（51）

第 37 回若手研究者のための健康科学研究助成成果報告書
2020 年度 pp.51〜59（2023.7）

脳老廃物除去システムに対する加齢および一過性有酸素運動の影響
樽

孝＊

味

菅

原

順＊

浅

原

亮

太＊

EFFECTS OF AGE AND ACUTE AEROBIC EXERCISE
ON THE BRAIN WASTE CLEARANCE
Takashi Tarumi, Jun Sugawara, and Ryota Asahara
Key words: cerebrospinal ﬂuid, brain waste clearance, age, exercise, executive function.

緒

そこで本研究の目的は、脳循環および認知機能

言に対する有酸素運動の急性的な影響を検証するこ

脳機能は加齢とともに低下し、高齢期においてととした。我々は、単回の中強度有酸素運動が認知症や脳卒中などの脳疾患リスクを高める。一CSF 循環と脳血流を亢進し認知機能を高めると仮方、習慣的な有酸素運動は認知機能の向上や脳血説を立てた。また、その効果は若年者に比べ高齢管疾患リスクの低下と関連する。しかし、運動が者でより顕著であると予想した。

脳機能を改善する生理機序は明らかにされておら方ず、より効果的な運動プログラムの構築、更には、

法

Ａ．被験者

運動療法の普及に向け障壁となっている。
運動が脳機能を改善する機序の 1 つに脳循環の被験者は、健康な若年者11名（女性 8 名）と中役割が考えられる。脳は体重の 2 ％ほどの臓器だ

高齢者 9 名（女性 7 名）とした。除外条件は、循

が、そのエネルギー代謝量は全身の約15％を占め、環・呼吸器の既往歴、高血圧、肥満、糖尿病、不そのほとんどが血流から供給されている。更に近整脈、喫煙歴、認知症などの精神疾患、脳震盪な

年、脳脊髄液（cerebrospinal ﬂuid; CSF）が神経細

どの頭部外傷、トレッドミル運動および核磁気共胞から排出された老廃物を除去する働きがわかっ

鳴画像（magnetic resonance imaging; MRI）計測をてきた 。例えば Glymphatic system（GS）は、心行えない者とした。本実験は、産業技術総合研究

臓や呼吸から脳へ伝わる拍動性が駆動力として働所人間工学実験委員会の承認を受けた（承認番

き、アミロイドベータやタウタンパクなどを脳外

号：人2018-873N）。被験者には口頭および書面へ除去することが動物実験から示されている 。

にて研究の趣旨、測定内容、実験に伴うリスクをしたがって、有酸素運動は心臓や呼吸へ強い影響

十分に説明したうえで、書面にて研究協力への同を及ぼすため、脳の老廃物除去機能を亢進する可

意を得た。

6）

3）

能性が考えられる。
*

国立研究開発法人産業技術総合研究所 Human Informatics and Interaction Research Institute, National Institutes of Advanced Industrial Science and
人間情報インタラクション研究部門
Technology, Ibaraki, Japan.

（52）> 48 hour
wash-out

図 1 ．A）
本研究の実験プロトコルと B）
Phase-Contrast MRI（PC-MRI）
測定の撮像部位（左）と代表的な流量波形
Fig.1．A）
Study protocol for this study. A randomized cross-over design was used to investigate the acute eﬀects of 30minute moderate aerobic exercise and rest on cerebrospinal ﬂuid
（CSF）
and cerebral blood ﬂows and neurocognitive
function in healthy young and older adults. B）Phase-contrast magnetic resonance imaging（PC-MRI）measurements.
The left panel shows slice locations of PC-MRI measurements（black lines）; the right three panels show the representative CSF and cerebral blood ﬂow waveforms in a single participant.
BP; blood pressure, HR; heart rate, EtCO2; end-tidal CO2, ICA; internal carotid artery, VA; vertebral artery, IJV; internal jugular vein, SSS; superior sagittal sinus, SRS; straight sinus.

