く か つ 正 確 に 行 う よ う に 教 示 し た 。 手 が か り 刺 激 提 示 時 点 か ら タ ー ゲ ッ ト 刺 激 終 了 ま で を 7 0 0 m s と し 、 反 応 の 制 限 時 間 は 1 5 0 0 m s と し た 。1 ブ ロ ッ ク は 6 4 試 行 か ら 成 り 、奇 遇 数 課 題 と 大 小 課 題 が ラ ン ダ ム な 順 序 で 切 り 替 わ る 条 件 を 4 ブ ロ ッ ク 遂 行 し ( M i x e d 条 件 ) 、 切 り 替 え の あ る ブ ロ ッ ク の 中 で 、 前 試 行 と 当 該 試 行 が 同 一 課 題 で あ る 場 合 を n o n - s w i t c h 試 行 と し 、 異 な る 場 合 を s w i t c h 試 行 と し た 。 ま た 、 奇 遇 数 課 題 の み を 1 ブ ロ ッ ク 、 大 小 課 題 の み を 1 ブ ロ ッ ク 行 っ た ( P u r e 条 件 ) 。 本 実 験 開 始 前 、6 4 試 行 の 練 習 課 題 を 行 っ た 。M i x e d 条 件 と P u r e 条 件 の 順 序 は 参 加 者 間 で カ ウ ン タ ー バ ラ ン ス を と っ た 。 各 ブ ロ ッ ク 間 に 休 憩 を 入 れ ( 3 0 秒 ) 、 総 課 題 遂 行 時 間 は 約 1 5 分 で あ っ た 。

17 図 2 タ ス ク ス イ ッ チ ン グ 課 題 2 . 5 脳 波 記 録 脳 波( e l e c t r o e n c e p h a l o g r a m : E E G ) は 、 1 2 8 チ ャ ン ネ ル の エ レ ク ト ロ キ ャ ッ プ( e l e c t r o - c a p I n t e r n a t i o n a l I n c . 製 ) を 用 い て 導 出 し た 。 眼 電 図 は 両 外 眼 角 1 c m か ら 水 平 眼 電 図 、 左 眼 中 心 上 下 2 c m か ら 垂 直 眼 電 図 を 測 定 し 、 眼 球 運 動 を モ ニ タ し た 。 脳 波 と 眼 電 図 は 同 時 記 録 し た 。 サ ン プ リ ン グ 周 波 数 は 1 0 2 4 H z と し た 。 認 知 課 題 遂 行 時 に 記 録 し た 脳 波 デ ー タ は 、 解 析 s o f t w a r e で あ る b r a i n v i s i o n a n a l y z e r を 用 い て 、 各 刺 激 に よ っ て 誘 発 さ れ る 脳 電 位 を 時 間 ポ イ ン ト 毎 に 加 算 平 均 す る こ と に よ っ て 、 そ の 刺 激 と 関 連 し た E R P を 算 出 し た 。 2 . 6 脳 波 解 析 お よ び 統 計 検 定 タ ス ク ス イ ッ チ ン グ 課 題 を 用 い た 認 知 的 柔 軟 性 に お け る 一 過 性 運 動

18 の 影 響 は 、E R P 成 分 の う ち 、 P 3 成 分 に よ っ て 評 価 し た 。 脳 波 デ ー タ は タ ー ゲ ッ ト 刺 激 前 2 0 0 m s か ら 刺 激 提 示 後 8 0 0 m s の 1 0 0 0 m s 区 間 を 解 析 対 象 と し た 。眼 球 運 動 に よ る ア ー チ フ ァ ク ト は G r a t t o n & C o l e s 法 を 用 い て 修 正 し た 。± 1 0 0 μ V 以 上 の ア ー チ フ ァ ク ト を 含 む 試 行 は 分 析 か ら 除 外 し 、 正 反 応 試 行 の 脳 波 デ ー タ に つ い て タ ー ゲ ッ ト 刺 激 提 示 時 点 を ト リ ガ に し て 加 算 平 均 し た 。加 算 平 均 に よ っ て 得 ら れ た E R P に 対 し て バ ン ド パ ス フ ィ ル タ( 0 . 1 - 3 0 H z , 1 2 d B / o c t a v e ) を 適 用 し 、P 3 振 幅 値 は 刺 激 提 示 前 2 0 0 m s 区 間 の 平 均 電 位 を ベ ー ス ラ イ ン と し て 、タ ー ゲ ッ ト 刺 激 後 3 0 0 - 6 0 0 m s 区 間 内 に お け る 最 大 陽 性 電 位 を 計 測 し た 。P 3 潜 時 は タ ー ゲ ッ ト 刺 激 提 示 時 点 か ら P 3 頂 点 振 幅 ま で の 時 間 を 計 測 し た 。 RT は 刺 激 提 示 時 点 か ら 反 応 キ ー 押 し ま で の 時 間 を ms 単 位 で 計 測 し た 。 RT 、 正 答 率 、 P 3 潜 時 お よ び P 3 振 幅 に 関 す る 切 り 替 え コ ス ト の 統 計 検 定 に は 、 実 験 条 件( 運 動 条 件 ／ 安 静 条 件 ) × 試 行 条 件 ( n o n - s w i t c h ／ s w i t c h ) × 課 題 条 件( 大 小 ／ 奇 遇 数 ) の 3 要 因 分 散 分 析 を 適 用 し た 。 ま た 、 RT 、 正 答 率 、P 3 潜 時 お よ び P 3 振 幅 に 関 す る 混 合 コ ス ト の 統 計 検 定 に は 、 実 験 条 件( 運 動 条 件 ／ 安 静 条 件 ) × 試 行 条 件 ( n o n - s w i t c h ／ p u r e ) × 課 題 条 件 ( 大 小 ／ 奇 遇 数) の 3 要 因 分 散 分 析 を 行 っ た 。 M a u c h l y の 球 面 性 検 定 の 結 果 、 球 面 性 が 仮 定 さ れ な か っ た 場 合 に は 、G r e e n h o u s e -G e i s s e r の イ プ シ ロ ン を 用 い て 自 由 度 、 有 意 確 率 を 再 計 算 し た 。 主 効 果 と 交 互 作 用 が 認 め ら れ た 場 合 は 、B o n f e r r o n i を 用 い て 下 位 検 定 を 行 っ た 。 有 意 確 率 は 5 ％ と し 、 す べ て の 統 計 検 定 に は S P S S f o r Wi n d o w s Ve r. 1 9 . 0 を 用 い て 行 っ た 。 第 3 節 結 果 3 . 1 参 加 者 特 徴 参 加 者 特 徴 と 各 条 件 に お け る H R と R P E を 表 1 に 示 す 。 男 性 と 女 性 の

