3つの脳相互作用から有酸素性運動の効果を紐解く

• Project/Area Number: 22KJ0341
• Project/Area Number (Other): 21J00545 (2021-2022)
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Multi-year Fund (2023); Single-year Grants (2021-2022)
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 59030:Physical education, and physical and health education-related
• Research Institution: University of Tsukuba
• Principal Investigator: 山崎 雄大 筑波大学, 体育系, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2023-03-08 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000); Fiscal Year 2023: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2022: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
• Keywords: 有酸素性運動 / 機能的結合

Outline of Research at the Start

本研究は、一過性の有酸素性運動がヒト脳に与える影響を、脳内における領域間の相互作用から明らかにすることを目的としている。さらに、複数人で運動することにより、ヒトとヒトがもたらす脳間相互作用と、他者と行う運動による効果の関係性を明らかにする。これらの目的達成のために３つの脳相互作用、すなわち、①脳領域間相互作用、②脳ネットワーク内相互作用、③脳間相互作用に着目する。これらについて、脳イメージング技術を応用し、その解明を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、以下の2点を目的として設定している。１つ目の目的は、有酸素性運動がヒト脳内相互作用に与える影響を明らかにすることである。２つ目の目的は、ヒトとヒトがもたらす脳間相互作用と、他者と行う運動による効果の関係性を明らかにすることである。これらの目的達成のために３つの脳相互作用の解明を課題として挙げている。①脳領域間相互作用、②脳ネットワーク間相互作用、③脳間相互作用、である。①と②については、一過性有酸素性運動前後の脳活動を機能的磁気共鳴イメージング (fMRI) にて測定し、領域間の機能的結合あるいは効率的結合を解析することで検討する。③については、一過性有酸素性運動に「社会性暴露」の条件を付加することで運動効果が変調するか、そして運動効果の変調に生じる個人差およびその要因を検討する。
当該年度は、運動がもたらす脳ネットワーク変調の起点となりうる脳幹青斑核の活動を反映する指標として瞳孔径に着目し、運動時の動態やその意義について明らかにした。具体的には、運動時に生じる瞳孔応答の程度は心理的な覚醒レベルの上昇と関連しており、さらに、特殊なMRI測定方法である神経メラニンイメージングから得られた青斑核の構造的特性と関連することを明らかにした。これは、運動時の瞳孔拡張が青斑核と関連している可能性を間接的に示す初めての知見であり、運動中に青斑核が活性することを示唆するものである。また、記銘後におこなう運動中の瞳孔応答が、24時間後の記憶定着の改善程度を予測することを示し、運動中の瞳孔拡張の大きさは、海馬が担う記憶機能改善と関係することを明らかにした。以上より、運動が青斑核を起点とする上行性覚醒系を活性させ、その投射先である海馬などの広範な領域の活動を高めることでヒトの認知機能を改善させるという、脳ネットワークの変調を想定させる成果を得た。