Ｂ．実験プロトコル

動条件または安静条件を行い、各条件後にベース

ランダム化クロスオーバーデザイン法により、ラインと同様の測定を行った。経時的な変化を調脳循環指標と認知パフォーマンスに対する運動条

べ る た め に 条 件 後 の 測 定 は 2 回 実 施（Post1 と件と安静条件の影響を比較した（図 1 A）
。被験Post2）した（各被験者から計 6 回の測定を実施）。

者には同時刻に 2 日間研究室へ訪問してもらい、運動条件では、トレッドミル装置を使用し、約各条件の計測を実施した。各条件の間には最低48

5 分間のウォームアップを行った後、年齢予測最時間のウオッシュアウト（washed-out）期間を設

大心拍数（208 ­ 0.7

けた。また、測定 2 時間前の飲食（水は除く）、

キング運動を行ってもらった。運動中は心拍数を測定12時間前以内のカフェイン摂取、測定24時間

モ ニ タ ー し 運 動 後 に 自 覚 的 運 動 強 度（rate of

前以内の高強度運動を控えるよう指示し、測定はperceived exertion; RPE）を測定した。安静条件では、室温23〜25℃に調整された実験室と MRI 室で実30分間静かに椅子に着席してもらった。

施した。
実験室において身体特性（身長，体重，BMI［body mass index］）、安静時座位血圧（blood pres-年齢）の60〜70％でウォー

Ｃ．測定項目
1 ．脳循環および脳容積の測定と解析
3 テスラ MRI 装置（Philips, Ingenia）を使用し、

sure; BP）
、および心拍数（heart rate; HR）を測定

2D CINE Phase-Contrast MRI（PC-MRI）撮像法にした。次に被験者を MRI 検査テーブルに仰臥位より CSF 循環と脳血流量を測定した。図 1 B にの状態で設置し、上腕カフ、鼻カニューラ、呼吸

撮像部位と代表的な波形データを示す。撮像部位

センサー、パルスオキシメーターを取り付け、32は、 1） 中 脳 水 道（cerebral aqueduct）、 2） 頚 椎

チャンネルヘッドコイルを装着した後、頭部をC2-C3 間、 3） 後 頭 部（occipital） と し た。 頚 椎

パッドで固定した。ベースラインデータ（Base）

C2-C3間では内頚動脈（internal carotid artery; ICA）、の測定後、被験者を MRI 室外へ移し30分間の運椎骨動脈（vertebral artery; VA）、内頚静脈（internal

（53）jugular vein; IJV）の血流量、後頭部では上矢状静

画面に「かたち」または「いろ」どちらかの手が脈 洞（superior sagittal sinus; SSS） と 直 静 脈 洞

かりが与えられた後、被験者は、手がかりに沿っ（straight sinus; SRS）の血流量を測定した。パル

て、刺激を判断した。被験者には、できるだけ速スオキシメーターから得られた指先脈波を使用しく、かつ正確な判断を求めた。Non-switch 条件・Retrospective Triggering 法により一心周期内の流Switch 条件それぞれで正答率（error rate）と反応量波形を収集した。一心周期内のデータポイント

時間（reaction time; RT）を取得し、Switch 条件と数は32とした。PC-MRI の撮像には下記のパラ

Non-switch 条件の正答率と反応時間の差（cost）

メータを使用した。

を算出した。

〇中脳水道：有効視野（FOV）= 150

150 mm、3 ．体循環および呼吸指標の測定と解析

179、スライス厚 = 5 mm、

血圧測定用カフを MRI 室内へ引き込み、左腕

エコー時間（TE）= 7 ms、繰り返し時間（TR）=

から収縮期血圧（systolic BP; SBP）、拡張期血圧

11 ms、速度エンコード（VENC）= 12 cm/sec、フ（diastolic BP; DBP）、HR を測定した（SphygmoCor

リップ角度（FA）= 15º、撮像時間 = 約 8 分

EXEL）。また、MRI 室外に設置したカプノグラ

マトリックス = 256

150

フ（CapnoTrue ASP, bluepoint MEDICAL）から鼻

130、スライス厚 =カニューラを MRI 室内へ引き込み呼気終末二酸

5 mm、TE = 5 ms、TR = 9 ms、VENC = 100 cm/

化炭素ガス分圧（end-tidal carbon dioxide; EtCO2）

sec（頚椎 C2-C3間）& VENC = 60 cm/sec（後頭部）、を計測した。これらの測定は我々の先行研究に準FA = 10º、撮像時間 = 約 5 分

