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一過性の運動と認知機能
安藤 創一
電気通信大学 情報理工学研究科健康・スポーツ科学研究室
脳科学ライフサポート研究セミナー平成29年10月25日＠UEC
運動と周辺視野に関する研究
Ando (2013) Exerc Sport Sci Rev
運動中に周りは見えなくなるのか？
これまでの研究活動
認知機能
注意集中力
状況判断計画 & 実行
単純な知的能力
前頭前野
高度な知的能力
Rajah & D'Esposito (2005) Brain
実行機能
実行機能は一連の認知過程であり，
行動や思考をトップダウン方式で制御する．
Modified from Diamond (2013) Annu Rev Psychol
実行機能抑制
反応抑制干渉制御
不必要な情報を排除して，注意を維持する機能
優勢である誤反応を止める機能
ワーキングメモリー
情報を一時的に保存して，必要に応じてその情報を利用する機能
認知的柔軟性
状況が変化した時に柔軟に対応する機能
実行機能をどう評価するのか？
＜＜＞＜＜
フランカー課題
Go/NoGo課題
ストループ課題
YellowGreen
トレイルメイキングテスト
反応の早さ(反応時間)や正確性で評価する認知症と直接的な関係はあるのか？
Davenport et al.(2012) Exerc Sport Sci Rev
習慣的な運動により認知機能は向上する
血流増加脳血管拡張
脳由来神経栄養因子シナプス新生
神経新生1回の運動でも認知機能は向上する
1回の運動 実行機能
向上
対照条件(20W)
Block 1 Block 3Block 2Rest
＜＜＜＜＜ ＜＜＞＜＜
一致 不一致
フランカー課題
運動条件 40% peak VO2·
60% peak VO2·
80% peak VO2·
Restフランカー課題
(3 min 20 sec)
Ando et al. (2011) Eur J Appl Physiol
260
300
340
380
420
Rest 40% 60% 80%
＜＜＜＜＜
* P < 0.05
Incongruent ＜＜＞＜＜
中強度の運動中に実行機能が向上したPr
emot
or ti
me
(ms)
Congruent
Ando et al. (2011) Eur J Appl Physiol
Congruent ＜＜＜＜＜
260
300
340
380
420
Rest Block 1 Block 2 Block 3
Incongruent ＜＜＞＜＜
20W
認知機能の向上には適度な負荷が必要
Ando et al. (2011) Eur J Appl Physiol
Chang et al. (2012) Brain Res
運動中の認知機能の向上は低強度から中強度でみられる
覚醒レベル
低 中 高
Modified from Schmidt & Lee (1999)
逆-U字理論 いつでもあてはまるわけではない
生理学的メカニズムは？
中強度の運動は覚醒レベルを適度に上昇させることで認知機能を向上させる
運動強度と認知機能の向上
運動が認知機能にもたらす効果は複合的な要因で決定されるのでは？
内分泌系
呼吸・循環 エネルギー代謝
一過性運動と認知機能
Neurotransmitter BDNF IGF-1
Cerebral blood flow Cerebral oxygenation
Glucose Lactate
低酸素環境下では認知機能が低下し，
高度が高くなればその影響は顕著になる．Virues-Ortega et al. (2004), Yan (2014)
認知機能
中強度の運動
・・・
低酸素環境下での運動は認知機能にどのような影響を及ぼすか？
PaO2, SaO2
低酸素環境
低酸素環境と認知機能
Go trialrelease
No-go trialwithhold
5 correct trials × 6 sets
Go/No-Go task (Single task)
Mouse button
5 correct trials
Go trialrelease
No-go trialwithhold
Reaction time (RT) in the Go trial Accuracy of the task
5 correct trials 5 correct trials
Experimental protocol
SpO2, Cerebral oxygenation, HR
RPE
60% peak VO2.
Lactate
20% peak VO2.
(5 min.)
(10 min.)
Cognitive task
Fraction of inspired oxygen(FIO2: 0.209, 0.18, & 0.15)
Exposure(10 min.)
Rest
RPELactate
Cognitive task
Normoxia Hypoxia (15%)
500
600
700
800
900
1000
Hypoxia (18%)
Rest Exercise (60% VO2peak)
** P < 0.01
低酸素環境下でも運動中に認知機能が向上する（Go/No-Go課題）
Ando et al. (2013) PLoS One
.
空間的遅延課題
7
4
1 2 3
9
6
8
5Go/NoGo
課題
視覚刺激
Go 反応
No/Go
Go反応時間
位置を覚える
視覚刺激
反応
Go → ボタンを離す NoGo → 押し続けるGo/NoGo課題の視覚刺激の１例
実行機能 ワーキングメモリー
500
700
900
1100
1300
1500
Rest
# # P < 0.05
Komiyama et al. (2015) Physiol Behav
Normoxia Hypoxia (15%)
First taskduring exercise
(EX1)
Second taskduring exercise
(EX2)
Dual課題でも運動中に認知機能が向上する
-13.5Time (min)
環境条件
-10
ﾍﾞｰｽﾗｲﾝ
常酸素
常酸素
低酸素
0
認知課題実施
Warm-up
30%VO2peak•
中強度運動
50%VO2peak•
血液検査
血圧，RPE
継続して測定した項目: SpO2, cerebral oxygenation, MCA Vmean, Heart rate
7 12 17 27
～ ～
認知課題実施
実験プロトコル (低酸素条件:FIO2;12-13%)
Severe hypoxiaでも認知機能は向上する
Normoxia Hypoxia (12 or 13%)
Komiyama et al. (2017) Sci Rep
500
700
900
1100
1300
1500
Rest Exercise(50% peak VO2)
## ## P < 0.01
.
