精神医学のフロンティア

陽極経頭蓋直流電気刺激（ tDCS ）による暗示的運動学習と言語関連脳機能への効果：
機能的 MRI 研究中島創一郎1），肥田道彦1），池田裕美子2），濱智子1,3），船山拓也4），

Soichiro Nakashima, Michihiko Koeda, Yumiko Ikeda, Tomoko Hama, Takuya Funayama,

秋山友美1），荒川亮介1），舘野周1），鈴木秀典2），大久保善朗1）

Tomomi Akiyama, Ryosuke Arakawa, Amane Tateno, Hidenori Suzuki, Yoshiro Okubo

経頭蓋直流電気刺激（tDCS）は，微弱な直流電流を頭蓋の外から与えるニューロモデュレーション法である．手軽に用いることができ，なおかつ非侵襲的に脳機能を調節できるため，さまざまな可能性を秘めている．例えば，左背外側前頭前野（DLPFC）の陽極刺激にて抑うつ状態や認知機能の改善が得られたという報告もあり，精神科的治療法の1 つとしても期待されている．しかし，運動学習を含む認知機能や行動面への tDCS の有効性を示す報告は多くあるが，tDCS が認知・行動時の神経基盤に与える影響に関しては，いまだ報告が少ない．本稿では，われわれが行った左 DLPFC に対しての陽極 tDCS を施行した際の，暗示的運動学習および言語処理時の脳機能への効果について，知見を紹介する．

索引用語

経頭蓋直流電気刺激，tDCS，背外側前頭前野，暗示的学習，fMRIFC）への刺激により，抑うつ状態や統合失調症の精神症

は じ め に状が改善したという研究もある17,20～22,34）．
これまでの研究では，陽極 tDCS は皮質の興奮性を高め，経頭蓋直流電気刺激（transcranial direct current stimu-

陰極 tDCS は興奮性を鎮めるといわれている2,28）．しかし，lation：tDCS）は，頭蓋の外から微弱な直流電流を流すこ

その効果には一定の見解はなく，電流強度や刺激時間，刺とで脳機能を変化させることができるニューロモデュレー

激部位，および被験者の状態によって効果は大きく変動すション法の 1 つである

13,18,19）．近年，tDCS は運動機能と認知機能を改善させる非侵襲的な方法として注目を集め，るといわれている9,21）．tDCS の脳への作用を含めた根本的なメカニズムはいまだ解明されていない4,5）．

臨床応用が期待されている．そのうちの 1 つに脳梗塞後のわれわれは，tDCS による行動面に対する影響を評価すリハビリテーションへの応用があり，臨床的に有用である

るだけでなく，脳機能に対する影響を同時に評価することとする研究も多い

27）．また，精神科領域への応用もなさが，tDCS の神経基盤に対する作用を明らかにするうえでれ，背外側前頭前野（dorsolateral prefrontal cortex：DLP-意義深いものと考えている．近年の文献にて，陽極 tDCS

著者所属：1）日本医科大学大学院精神行動医学分野，Department of Neuropsychiatry, Graduate School of Medicine, Nippon Medical School2）日本医科大学大学院医学研究科薬理学分野，Department of Pharmacology, Graduate School of Medicine, Nippon Medical School3）文京学院大学人間学部心理学科，Faculty of Health Science Technology, Bunkyo Gakuen University
4）東京医科歯科大学大学院医歯学総合研究科，Anesthesiology and Clinical Physiology, Graduate School, Tokyo Medical and Dental

University
本論文は PCN 誌に掲載された最新の研究論文16）を編集委員会の依頼により，著者の 1 人が日本語で書き改め，その意義と展望などにつき加筆したものである．
精神神経学雑誌

第 124 巻 第 10 号（2022） 681︱687 頁

681

は，左 DLPFC から左下前頭回（inferior frontal gyrus：からインフォームド・コンセントが得られた．除外基準とIFG）に至る言語処理ネットワークの脳機能を低下させる

して，神経疾患，精神疾患の既往，喫煙者，薬物乱用歴，という結果がある．この知見は，tDCS が，必ずしも脳賦前日から当日の刺激物の摂取（カフェインの過剰摂取な10）．左ど）を設けた．運動学習課題施行時の不具合のため 3 名のDLPFC は作動記憶の処理時に機能することが知られてい被験者データが除外され，最終的に 16 名（女性 6 名，平る．うつ病患者は作動記憶に関する課題の成績が低下す