じて実施した7）。

〇頚椎 C2-C3間および後頭部：FOV = 150
mm、マトリックス = 132

PC-MRI データは QFlow ソフト（Philips 社製）
により解析した。強度画像を使用し血管または中Ｄ．統計処理線形混合モデル（linear mixed model; LMM）を

脳水道の内腔に Region-of-Interest（ROI）を描き、使用し、計測指標に対する条件の影響（条件ROI を位相画像へコピーした後、内腔面積と流速時間）、更に条件と年齢の影響（条件の積から流量（ﬂow rate; FR）を算出した。中脳

齢 群） を 検 証 し た。 多 重 比 較（事 後 検 定） は

水道では平均流量がほぼゼロになるため、頭側方

Bonferroni 法により補正した。若年者と中高齢者向（cranial ﬂow volume; FV）と尾側方向（caudalの特性は対応のない t- 検定により比較し、指標FV）の流量をそれぞれ算出し、更にそれらの絶間の関係はピアソン相関係数により調べた。被験対値の和（絶対値流量：absolute FV）を算出した。

者特性は平均値

上記指標の算出法は先行研究に準じた 。脳容積

周辺平均（estimated marginal mean; EMM）と95%

は、T 1 強調画像を FreeSurfer ソフトにより解析

信頼区間（conﬁdence interval; CI）によりデータし計測した。

を示し、統計学的有意水準は 5 ％未満とした。す

7）

時間

年

標準偏差、LMM の結果は推定

2 ．認知パフォーマンスの測定と解析

べての統計解析には SPSS29（IBM Corporation）

実行機能の一翼を担う認知的柔軟性を評価するを用いた。

タスクスイッチング課題を用いた 。課題は、単10）

一 ル ー ル A（Non-switch 条 件）
・単一ルール B

結果（Non-switch 条件）
・ルール A&B 混在（Switch 条件）

表 1 に被験者特性を示す。中高齢者群は若年者の 3 条件によって構成された。単一ルール A は、群と比較して脳容積が有意に小さかったが、身長、「かたち」の識別で、画面に「かたち」という手

体重、BMI に有意な差はなかった。また、安静

がかりが与えられた後、被験者は、刺激が「円」

座位の BP と HR に有意な差はみられなかった。

または「四角形」かを判断した。単一ルール B は、

運動中の RPE は両年齢群で有意な差はなかった。

「いろ」の識別で、画面に「いろ」という手がか

Ａ．体循環・呼吸指標への影響りが与えられた後、被験者は、刺激が「赤色」ま

表 2 に各条件の HR、SBP、DBP、EtCO2データ

たは「青色」かを判断した。ルール A&B 混在は、を示す。HR と SBP に有意な条件

時間の交互

（54）
表 1 ．被験者特性
Table 1．Characteristics of young and older participant groups.
Young（n = 11）
Mean SD

Measurements

Older（n = 9）
Mean SD

P-values（t-test）

Age（years）

25

2

62

5

< 0.001

Height
（cm）

164

9

160

8

0.236

Body mass
（kg）

60

10

53

9

0.125

Body mass index（kg/m2）

22

3

21

3

0.280

Brain volume
（cm3）

1128

106

1010

72

0.011

Seated heart rate
（bpm）

71

14

72

8

0.787

Seated systolic BP（mmHg）

115

11

119

12

0.475

Seated diastolic BP（mmHg）

76

10

76

7

0.900

Exercise RPE

12

2

13

2

0.362

Data are means standard deviations（SD）. Brain volume does not include ventricularvolumes. BP; blood pressure, RPE; rate of perceived exertion.

