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これまでの研究活動
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？

認知機能
注意
集中力

状況判断
計画 & 実行

単純な知的能力

高度な知的能力

前頭前野

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．

実行機能抑制
 反応抑制 干渉制御認知的柔軟性 状況が変化した時に柔軟に対応する機能

ワーキング 不必要な情報を排除して，注意を維持する機能メモリー 優勢である誤反応を止める機能
 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

Modified from Diamond (2013) Annu Rev Psychol

実行機能をどう評価するのか？

＜＜＞＜＜Green
Yellow

フランカー課題ストループ課題

Go/NoGo課題

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？

習慣的な運動により認知機能は向上する
向上

1回の運動実行機能

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
Davenport et al.(2012) Exerc Sport Sci Rev

＜＜＜＜＜＜＜＞＜＜一致不一致· 2
40% peak VO

運動条件
Rest

対照条件
(20W)

Rest

フランカー課題· 2
60% peak VO· 280% peak VO

フランカー課題(3 min 20 sec)

Block 1

Block 2Block 3Ando et al. (2011) Eur J Appl Physiol

中強度の運動中に実行機能が向上した

Premotor time (ms)Congruent＜＜＜＜＜Incongruent＜＜＞＜＜60%80%* P < 0.05420380340300260

Rest

40%

Ando et al. (2011) Eur J Appl Physiol

認知機能の向上には適度な負荷が必要
Congruent＜＜＜＜＜Incongruent＜＜＞＜＜42038034030026020W
Rest

Block 1

Block 2Block 3Ando et al. (2011) Eur J Appl Physiol

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

Chang et al. (2012) Brain Res

運動強度と認知機能の向上
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？

低中

高覚醒レベル
Modified from Schmidt & Lee (1999)

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

一過性運動と認知機能
内分泌系

呼吸・循環
 Cerebral blood flow
 Cerebral oxygenation

 Neurotransmitter BDNF IGF-1

エネルギー
代謝
 Glucose Lactate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？

低酸素環境と認知機能 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)

・・・

低酸素環境

認知機能
PaO2, SaO2

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？

 Go/No-Go task (Single task)

Mouse button

Go trial
releaseGo trial
releaseNo-go trial
withhold

No-go trial
withhold

5 correct trials
5 correct trials × 6 sets

5 correct trials

5 correct trials

 Reaction time (RT) in the Go trial
 Accuracy of the task

Experimental protocol
Fraction of inspired oxygen(FIO2: 0.209, 0.18, & 0.15)

RestExposure(10 min.).
60% peak VO2(10 min.).
20% peak VO2

Cognitive task

RPE(5 min.)Cognitive task

LactateRPE
SpO2, Cerebral oxygenation, HRLactate

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）
Normoxia

Hypoxia (18%)

Hypoxia (15%)** P < 0.01

1000
900800700
600500Rest.

Exercise (60% VO2peak)Ando et al. (2013) PLoS One

実行機能

空間的遅延課題

ワーキングメモリー

視覚刺激
位置を覚える反応

Go反応時間視覚刺激

Go/NoGo課題

Go 反応
No/Go

Go/NoGo課題の視覚刺激の１例

Go → ボタンを離す

789456123

NoGo → 押し続けるDual課題でも運動中に認知機能が向上する
Normoxia
1500

Hypoxia (15%)## P < 0.05

1300
1100
900700500

Rest

First task
during exercise(EX1)

Second task
during exercise(EX2)
Komiyama et al. (2015) Physiol Behav

実験プロトコル(低酸素条件:FIO2;12-13%)

常酸素
環境条件

常酸素
低酸素

血圧，RPE
血液検査

認知課題
実施
認知課題
実施

ﾍﾞｰｽﾗｲﾝ-13.5-10～～Time (min)0Warm-up

中強度運動30%VO2peak•50%VO2peak

71712•

継続して測定した項目: SpO2, cerebral oxygenation, MCA Vmean, Heart rate27

Severe hypoxiaでも認知機能は向上する
Normoxia

Hypoxia (12 or 13%)#### P < 0.01

1500
1300
1100
900700500

Rest

Exercise.

