研究論文

 

14 February 2019

ヘイロースポーツによる経頭蓋直流刺激は、反復スプリントサイクリングと認知能力を増強する

 
執筆者:Cogiamanian F, Marceglia S, Ardolino G, Barbieri S, Priori A.
 
本研究では、ヘイロースポーツデバイスを使用した経頭蓋直流刺激(tDCS)の反復スプリントサイクリング能力および認知能力への影響を調べた。
この三重盲検無作為化擬似対照試験では、9人の身体的に活動的な参加者が20分間プラセボ刺激(Sham)または実際の刺激(Halo)を受けた。
その後、参加者はサイクルエルゴメーターで24秒間の能動的回復を散在させて5×6秒のスプリントを実行しました。
各スプリントについてピークおよび平均出力を測定した。
さらに、反応時間(RT)および精度(ACC)に関する認知能力を刺激前後のストループ試験により評価した。
平均出力に対して有意な相互作用があった[ F(4,32)= 2.98、P= 0.03]。
主要な治療効果は最初のものから離れてすべての繰り返しスプリントで観察された。
Haloは一致条件でも不一致条件でもRTに影響を及ぼさなかったが、不一致条件ではACCを増加させた[ F(1,8)= 10.56、P = 0.012]。
これらの結果は、Halo Sportシステムを使用したtDCSが、スプリントサイクリング能力と認知能力の側面を向上させることができることを示唆しています。
 
 
序論

非侵襲的な電気的脳刺激は、トレーニング効果を向上させ、運動パフォーマンスを向上させると主張する新しい技術です。そのような効果の理論的根拠は、脳の興奮性と機能的可塑性を安全に調節する刺激の能力に基づいています(Angius et al。、2017)。
ヘイロースポーツデバイスは、従来のヘッドフォンと同様のヘッドセットで構成される商用システムです。ヘイロースポーツは経頭蓋直流刺激(tDCS)を使用します。この方法では、2〜3 mA未満の微弱な直流(DC)を、プライマーと呼ばれる表面電極を介して頭皮上に数分間供給します。

一次運動皮質(M1)は、運動を制御することを目的とした、類似の入力および出力を有する相互接続された局在化したニューロン群の複雑なネットワークである(Schieber、2001)。M1の役割は、運動の実行を制御する神経インパルスを生成することである(Moscatelli et al。、2016a)。ヘイロースポーツが運動皮質の興奮性を変化させると言われています。したがって、ヘイロースポーツは運動パフォーマンスを向上させる可能性があります。1つの可能なメカニズムは、電気刺激が皮質内促進および運動皮質興奮性の増加を誘発し、運動皮質ニューロンが神経結合をより容易に構築することを可能にし、筋肉への運動駆動を増強することである(Hornyak、2017)。

ヘイロースポーツはトレーニングや競技に使用されてきましたが、身体的性能への影響はとらえどころのないままです。初期の研究は、単一関節等尺性運動を用いてtDCSが身体能力に及ぼす影響を調査した(Cogiamanian et al。、2007)。しかしながら、全身運動は単関節運動よりも実際のスポーツ競技をよりよく表すので、サイクリングパフォーマンスはtDCSのエルゴジェニック効果を評価するためにより適していると思われます。健康なボランティアのM1に適用される陽極tDCSは、サイクリングパフォーマンスを向上させると報告されています。ヘイロースポーツデバイスでも同様の効果が期待できます。しかし、これまでの研究では、運動皮質に適用されたヘイロースポーツがサイクリングパフォーマンスを向上させることができるかどうかを調べていません。

スポーツパフォーマンスの卓越性には、身体的能力および運動能力だけでなく、感覚認知能力も必要とされる。ヘイロースポーツは中枢神経系の興奮剤として作用すると考えられており、運動中の認知機能と精神運動機能に影響を与える可能性があります。データとして、認知に対するヘイロースポーツの効果を調べた研究はありません。健康な志願者の背外側前頭前野(DLPC)に適用される陽極tDCSは、認知を高めることが報告されている(Dockeryら、2009年 ; Stone and Tesche、2009年 ; Zaehleら、2011年)。)ヘイロースポーツデバイスでも同様の効果が期待できます。さらに、他の研究では、tDCSは中枢神経刺激薬であり、知覚や注意に影響を与えることによって認知機能に良い影響を与えることが報告されています(Shin et al。、2015)。この所見は、tDCSのパフォーマンス向上効果が、おそらく中枢性疲労効果の減弱に関連する中枢神経系機能の変化によるものであることを示唆している可能性がある(Vitor-Costa et al。、2015)。

本研究の主な目的は、繰り返しのスプリントと認知能力に対するヘイロースポーツの効果を調べることでした。ヘイロースポーツが繰り返しのサイクルスプリントパフォーマンスと認知機能を改善すると仮定されました。