19 そ れ ぞ れ で 、 安 静 条 件 時 の 心 拍 数 に 比 べ 、 運 動 条 件 時 の 心 拍 数 が 有 意 に 高 か っ た( t ( 1 3 ) = 2 2 . 7 , p < . 0 0 1 ; t ( 1 4 ) = 2 7 . 0 , p < . 0 0 1 ) 。 安 静 条 件 後 の 課 題 遂 行 前 の 心 拍 数 と 運 動 条 件 後 の 認 知 課 題 遂 行 前 の 心 拍 数 に 関 し て は 、 男 性 と 女 性 の い ず れ に お い て も 有 意 差 は な か っ た 。 す な わ ち 、 運 動 条 件 時 に 中 等 度 強 度 の 有 酸 素 運 動 が 計 画 通 り に 遂 行 で き 、 両 条 件 と も に 心 拍 数 が 安 静 状 態 に 回 復 し て か ら 認 知 課 題 を 遂 行 し た こ と を 示 す 。 表 1 参 加 者 特 徴 と 各 条 件 に お け る H R , R P E 男 性 ( N = 1 4 ) 女 性 ( N = 1 4 ) 年 齢 ( 歳 ) 2 1 . 7 ( 1 . 2 ) 2 1 . 1 ( 1 . 1 ) 体 格 指 数 ( k g / m2) 2 3 . 1 ( 1 . 7 ) 2 1 . 2 ( 2 . 0 ) 最 大 酸 素 摂 取 量 ( m l / k g / m i n ) 5 3 . 6 ( 5 . 9 ) 4 0 . 0 ( 5 . 3 ) 最 大 心 拍 数 ( b p m ) 1 9 1 . 4 ( 7 . 1 ) 1 8 8 . 0 ( 8 . 8 ) 運 動 条 件 時 の 平 均 心 拍 数 ( b p m ) 1 3 7 . 5 ( 9 . 2 ) 1 3 1 . 9 ( 1 0 . 0 ) 運 動 条 件 時 の 主 観 的 運 動 強 度 1 2 ( 0 . 8 ) 1 2 . 4 ( 0 . 8 ) 安 静 条 件 後 の 心 拍 数 ( b p m ) 6 5 . 4 ( 3 . 8 ) 6 8 . 5 ( 7 . 3 ) 運 動 条 件 後 の 心 拍 数 ( b p m ) 6 6 . 2 ( 3 . 8 ) 6 9 . 0 ( 7 . 3 ) 中 等 度 強 度 以 上 の 身 体 活 動 時 間 ( m i n / d a y ) 4 2 . 9 ( 2 1 . 1 ) 4 8 . 4 ( 1 4 . 6 ) Va l u e s a r e e x p r e s s e d a s m e a n s ( s t a n d a r d d e v i a t i o n : S D ) . 3 . 2 行 動 指 標 反 応 時 間 と 正 答 率 に 関 し て は 、 そ れ ぞ れ 混 合 コ ス ト と 切 り 替 え コ ス ト に 分 け て 解 析 し た( 図 3 ) 。ま ず 、反 応 時 間 に お け る 混 合 コ ス ト に 関 し て は 、 安 静 条 件 よ り 運 動 条 件 の 反 応 時 間 が 短 く な っ た ( F ( 1 , 2 8 ) = 9 . 6 0 , p

20 = . 0 0 4 ) 。 正 答 率 に お け る 混 合 コ ス ト に 関 し て は 、 実 験 条 件 の 主 効 果 も 交 互 作 用 も 認 め ら れ な か っ た 。 反 応 時 間 に お け る 切 り 替 え コ ス ト に 関 し て は 、 安 静 条 件 よ り 運 動 条 件 の 反 応 時 間 が 短 く な っ た( F ( 1 , 2 8 ) = 11 . 0 8 , p = . 0 0 2 ) 。 ま た 、 大 小 課 題 よ り も 奇 偶 数 課 題 の ほ う で 反 応 時 間 は 短 く( F ( 1 , 2 8 ) = 9 6 . 7 0 , p < . 0 0 1 ) 、 n o n - s w i t c h 試 行 よ り も s w i t c h 試 行 の ほ う で 反 応 時 間 が 短 か っ た ( F ( 1 , 2 8 ) = 3 2 . 7 5 , p < . 0 0 1 ) 。 正 答 率 に お け る 切 り 替 え コ ス ト に 関 し て は 、 実 験 条 件 の 主 効 果 お よ び 交 互 作 用 は 認 め ら れ な か っ た 。 図 3 反 応 時 間 と 正 答 率

