生きるための呼吸、感じる呼吸－香りと慣れ現象－

昭和大学医学部第二生理学教室

政 岡

ゆ り

Previously we tested simultaneous recordings of electroencephalograms and respiration in normal subjects during
threshold and recognition levels of olfaction. The study identified changes of respiratory pattern during odor stimuli andfound that inspiratory phase-locked alpha oscillation (I-a) from the averaged potentials were triggered by inspiration onset.
We performed dipole analysis of I-a and found the dipoles were located in the olfactory-related areas: the entorhinal cortex,
hippocampus, amygdala, and the orbitofrontal cortex. As we often experienced that olfaction is habituated with constant
exposure of odor presentation, we compared the respiratory patterns, I-a, and dipole localizations of I-a during recognitionof odor with those of adaptation in odor. We found that changes in tidal volume and respiratory rate returned to the normal
breathing level during the adaptation period. From averaging EEGs triggered as the inspiration onset, I-a was observedin all electrodes positions during perception of odor; on the other hand, power spectra of frontal areas decreased during
the adaptation period. During the adaptation period, dipoles were not estimated in the orbitofrontal cortex, but sustained
activations in the entorhinal cortex and hippocampus were observed.

１．目

ベルは香りに対する個人の嗜好、記憶などの要素が大きい的と予測される。香りの慣れ現象は末梢レベルのみではなく２）呼吸の役割は酸素を取り入れ二酸化炭素を排出すること中枢においても起こるという報告があり 、中枢の賦活をであり、またエネルギー代謝に伴い算出される二酸化炭素低減させることがわかってきた。本研究では香りの慣れ現量を一定にする為に呼吸の深さと速さで調節することであ象時の呼吸と脳活動を記録し、香りの慣れにより呼吸がどる。呼吸のリズム産出とそれらの調節はすべて無意識になのように変化するのか、または前研究で観察された I-α

され延髄がその役割を担っている。この生命の維持に不可は観察されるか、また慣れにおける脳内の活動部位はどの欠である呼吸にもうひとつの重要な役割がある。それは息ように変化するのかを検討した。ヒトにとって香りの慣れを吸うという行為が嗅覚と深く密接しているということでとはどのような意味をもつのかを考察する。

ある。息を吸いこんで香りを感じることができ、息を止め

２．実験方法れば香ることはできない。
これまでに香りによる呼吸変化と、香り刺激時の吸息に健常成人７例（平均年齢：29.5 利き手：右）は実験前、
３）一致した脳内の活動を観察してきた。心地よい香りでは呼Spielberger の State Trait Anxiety Inventory（STAI） を施

吸はゆっくりと深くなり、不快な香りでは浅く、早い呼吸行し、オルファクトメーター（高砂香料）を用い嗅覚テスのパターンとなることを報告してきた 。また香り刺激時トを行った。香り５種ＡからＥまで（odor A, β-phenylに脳波を同時に記録し、吸息に一致させて脳波を加算する

ethyl alcohol; odor B, methyl cyclopentenolone; odor C,とアルファ帯域の律動波（I-α）が観察され、脳波から脳iso-valeric acid; odor D, γ-undecalactone; odor E, skatole）

内の電源を探る方法である双極子追跡法により律動波の電を濃度が薄い順－２から＋４までを順に嗅がせ、匂いがす源が嗅内野皮質、海馬、扁桃体を中心とした辺縁系であるると分かった時点（だが何の香りが特定できない）を検知ことを示した 。嗅覚は他の感覚と異なり、嗅球から直接（threshold）とし、匂いの種類を特定できた時点を認知

１）

１）

情動の中心である辺縁系に投射をする唯一の感覚であり、 （recognition）レベルとし、両者とも正常範囲であること
香り分子を含んだ１呼吸 1 呼吸が脳内のリズムを変化させ、を確認した。今回の実験では前研究で用いたもっとも心地情動の中枢である辺縁系を刺激することが示唆された。

よいとされた香りＡ（バラの香り）の各被験者の認知レベ

しかし香りには慣れ現象（adaptation）があり、そのレルを用いた。脳波 19 チャンネルを国際 10－20 法に従い電極を装着し、不関電極を右耳朶に設置した。記録は脳波計

Adaptation toward odor stimuli in humans :investigating into respiratory rhythm
and the limbic activations.

