博士論文要旨
論文題名：運動・栄養処方による認知機能への効用と その作用機序解明に向けたアプローチ
立命館大学大学院スポーツ健康科学研究科 スポーツ健康科学専攻博士課程後期課程
ツカモト ハヤト 塚本 敏人
注意判断能力など，誤った情報に囚われないようにして素早く課題を遂行するために必 要な抑制能力である実行機能や情報を憶えるために必要な能力である記憶機能などの認知 機能は，一過性の運動，そして習慣的な運動によって急性的あるいは慢性的に高めること ができる．しかしながら，その生理学的な作用機序は明らかとなっておらず，認知機能亢 進をもたらす効果的な運動処方や栄養処方も不明瞭である．そこで，本博士論文では，運 動誘発性の急性的な認知機能の亢進をより促進させることのできる栄養処方を検討し，認 知機能亢進のための運動・栄養処方を確立すること（第一章），また，運動誘発性の認知 機能の亢進をより長い時間持続させることができる運動プログラムを検討・俯瞰すること でその特長を見出し（第二章），運動誘発性の認知機能亢進の作用機序解明に向けたアプ ローチを，脳のエネルギー代謝の観点から行う（第三章）．これによって，認知機能亢進 のための運動・栄養処方の開発基盤を確立することを目的として以下に示す研究活動を展 開した．
第一章では，認知機能を亢進させることが可能な天然素材であるココアフラバノールに 着目し，運動前に高濃度のココアフラバノールを摂取することによって，運動により亢進 する認知機能を，より高めることができるという仮説を立て，その検証を行った．その結 果，中強度運動と高濃度ココアフラバノール摂取を併用することで，運動誘発性の実行機 能亢進を，さらに促進させる効力があることを明らかにした．一方で，記憶機能を急性的 に高める作用は認められなかった．
そこで第二章では，運動誘発性の実行機能の亢進に焦点を当て，この効果をより引き起 こすことができる運動プログラムを確立することで，その運動プログラムと高濃度ココア フラバノールによる栄養処方の併用効果が，より有益な知見となると考え，運動の仕事量
（運動強度 × 運動実施時間）に着目して，より効果的に実行機能の亢進をもたらす運動 プログラムの整理をすることとした．その結果，高い仕事量の運動，特に高い強度の運動 を実施することで，運動後に亢進する実行機能はより長い時間持続することを明らかにし た．具体的には，高強度運動を間断的に実施する運動様式である高強度間欠的運動を実施 することで，運動後に亢進する実行機能が，より長い時間持続することを示した（第一 項）．しかしながら，このような，運動誘発性の実行機能亢進の持続性をもたらす高強度 間欠的運動を，同じ運動強度，実施時間，様式のまま再度繰り返し行うと，同じ運動を行 っているにもかかわらず，疲労を誘引する生理学的な要因が変容した 2 回目の運動後に, 亢進した実行機能の持続性は減退することを明らかにした（第二項）．
これらの現象論ベースでの研究成果を俯瞰し，第三章では，脳のエネルギー代謝の観点 から，運動誘発性の実行機能亢進の作用機序解明に向けたアプローチを行った．具体的に は，運動誘発性の乳酸が脳で代謝された時，脳の神経活動の活性化，そして実行機能が亢 進するという仮説を立て，その検証を行った．その結果，運動による乳酸産生量の増加に 伴って脳の動静脈血乳酸濃度較差が上昇し（r = 0.97，P < 0.01），さらに，脳の動静脈 血乳酸濃度較差の上昇と脳神経活動の活性化レベルに有意な関係性が認められた（r =
0.90，P < 0.01）．また，脳神経活動が活性化した時に乳酸を利用する割合が増えた時，
実行機能がより亢進する可能性を示した（r = -0.50，P < 0.05）．興味深いことに，運 動終了 20 分経過時点から，運動によって高まった実行機能の持続性に焦点を当てると，
全身性の高い乳酸濃度（r = -0.92，P < 0.01），脳の動静脈血乳酸濃度較差の大きさ（r
= -0.71，P < 0.05）および脳神経活動の活性化に対する脳乳酸代謝率の増加（r = - 0.64，P < 0.05）との関係性がより強まることを示した．以上のことから，本博士論文に よって，運動による乳酸産生が引き起こす脳乳酸代謝の上昇が，運動誘発性の脳神経活動 の活性化や実行機能亢進の持続性に対して重要な役割を演じている可能性が明らかとなっ た．したがって，乳酸をより多く産生することができる高強度間欠的運動のような運動 は，実行機能亢進のための運動プログラムとして推奨できることが示された．さらに，脳 での乳酸利用とは独立して実行機能を高めることができる栄養処方と運動を組み合わせる ことにより，実行機能の亢進に対して，より強い効力を発揮することが明らかとなった．
これらのことから，急性的な観点より，本博士論文が実行機能亢進のための運動・栄養処 方として，新たな開発基盤を構築できたことを示し，これには，将来的に慢性的な検証を 行うことで，認知症発症の予防を含めた多くの社会的需要のある知見へと発展する萌芽性 があると考えられる．
Abstract of Doctoral Thesis
Title ： Investigation of acute exercise program and nutritional treatment for cognitive function improvement
Doctoral Program in Sport and Health Science Graduate School of Sport and Health Science Ritsumeikan University
ツカモト ハヤト TSUKAMOTO Hayato
Both a habitual and a single bout of aerobic exercise can improve cognitive function, including executive function (EF) and memory function (MF). However, the underlying mechanisms that exercise modifies cognitive function remain unclear. Thus, to investigate effective ways for