21 3 . 3 P 3 成 分 タ ス ク ス イ ッ チ ン グ 遂 行 間 の E R P 総 加 算 波 形 を 図 4 に 示 す 。 P 3 潜 時 に お け る 混 合 コ ス ト は 、 安 静 条 件 よ り も 運 動 条 件 の ほ う が 有 意 に 短 か っ た( F ( 1 , 2 8 ) = 1 2 . 4 1 , p = . 0 0 1 ) 。 ま た 、 P 3 潜 時 は 奇 偶 数 課 題 よ り も 大 小 課 題 の ほ う で 短 く( F ( 1 , 2 8 ) = 5 . 7 0 , p = . 0 2 4 ) 、 n o n - s w i t c h 試 行 よ り も s i n g l e 試 行 の ほ う で 短 か っ た( F ( 1 , 2 8 ) = 7 . 4 3 , p = . 0 11 ) 。 P 3 振 幅 に 関 し て は 、 実 験 条 件 と 要 因 間 に 有 意 な 交 互 作 用 は な か っ た 。 P 3 潜 時 に お け る 切 り 替 え コ ス ト は 、実 験 条 件 × 課 題 条 件 × 試 行 条 件 の 交 互 作 用 が 有 意 で あ っ た た め( F ( 1 , 2 8 ) = 7 . 9 3 , p = . 0 0 9 ) 、 各 課 題 に お け る 実 験 条 件 と 試 行 条 件 の 交 互 作 用 効 果 を 検 討 し た 。奇 偶 数 課 題 の s w i t c h 試 行 の み で 、安 静 条 件 よ り 運 動 条 件 後 の P 3 潜 時 が 短 縮 し た ( F ( 1 , 2 8 ) = 4 . 4 3 . p = . 0 4 ) 。 P 3 振 幅 に 関 し て は 、 安 静 条 件 よ り 運 動 条 件 の ほ う で 大 き か っ た ( F ( 1 , 2 8 ) = 1 7 . 7 8 , p < . 0 0 1 ) 。

22

23 図 5 P 3 潜 時 と P 3 振 幅 第 4 節 考 察 研 究 課 題 1 で は 、7 0 % H R ma x の 3 0 分 間 の 有 酸 素 運 動 に よ り 、反 応 時 間 と P 3 潜 時 に お け る 混 合 コ ス ト が 減 少 し 、 RT 、 P 3 潜 時 お よ び P 3 振 幅 に お け る 切 り 替 え コ ス ト が 減 少 す る こ と を 示 し た 。 し た が っ て 、 中 等 度 強 度 の 一 過 性 運 動 は 実 行 機 能 の 下 位 機 能 の 一 つ で あ る 認 知 的 柔 軟 性 を 向 上 さ せ る こ と を 明 ら か に し た 。 課 題 を 切 り 替 え る と き に 生 じ る 切 り 替 え コ ス ト に 関 し て 、RT の 短 縮 だ

24 け で な く 、P 3 潜 時 も 短 縮 を 示 し た 本 結 果 は 、一 過 性 運 動 後 に 課 題 切 り 替 え 時 の 刺 激 判 断 が 素 早 く 出 来 た こ と を 示 す 。N o n - s w i t c h 条 件 よ り s w i t c h 条 件 の ほ う で 、 ま た 、 大 小 課 題 よ り 奇 遇 数 課 題 の ほ う で 、RT と P 3 潜 時 が 遅 延 し た 。 こ れ ら の 結 果 は 、s w i t c h 条 件 遂 行 時 に 切 り 替 え コ ス ト が 生 じ た こ と を 示 し 、 大 小 課 題 よ り も 奇 遇 数 課 題 の ほ う で 難 度 が 高 い こ と を 示 し て い る 。 難 易 度 の 異 な る 課 題 を 分 け ず に 加 算 平 均 す る と P 3 潜 時 の j i t t e r が 生 じ て し ま い 、 P 3 振 幅 に 対 す る 身 体 運 動 の 効 果 が 正 確 に 評 価 さ れ な い た め に( K a m i j o e t a l . , 2 0 1 0 ) 、 本 研 究 で は 課 題 難 易 度 を 分 け て 加 算 平 均 し た 。 課 題 難 易 度 を 考 慮 し て も P 3 振 幅 に 差 を 認 め た こ と で 一 過 性 の 有 酸 素 運 動 の 効 果 を 確 認 で き た 。 本 結 果 に お い て 奇 遇 数 課 題 の み で 、安 静 条 件 よ り 運 動 条 件 の ほ う で P 3 潜 時 に 対 す る 切 り 替 え コ ス ト が 減 少 し た 。 一 過 性 運 動 の 効 果 は 認 知 負 荷 を よ り 多 く 要 求 す る 課 題 条 件 に お い て 鋭 敏 に 現 れ る と し た 先 行 研 究 と 一 致 し た( H i l l m a n e t a l . , 2 0 0 3 ; K a m i j o e t a l . , 2 0 0 7 ) 。 ワ ー キ ン グ メ モ リ に お け る タ ス ク セ ッ ト の 維 持 に 関 係 す る 混 合 コ ス ト に 関 し て は 、 課 題 セ ッ ト の 維 持 を 強 く 要 求 す る n o n - s w i t c h 試 行 で は 、 安 静 条 件 よ り も 運 動 条 件 の ほ う で 反 応 時 間 が 短 縮 し た 。 上 述 し た P 3 潜 時 に 対 す る 切 り 替 え コ ス ト の 減 少 と 同 様 に 、 認 知 負 荷 を よ り 多 く 要 求 す る 課 題 条 件 で 選 択 的 に 一 過 性 運 動 の 効 果 が 現 れ た こ と に な る 。 P 3 振 幅 に 対 す る 混 合 コ ス ト に 関 し て は 、一 過 性 運 動 の 効 果 は み ら れ な か っ た 。 さ ら に 、 正 答 率 に も 一 過 性 運 動 の 効 果 は み ら れ な か っ た 。 こ れ ら の 結 果 は 、 両 条 件 と も に タ ス ク セ ッ ト の 維 持 に 必 要 な 注 意 資 源 が 配 分 で き て い た こ と を 示 し て お り 、 運 動 に よ る 影 響 は 反 応 時 間 に は み ら れ る も の の 、正 確 性 に は 現 れ な い と し た 従 来 の 知 見 を 支 持 し て い る( M c M o r r i s & G r a y d o n , 2 0 0 0 ) 。