 

実験材料および方法

■参加者

参加者は以下の基準を用いて適格とみなされた。(1)18歳から30歳までの年齢。(2)男性 (3)神経障害または精神障害の診断がない。(4)薬物またはアルコールの乱用歴がない。(5)ウェイトトレーニングを含む別の試験に参加していない。(6)身体的に活動的である(少なくとも6ヶ月間、週に少なくとも3回身体的活動を実践する; Vitor-Costa et al。、2015)。9人の男性(年齢20±1.2歳;身長176.8±6.6 cm;体重73.1±6.5 kg)が運動試験に参加することを志願した。すべての参加者は、書面による同意を与える前に、研究の性質および起こりうるリスクについて十分に知らされていました。上海スポーツ大学の地域倫理委員会が実験プロトコルを承認した。

■研究デザイン

この試験は、反復測定計画を用いた、一重盲検無作為化プラセボ対照クロスオーバー試験であった。被験者は2回実験室を訪れた。書面によるインフォームドコンセントが、研究登録前に全参加者から得られた。実験当日、参加者はトイレに行って膀胱を空にするように依頼された後、体重と身長を測定しました。対象は認知課題(ストループ課題)のために快適な椅子に座った。ストループタスクは、1つの模擬試験と1つのベースライン(Stroop pre)で構成されていました。それに続いて、参加者は20分間のヘイロースポーツセッションを受け、プライマーに電流を流した(Halo)または流さなかった(Sham)。刺激の間、被験者は座って、目を閉じ、同じ姿勢を保ち、静かにした。全被験者は全刺激条件を受けた。2つの実験的試験は、5日ごとにバランスのとれた順序で分離され、日内変動の影響を排除するために同じ時刻に実施された。ヘイロースポーツセッションの終了時に、被験者はサイクルシミュレータに歩いて行き、エクササイズプロトコルを開始しました。サイクルスプリントの練習は、以前に報告された信頼性のあるプロトコルに基づいていました(McGawleyとビショップ、2006)。手短に言えば、較正されたモナークサイクルエルゴメーターで5分間のウォームアップの後、参加者は、体の10%の抵抗で6秒の最大スプリント努力を開始するために口頭でのカウントダウンを与えられる前に50rpmでペダルを踏む必要があった。前輪にかかる質量。5回の6秒間のスプリントが完了し、各作業の間に24秒間の無負荷のペダリングが行われました。ピーク電力出力および平均電力出力を各6秒負荷スプリントで記録した。最後に、Stroopタスクが繰り返されました(Stroop post)。プロトコルを図1に示します。

図1 www.frontiersin.org

図1.実験的試行のタイムライン ストループファム、習熟試験; ストループプレ、ベースライン時のストループタスク。ストループポスト、ヘイロースポーツ刺激後のストループテスト。

■ヘイロースポーツの手順

ヘイロースポーツは、©ニューロサイエンス(サンフランシスコ、カリフォルニア州、アメリカ合衆国)によって製造された市販のtDCSデバイスです。さらに、©ニューロサイエンスは、この刊行物で使用されている自分の名前と機器を本研究の許可を得ています。ヘイロースポーツは、外観がオーディオヘッドフォンに似た自己完結型ヘッドセットとして設計されています。プライマーと呼ばれる3つの散りばめられたフォーム電極(24 cm 2使用前に濡れている/プライマー)は、ヘッドと電気的に接触します。通常のヘッドフォンと同様に、ヘイロースポーツは頭の頂点の上に配置する必要があります。この位置では、プライマーは、運動皮質の両側を刺激することを目的として、耳から耳にかけて頭の上を横切って横たわっている。電極は、リチウムイオン(LiPo)セル(36V)によって駆動される連続電流電気刺激装置に接続されている。最大エネルギー出力は2.2 mAで、IphoneまたはIpadを使用して設定されたHaloアプリケーションによって制御されました。 参加者は安静状態の椅子に横になった。ヘイロースポーツヘッドセットは被験者の頭の上に正しく配置され、電流は30秒間で2.0 mAまで上昇しました。アクティブなHヘイロースポーツグループでは、現在の強度は20分間このレベルに維持されましたが、偽のHヘイロースポーツグループでは30秒後にランプダウンしました。この刺激手順は、tDCSの以前の研究で使用されたものと同様です(Gandiga et al。、2006)。