Normoxia Hypoxia
60
70
80
90
100
Rest Exercise
SpO
2(%
)
###
†††
Cere
bral
oxy
gena
tion
(%)
†††
Rest Exercise-25
-20
-15
-10
-5
0
5
###
Normoxia Hypoxia***
30
40
50
60
70
80
90
Rest Exercise
MCA
Vm
ean
(cm
/s)
$$$
‡‡
Cere
bral
oxy
gen
deliv
ery
(a.u
.)
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
Rest Exercise
Komiyama et al. (2017) Sci Rep
ΔRT
(ms)
ΔSpO2 (%)
-600-500-400-300-200-100
0100
-20 -15 -10 -5 0
ｒ = -0.57, P < 0.05
-600-500-400-300-200-100
0100
-20 -15 -10 -5 0
ΔRT
(ms)
ΔCerebral oxygenation (%)
ｒ = -0.05, P = 0.87
-600-500-400-300-200-100
0100
0 10 20 30
ΔRT
(ms)
ΔMCA Vmean (cm/s)
ｒ = 0.41, P = 0.24
-600-500-400-300-200-100
0100
-100 -50 0 50 100 150 200
ΔRT
(ms)
ΔCerebral oxygen delivery (a.u.)
ｒ = 0.12, P = 0.75
動脈血酸素飽和度の低下が大きい被験者では運動による認知機能の向上が弱められた．
Komiyama et al. (2017) Sci Rep
Flanker task
Normoxia
Mild (18%)
Moderate (15%)
Single task Dual task
Severe (12-13%)
(Ando et al. 2013)
(e.g. Ando et al. 2011)RT RT
RT
（Komiyama et al. 2015）
（Komiyama et al. 2015）
SpO2≒93%
SpO2≒82%
SpO2≒78%
Improvement
Go/No-Go task
低酸素環境下での運動中にも実行機能は向上する．動脈血酸素飽和度の低下は認知機能の向上を弱める．
Cognitive function during moderate exercise under hypoxia
RT
（Komiyama et al. 2017）
SpO2RT
Tan et al. (2014) Neurology
運動中の脳血流と認知機能
Lucas et al. (2012) Exp Gerontol Ogoh et al. (2014) Physiol Rep
運動中の脳血流と認知機能(先行研究)
運動中の脳血流の増加と認知機能の向上との間には直接的な関係はない
通常環境 低酸素環境
-600
-500
-400
-300
-200
-100
0
100
0 5 10 15 20 25
n.s. P = 0.78
-400
-350
-300
-250
-200
-150
-100
-50
0
50
100
0 5 10 15 20 25
n.s. P = 0.21
Komiyama et al. (2017) Sci Rep
ΔMCA Vmean (cm/s) ΔMCA Vmean (cm/s)
Marshall et al. (2001) Brain
脳血流を低下させると認知機能(持続的注意)の低下が可逆的に起こる
Ainslie et al. (2008) J Physiol
加齢により脳血流は低下する→認知機能の低下の要因か？
MCA
ICAECA
VA
Cerebralperfusion
Extracranialperfusion
疲労困憊運動後のcerebral oxygenationの回復度合いが認知機能に影響を与える
Sudo et al. (2017) Eur J Appl Physiol
Δcer
ebra
l oxy
gena
tion
(%)
Δski
n bl
ood
flow
(%
)
-15
-10
-5
0
5
10
15
ExerciseCognitive task Cognitive task
-200
0
200
400
600
800
ExerciseCognitive task Cognitive task
400500600700800900
1000110012001300
Pre Post
Exercise
Reac
tion
time
(ms)
-600-500-400-300-200-100
0100200300400
-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8
ΔRea
ctio
n tim
e
ΔCerebral oxygenation (%)
r = -0.64, P = 0.004
朝食を欠食すると認知機能が低下する．e.g. Cooper et al. (2011), Hoyland et al. (2009)
認知機能
中強度の運動
・・・
朝食欠食後の運動は認知機能にどのような影響を与えるのか？
グルコース（エネルギー源）
?
朝食摂取と運動/認知機能
朝食欠食後でも運動により認知機能は向上する
Komiyama et al. (2016) Physiol Behav
朝食習慣，種類(GI値)
25
50
75
100
運動前 運動中1回目
運動中2回目
朝食摂取 朝食欠食
**
**P < 0.01
血糖
値(m
g/dL
)
‡
, ‡P < 0.0560
70
80
90
100
*
*P < 0.05
運動 運動中1回目
運動中2回目
朝食摂取 朝食欠食300
500
700
900
1100
1300##
## P < 0.01
朝食摂取 朝食欠食
運動前 運動中1回目
運動中2回目
運動による脳活動の変化を見たい！
現在進行中のプロジェクト
fMRI & PET 研究
Go/No-Go課題fMRI
Go/No-Go課題fMRI
運動条件
対照条件
または
運動と認知機能の研究～調布市在住の高齢者を対象とした研究～
現在2年目の介入研究開始
今日のまとめ 一過性の運動は認知機能を向上させ，その効果は中強度で
特に大きい．
低酸素環境下での運動中の認知機能は，低酸素環境によるネガティブな効果と運動によるポジティブな効果の相互作用で決まる．
運動による認知機能の向上は脳血流の変化とは直接的な関係はなさそうである．なぜ運動が認知機能を向上させるのかについては，引き続き検討が必要である．