25

第

2 章 一 過 性 有 酸 素 運 動 が ワ ー キ ン グ メ モ リ に 及 ぼ す

影 響

(研 究 課 題 2)

第 1 節 目 的 こ こ で は 、S t e r n b e rg メ モ リ 課 題 ( S t e r n b e rg , 1 9 6 6 ) を 使 用 し て 一 過 性 運 動 が ワ ー キ ン グ メ モ リ に 及 ぼ す 影 響 を 検 討 し た 。S t e r n b e rg 課 題 は 3 , 5 , 7 文 字 で 構 成 さ れ た 文 字 列 を 記 憶 し て 、 続 い て 提 示 さ れ る 1 文 字 が 先 行 提 示 さ れ た 文 字 列 の 中 に 含 ま れ て い た か ど う か を 判 断 す る 再 認 課 題 で あ る 。 文 字 数 が 増 え る ほ ど 記 憶 負 荷 は 高 く な る 。P o n t i f e x e t a l . ( 2 0 0 9 ) は 、 S t e r n b e rg メ モ リ 課 題 を 用 い て ワ ー キ ン グ メ モ リ に 対 す る 一 過 性 の 有 酸 素 運 動 と レ ジ ス タ ン ス 運 動 の 効 果 を 調 べ た 。 そ の 結 果 、3 文 字 よ り 5 , 7 文 字 に 対 し て 一 過 性 の 有 酸 素 運 動 後 の 反 応 時 間 が 短 縮 し た と 報 告 し 、 運 動 種 類 の 違 い に よ っ て ワ ー キ ン グ メ モ リ に 及 ぼ す 影 響 が 異 な る こ と と 、 ワ ー キ ン グ メ モ リ の 負 荷 が 高 い ほ ど( よ り 多 く の 記 憶 負 荷 を 要 す る ほ ど ) 一 過 性 の 有 酸 素 運 動 の 効 果 が 検 出 し や す い こ と を 示 唆 し た 。 し か し な が ら 、 彼 ら は 行 動 指 標 の み を 用 い て い る こ と か ら 、 一 過 性 運 動 実 施 が 脳 内 の ワ ー キ ン グ メ モ リ 処 理 過 程 に 及 ぼ す 影 響 に つ い て は 不 明 の ま ま で あ る 。 ワ ー キ ン グ メ モ リ 負 荷 が 高 く な る ほ ど 刺 激 判 断 に 要 す る 時 間 も か か る た め P 3 潜 時 は 遅 延 す る 。 ま た 、 注 意 資 源 量 を 表 す P 3 振 幅 に お い て も メ モ リ 資 源 に 限 り が あ る た め 、 メ モ リ 負 荷 が 高 く な る ほ ど 刺 激 へ 向 け る 注 意 資 源 量 は 減 少 し 、P 3 振 幅 も 小 さ く な る と 考 え ら れ て い る ( P o l i c h a n d K o k , 1 9 9 5 ; P o n t i f e x e t a l . , 2 0 0 9 ) 。 認 知 的 葛 藤 課 題 を 用 い た P 3 先 行 研 究 に よ る と 、 認 知 的 葛 藤 の あ る 課 題 条 件 の ほ う が な い 課 題 条 件 よ り も 一 過 性 運 動 の 効 果 が 現 れ る と い う ( H i l l m a n e t a l . , 2 0 0 3 ) 。 ま た 、 一 過 性 運 動 と P 3 振 幅 と の 関 係 を 検 討 し た