（EEG-1100, 日本光電社）を用いた。

Yuri Masaoka

装置（Odor stimulator, 特許出願番号：特願 2005-151437）

D epa r t ment of Phys iolog y, S howa
University School of Medicineを用いた。呼吸は呼気ガス分析計（CPX, アルコシステム）

香り刺激はパソコンから駆動させる吸息同期香り刺激により分時換気量（VE）、一回換気量（VT）、呼吸数（RR)、酸素消費量（VO2）、呼気炭酸ガス濃度（ETCO2）を測定した。

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生きるための呼吸、感じる呼吸－香りと慣れ現象－

脳波加算の為、呼吸の流量をアナログにて出力し脳波計に電源推定にあたり最大の問題である脳・骨・皮膚の導電率同時記録した。の違いを加味し、より正確な位置推定が可能となってきた。

匂い刺激開始時からの呼吸の吸息に一致させて脳波を加算した。加算作業は Nihon Koden 社の Focus を用い、香双極子追跡法の利点として時間分解能に優れていることがあげられる。

り 刺 激 時（odor stimulation） と 慣 れ 現 象（adaptation）

双極子追跡法の妥当性は、術前検査のために硬膜外電極とに分けて加算作業を行った（図１）。各加算回数は 50 －を留置したてんかん患者において間欠発作波の起源を推定60 回とした。香り刺激装置に装着したバルブの吸息側にしている。また Homma らは（2001） やはり術前のてん香りを浸したリトマス紙を貼付し、パソコン制御によりバかん患者において、深部電極による間欠発作波の出現部位ルブを開閉させた。香りは被験者の吸息時に香り、呼息はが表面電極による EEG からの３層実形状頭蓋モデルによ呼息バルブへ流れる仕組みである。香りに対する認知の度る推定位置と一致していることが示されている。これまで合いは感情測定ソフト（こころのものさし , ブレインリサに嗅覚 、視覚 、運動準備電位

ーチアンドデベロップメント）を使用した。タッチパネルている。

５）

１）

PC の画面上に提示される visual analogue scale（VAS）（右３．結側を最大限とし左側をまったく匂わないとする）に 15 秒ごとに右示指で触れ、adaptaion しているか否かを確認し６）７）の電源推定に応用され

果

表１に安静時（rest）、香り刺激時（odor stimulation）、た。スケールが０（まったく分からない）になった時間を慣 れ（adaptation） 時 の 呼 吸 測 定 結 果 を 示 し た。odor

adaptation とし、さらに香りを投与した。加算脳波は双極stimulation で は VT（P<0.01）、RR（P ＜ 0.05） の 変 化子追跡法（BS-navi, ブレインリサーチアンドデベロップメが認められた。VO2 に変化が認められないことから、VTント）により電源の推定を行った。と RR の変化は代謝によるものではないことが示された。
ETCO2 はどのタスクにおいても変化は認められなかった。

双極子追跡法

adaptation において odor stimulation 時にみられた呼吸の脳波から脳内の電源を推定する方法として双極子追跡法４）がある 。脳波の特徴として、電位測定を各サンプリング変化は持続せず、安静時（baseline）と同呼吸パターンとなった。

あたりでの双極子の位置を推定できるため、時間分解能が

図 2 に odor stimulation 時の吸息に一致させて脳波を高く、また簡便で非拘束的であることがあげられる。また加算したもの（左）、adaptation 時の吸息に一致させて

図１ 香り刺激時（odor stimulation) と香りの慣れ（adaptation) の際の呼吸流量（下向き：吸息、上向き：呼息）。Visual analogue scale (VAS) により香りを感じるか否かを確認し、その後をadaptation とした。