(50% peak VO2)
Komiyama et al. (2017) Sci Rep

100

SpO2 (%)

90†††80###7060

Rest

Cerebral oxygen delivery (a.u.)

MCA Vmean (cm/s)

Normoxia

80
7060
504030Rest

ExerciseHypoxia50-5†††-10-15-20-25

Exercise***90

Cerebral oxygenation (%)

Normoxia###RestExerciseHypoxia
$$$

1800
1600

‡‡

1400
1200
1000
800
600
400

Rest

Exercise

Komiyama et al. (2017) Sci Rep

1000-100-200-300-400-500-600-20ΔRT (ms)

ΔRT (ms)

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．

ｒ = -0.57, P < 0.05-15-10-501000-100-200-300-400-500-600-20

ｒ = -0.05, P = 0.87-151000-100-200-300-400-500-600

ｒ = 0.41, P = 0.24010-50

ΔCerebral oxygenation (%)ΔRT (ms)

ΔRT (ms)

ΔSpO2 (%)-1020

ΔMCA Vmean (cm/s)

30

1000-100-200-300-400-500-600-100ｒ = 0.12, P = 0.75-50050100150200

ΔCerebral oxygen delivery (a.u.)

Komiyama et al. (2017) Sci Rep

Cognitive function during moderate exercise under hypoxia
Dual task

Single task

Flanker task

Normoxia

RT

Go/No-Go task

RTImprovement(e.g. Ando et al. 2011)（Komiyama et al. 2015）

Mild (18%)
SpO2≒93%
RT

Moderate (15%)
SpO2≒82%
Severe (12-13%)
SpO2≒78%(Ando et al. 2013)（Komiyama et al. 2015）

RTSpO2
RT（Komiyama et al. 2017）

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．

運動中の脳血流と認知機能

Tan et al. (2014) Neurology

運動中の脳血流と認知機能(先行研究)

Lucas et al. (2012) Exp Gerontol

Ogoh et al. (2014) Physiol Rep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
1001005000-100-50-200-100n.s. P = 0.78-150-300-250-400-300-500-600n.s. P = 0.21-200-35005101520ΔMCA Vmean (cm/s)

25-4000510152025ΔMCA Vmean (cm/s)
Komiyama et al. (2017) Sci Rep

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

Marshall et al. (2001) Brain加齢により脳血流は低下する→認知機能の低下の要因か？
MCAECA

Extracranial
perfusion

VAICA

Cerebral
perfusion
Ainslie et al. (2008) J Physiol

1050-5-10-15
Cognitive task

Δskin blood flow (%)

Reaction time (ms)

15Exercise

Cognitive task

Exercise

Cognitive task

ΔReaction timeΔcerebral oxygenation (%)

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

800
600
400
200
0-200
Cognitive task

Exercise

1300
1200
1100
1000
900
800
700
600
500
400

400
300
200
1000-100-200-300 r = -0.64, P = 0.004-400-500-600-10 -8 -6 -4 -2

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68

ΔCerebral oxygenation (%)
Sudo et al. (2017) Eur J Appl Physiol

朝食摂取と運動/認知機能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)

・・・グルコース（エネルギー源）?

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？

朝食欠食後でも運動により認知機能は向上する
朝食摂取

血糖値 (mg/dL)

100

75

朝食摂取

朝食欠食

朝食欠食

##1300

**

1100
900

5025

**P < 0.01

運動前

運動中
1回目

朝食摂取

運動中
2回目
朝食欠食

100
90

700
500
300

運動前

運動中
1回目

*

運動中
2回目

## P < 0.01

朝食習慣，種類(GI値)

80

‡

70

*P < 0.05, ‡P < 0.0560

運動

運動中
1回目

運動中
2回目

Komiyama et al. (2016) Physiol Behav

現在進行中のプロジェクト

運動による脳活動の変化を見たい！

fMRI & PET 研究

運動条件
または
Go/No-Go課題
fMRI

対照条件

Go/No-Go課題
fMRI

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．