26 先 行 研 究 で は 一 過 性 の 運 動 後 に P 3 振 幅 が 大 き く な っ て い る ( K a m i j o e t a l . , 2 0 0 7 ; 2 0 0 9 ; O ’ L e a r y e t a l . , 2 0 11 ; S c u d d e r e t a l . , 2 0 1 2 ) 。 し か し 、 一 過 性 の 有 酸 素 運 動 後 の ワ ー キ ン グ メ モ リ 改 善 と P 3 の 変 化 と の 関 係 に つ い て は 不 明 の ま ま で あ る 。 ぞ こ で 、 研 究 課 題 2 で は 、 S t e r n b e rg メ モ リ 課 題 で 記 憶 負 荷 を 操 作 し 、 P 3 振 幅 に 及 ぼ す 一 過 性 の 有 酸 素 運 動 の 効 果 が 記 憶 負 荷 量 に 伴 っ て 異 な る の か 、 あ る い は 記 憶 負 荷 と は 関 係 な く 現 れ る の か に つ い て 明 ら か に す る こ と と し た 。 第 2 節 方 法 2 . 1 対 象 者 研 究 課 題 1 と 同 様 の 対 象 者 に よ っ て デ ー タ を 収 集 し た 。 2 . 2 実 験 手 順 研 究 課 題 1 と 同 様 の 実 験 手 順 を 用 い た 。 2 . 3 運 動 負 荷 試 験 研 究 課 題 1 と 同 様 の 運 動 負 荷 試 験 を 実 施 し た 。 2 . 4 ワ ー キ ン グ メ モ リ 課 題 本 研 究 で 用 い た ワ ー キ ン グ メ モ リ 課 題 を 図 6 に 示 し た 。 参 加 者 は シ ー ル ド ル ー ム 内 の 椅 子 に 座 っ た 状 態 で 課 題 を 行 っ た 。 記 憶 刺 激 は 大 文 字 の ア ル フ ァ ベ ッ ト か ら な り 、メ モ リ セ ッ ト サ イ ズ を 3 文 字 、5 文 字 、7 文 字 と し 記 憶 負 荷 を 調 整 し た 。 タ ー ゲ ッ ト 刺 激 は 小 文 字 の ア ル フ ァ ベ ッ ト で 提 示 さ れ た 。 参 加 者 に は 、 記 憶 刺 激 を 覚 え た 後 、 次 に 提 示 さ れ た タ ー ゲ ッ ト 刺 激 が 先 ほ ど 覚 え た 記 憶 刺 激 の 文 字 列 の 中 に 含 ま れ て い れ ば「 あ り 」

27 右 手 第 2 指 で 、 含 ま れ て い な け れ ば 「 な し 」 左 手 第 2 指 で 可 能 な 限 り 素 早 く か つ 正 確 に ボ タ ン 押 し 反 応 を す る よ う に 要 求 し た 。 メ モ リ セ ッ ト サ イ ズ と タ ー ゲ ッ ト 刺 激 の 「 あ り 」、「 な し 」 の 提 示 頻 度 は 同 等 で あ っ た 。 2 0 試 行 の 練 習 課 題 後 、 4 ブ ロ ッ ク ( 1 ブ ロ ッ ク 5 4 試 行 ) の 課 題 を 行 っ た 。 各 ブ ロ ッ ク 間 に 休 憩 を 入 れ( 1 分 間 ) 、 総 課 題 遂 行 時 間 は 約 3 0 分 間 で あ っ た 。 図 6 ワ ー キ ン グ メ モ リ 課 題 2 . 5 脳 波 記 録 研 究 課 題 1 と 同 様 の 方 法 に よ り 脳 波 を 記 録 し た 。 2 . 6 脳 波 解 析 お よ び 統 計 検 定 S t e r n b e rg メ モ リ 課 題 に お け る 一 過 性 運 動 の 効 果 は 、 主 に P 3 成 分 に よ っ て 評 価 し た 。 脳 波 は タ ー ゲ ッ ト 刺 激 前 5 0 0 m s か ら 刺 激 提 示 後 1 5 0 0 m s の 2 0 0 0 m s 区 間 を 解 析 対 象 と し た 。 眼 球 運 動 に よ る ア ー チ フ ァ ク ト は G r a t t o n & C o l e s 法 を 用 い て 修 正 し た 。 ± 1 0 0 μ V 以 上 の ア ー チ フ ァ ク ト を