表１ 安静時（Baseline），香り刺激時（Odor stimulation），香りの慣れ（adaptation）における分時換気量（Minutes ventilation），一回換気量（Tidal volume），呼吸数（RR），呼気終末炭酸ガス濃度（ETCO2），酸素消費量（VO2）．

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コスメトロジー研究報告 Vol.17, 2009

図 2 Odor stimulation 時の吸息に一致させて脳波を加算したもの（左）、adaptation 時の吸息に一致させて脳波を加算したもの（右）を示した。それぞれの電極のパワースペクトル解析を行ったものを示した。

図３ （上）健常者における吸息に同期した加算脳波。左：香り刺激時（慣れ：adaptation 前）。右：adaptation 時 RMS: 平均二乗誤差（下）双極子推定を時間を追って追跡したもの。双極子の位置を白丸で示す。吸息開始からの活動部位の変動を示す− 114 −

生きるための呼吸、感じる呼吸－香りと慣れ現象－脳波を加算したもの（右）を示した。またそれぞれの電が顕著に表れず、また脳活動部位もさまざまな部位が賦活極のパワースペクトル解析を行ったものを示した。odorする。しかし言い換えれば様々な脳部位が賦活するという

stimulation では香り刺激時の吸息に同期して I -α が認めことは快の感情がより高度な脳機能であることを意味する。

られた。adaptation においては脳波電極すべてのチャンネ他の生理反応と比べ呼吸では心地よい香りによって大きくルでの α 帯域の律動波は認めず、後頭葉（P3, P4, O1, O2）、変化することが特徴である。
本研究では慣れ現象を心地よい香りのみで検討した。そ側頭葉領域（T5, T6）のみ律動波を認めた。
odor stimulation では I -α の電源は吸息開始後から嗅内の香りが心地よいと判断されれば、その香りを吸いたい、野皮質、扁桃体、海馬、眼窩前頭葉に認められ（図３左）、何かを知りたいという意思が働く。それらは不快な香りに200ms から 300ms で眼窩前頭葉に最も双極子が収束した。

対する反応よりもより高次なものである。よって扁桃体、

odor adaptation（図３右）においては吸息開始後、嗅内海馬の辺縁系の活動とともに前頭葉の賦活、つまり皮質か野皮質、扁桃体、海馬に活動を認めるが眼窩前頭葉賦活がら辺縁系への抑制が働くこととなる。良い香りでみられる認められないことがわかった。

深く、ゆっくりとした呼吸は無意識の変化であるが辺縁系

４．考及び眼窩前頭葉の両部位の賦活の統合と調整によって出力察される結果であろう。慣れによる眼窩前頭葉の賦活が認め本研究では香りの慣れ現象を呼吸のパターンと脳内の活動部位から検討した。香りの情報は他の感覚と異なり、視られないのは、この抑制の過程が消え、辺縁系のみの賦活が持続すると考えられる。

床を介さず直接扁桃体、嗅内野皮質海馬など情動の中枢へそれではなぜ海馬や扁桃体のみの賦活が持続するのだろ投射する。香りを含む一呼吸一呼吸がこの嗅覚に関連したうか。恐らくこれらの部位の活動レベル上昇、維持は新し辺縁系を賦活させることとなる。これまでにこれらの部位い匂いに対して敏感に反応するものなのではないだろうか。

を刺激することにより呼吸の変化が認められることが明ら

動物においては敵の識別、食物のありか、性行動など嗅覚かにされてきたは重要な情報入力であり、情動を起こさせる主情報である。

8, 9）。香り分子を含んだ空気が吸息とともに嗅覚に関連する部位を刺激し、香りを感じることと呼吸新たな情報にすばやく反応するためのひとつの防御反応との変化はほぼ同時であると考えられる。

も考えられるであろう。

本結果から、香りに慣れることにより香りによって変化した呼吸のパターンが安静時レベルに戻ることが認められた。香りの慣れは本人の主観によるものであるが、呼吸のパターンからこれらの変化を客観的に捉えることができ、