R2 = 0.411
P < 0.001

図 2 ．A）安静条件および運動条件における脳脊髄液（CSF）絶対値流量の変化。* 同条件の Base と比較し有意差（P< 0.05）。B）Base から Post1における CSF 絶対値流量と心拍数の変化量の関係
Fig.2．A）Cerebrospinal ﬂuid
（CSF）absolute ﬂow volume during the rest and exercise conditions. *P < 0.05 vs Base within
the same condition. B）
Correlation between changes in heart rate and CSF absolute ﬂow volume over the Base to Post1 timepoints.

作用が示された。事後検定の結果、HR は運動条間で有意に低下した。Caudal FV は運動条件にお件において Base から Post1の間で有意に増加、安いて Base から Post1および Post2の間で有意に低静条件では、Base から Post2の間で有意に低下した。

下した。中脳水道の流量指標に有意な条件

SBP は運動条件において Base から Post2の間で有間意に低下した。DBP と EtCO2に有意な交互作用は

関解析により、中脳水道の Absolute FV の変化量なかった。

と心拍数の変化量の間に有意な負の相関関係がみ時

年齢群の交互作用はなかった。ピアソン相

Ｂ．脳循環指標への影響られた（Base-to-Post1: r =­0.641, P < 0.001（図 2 B）;

表 3 に各条件の脳循環データを示す。中脳水道

Base-to-Post2: r =­0.482, P = 0.003; Post1-to-Post2:の流量指標に対し有意な条件

時間の交互作用が示された。事後検定の結果、Absolute FV は安r =­0.520, P = 0.001）。
ICA と IJV の FR に有意な条件

時間

年齢群

静条件において Base から Post1の間で有意に増加、の交互作用が示された。事後検定の結果、運動条

運動条件では Base から Post1および Post2の間で件において若年者の ICA FR は Base から Post1の有意に低下した（図 2 A）
。同様に Cranial FV は、間で有意に増加した。また運動後の Post1と Post2

安静条件において Base から Post1の間で有意に増において、中高齢者群の ICA FR は若年者の同指加、運動条件では Base から Post1および Post2の標よりも有意に低い値を示した。中高齢者群の39（36 to 41）
38（36 to 41）
38（36 to 41）

38（36 to 41）

39（37 to 41）

38（36 to 40）

Base

Post2

69
（65 to 73）

71（67 to 75）

Post2

Post1

71（66 to 76）
72（68 to 76）

68（63 to 73）

71（67 to 75）

110（105 to 115）

113（108 to 118）

Post2

Base

120（115 to 124）

117（113 to 122）

Post1

Post1

116
（110 to 121）

117（111 to 122）

Base

64（58 to 69）

54（48 to 60）

Post2

37
（35 to 39）

37（35 to 40）

37（35 to 40）

73（68 to 77）

74（70 to 79）

75（69 to 80）

119（113 to 124）

123
（118 to 128）122
（115 to 128）62
（55 to 68）

63（57 to 70）

65（58 to 71）

EMM（95%CI）

38（35 to 40）

37（35 to 40）

39（36 to 42）

70（65 to 75）

73（68 to 78）

71（65 to 77）

113（107 to 119）

114
（109 to 120）

118
（111 to 125）68
（60 to 75）

77（70 to 84）

68（61 to 76）

EMM（95%CI）

Exercise condition

Older group（n = 9）Rest condition

Data are estimated marginal means（EMM）and 95% conﬁdence intervals（CI）calculated from linear mixed model（LMM）.

End-tidal CO（mmHg）
2

Diastolic BP（mmHg）

Systolic BP（mmHg）

62（56 to 68）
75（69 to 80）

59（53 to 65）

56（50 to 61）

BaseHeart rate
（bpm）

EMM（95%CI）

EMM（95%CI）

Post1

Time

Measurements

Exercise condition

Rest condition

Young group（n = 11）

0.303

0.055

< 0.001< 0.001

Time*Condition

0.705

0.722

0.069

0.437

Time*Condition*GroupP-values（LMM）

表 2 ．安静条件および運動条件における心拍数、血圧、呼気終末二酸化炭素ガス分圧の変化
Table 2．Heart rate, blood pressure, and end-tidal CO2 measurements during the rest and exercise conditions in young and older participant groups.

