脳梗塞モデルラットの記憶障害に対するトレッドミル運動の効果

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(1)理学療法学第 42 巻第 8 号 667 ～脳梗塞モデルラットの記憶障害に対するトレッドミル運動の効果 668 頁（2015 年）. 667. 合同シンポジウム 4（日本生理学会）. 脳梗塞モデルラットの記憶障害に対するトレッドミル運動の効果＊石田和人 1）山内（嶋田）悠 2）濱川みちる 3）. 運動による記憶機能改善効果運動は脳梗塞発症後の機能回復に有効な手段である。特に，トレッドミル運動に代表される有酸素運動は，動物モデルを用いた先行研究において，脳梗塞の機能回復に寄与することが報 –4）. 告されている 1. 。また，有酸素運動は海馬での細胞死を抑制. し，短期記憶の回復を図ること 5），また海馬での神経新生が促進され空間記憶の回復がもたらされること 6）などが報告されている。このベースには，運動を行うことにより，海馬において脳由来神経栄養因子（brain-derived neurotrophic factor：以下，BDNF）の発現増加が生じ，神経新生ならびにシナプス新生を誘導するものと考えられる. 図実験の概要脳梗塞モデル作成手術の 1 日後，麻痺の有無を確認し，4 群に分けた（低速度群，高速度群，梗塞群，Sham 群）．トレッドミル運動を手術 4 日後から 4 週間毎日実施し，運動期間の最後に記憶機能評価を行い，その後脳組織を採取して組織学的評価に供した．. 7）. 。すなわち，脳梗塞ラットに. 対する運動の効果について，運動障害の改善のみならず，海馬. る記憶機能改善効果についての検討を行った. 12）. 。. 機能の促進に基づく記憶障害の改善効果も期待できることが想定される。. 1．実験の概要. また，このような運動の効果を検討するうえで，その最適条. 実験動物には，Wistar 系雄性ラット（7 週齢，200 ～ 220 g）. 件（運動の強度，時間，頻度，期間，種類，タイミング）を示. を用いた。脳梗塞モデル作成手術の翌日，高速度（22 m/ 分）. すことは，臨床応用にもつながる重要な視点であると考えら. で運動させる高速度群，低速度（8 m/ 分）で運動させる低速. れ，現在，多くの研究者が注目している 8）。. 度群，梗塞を起こすだけの梗塞群，偽手術を施す Sham 群の. 正常マウスを用いた検討では，高強度運動よりも低強度の運. 4 群に振り分けた（図）。脳梗塞モデルには，中大脳動脈虚血. 動の方が，BDNF の発現増加を促進させること 9），また神経新. 再潅流モデル（transient middle cerebral artery occlusion：. 生が高まること. 10）. が報告されている。また，運動の移動距離 11）. t-MCAO）を用いた 13）。4％抱水クロラール溶液（10 ml/kg，. 。このよ. 腹腔投与）による深麻酔下で，4-0 ナイロン糸を材料として作. うな海馬における BDNF の発現および神経新生は，記憶形成. 成した塞栓糸を内頸動脈に向けて挿入し，中大脳動脈の起始部. に重要な機序であると考えられ，その効果が運動の条件（強度）. に達するようにした。その後，塞栓糸を 90 分間留置し虚血状. によって異なるとすれば，記憶機能を高める運動（理学療法）. 態を維持した後，抜去し血流を再灌流させた。なお，Sham 群. を処方する上で重要な視点となりうる。. は同様の手術展開を進め，塞栓糸の挿入は行わなかった。. に依存して BDNF の発現が高まるとの報告もある. 脳梗塞モデルを用いた記憶障害改善効果の検証我々は脳梗塞モデルラットを用いて，トレッドミル運動によ. トレッドミル走は，手術 4 日後から 4 週間，毎日 30 分間実施した。運動期間の最後 4 日間で記憶機能評価を行い，その後脳組織を採取し組織学的評価を行った（図）。組織学的評価では，まず 2,3,5-triphenyltetrazolium chloride（以下，TTC）染. ＊. Effect of Treadmill Exercise on Memory Dysfunction in Rat with Brain Infarction 1）名古屋大学大学院医学系研究科リハビリテーション療法学専攻准教授（〒 461–8673 愛知県名古屋市東区大幸南 1–1–20） Kazuto Ishida, PT, PhD: Nagoya University Graduate School of Medicine 2）株式会社ジェネラス Haruka (Shimada) Yamauchi, PT, MS: Generous Co., Ltd. 3）医療法人タピック沖縄リハビリテーションセンター病院 Michiru Hamakawa, PT, MS: Okinawa Rehabilitation Center Hospital キーワード：脳梗塞モデルラット，記憶障害，運動. 色を用いて，脳梗塞に陥った脳領域を同定し梗塞体積割合を算出した。続いて TTC 染色に供した脳切片をパラホルムアルデヒド溶液で固定し，パラフィン包埋を行い，脳切片を作成した。樹状突起マーカーとして知られる微小管関連タンパク（microtubule-associated protein 2：以下，MAP2）の抗体を用いて，免疫組織化学染色に供し，その染色性を光学濃度で解析した。また，ニッスル染色を施し，海馬の各領域（歯状回， CA3，CA1）における神経細胞数をカウントし，細胞新生および傷害性に及ぼす影響を調べた。.