28 含 む 試 行 は 分 析 か ら 除 外 し 、 正 反 応 試 行 の 脳 波 デ ー タ に つ い て タ ー ゲ ッ ト 刺 激 提 示 時 点 を ト リ ガ に し て 加 算 平 均 し た 。 加 算 平 均 に よ っ て 得 ら れ た E R P に 対 し て バ ン ド パ ス フ ィ ル タ ( 0 . 1 ‐ 3 0 H z , 1 2 d B / o c t a v e ) を 適 用 し 、 振 幅 値 は 刺 激 提 示 前 2 0 0 m s 区 間 の 平 均 電 位 を ベ ー ス ラ イ ン と し て 計 測 し た 。P 3 振 幅 値 は タ ー ゲ ッ ト 刺 激 後 3 0 0 - 6 0 0 m s 区 間 内 に お け る 最 大 陽 性 電 位 と し た 。P 3 潜 時 は タ ー ゲ ッ ト 刺 激 提 示 時 点 か ら 頂 点 振 幅 ま で の 時 間 と し た 。RT は 刺 激 提 示 時 点 か ら 反 応 キ ー 押 し 時 点 ま で の 時 間 を m s 単 位 で 計 測 し た 。 一 過 性 運 動 に よ る RT お よ び 正 答 率 の 変 化 に つ い て は 、 そ れ ぞ れ 文 字 数 ( 3 文 字 ／ 5 文 字 ／ 7 文 字 ) × 実 験 条 件 ( 運 動 条 件 ／ 安 静 条 件 ) の 2 要 因 分 散 分 析 を 適 用 し た 。P 3 成 分 に 関 し て は 最 大 振 幅 を 示 し た P z 部 位 ( B i o s e m i 電 極 配 置 A 1 9 ) を 測 定 部 位 と し 、 P 3 振 幅 値 と P 3 潜 時 を 求 め た 。 一 過 性 運 動 に よ る P 3 振 幅 値 と 潜 時 の 変 化 に つ い て は 、そ れ ぞ れ 文 字 数 ( 3 文 字 ／ 5 文 字 ／7 文 字 ) × 実 験 条 件 ( 運 動 条 件 ／ 安 静 条 件 ) の 2 要 因 分 散 分 析 を 実 施 し た 。M a u c h l y の 球 面 性 検 定 の 結 果 、 球 面 性 が 仮 定 さ れ な か っ た 場 合 に は 、G r e e n h o u s e -G e i s s e r の イ プ シ ロ ン を 用 い て 自 由 度 お よ び 有 意 確 率 を 再 計 算 し た 。 主 効 果 と 交 互 作 用 が 認 め ら れ た 場 合 は 、B o n f e r r o n i を 用 い て 下 位 検 定 を 行 っ た 。 有 意 確 率 は 5 ％ と し 、 す べ て の 統 計 検 定 に は S P S S f o r Wi n d o w s Ve r. 1 9 . 0 を 用 い て 行 っ た 。 第 3 節 結 果 3 . 1 行 動 指 標 反 応 時 間 と 正 答 率 を 図 7 と 図 8 に 示 す 。 反 応 時 間 に 関 し て は 、 実 験 条 件( 安 静 ／ 運 動 ) の 主 効 果 な ら び に 要 因 間 の 交 互 作 用 は 認 め ら れ な か っ た 。 反 応 時 間 は 3 、5 、7 文 字 順 に 有 意 に 遅 延 し た ( F ( 2 , 2 7 ) = 1 0 5 . 4 6 , p < . 0 0 1 ) 。

29 正 答 率 に 関 し て も 、 実 験 条 件 の 主 効 果 な ら び に 要 因 間 の 有 意 な 交 互 作 用 は 認 め ら れ な か っ た が 、3 、5 、7 文 字 順 に 正 答 率 が 低 く な っ た ( F ( 2 , 2 7 ) = 1 6 5 . 2 5 , p < . 0 0 1 ) 。 図 7 ワ ー キ ン グ メ モ リ 課 題 時 の 反 応 時 間 図 8 ワ ー キ ン グ メ モ リ 課 題 時 の 正 答 率

30 3 . 2 P 3 成 分 ワ ー キ ン グ メ モ リ 課 題 遂 行 時 の E R P 総 加 算 波 形 を 図 9 に 示 し た 。文 字 数 ご と の P 3 潜 時 と 振 幅 を 図 1 0 と 図 11 に 示 し た 。 P 3 振 幅 に 関 し て は 、 安 静 条 件 よ り も 運 動 条 件 の ほ う で 有 意 に 大 き か っ た( F ( 1 , 2 8 ) = 4 . 8 1 , p = . 0 4 8 ) 。ま た 、3 文 字 よ り 5 , 7 文 字 の P 3 振 幅 が 有 意 に 小 さ か っ た ( F ( 2 , 2 7 ) = 11 . 2 2 , p < . 0 0 1 ) 。 P 3 潜 時 に 関 し て は 、 主 効 果 お よ び 交 互 作 用 が 認 め ら れ な か っ た 。 図 9 ワ ー キ ン グ メ モ リ 課 題 遂 行 時 の E R P 総 加 算 波 形

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図 1 0 ワ ー キ ン グ メ モ リ 課 題 時 の P 3 潜 時