均年齢 23.3±4.3 歳，範囲 21～37 歳）の被験者に対する解る．また，課題施行時，健常人に比し，左 DLPFC の脳賦析が行われた．

活を亢進させるわけではないことを示唆している30）．

本研究は，sham をコントロールとしたランダム化被験

本研究においてわれわれは，左 DLPFC 上で陽極 tDCS者内クロスオーバーデザインとして行われた（図 1）．実験を施行したときの効果を明らかにすることを目的とした．

は，過去の tDCS 研究に基づいて，最低 7 日間の間隔をあその効果に関して，言語流暢性課題（verbal fluency task：

け，1 回目 tDCS，2 回目 sham もしくは，1 回目 sham，2VFT）を用いて，言語処理の脳機能がどのように変化する

回目 tDCS の 2 セッションで行われた29）．tDCS もしくはのかを検証した．VFT は作動記憶や単語産生など，左前頭sham は 20 分間施行された．tDCS 施行 1 時間後に VFT 施の機能を反映する重要な検査であり，言語に関連した脳機行時の fMRI が施行され，言語関連領域の脳機能が評価さ能を評価することに適している．また，VFT の結果は，健れ た． 運 動 学 習 課 題（motor learning task：MLT） は常人に比し，うつ病や統合失調症患者でも有意に低下する

tDCS もしくは sham の前，最中，後の 3 つのタイミングことが知られている．そのため，VFT は病状評価に有用で実施された．安全性評価として，tDCS 前後でバイタル活が有意に亢進するというで，かつ簡便な言語機能評価法と考えられている6,12）．そこで今回われわれは VFT を用い，言語関連部位の脳賦活サインの測定，Visual Analogue Scale（VAS）の評価が行われた．

を機能的 MRI（functional MRI：fMRI）を用いて評価し

tDCS，sham ともに，生理食塩水に浸したスポンジで覆た．さらに，行動面の評価を 2 種類の運動学習課題（明示われた陽極電極（5×10 cm）を，被験者の左 M1 領域（脳的学習課題・暗示的学習課題）を用いて評価した．運動学波電極の装着法である 10～20 法の F3 と C3 に相当する領習 課 題 に は， 系 列 反 応 時 間 課 題（serial reaction time域）を含む左 DLPFC 上に置くことで本実験が施行され

task：SRTT）と配列手指タッピング課題（sequential fin-た．電流に関して，tDCS 条件では，最初の 30 秒間で 0 か

ger‒tapping task：SFTT）があり，SRTT は暗示的学習，ら 2 mA まで漸増され，20 分間 2 mA の電流が継続され，SFTT は明示的学習を評価する学習課題である．近年の報

最後の 30 秒間で 2 から 0 mA まで漸減される．Sham 条件

告では，左 IFG を含む前頭ネットワークが，言語処理だけ

では，最初の 30 秒間で 0 から 2 mA まで漸増されるが，

14）でなく運動学習にも関連していることが示されている．

60 秒の時点で電流が 0 mA となる．以降，19 分まで 0 mA

そこでわれわれは，左 DLPFC への陽極刺激は，VFT や運が継続し，残り 60 秒になったら 0 から 2 mA に漸増し，動学習課題に関連する脳機能へ影響を与える可能性がある

残り 30 秒の時点で 2 から 0 mA へ漸減する．これにより，ものと考えた．われわれは，VFT 施行時の脳機能評価に加

被験者は自分が tDCS 条件であるのか sham 条件であるのえ，行動面の評価として運動学習課題を行い，VFT 施行時かを感知することができない．の脳賦活の大きさが運動学習時間の短縮と相関するかどう

本研究における運動学習課題には，SRTT と SFTT が用かを検証した．実験に先立って，われわれは，tDCS が脳いられた．どちらも運動学習にかかわる検査であるが，賦活を向上させ，それに伴い運動学習への効果も高める可SRTT は暗示的学習，SFTT は明示的学習にかかわる28）．

能性があるものと予想した．

暗示的学習は，本人の意図しない学習であり，乳幼児が母国語を覚える過程などで大きくかかわるという．一方，明Ⅰ．研究の方法および結果

示的学習は本人の意図する学習であり，成人が外国語を覚える過程などに関与するという．本研究において SRTT は19 名の健康な被験者（女性 8 名，平均年齢 23.1±4.0 歳，4 つの点滅する丸印に対応したキーを押す検査であり，丸範囲 21～37 歳）を対象とした．日本医科大学倫理委員会が光ってからキーを押すまでの反応時間が測定された32）．