(2) 668. 理学療法学第 42 巻第 8 号. なお，4 週間連続のトレッドミル運動の最後 4 日間で，記憶. ぞれに対し有意に増加した。しかし，梗塞側歯状回では高速度. 機能試験を実施した。これについては次項で述べる。. 群が低速度群に比較し有意に減少した。また，梗塞側 CA1 では梗塞群が Sham 群に比較し有意に減少した。. 2．記憶機能評価. 理学療法へのトランスレーション. 1）物体認識試験，位置認識試験 14）これはラットが新奇性を好む特性を利用したものであり，物. 脳梗塞モデルラットに対し 4 週間のトレッドミル運動を実施. 体認識試験では視覚的認知記憶，位置認識試験では空間的認知. することで，記憶機能の改善をもたらし，特に低強度の運動で. 記憶を評価する 14）。40 cm 四方の箱の中に 2 つの同一物体（A1. 高い効果を示すことがわかった。その背景には，海馬における. と A2）を配置し，その中で 3 分間自由に探索させる（訓練試. BDNF の発現増加，樹状突起の拡大および神経新生などをもた. 行）。その 1 日後，訓練試行と同じ物体（A1）と異なる物体（B）. らしている可能性が示唆される。今後，記憶機能改善メカニズ. を同じ位置に置き，その中に再びラットを入れ 3 分間自由に探. ムの解明，神経栄養因子の発現，神経新生などの検討も必要で. 索させる（保持試行）。このとき，新規物（B）に興味を示した. あると考えられるが，このような生理学的な根拠に基づいたエ. 時間を計測し，総探索時間（A1+B）に対する新奇物探索時間. ビデンスは新たな理学療法の展開に向けた重要な礎となるもの. （B）の割合を算出し，記憶の評価指標とする。すなわち，総探. と考えられる。近い将来，理学療法へのトランスレーションを. 索時間に対する新奇物探索時間の割合の多い方が 1 日前のでき. 念頭においた臨床研究に橋渡しすることにより，脳梗塞患者の. ごとを記憶していると判断する。また，位置認識試験では，2. 記憶機能改善または予防的運動療法の確立などの方向性が期待. つの同一物体（A1，A2）の内，1 日後，物体（A2）のみ，そ. できるものと考えている。. の位置を変え，それを新規物として興味を示す時間を計測する。 2）受動的回避試験 15）これはラットが暗い場所を好む特性を利用した記憶機能評価法であり，恐怖条件に対する記憶を評価する手段でもある. 16）. 。. 暗室（20 × 15 × 25 cm）と明室（40 × 25 × 25 cm）を隣りあわせにセットし，その間をラットが通過できるように穴をつくっておく。まず，ラットを明室に入れ，暗室に移動した際には電気刺激（0.3 mA，5 秒間）を与える（訓練施行）。訓練施行の 3 日後，再びラットを明室に入れ，暗室へ入るまでの時間を計測し（保持施行），これを記憶の指標とする。ラットが 3 日前の電気刺激（嫌悪刺激）を記憶していれば，本来，好きな暗室であっても決して入ることはなく，記憶が保持されていると判断される。 3．脳梗塞後の運動による記憶障害改善効果 12）脳梗塞群は Sham 群と比較して新奇物探索時間の割合が減少し記憶障害を示した。しかし，4 週間毎日施行するトレッドミル運動により記憶機能の改善が認められ，その効果は物体認識試験および位置認識試験の低速度群でより有効であった。一方，受動的回避試験においても梗塞群が Sham 群に比較し暗室に入るまでの時間が短縮し記憶障害を示したが，この試験では，低速度群，高速度群ともに梗塞群に比較し有意な増加を示し，速度に依存せず記憶機能が改善することを示した。今回の脳梗塞モデルを用いた検討では，梗塞領域が大脳皮質体性感覚野，視覚野，聴覚野，嗅周囲皮質，嗅内皮質，線条体外側部，扁桃体に及んでおり，梗塞体積割合は，低速度群（21.6 ± 2.1％），高速度群（20.7 ± 1.4％）とともに梗塞群（29.3 ± 2.2％）に比較し有意な減少を示した。また樹状突起マーカーである MAP2 の光学濃度は，梗塞側では海馬各領域において高速度群が Sham 群，低速度群に比較し有意に低かった。また，非梗塞側では海馬 CA3，CA1 において高速度群が低速度群に比較し有意に低く，さらに CA1 においては Sham 群に比較しても有意に低かった。加えて海馬細胞数は梗塞側，非梗塞側歯状回において低速度群，高速度群ともに Sham 群，梗塞群それ. 文献 1） Yang YR, Wang RY, et al.: Early and late treadmill training after focal brain ischemia in rats. Neurosci Lett. 2003; 339: 91–94. 2） Matsuda F, Sakakima H, et al.: The effects of early exercise on brain damage and recovery after focal cerebral infarction in rats. Acta Physiologica. 