（55）

Time

536
（ 658 to 413）
513
（ 634 to 393）d676（ 786 to 565）
701（ 809 to 593）
656
（ 761 to 552）
377（ 428 to347（ 404 to368（ 415 to
109（ 127 to143（ 180 to
114（ 133 to691（ 798 to 583）

662（ 767 to 556）

378（ 428 to 327）
365（ 422 to 308）
356（ 403 to 309）
108（ 127 to 90）
107（ 144 to 71）
111（ 129 to 92）

Post1

Post2
327）
290）
322）
91）
107）
95）

218
（173 to 263）
221
（184 to 258）
217
（155 to 279）

202（162 to 243）
228（195 to 262）
219（163 to 276）

220（180 to 261）
209（176 to 243）
245（187 to 303）
640（ 751 to 529）

Base
Post1
Post2
Base

510
（445 to 575）

346
（ 402 to354
（ 417 to341
（ 393 to89
（ 109 to92
（ 132 to92
（ 112 to

290）
291）
290）
69）
52）
71）

d
478
（ 593 to 362）

505
（447 to 563）

518
（461 to 575）

607
（555 to 659）

532（479 to 586）

Post2

356
（ 420 to361
（ 432 to359
（ 417 to91
（ 114 to95
（ 141 to94
（ 117 to

293）
289）
301）
68）
49）
70）

d
481
（ 612 to 350）

d497
（ 633 to 362）

553
（ 692 to 414）

232
（181 to 282）
213
（171 to 255）
214
（144 to 285）d
502
（437 to 568）d

505
（438 to 572）

506
（447 to 565）

566（513 to 619）a638（586 to 689）

557（503 to 610）
586（535 to 638）

Base
Post1
Post2
Base
Post1
Post2

EMM
（95%CI）

Exercise condition

0.109（0.076 to 0.142）
0.118（0.081 to 0.155）
0.141（0.1 to 0.183）
0.095（0.061 to 0.128）
0.130（0.093 to 0.167）
0.120（0.078 to 0.162）
0.093（0.059 to 0.126）
0.130（0.093 to 0.167）
0.123（0.081 to 0.165）
0.050（0.033 to 0.067）
0.058（0.039 to 0.077）
0.071（0.05 to 0.093）
0.045（0.027 to 0.062）
0.063（0.044 to 0.083）
0.059（0.036 to 0.081）
0.042（0.024 to 0.059）
0.063（0.044 to 0.083）
0.06（0.038 to 0.082）
0.055（0.039 to 0.072）
0.058（0.039 to 0.076）
0.070（0.049 to 0.091）
0.046（0.029 to 0.064）
0.061（0.042 to 0.08）
0.057（0.035 to 0.079）
0.047（0.03 to 0.064）
0.064（0.046 to 0.083）
0.060（0.039 to 0.081）
86.9（82.7 to 91）
97.8（93.2 to 102.4）
94.9（89.7 to 100.1）
90.6（86.2 to 95）
94.6（89.7 to 99.5）
93.1（87.6 to 98.6）
86.5（82.2 to 90.8）
95.3（90.6 to 100.1）
93.9（88.6 to 99.3）
Cerebral blood flow measurements（ ml/min）

Aqueduct cerebrospinal fluid flow measurements

EMM（95%CI）

Base
Post1

0.111（0.078 to 0.144）
0.133（0.099 to 0.166）
0.124（0.091 to 0.158）
0.053（0.036 to 0.07）
0.064（0.046 to 0.081）
0.057（0.039 to 0.075）
0.055（0.039 to 0.072）
0.065（0.048 to 0.083）
0.061（0.044 to 0.079）
93.7（89.5 to 97.8）
91.3（86.9 to 95.7）
89.8（85.4 to 94.2）

EMM（95%CI）

EMM（95%CI）

Rest condition

Older group（n = 9）

0.837

0.106

0.006

0.107

0.508

0.816

0.137

0.943

0.502

0.924

0.029

0.322

0.043

0.605

0.003

0.172

0.871

Time*Condition*Group

0.005

Time*Condition

P-values（LMM）

Data are estimated marginal means（EMM）and 95% conﬁdence intervals（CI）calculated from linear mixed model（LMM）. aP < 0.05 vs Base within the same condition and group. dP < 0.05 vs Young groupwithin the same condition and time. FV; ﬂow volume per cardiac cycle.