32 第 4 節 考 察 研 究 課 題 2 で は 、 一 過 性 の 有 酸 素 運 動 が ワ ー キ ン グ メ モ リ に 関 連 し た 脳 内 処 理 に 及 ぼ す 影 響 を P 3 成 分 に よ っ て 検 討 し た 。反 応 時 間 と 正 答 率 、 P 3 潜 時 に お い て は 一 過 性 運 動 の 効 果 が 現 れ な か っ た 。 P 3 振 幅 は 文 字 数 に 関 係 な く 安 静 条 件 よ り も 運 動 条 件 の ほ う で 増 大 し た 。 従 来 の 結 果 と 異 な り 、 記 憶 負 荷 の 違 い に よ る 一 過 性 運 動 の 選 択 的 効 果 は 現 れ な か っ た 。 し た が っ て 、 若 年 者 で は 一 過 性 運 動 の 遂 行 に よ っ て 記 憶 負 荷 に 関 係 な く ワ ー キ ン グ メ モ リ 処 理 へ の 注 意 資 源 配 分 が 促 進 さ れ る も の と 考 え ら れ た 。 ワ ー キ ン グ メ モ リ 課 題 を 用 い た 先 行 研 究 で は 、反 応 時 間 に も 一 過 性 運 動 の 効 果 が 現 れ て い る 。 こ れ ら の 研 究 で は 有 酸 素 運 動 実 施 の 直 後 課 題 を 遂 行 し 、 課 題 遂 行 時 間 も 約 1 0 分 で あ っ た ( P o n t i f e x e t a l . , 2 0 0 9 ) 。 一 方 本 研 究 で は 、E R P の 加 算 回 数 を 稼 ぐ た め に 試 行 数 を 増 や す 必 要 が あ っ た た め 課 題 遂 行 時 間 が 約 3 0 分 間 で あ っ た 。 ま た 、 3 種 類 の 認 知 課 題 の 中 で 、 最 後 に ワ ー キ ン グ メ モ リ を 遂 行 し た た め 、 運 動 終 了 か ら 課 題 終 了 ま で 約 1 時 間 が 経 過 し た 。 そ の た め 、 動 機 づ け や 覚 醒 水 準 が 低 下 し 、 一 過 性 運 動 の 効 果 が 消 失 し た 可 能 性 は あ る 。T h e m a n s o n e t a l . ( 2 0 0 6 ) は 、 行 動 モ ニ タ リ ン グ 機 能 に 対 す る 3 0 分 間 の 一 過 性 運 動 の 効 果 を E R P に よ っ て 検 討 し た が 、 一 過 性 運 動 の 効 果 を 認 め な か っ た 。 そ の 原 因 の 一 つ と し て 、 運 動 終 了 後 、 約 4 0 分 後 に 課 題 を 遂 行 し た こ と を 挙 げ て い た 。 本 結 果 で は 記 憶 負 荷 に 伴 っ て P 3 潜 時 と 反 応 時 間 が 遅 延 し 、 正 答 率 は 低 く な っ た 。 対 象 者 は 1 文 字 の タ ー ゲ ッ ト 刺 激 ( プ ロ ー ブ 刺 激 ) が 記 憶 文 字 列 に 含 ま れ て い る か ど う か を 遂 次 的 に 探 索 し て い く た め 、 文 字 列 の 増 加 に 伴 い 刺 激 判 断 か ら 反 応 選 択 ま で の 処 理 時 間 が 延 長 し 、P 3 潜 時 と 反 応 時 間 は 遅 延 す る と 考 え ら れ て い る( S t e r n b e rg e t a l . , 1 9 7 5 ; F o r d e t a l . , 1 9 7 9 ; P e l o s i e t a l . , 1 9 9 5 ) 。 3 文 字 よ り も 5 文 字 と 7 文 字 の ほ う で P 3 振 幅

33 は 小 さ く な っ た 。記 憶 負 荷 が 高 く な る ほ ど 注 意 資 源 の 配 分 が 困 難 と な り 、 P 3 振 幅 は 減 衰 す る が ( K r a m e r, 1 9 8 6 ) 、 記 憶 探 索 過 程 に お け る 記 憶 表 象 の 曖 昧 さ や 意 志 決 定 の 確 信 度 の 低 下 も P 3 減 衰 に 関 与 し て い る ( R u c h k i n a n d S u t t o n , 1 9 7 8 ; J o h n s o n a n d D o n c h i n , 1 9 8 5 ) 。 記 憶 負 荷 間 で は 反 応 時 間 や 正 答 率 、P 3 振 幅 の 減 衰 が 見 ら れ 、 3 , 5 , 7 文 字 そ れ ぞ れ の 記 憶 負 荷 が 異 な っ た 。 し か し な が ら 、 一 過 性 運 動 の 効 果 は 記 憶 負 荷 の 違 い に よ っ て 現 れ な か っ た 。 記 憶 負 荷 が 高 い ほ う が 一 過 性 運 動 の 効 果 は 明 瞭 と な る 知 見( P o n t i f e x e t a l . , 2 0 0 9 ) と は 異 な っ た 。認 知 機 能 低 下 の な い 若 年 者 で は 3 , 5 , 7 文 字 の セ ッ ト サ イ ズ は 負 荷 が 低 く 、 天 井 効 果 を も た ら し た と 考 え ら れ る 。

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第

3 章 一 過 性 有 酸 素 運 動 が 抑 制 お よ び 反 応 処 理 系 に 及

ぼ す 影 響

(研 究 課 題 3)

第 1 節 目 的 一 過 性 運 動 と 実 行 機 能 を 検 討 し た E R P 研 究 で は フ ラ ン カ ー 課 題 ( E r i k s e n , 1 9 7 4 ) を 用 い て 抑 制 機 能 や 焦 点 的 注 意 機 能 を 検 討 し て き た 。 H i l l m a n e t a l . ( 2 0 0 3 ) は 、中 等 度 強 度 の ト レ ッ ド ミ ル 運 動 後 に P 3 振 幅 の 増 大 を 見 出 し た が 、P 3 潜 時 に は 運 動 の 効 果 を 認 め な か っ た 。 K a m i j o e t a l . ( 2 0 0 7 ) は 低 ・ 中 等 度 強 度 の 自 転 車 運 動 後 に P 3 振 幅 が 増 大 し 、一 致 刺 激 よ り も 不 一 致 刺 激 の ほ う で 一 過 性 運 動 の 効 果 が よ り 鋭 敏 に 現 れ た と 報 告 し た 。 一 方 、P o n t i f e x e t a l . ( 2 0 0 7 ) は 6 0 % H R m a x の 自 転 車 運 動 後 に 不 一 致 試 の 反 応 正 答 率 が 低 下 し 、P 3 潜 時 は 遅 延 し た と 報 告 し 、一 過 性 運 動 は 干 渉 制 御 に 影 響 を 及 ぼ さ な い こ と を 示 唆 し た 。 こ の よ う に フ ラ ン カ ー 課 題 を 用 い て 干 渉 制 御 に 及 ぼ す 一 過 性 運 動 の 効 果 を 検 討 し た E R P 研 究 で は 知 見 が 一 致 し て い な い 。 し た が っ て 、 若 年 者 で は 中 等 度 強 度 の 運 動 が フ ラ ン カ ー 課 題 遂 行 時 の P 3 成 分 に 及 ぼ す 影 響 は 明 確 に な っ て い な い 。 ま た 、多 く の 研 究 で は 刺 激 評 価 に 関 連 し た P 3 成 分 を 用 い て い る た め 、 反 応 選 択 や 反 応 実 行 段 階 と い っ た 反 応 処 理 系 を 調 べ て い な い 。 本 研 究 で 使 用 し た フ ラ ン カ ー 課 題 は 、 刺 激 － 反 応 整 合 性 ( s t i m u l u s - r e s p o n s e c o m p a t i b i l i t y : S -R 整 合 性 ) を 用 い た 課 題 の 一 つ で あ る 。標 的 刺 激 と そ の 周 辺 に 提 示 さ れ る 課 題 無 関 連 情 報 か ら 構 成 さ れ た 文 字 列 が 提 示 さ れ 、 妨 害 刺 激 を 無 視 し な が ら 、 標 的 刺 激 に 対 応 し て ボ タ ン を 押 す こ と が 求 め ら れ る 課 題 で あ る 。 こ の 課 題 で は 、 課 題 関 連 次 元 で あ る 標 的 文 字 と 課 題 無 関 連 次 元 で あ る 妨 害 文 字 と の 間 に 次 元 の 重 複 が 生 じ る 。 そ れ ら の 次 元 内 の 表 象 が 異 な る と 刺 激 競 合 が 生 じ 、 刺 激 評 価 に 要 す る 時 間 が 遅 延 す る