2011; 201: 275–287. 3） Hamakawa M, Ishida A, et al.: Repeated short-term daily exercise ameliorates oxidative cerebral damage and the resultant motor dysfunction after transient ischemia in rats. JCBN. 2013; 53: 8–14. 4） Endres M, Gertz K, et al.: Mechanisms of stroke protection by physical activity. Ann Neurol. 2003; 54: 582–590. 5） Sim YJ, Kim SS, et al.: Treadmill exercise improves short-term memory by suppressing ischemia-induced apoptosis of neuronal cells in gerbils. Neurosci Lett. 2004; 372: 256–261. 6） Luo CX, Jiang J, et al.: Voluntary exercise-induced neurogenesis in the postischemic dentate gyrus is associated with spatial memory recovery from stroke. J Neurosci Res. 2007; 85: 1637–1646. 7） van Praag H: Exercise and the brain: something to chew on. Trends Neurosci. 2009; 32: 283–290. 8） Ploughman M, Austin MW, et al.: The Effects of Poststroke Aerobic Exercise on Neuroplasticity: A Systematic Review of Animal and Clinical Studies. Transl Stroke Res. 2015; 6: 13–28. 9） Soya H, Nakamura T, et al.: BDNF induction with mild exercise in the rat hippocampus. Biochem Biophys Res Commun. 2007; 358: 961–967. 10） Lou SJ, Liu JY, et al.: Hippocampal neurogenesis and gene expression depend on exercise intensity in juvenile rats. Brain Res. 2008; 1210: 48–55. 11） Cotman CW, Berchtold NC: Exercise: a behavioral intervention to enhance brain health and plasticity. Trends Neurosci. 2002; 25: 295–301. 12） Shimada H, Hamakawa M, et al.: Low-speed treadmill running exercise improves memory function after transient middle cerebral artery occlusion in rats. Behav Brain Res. 2013; 243: 21–27. 13）小泉仁一，吉田洋二，他：虚血性脳浮腫の実験研究第 1 報ラットを用いた血流再開可能な脳梗塞モデル．脳卒中．1986; 8: 1–8. 14） Ennaceur A, Neave N, et al.: Spontaneous object recognition and object location memory in rats: the effects of lesions in the cingulate cortices, the medial prefrontal cortex, the cingulum bundle and the fornix. Exp Brain Res. 1997; 113: 509–519. 15） Yamamoto M, Tamura A, et al.: Behavioral changes after focal cerebral ischemia by left middle cerebral artery occlusion in rats. Brain Res. 1988; 452: 323–328. 16）田熊一敞，永井拓，他：学習・記憶行動の評価法．日本薬理学雑誌．2007; 130: 112–116..

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