Straight sinus

Superior sagittal sinus

Internal jugular vein

Vertebral artery

Internal carotid artery

Base
Post1
Post2
Forward FV（ml/beat）
Base
Post1
Post2
Backward FV（ml/beat） Base
Post1
Post2
Regurgitant fraction（%） Base
Post1
Post2

Absolute FV（ml/beat）

Measurements

Exercise condition

Rest condition

Young group（n = 11）

表 3 ．安静条件および運動条件における脳脊髄液（CSF）
循環と脳血流の変化
Table 3．Cerebrospinal ﬂuid
（CSF）
and cerebral blood ﬂow measurements during the rest and exercise conditions in young and older participant groups.

（56）

123
（68 to 179）
105
（54 to 156）111
（58 to 164）

115（60 to 170）

104（54 to 155）

125（73 to 178）

Post2

0.6（ 2.4 to 3.5）

1.8（ 1.2 to 4.7）

Post2

Base

0.3（ 2.9 to 3.4）

0.4（ 2.8 to 3.6）

Post1

Post1

2.1（ 1.6 to 5.9）a646（554 to 738）

660（568 to 751）

Post2

0.9（ 2.9 to 4.7）a647（560 to 735）

644（556 to 731）

Base709（615 to 803）

692（598 to 786）

3.0（ 0.7 to 6.7）

4.3（0.7 to 8）

Post2

Base

2.3（ 1.2 to 5.8）

2.8（ 0.7 to 6.3）

Post1

4.5（0.1 to 8.9）

4.8（0.4 to 9.2）

Base

Post1

a

541（479 to 603）a
535
（473 to 598）

539（477 to 601）a
534（471 to 596）

Post1

Post2

76
（21 to 131）88
（35 to 141）100
（42 to 158）

3.6
（0.5 to 6.7）

3.1
（ 0.2 to 6.3）

2.7
（ 1.3 to 6.7）

792（695 to 888）106
（39 to 174）

95
（30 to 160）85
（14 to 157）

2.5
（ 1.3 to 6.3）

4.6
（0.6 to 8.6）

2.2
（ 2.7 to 7.1）

768（650 to 886）

803
（682 to 924）d
791
（679 to 904）

809
（710 to 908）

4.4
（ 0.3 to 9.1）

5.6
（1.2 to 10.1）

4.6（ 1.1 to 10.2）

a,d662（582 to 742）d
798（706 to 890）

5.9
（2 to 9.7）

5.1
（1.5 to 8.8）

6.0
（1.4 to 10.6）d716（650 to 781）

d

0.901

0.612

0.083

0.615

0.006

0.160

Time*Condition

0.552

0.397

0.048

0.655

0.001

0.975

Time*Condition*GroupP-values（LMM）

and 95% conﬁdence intervals（CI）calculated from linear mixed model（LMM）. P < 0.05 vs Base within the same condition and group. dP < 0.05 vs Young group
Data are estimated marginal means（EMM）
within the same condition and time. RT; reaction time.

Switch cost RT（ms）

Switch cost error rate（%）

Switch RT（ms）

Switch error rate（%）

696
（617 to 776）

710
（646 to 775）

a

d

d
718
（633 to 802）709
（641 to 778）d

586（520 to 651）

1.9
（0.2 to 3.6）

2.3
（0.9 to 3.7）

1.0
（ 0.6 to 2.7）

2.4
（0.3 to 4.5）

EMM（95%CI）577（511 to 642）

2.4
（1.1 to 3.8）

2.6（1.2 to 4）

Post2

2.1
（0.7 to 3.4）

3.3
（1.5 to 5）

EMM（95%CI）

Exercise condition

Older group（n = 9）Rest conditionBase

2.0（0.6 to 3.3）

2.3（1 to 3.7）

Non-switch RT（ms）

2.4（0.7 to 4）

3.9（2.2 to 5.5）

Base

Post1

Non-switch error rate（%）

EMM（95%CI）

EMM（95%CI）

Time

Measurements

Exercise condition

Rest condition

Young group（n = 11）

表 4 ．安静条件および運動条件におけるタスクスイッチング課題パフォーマンスの変化
Table 4．Task switching performance during the rest and exercise conditions in young and older participant groups.