謝

辞本研究の遂行にあたり、ご支援いただきましたコスメトロジー研究振興財団に厚く御礼申し上げます。

また I － α の有無、脳内の電源推定からも観察されること（参考文献）がわかった。
香りの慣れによる脳内推定部位は側頭極内部にとどまり、

１）Masaoka Y, Koiwa N, Homma I, : Inspiratory phase-

眼窩前頭葉では認められない。これまでヒトにおいて眼窩locked alpha oscillation in human olfaction: source

前頭葉は香りの認知・識別に関わっていることが示されてgenerators estimated by a dipole tracing method, J

きたPhysiol., 566 (3), 979-97, 2005.

10, 11）。またパーキンソン病患者において香りの認知障12）、香２）Poellinger A, Thomas R, Lio P, et al., : Activation andりの認知は嗅内野皮質、扁桃体、海馬から前頭葉への投射

habituation in olfaction –An fMRI study, Neuroimage,によりなされることが確認されてきた。本研究結果からは

13, 547-560, 2001.

害が眼窩前頭葉賦活の減衰によるという報告から

香りの慣れでは眼窩前頭葉の活動が減衰することがわかっ

３）Spielberger CD, : Manual for the State-Trait Anxiety
Inventory (STAI), Consulting Psychologists Press, Poloた。
しかし香りに慣れ、自分の意識として認知されていないのにも関わらず嗅内野皮質、扁桃体、海馬の活動は持続する。この部位が活動を持続するなら香りによる呼吸の変化は持続すると考えられるが、呼吸のパターンは安静時と同Alto, 1983.
４）本間生夫 , 政岡ゆり ,：EEG からの双極子追跡法 , 臨
床脳波 12, 46,761-769,2004.
５）H o m m a I , M a s a o k a Y , H i r a s a w a K , e t a l . , :Comparison of source localization of interictal epileptic

レベルにもどる結果となった。
この点について考察したい。これまでの動物、ヒトにおspike potentials in patients estimated by the dipole

いて不快な刺激における脳反応は顕著であり、特に扁桃体

tracing method with the focus directly recorded byの賦活は強く、生理的反応も大きいことが示されてきた。

the depth electrodes, Neurosci Lett., 304, 1-4, 2001.

それと比較し快の刺激は生理反応（発汗、心拍増加など）

６）Yoshimura N, Kawamura M, Masaoka Y, et al., : The− 115 −コスメトロジー研究報告 Vol.17, 2009

amygdala of patients with Parkinson’s disease is silent

perspectives in modeling and control of breathing.

in response to fearful facial expressions, Neuroscience,

Kluwer Academic/Plenum Publishers, New York, 2004,131, 523-534, 2005.

vol.551, 9-14.

７）I n o u e M , M a s a o k a Y , K a w a m u r a M , e t a l . ,10）Gottfried JA, Deichmann R, Winston JS, et al., ::Differences in areas of human frontal medial wall

Functional heterogeneity in human olfactory cortex: anactivated by left and right motor execution: Dipole-event-related functional magnetic resonance imaging

tracing analysis of grand-averaged potentials

study. J Neurosci., 22, 10819-10828, 2002.

incorporated with MNI three-layer head model.

11）Rolls ET, Kringelbach ML, de Araujo IE, : Different
representations of pleasant and unpleasant odours in

Neurosci Lett., 437, 82-87, 2008.
８）Harper RM, Frysinger RC, Trelease RB et al., :the human brain. Eur J Neurosci., 18, 695-703, 2003.

State-dependent alteration of respiratory cycle timing12）Masaoka Y, Yoshimura N, Kawamura M, et al., :by stimulation of the central nucleus of the amygdala.

Impairment of odor recognition in Parkinson’s disease

Brain Res., 306, 1-8, 1984.

caused by weak activations of the orbitofrotal cortex.

９）Masaoka Y, Homma I, : Amygdala and emotional

Neurosci Lett., 412, 45-50, 2006.

breathing, In: Champagnat J (eds): Post-genomic− 116 −