によって承認されたプロトコルに基づき，すべての参加者

本研究の SRTT には，光る順番が決められた固定ブロック

682

精神経誌（2022）第 124 巻 第 10 号

informed consent
vital signs

MLT

vital signs

1 hourtDCS or sham 20 min

fMRI 6 min

MLT

MLT

verbal task

VAS

VAS
At least 7 days

Session 1 （tDCS）

Session 2（tDCS）

Session 1 （sham）

Session 2（sham）

図1

実験概要

運動学習課題（MLT）は tDCS もしくは sham の前，最中，後に実施した．バイタルサインと VAS はもしくはsham の前後に実施した．tDCS もしくは sham の 1 時間後に fMRI を撮影した．セッションは少なくとも 7 日間の間隔を空けた．（文献 16 より引用）と，ランダムに光るランダムブロックが用いられた．固定
pre－stim

ブロックが繰り返されると，暗示的学習が促進され，反応時間は短縮することが知られている31）．一方，固定ブロッstimpost－stim

360

＊

＊

910クの途中でランダムブロックが入り込むと，反応時間が遅340

tDCS もしくは sham の施行前に固定ブロックを 2 回，tDCS もしくは sham の最中に（ⅰ）固定ブロック，（ⅱ）
ランダムブロック，（ⅲ）固定ブロック，（ⅳ）固定ブロッ
クを順に実施し，tDCS もしくは sham の後にも（ⅰ）固定ブロック，（ⅱ）ランダムブロック，（ⅲ）固定ブロック，

msec

くなることが知られている31）．そのため，本研究では，

320
300
280

12（ⅳ）固定ブロックの順で実施することで暗示的学習の短34’

56Block78’
sham縮効果を軽減しつつ，合計 10 回のブロックが実施された（これら 10 回の SRTT は，図 2 の横軸 block 1～10 に相当する）．

SFTT は，予め決められた配列の数字をできるだけ早く

図2tDCS
n=16

SRTT における反応時間

9 回目，10 回目の施行で tDCS 条件にて有意に反応時間が短縮した．（文献 16 より引用）

入力する検査であり，入力された数値の正確性を評価するものである24,32）．被験者は 8 桁の数字を提示され，それをできるだけ早く，30 秒間繰り返し入力し，正答数を評価し音発語条件）」が用いられ，2 条件の脳賦活が比較された．

た．tDCS による刺激前に 3 ブロック，tDCS の刺激中に 5「あいうえお条件」は，撮影中，「はじめ」の指示が出てかブロック，tDCS 刺激後に 3 ブロック，計 11 ブロックが実ら「やめ」の指示があるまで，被験者に「あいうえお」と施された．

言い続けてもらった．「VF 条件」は，例えば「う」という

fMRI では，VFT 施行中の脳活動が評価された．本研究

接頭語が提示されたとき，「う」から始まる単語をできる

では，「言語流暢性課題施行条件〔VF（verbal fluency）条だけ多く被験者に発語してもらった．撮影中にこれら 2 条件〕」と，母音を繰り返し発語する「あいうえお条件（母件が 3 回ずつ施行され，計 6 回，言語処理時の脳賦活が検

精神医学のフロンティア：陽極経頭蓋直流電気刺激（tDCS）による暗示的運動学習と言語関連脳機能への効果

683

sham（n＝16）
VF ＞ aiueo

sham ＞ t－DCS（n＝16）
VF ＞ aiueotDCS（n＝16）
VF ＞ aiueo

図3fMRI による VF 条件とあいうえお条件の差分

左：sham 条件にて脳賦活が上昇した部位を記している．
中：tDCS 条件にて脳賦活が上昇した部位を記している．
右：sham－tDCS としてさらに差分をとり，sham 条件で相対的に賦活が高まっている部位を記している．
（文献 16 より引用）

L para－hippocampus

L IFG

L IPL

［-23, -18, -15］［-33, 29, -8］［-27, 65, -35］

βββ26420210tDCS

sham

図410tDCS

shamtDCS

shamtDCS のほうが賦活の低下した 3 部位

（文献 16 より引用）証された．本研究では，「あいうえお条件」の脳賦活と比較に有意差は認められなかった．

して「VF 条件」において有意に賦活が亢進している脳部

興味深いことに，tDCS 条件において，運動学習課題に位を検証することで，VFT 施行時の言語処理に関連した脳関して，SRTT の 9 回目，10 回目にて，反応時間の短縮が機能の評価を行った．

認められた（図 2 の＊印の部分）．

本研究の結果を示す．Sham と tDCS 条件を比較したと脳機能に関して，左 IFG，左海馬傍回，左下頭頂小葉

き，安全性（バイタルサインや疲労度などを含めた VAS（inferior parietal lobule：IPL）の脳賦活が tDCS 条件ではの値）に有意差は認められず，tDCS 刺激前後でも安全性有意に低下していた（図 3，4）
．さらに，SRTT における684