（57）

（58）
IJV FR は、両条件の Post1と Post2において、若しかし、実際の結果はこの仮説に反し、CSF 循環

年者の同指標よりも有意に低い値を示した。VA、は安静後に増加、運動後には低下し、更に、運動

SSS、SRS の FR に対し有意な交互作用は示され後における心拍数と CSF 流量の変化の間には強なかった。

い負の相関関係があることが示された。したがっＣ．認知パフォーマンスへの影響て、この結果は、CSF 循環を介した脳老廃物除去

表 4 に認知パフォーマンスの結果を示す。Non-

機能は、運動後ではなく、安静後に高まることがswitch 条件と Switch 条件の RT に有意な交互作用示唆された。

がみられた。Non-switch 条件では、運動後 Post1

本実験の結果は、我々の先行研究、ならびに実と Post2において、若年者の RT が有意に短くなり、験動物を対象とした基礎生理学研究の結果により中高齢者では運動後 Post2で RT が有意に短くなっ説明することができる。まず、若年健常者を対象た。若年者に比べ中高齢者の RT は有意に長かっに中強度ハンドグリップ運動中に CSF 循環を測た。Switch 条 件 で は、 若 年 者 に お い て 運 動 後定した我々の先行研究においても、CSF 流量は運Post1と Post2の RT が有意に短かった。Switch 条

動中に低下し、更に、心拍数の変化と負の相関を件と Non-switch 条件の正答率と RT の差（cost）

示した3）。また動物実験からは、運動中の交感神に有意な交互作用はみられなかった。また、認知経活動の賦活8）やノルアドレナリン投与9）が CSF

パフォーマンスと循環指標の間に有意な相関関係

循環を低下させ脳老廃物除去機能を低下することは示されなかった。

が示されている。その一方で、交感神経活動が減考察

弱する睡眠中は、CSF 循環を亢進し除去機能が高まることが示されている9）。したがって、CSF 循

本研究の主な結果は次のとおりである。 1）

環ならびに CSF 循環を介した脳老廃物除去機能

CSF 循環、特に頭側・尾側方向における流量とそ

は、運動や睡眠、すなわち生理的・心理的な覚醒

れらの絶対値の和（Absolute FV）は安静後に増度から影響を受け、その機序には交感神経活動が加し、運動後には低下することが示された。更に、関与していると考えられる。

安静後および運動後における心拍数の変動は CSF

若年者の ICA 流量は、運動後 Post1で一時的に流量と強い負の相関関係を示した。 2）若年者に上昇し、Post2ではベースラインの値に戻っていた。

おける内頚動脈の流量は運動後に増加するが、中その一方で、運動後の VA、IJV、SSS、SRS 流量

高齢者では同様の変化が生じなかった。 3）実行には有意な変化がみられなかった。Arterial Spin

機能課題中の反応時間は運動後に両年齢群で改善

Labeling MRI 法により脳血流を測定した先行研究することが示された。総じて本実験の結果により、では、有酸素運動後に脳全体の血流が上昇するこ

若年者および中高齢者の CSF 循環ならびに脳血とが示されており、この結果は我々の知見と一致

流は中強度有酸素運動後に有意に変動し認知パしている5）。一方、超音波ドップラーを使用し、フォーマンスは改善することが示された。

有酸素運動中とその回復時間中（ 3 分間）に脳血

本実験は、ヒトの CSF 循環を有酸素運動の前流を測った研究では、ICA と VA の流量は運動直後に計測した初めての研究である。CSF は神経細後に低下することが示されている4）。しかし「な胞から排出される老廃物の除去に重要な役割を果ぜ ICA（前方脳循環）と VA（後方脳循環）、動脈