Research Products

• [Journal Article] A possible contribution of the locus coeruleus to arousal enhancement with mild exercise: evidence from pupillometry and neuromelanin imaging (2023)
  • Author(s): Yamazaki Yudai、Suwabe Kazuya、Nagano-Saito Atsuko、Saotome Kousaku、Kuwamizu Ryuta、Hiraga Taichi、Torma Ferenc、Suzuki Kenji、Sankai Yoshiyuki、Yassa Michael A、Soya Hideaki
  • Journal Title: Cerebral Cortex Communications Volume: 4 Issue: 2 Pages: 1-8
  • DOI: 10.1093/texcom/tgad010
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Pupil dynamics during very light exercise predict benefits to prefrontal cognition (2023)
  • Author(s): Kuwamizu Ryuta、Yamazaki Yudai、Aoike Naoki、Hiraga Taichi、Hata Toshiaki、Yassa Michael A.、Soya Hideaki
  • Journal Title: NeuroImage Volume: 277 Pages: 120244-120244
  • DOI: 10.1016/j.neuroimage.2023.120244
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Pupil-linked arousal with very light exercise: pattern of pupil dilation during graded exercise (2022)
  • Author(s): Kuwamizu R, Yamazaki Y, Aoike N, Ochi G, Suwabe K, Soya H
  • Journal Title: The Journal of Physiological Sciences Volume: 72 Issue: 1 Pages: 1-9
  • DOI: 10.1186/s12576-022-00849-x
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Influence of Heat Exposure on Motor Control Performance and Learning as Well as Physiological Responses to Visuomotor Accuracy Tracking Task (2022)
  • Author(s): Aoki M, Yamazaki Y, Otsuka J, Okamoto Y, Takada S, Shirai N, Fujimoto T, Ochi G, Yamashiro K, Sato D, Amano T
  • Journal Title: International Journal of Environmental Research and Public Health Volume: 19 Issue: 19 Pages: 12328-12328
  • DOI: 10.3390/ijerph191912328
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Benefit of human moderate running boosting mood and executive function coinciding with bilateral prefrontal activation (2021)
  • Author(s): Damrongthai Chorphaka、Kuwamizu Ryuta、Suwabe Kazuya、Ochi Genta、Yamazaki Yudai、Fukuie Takemune、Adachi Kazutaka、Yassa Michael A.、Churdchomjan Worachat、Soya Hideaki
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 11 Issue: 1 Pages: 22657-22657
  • DOI: 10.1038/s41598-021-01654-z
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Pupil dynamics implies an increase in exercise-evoked arousal by hypoxia: Assuming the involvement of elevated cardiorespiratory responses (2023)
  • Author(s): Yamazaki Y, Lee D, Kuwamizu R, Aoike N, Soya H
  • Organizer: European College of Sport Science
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Variation of blink rate after acute very light exercise predicts prefrontal cognitive enhancement levels (2023)
  • Author(s): Kuwamizu R, Yamazaki Y, Aoike N, Soya H
  • Organizer: European College of Sport Science
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Post-inhibitory rebound potentiation of heart rate variability after acute normobaric hypoxic exposure in healthy young subjects (2023)
  • Author(s): Lee D, Yamazaki Y, Kuwamizu R, Aoike N, Okamoto M, Soya H
  • Organizer: European College of Sport Science
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 軽度低酸素による海馬機能変化はSpO2に依存する (2022)
  • Author(s): 山崎雄大、李東旻、諏訪部和也、越智元太、青池直樹、桑水隆多、征矢英昭
  • Organizer: 日本体力医学会
• [Presentation] 超低強度運動中の瞳孔関連覚醒が運動後の実行機能向上を説明する (2022)
  • Author(s): 桑水隆多、山崎雄大、青池直樹、征矢英昭
  • Organizer: 日本体力医学会
• [Presentation] Pupil dilation predicts mild exercise-induced higher prefrontal executive function (2022)
  • Author(s): Kuwamizu R, Aoike N, Yamazaki Y, Soya H
  • Organizer: NEURO2022
• [Presentation] 低酸素暴露を用いたヒト海馬認知疲労モデルの開発：心理状態が及ぼす影響の検討 (2021)
  • Author(s): 山﨑雄大、越智元太、諏訪部和也、李東旻、征矢英昭
  • Organizer: 日本体力医学会
• [Presentation] ランニングの認知機能促進効果：気分と実行機能をともに高める脳機構 (2021)
  • Author(s): ダムロンタイ チョーパカ、桑水隆多、諏訪部和也、越智元太、山崎雄大、足立和隆、征矢英昭
  • Organizer: 日本体力医学会
• [Presentation] 毛髪コルチゾールを用いた長距離アスリートの慢性ストレス評価：個人内解析の有用性 (2021)
  • Author(s): 益城優芽、越智元太、山﨑雄大、桑水隆多、弘山勉、征矢英昭
  • Organizer: 日本体力医学会
• [Presentation] 漸増負荷運動でみられる二つの瞳孔径閾値：運動時の覚醒の脳内メカニズム (2021)
  • Author(s): 桑水隆多、青池直樹、山﨑雄大、征矢英昭
  • Organizer: 日本体力医学会
• [Presentation] 暑熱暴露が視覚追従課題の学習およびその時の生理反応に及ぼす影響 (2021)
  • Author(s): 青木真生、佐藤大輔、山﨑雄大、山代幸哉、天野達郎
  • Organizer: 日本体力医学会