■ストループタスク

ストループテストは、情報処理速度、注意力の持続、干渉、抑制など、認知機能のさまざまな側面を測定する古典的な評価です。運動や認知に関する研究で推奨されている神経心理学的評価でもあります(Chang et al。、2015)。干渉や自動応答を抑制する能力に敏感です。ストループタスクは、E-prime 1.0ソフトウェア(Psychology Software Tools、ペンシルバニア州ピッツバーグ、アメリカ合衆国)でプログラムし、実行した。この作業は2つの条件で構成されていました。一致条件には、3つの中国語の単語(つまり、www.frontiersin.org緑色、www.frontiersin.org青色、およびwww.frontiersin.org一方、一致しない条件には同じ3つの色名が含まれていましたが、それぞれ異なる色で表示されていました(例:緑色のフォントで表示された「緑色」など)。青または赤のフォント)。被験者は単語の表示色を識別する必要があり、その際の反応時間(RT)と正確性を記録しました。

各試行には、500ミリ秒で画面の中央に表示される固定された十字架と、それに続く500ミリ秒間に提示される刺激が含まれていました。参加者は、一致試験(試験、n = 60)と不適合試験(試験、n)からなる120試験の2ブロックを実施した。= 60)ランダムな順序で表示されます。参加者の刺激に対する期待を回避するために、固定クロスと刺激提示との間の間隔は300〜800msの間でランダムに変動し、刺激間間隔(ISI)は1500msであった。RTおよび精度(ACC)はストループの性能を評価するために記録された。また、ストループ性能を評価するための1つの指標として、ストループ効果の「干渉指標」を使用しました。「干渉指数」は、不一致条件のRTから一致条件のRTを引いて算出した。

■統計分析

統計分析は、SPSS v.20(IBM、米国)を用いて行った。ピーク出力、平均出力、RT、ACCおよびストループ効果の干渉指数の変化は、二元配置(処理×時間)反復測定ANOVAによって評価した。有意な主効果または相互作用効果の後に、LSDを用いた適切な事後分析が続いた。平均ピーク電力出力の違い刺激の間、電源出力がペア・サンプルを用いて分析した意味トンを-テスト。平均ピーク出力、平均出力、および治療間のストループ効果の干渉指数の変化の差の大きさをコーエン効果サイズ(ES)として計算した。ESの大きさを解釈するための基準は以下の通りであった。0.2〜0.5、小。0.5〜0.8、中程度。> 0.8、大(Cohen、1992)。データは平均±SDとして提示されている。統計学的有意性は、P<0.05で認められた。

 

結果

■繰り返しスプリント能力

<ピーク電力出力>
図2Aは、各処理について設定されたスプリントごとのピーク電力の変化を要約している。2×5混合ANOVAは、ピーク出力に対する有意な相互作用がないことを明らかにした[F(4,32)= 0.91、P= 0.47]。Halo Sport後のより大きい平均ピーク出力の傾向が観察された(偽:827.8±145.3W; Halo:898.3±116.3W;P= 0.07)。Sham群と比較して、Halo Sport刺激は平均ピーク出力に中程度の効果を示した(ES = 0.53)。

図2 www.frontiersin.org

図2.アクティブ(Halo)とアクティブ(Halo)の条件での反復スプリントテスト(5セット×6-sスプリントと24-sアクティブ回復)の各セットのピーク出力(A)と平均出力(B)の変化sham(シャム)ヘイロースポーツ。*著しい治療効果(p <0.05)。値は平均値±SDである。

<平均出力>
図2Bは、各処置に対して設定されたスプリントごとの平均出力の変化を示す。2×5混合ANOVAは、平均出力に対して有意な相互作用があることを明らかにした[F(4,32)= 2.98、P= 0.03]。主な治療効果がセット2で観察された(シャム:703.4±128.5 Wハロ:779.8±128.1 W; P <0.05)、3(シャム:686.9±154.5 Wハロ:791.5±127.4 W; P <0.05)、 4(シャム:676.1±147.8W;ハロ:783.5±139.0W;P<0.05)および5(シャム:596.6±134.8W;ハロ:745.3±139.1W;P<0.05)。Sham群と比較して、Halo Sport刺激は平均出力に中程度の効果を示した(ES = 0.60)。

■ストループテスト

<反応時間>
一致しない条件では、2×2の混合ANOVAにより、刺激後のRTが短いほど、RTの有意な主効果があることが明らかにされた[ F(1,8)= 17.68、P = 0.003、表1 ]。しかしながら、治療に対する主な効果および治療の経時的相互作用は有意ではなかった[ F(1,8)= 0.047、P = 0.83]。一致条件について、我々はまた、RTの有意な主効果、F(1,8)= 5.69、P= 0.04を見出した。これもまた、刺激後試験においてより短い時間が観察された。しかしながら、治療に対する主な効果および時間による治療の相互作用は有意ではなかった、F(1,8)= 0.48、P = 0.51(表1) 表1 www.frontiersin.org 表1. Stroopテストの反応時間、干渉指数、および正解率。