たし、その機能低下は認知症発症リスクと関係すと静脈、若年者と中高齢者では運動後の脳血流のることが示唆されている 。一方、習慣的な有酸応答が異なるのか？」は今後更なる検討が必要で素運動の実践は、認知症発症リスクの低下と関連

ある。

6）

するが、その背景にある生理的メカニズムは明ら

本実験では、若年者および中高齢者において、かにされていない。これらの背景を踏まえ、我々運動後 Post1もしくは Post2においてタスクスイッ

は、一過性の有酸素運動が CSF 循環を亢進し、チング課題の RT が短くなる傾向が示された。こ脳老廃物除去機能を高めるという仮説を立てた。

の知見はフランカー課題を使用し、RT が運動後（59）に短くなり、その一方で、正答率には影響を及ぼさないことを示した先行研究の結果と類似してい参 考 文 献る1）。更にメタ解析によると、中強度有酸素運動

1）Kamijo K, et al.（2009）: Acute eﬀects of aerobic exercise

は実行機能課題の時間依存性指標を改善し、そのon cognitive function in older adults. J Gerontol B Psychol

効果は特に高齢者で大きいことが報告されておSci Soc Sci, 64, 356-363.

り2）、これらの先行研究の結果は我々の実験結果と一致している。
本研究にはいくつかの限界点がある。まず被験者サンプルが小さいため、効果量の小さい指標においては、その影響を検出しきれていない可能性が考えられる。次に、本研究で観察された運動の急性的な影響が、トレーニングによる慢性的効果

2）Ludyga S, et al.（2016）: Acute eﬀects of moderate aerobic
exercise on speciﬁc aspects of executive function in diﬀerent
age and ﬁtness groups: a meta-analysis. Psychophysiology,
53, 1611-1626.
3）Nedergaard M, et al.（2020）: Glymphatic failure as a ﬁnal
common pathway to dementia. Science, 370, 50-56.
4）Sato K, et al.（2010）: Different blood flow responses todynamic exercise between internal carotid and vertebral
arteries in women. J Appl Physiol, 109, 864-869.

へつながるかは不明である。急性的 vs 慢性的な

5）Smith JC, et al.（2010）: Detecting changes in human

運動の効果は生理学的に異なるメカニズムによっ

cerebral blood ﬂow after acute exercise using arterial spinて説明される可能性があり、今後の研究ではトlabeling: implications for fMRI. J Neurosci Methods, 191,

レーニング中の経時的変化を検証する必要がある。

総括258-262.
6）Tarasoﬀ-Conway JM, et al.（2015）: Clearance systems inthe brain-implications for Alzheimer disease. Nat Rev
Neurol, 11, 457-470.

本研究により、単回の中強度有酸素運動は、若7）Tarumi T, et al.（2021）: Brain blood and cerebrospinal ﬂuid

年者および中高齢者の CSF 循環を急性的に変化

ﬂow dynamics during rhythmic handgrip exercise in young

させることが初めて明らかとなった。また運動後は、実行機能課題の反応時間が改善し、脳血流に対しても影響を及ぼすことが明らかとなった。これらの結果は、運動と脳機能の関連の解明、更には、運動療法による加齢性脳疾患の発症予防に向け重要な生理学的エビデンスとなりえる。
謝

辞本研究課題に対して、多大な助成を賜りました公益財
団法人明治安田厚生事業団に深く感謝申し上げます。

healthy men and women. J Physiol, 599, 1799-1813.
8）von Holstein-Rathlou S, et al.（2018）: Voluntary runningenhances glymphatic influx in awake behaving, young
mice. Neurosci Lett, 662, 253-258.
9）Xie L, et al.（2013）: Sleep drives metabolite clearance
from the adult brain. Science, 342, 373-377.
10）Zhu Z, et al.（2015）: Reduced frontal cortex eﬃciency is
associated with lower white matter integrity in aging.
Cereb Cortex, 25, 138-146.