35 ( K o r n b l u m , 1 9 9 2 ) 。 反 応 処 理 系 に 要 す る 時 間 は 刺 激 と 反 応 の 整 合 性 に も 影 響 さ れ る 。 本 研 究 で は 、 反 応 プ ロ グ ラ ミ ン グ 段 階 に 対 し て S -R 整 合 性 が ど の よ う に 影 響 し て い る か を 検 討 す る た め に 、両 手 を 交 差 さ せ 右( 左 ) 手 で 左 ( 右 ) の ボ タ ン を 押 す よ う に 反 応 様 式 を 操 作 し た 。 た と え ば 、 両 手 を 交 差 さ せ な い N o n - c r o s s 条 件 で は 、 標 的 刺 激 「 右 」 に 対 し て 、「 右 手 」 で 「 右 」 の ボ タ ン を 押 し た 。 一 方 、 両 手 を 交 差 す る C r o s s 条 件 で は 、 標 的 刺 激 「 右 」 に 対 し て 「 左 手 」 で 「 右 」 の ボ タ ン を 押 し た 。N o n - c r o s s 条 件 で は 刺 激 と 同 側 の 肢 で 反 応 す る た め 、 刺 激 評 価 か ら 反 応 選 択 、 反 応 実 行 ま で の 処 理 が 重 複 し た 。 し か し 、C r o s s 条 件 で は 刺 激 と 対 側 の 肢 で 反 応 す る た め 、 情 報 処 理 過 程 の 重 複 が 少 な く 、 反 応 選 択 と 反 応 実 行 に 要 す る 時 間 の 遅 延 が 考 え ら れ た 。E R P の 中 で も 偏 側 性 準 備 電 位 ( l a t e r a l i z e d r e a d i n e s s p o t e n t i a l : L R P ) は 一 次 運 動 野 に お け る 運 動 準 備 を 反 映 す る 電 位 で あ る ( C o l e s , 1 9 8 9 ; M i l l e r e t a l . , 1 9 9 2 ) 。 L R P は 刺 激 提 示 時 点 を 基 準 に 加 算 平 均 し た 刺 激 同 期 L R P ( s t i m u l u s - l o c k e d LR P ) と 反 応 開 始 時 点 を 基 準 に 加 算 平 均 し た 反 応 同 期 LR P ( r e s p o n s e - l o c k e d L R P ) 成 分 に 分 け ら れ て い る 。 刺 激 同 期 LR P の 出 現 時 点 は 反 応 選 択 段 階 の 終 了 時 点 を 反 映 し 、反 応 同 期 L R P は 反 応 実 行 段 階 の 処 理( 反 応 プ ロ グ ラ ミ ン グ 以 降 の 処 理 ) に 関 わ っ て い る と 考 え ら れ て い る( M a s a k i e t a l . , 2 0 0 4 ; S c h r o t e r a n d L e u t h o l d , 2 0 0 9 ) 。 反 応 の 選 択 が 素 早 く で き れ ば 刺 激 同 期 LR P の 潜 時 に 短 縮 が み ら れ 、反 応 選 択 後 の 反 応 実 行 が 素 早 く で き て い れ ば 反 応 同 期 L R P が 短 縮 す る こ と と な る 。し た が っ て 、 P 3 と LR P を 測 定 す る こ と で 刺 激 評 価 か ら 反 応 選 択 、 反 応 実 行 ま で の 脳 内 情 報 処 理 過 程 を よ り 詳 細 に 検 討 で き る と 考 え ら れ る 。 こ れ ま で 、 一 過 性 の 運 動 が 脳 内 の 刺 激 処 理 系 に 及 ぼ す 影 響 に つ い て は 調 べ ら れ て き た が 、 反 応 処 理 系 に も 関 与 す る か に つ い て は 不 明 で あ る 。