高炭酸ガス吸入が運動時の呼吸応答と脳波に及ぼす影響

2021 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 21K11463
• Research Institution: National Institute of Technology, Toyota College
• Principal Investigator: 加藤 貴英 豊田工業高等専門学校, 一般学科, 准教授 (00387614)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 早坂 太一 豊田工業高等専門学校, 情報工学科, 教授 (50314092) ; 室賀 翔 秋田大学, 理工学研究科, 准教授 (60633378)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2025-03-31
• Keywords: 高炭酸ガス換気応答 / 低酸素換気応答 / 脳波

Outline of Annual Research Achievements

【目的】運動時の呼吸応答に対する高炭酸ガス吸入および低酸素の影響について脳波解析を加えて検証することを目的として研究を進行している．その中で，今年度は基礎資料の収集として呼吸化学調節因子である動脈血二酸化炭素分圧および動脈血酸素分圧の変化に対する換気応答と脳活動の関連性を検証した．
【実施内容】20歳代の被験者を対象に高炭酸ガス換気応答テスト（再呼吸法）と低酸素換気応答テスト（isocapnic progressive hypoxia）を実施した．換気応答テスト中，ワイヤレス脳波計を用いて脳波を記録した．2021年度は10名の被験者から高炭酸ガス換気応答テストおよび低酸素換気応答テスト中の脳波を記録することができた．現在，脳波解析専用ソフトを用いてデータ解析を進めている段階である．非侵襲を前提に実験を実施したため，動脈血二酸化炭素分圧値および動脈血酸素分圧値については，呼気ガス分析による終末呼気二酸化炭素分圧値および終末呼気酸素分圧値をそれぞれ代用した．終末呼気二酸化炭素分圧の上昇に伴った換気量の増加と脳波データ，および終末呼気酸素分圧の低下に伴った換気量の増加と脳波データを被験者一人ひとり確認したところ，解析途中の段階ではあるが，高炭酸ガス換気応答時のα波が低酸素換気応答時よりも大きく変化している傾向を示した．本研究結果から，動脈血二酸化炭素分圧の上昇の方が動脈血酸素分圧の低下よりも呼吸中枢に対する刺激が強いことを脳波データから導き出せる可能性が示された．

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

2021年8月から本実験の開始を予定していたが，新型コロナウイルス感染症の影響で予備実験が2021年10月に遅れ，本実験の開始は2021年11月からとなった．何とか10名の被験者を対象にそれぞれ2実験を実施することができ，データの解析もほぼ終えることができた．しかしながら，統計処理に着手するまでには至っていない．

Strategy for Future Research Activity

脳波解析においては，短時間フーリエ変換により，α波，β波，θ波といった脳波成分の時間－周波数分布を求める．α波を基準として脳波の周波数が低くなる「徐波」（δ波，θ波の出現）や，逆に高くなる「速波」（β波の出現）が観測された場合，徐波は脳の機能低下を示し，長時間の速波は運動刺激に対して脳が集中していることを示唆する．こうした脳波の経時的変化と呼吸化学調節因子との関係を解析することで，脳活動の部位別活性状態の検証を進めていく．
今後は，一定負荷強度での運動時呼吸応答に対する高炭酸ガス吸入および低酸素の影響を脳波データを加えて検証するために，20歳代（10名程）の被験者を対象に自転車漕ぎ運動中の脳波と呼吸応答指標を空気吸入下と高炭酸ガス吸入下，および低酸素吸入下の3条件で測定し，脳活動の部位別活性状態と酸素摂取動態および二酸化炭素排出動態の差を検証していく予定である．

Causes of Carryover

今年度は換気応答試験を実施し，加えて次年度以降に計画している運動負荷試験で使用するための備品を購入して実験準備を進めていく予定であった．しかしながら，新型コロナウイルス感染症の影響で換気応答試験の実施時期が遅れてしまい，次年度に向けた実験準備まで着手できず，次年度使用額が生じた．次年度使用額については，当初の計画通り進めていくため，執行する予定である．