cognitive function improvement by exercise and nutritional treatments is challenging and important in the realm of sport and health science.
In this doctoral thesis, experiment of chapter 1 was performed to examine the impact of nutritional treatment on exercise-induced cognitive function improvement. Subsequently, experiments of chapter 2 was carried out to explore effective exercise program for EF improvement. Finally, the study in the chapter 3 was conducted to investigate the action mechanism of the exercise-induced EF improvement in terms of cerebral energy metabolism.
First, nutritional treatment with flavanol-rich cocoa consumption can further improve exercise- induced EF improvement, but not MF (chapter 1).
Second, chapter 2 suggests that the EF improvement during post-exercise recovery could be sustained after higher volume exercise (i.e., moderate-intensity continuous exercise (MCE) with a relatively long duration). Moreover, compared with that MCE, volume-matched high-intensity interval exercise (HIIE) could prolong post-exercise EF improvement. However, this effect was not maintained in repeated HIIE.
Third, based on chapter 2 and previous studies, the purpose of chapter 3 was to test the hypothesis that the amount of exercise-induced lactate production affects cerebral lactate metabolism
enhancement, cerebral neural activation, and post-exercise EF improvement. To manipulate the concentration of HIIE-induced systemic lactate by muscle glycogen depletion, subjects performed the two HIIE protocols with an enough resting period. As expected, lower lactate production and diminished EF improvement were associated with decreased cerebral lactate metabolism and reduced neural activity in the brain.
In conclusion, these findings suggest that exercise-induced systemic lactate may play an important role in post-exercise EF improvement with cerebral lactate metabolism enhancement and cerebral neural activation, which may interpret to mean that lactate-producible exercise such as HIIE is an effective strategy for EF improvement. Moreover, a combination of exercise and flavanol-rich cocoa consumption may be also effective strategy for EF improvement, probably based on independent mechanism(s) between exercise and cocoa consumption. Taken together, this doctoral thesis suggests the example of acute exercise program and nutritional treatment for cognitive EF
improvement, and would provide insight into future studies which may contribute to favorable health outcomes and quality of life by examining the impact of chronic exercise and nutritional treatment on cognitive function.