精神経誌（2022）第 124 巻 第 10 号

1

Adjusted value0（VFT - aiueo）
contrast-1-2-3Brain responseat LIFG[-33, 29, -8]（sham - tDCS）

図5

r＝0.83
P < 0.001
Pearson's
correlation
coefficient

-50

-25
025
5075
SRTT 9th sham - tDCS（msec)

100

SRTT 9 回目の成績と左 IFG の賦活低下の程度の相関（文献 16 より引用）

反応時間の短縮（図 5 の横軸に相当）と左 IFG の脳賦活のという報告がある14,33）．一方，いくつかの研究では tDCS低下（図 5 の縦軸に相当）に関して，相関係数が 0.83 とな刺激により脳賦活が低下しながらも，課題のパフォーマンり，正の相関を認めた（図 5）．これらの結果から，VFT 施スが向上したという報告もある．Holland, R. や Meinzer,行時の言語処理にかかわる脳賦活が大きいほど，暗示的運M. らの tDCS 研究では，言語課題を用い，左 IFG を刺激動学習の反応時間が短縮されることが示された．

した結果，脳賦活が低下し課題の成績が向上したという8,15,35）．これらの研究では，tDCS 刺激により脳が効率的Ⅱ．考察に機能することで，脳賦活は低下し，成績の向上につながったと考察されている．われわれの研究でも同様に，脳まず，本研究において sham 条件と比較して tDCS 条件
で VFT 施行時の脳賦活が有意に低下した脳部位である左が効率的に機能し，賦活が低下し，SRTT の反応時間も短縮したことが示唆された．

IFG‒左海馬傍回‒左 IPL の領域の脳機能について考察すtDCS による行動面の効果について，暗示的学習にかかる．近年の脳機能画像研究によると，左 IFG は，文章の理わる SRTT の反応時間が sham 刺激と比較し有意に短縮す

解や，言語の短期記憶処理を含む語彙・意味処理においてることが確かめられた．左 IFG は暗示的学習と明示的学習

7,11,23）重要な領域であることが示されている．また，海馬傍の双方に関与するが，特に暗示的学習によって機能すると回は語彙・意味処理だけでなく，エピソード記憶のネットいわれている36）．本研究では，tDCS により言語処理に関ワークにおいて重要な脳部位と考えられている3,25,26）．こ連する脳機能が効率化された結果，左 IFG の脳賦活が減少

れらの知見を踏まえると，左 IFG‒左海馬傍回‒左 IPL の脳することが示唆された．左 IFG は言語処理だけでなく暗示賦活は，語彙・意味処理や単語の想起に関連した言語処理的学習にかかわることが知られているため，本研究の VFT関連ネットワークを反映している可能性がある．

に対する tDCS の効果と暗示的学習に対する SRTT の反応

これらの言語処理関連ネットワークの脳機能に対するtDCS の効果に関して，われわれの予想に反して sham 条件

時間に対する tDCS への効果が有意に相関し，図 5 のような正の相関関係が生じたものと考えられた．と比較して有意に低下することが確かめられた．過去のtDCS の効果に関する脳機能画像研究では，tDCS 施行によって脳賦活が亢進し，課題のパフォーマンスも向上した
精神医学のフロンティア：陽極経頭蓋直流電気刺激（tDCS）による暗示的運動学習と言語関連脳機能への効果

685

お わ り に本研究でわれわれは，左 DLPFC 上で tDCS の陽極刺激をしたときの効果に関して，行動（運動学習）と脳機能（言語機能）の両面から評価を行った．左 DLPFC は，精神科臨床との関連が深い領域であり，抑うつ状態により興味関心が低下している患者は，言語処理時の左 DLPFC の賦活が低下することが指摘されている1）．tDCS とうつ病に関して，左 DLPFC の刺激により抑うつ状態の改善が得られたという報告がある34）．そのため，うつ病治療に本研究のfMRI プロトコルを用いることで，治療の幅が広がるのではないかと考えている．本研究通りに左 DLPFC を刺激してうつ病の治療をし，fMRI にて脳機能を評価することで，治療効果も評価することができるのではないか．この

fMRI プロトコルが臨床的なバイオマーカーとして機能できるかもしれない．本研究のように行動や認知機能と脳機能に対する tDCS の効果を統合的に評価することは，臨床応用を進めていくうえできわめて重要なことである．精神疾患に対する tDCS の効果を科学的に理解し，本研究の内容をさらに発展させていきたいとわれわれは考えている．
なお，本論文に関連して開示すべき利益相反はない．

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