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

2022 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 / 低酸素 / 換気 / 脳波 / 運動

Outline of Annual Research Achievements

【目的】動脈血二酸化炭素分圧の上昇および動脈血酸素分圧の低下は呼吸中枢を刺激して換気を亢進させる．そのため，高炭酸ガス（高濃度CO2）吸入下および低酸素吸入下における運動中の呼吸応答は空気吸入下と比較して異なる応答を示す．本研究では，高炭酸ガス吸入および低酸素吸入が運動時の呼吸応答に及ぼす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実験を行った．
【実施内容】20歳代の男性被験者を対象に，3条件下で自転車エルゴメーターを用いた一定負荷運動実験を中強度（最大負荷の45％程度）と高強度（最大負荷の80％程度）でそれぞれ実施した．3条件については，1）空気吸入，2）高炭酸ガス吸入（酸素濃度21％，二酸化炭素濃度3％，窒素バランス），3）低酸素吸入（酸素濃度16％，窒素バランス），とした．実験プロトコールは，運動前安静10分，運動6分，運動回復6分であった．事前に3条件下で最大運動負荷試験を実施し，負荷強度を決定した．運動中の呼吸応答指標は自動呼気ガス分析器を用いて，脳波はワイヤレス脳波計を用いて記録した．今年度（2022年度）は7名の被験者から中強度および高強度運動中の呼吸応答指標と脳波を記録することができた．記録した脳波を周波数解析した結果，高強度負荷運動中のα波のパワースペクトルにおいてガス吸入条件に対する統計的有意差が見られ，換気増大を促す呼吸中枢の働きが運動強度により変化する可能性が示唆された．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当初の計画では，今年度（2022年度）に被験者10名を対象に中強度の運動負荷実験を実施し，次年度（2023年度）に改めて被験者10名を対象に高強度の運動負荷実験を実施する予定であった．そのため，運動強度を設定するための最大運動負荷試験も年度毎に3条件下で行う計画であった．しかしながら，実験で使用する試料ガス（高炭酸ガス：3種混合ガス，低酸素：2種混合ガス）は高価であり，発注から納期までに数ヵ月かかる．また，ガスボンベのレンタル期間も1年間と限られている．そのため実験の効率化を図り，予備実験の最大運動負荷試験（3条件1セット）および中強度と高強度の運動負荷実験を，年度を跨がず同一被験者で実施することとした．年度を跨がず被験者7名に中強度と高強度の運動負荷実験が実施でき，解析も進んでいることから，おおむね順調であると言える．

Strategy for Future Research Activity

今年度（2022年度）実施した3条件下（1．空気吸入，2．高炭酸ガス吸入，3．低酸素吸入）での中強度および高強度運動負荷実験を継続して実施する．呼吸応答指標と脳波の解析を進め，酸素摂取動態および二酸化炭素排出動態と脳活動の活性状態の変化を検証していく予定である．

Causes of Carryover

ガスボンベの納期とレンタル期間より，実験で使用するガスボンベの購入本数を減らした．また，新型コロナウイルス感染症の動向を鑑み，成果発表を次年度に見送ることとした．次年度の実験においてもガスボンベを購入する必要があるため，その購入費として執行する予定である．また，成果発表するための学会参加費，旅費にあてる予定である．