<正確さ>
一致しない条件では、2×2混合ANOVAにより、ACCに有意な相互作用があることが明らかになりました[ F(1,8)= 10.56、P = 0.01、表1 ]。シャム群における刺激後のACCは有意に減少した(前:0.91±0.05;後:0.88±0.06; P <0.05)。Halo群では、刺激後にACCは有意に増加した(Pre:0.87±0.07; Post:0.92±0.05; P <0.05)。しかしながら、合同条件については、2×2混合ANOVAは、ACCの有意な主効果があることを明らかにした(F= 9.59、P= 0.015、表1)。刺激後試験においてACCの増加が観察された。しかしながら、治療に対する主な効果および時間による治療の相互作用は有意ではなかった、F(1,8)= 0.96、P = 0.36。

■ストループ効果

ストループ効果における「干渉指数」に関して、有意な相互作用は見られなかった(表1)。前刺激と比較して、シャムは些細な効果(ES = 0.13)を示し、そしてハローは小さい効果(ES = 0.43)を示した。

 

考察

これは、ヘイロースポーツデバイスを使用したtDCSが繰り返しのスプリントサイクリング能力および認知能力に及ぼす影響を示すための新しい研究です。ヘイロースポーツデバイスを使用したtDCSにより、繰り返しのスプリントサイクリングパワー出力とストループ性能が向上することがわかりました。

非侵襲的脳刺激の可能性のあるエルゴジェニック効果への関心が高まっており、tDCSを見ている多数の研究がある一方で、特にヘイロースポーツ装置に関する報告はほとんどない。初期の研究は、単一関節等尺性運動を用いてtDCSが身体能力に及ぼす影響を調査した(Cogiamanian et al。、2007)。しかしながら、全身運動は単関節運動よりも実際のスポーツ競技をよりよく表すので、サイクリングパフォーマンスはtDCSのエルゴジェニック効果を評価するためにより適していると思われます。サイクリングにおける物理的性能に対するのTDCの影響を検討したこれらの研究の証拠が(矛盾しAngiusら、2015。 、2016 ; 岡野ら、2015年 ;Vitor-Costa et al。、2015 ; Barwood et al。、2016)。オカノ他 (2015)報告されて、側頭皮質を標的としている20分の陽極tDCSのための2mAは最大出力を約4%高めました。一方、Okanoらと同様の方法論を使用して。(2015) ; Barwood et al。(2016年)左側頭皮質にわたって1.5mAで20分間の陽極tDCSを行った後、20kmのサイクリングタイム試験の性能は影響を受けなかったことを観察した。さらに、彼らはまた、暑さの中での運動能力に対する2.0 mAでの20分のtDCSの影響を見いださなかった。そのような矛盾は、tDCSの効果が実験環境、刺激持続時間および強度、ならびに電極構成および頭部上の位置を含む一連の要因に依存し得ることを示している。ヘイロースポーツデバイスはtDCSの 1つの商用形式であり、それが生み出す影響はそのような要因の影響を受ける可能性があります(Angius et al。、2017)。

本研究はヘイロースポーツがサイクリングパフォーマンスを向上させることができるという証拠を提供する最初のものです。我々は、ヘイロースポーツを用いた2mAでの20分間の刺激が、サイクリングスプリント中の平均出力を有意に増強することを見出した。以前の研究では、tDCSの両側の運動皮質を標的とする20分間の2mAの刺激が下肢運動における筋力を増強することが報告されている(Lattari et al。、2017)。)したがって、ヘイロースポーツがサイクリングパフォーマンスを向上させる能力は、サイクリング中の下肢筋力の増加に関連している可能性があります。ヘイロースポーツがエクササイズパフォーマンスを向上させる正確なメカニズムは不明です。以前の研究は、tDCSのパフォーマンス向上効果が、おそらく中枢性疲労効果の減弱に関連する中枢神経系機能の変化に起因することを示唆していた(Vitor-Costa et al。、2015)。本研究では、我々はヘイロースポーツが認知テストを改善することができたことを観察しました。認知低下は中枢性疲労に関連している(Meeusen、2014したがって、我々の発見は、ヘイロースポーツがサイクリングパフォーマンスを向上させる能力が中枢性疲労の抑制に関連している可能性があることを間接的に証明しています。1つの可能なメカニズムは、電気刺激が皮質内促進および運動皮質興奮性の増加を誘発し、運動皮質ニューロンが神経結合をより容易に構築することを可能にし、筋肉への運動駆動を高め、サイクルおよび金属性能の出力を高め、サイクリング性能を改善する。Hornyak、2017)。

また、田中と渡辺(2012)この促進経路の作用のための神経回路を開発しました。第一に、末梢系からM1への感覚入力は、運動出力(脊髄上疲労)、および脊髄、視床、二次体性感覚皮質、内側島皮質、後帯状皮質、前帯状皮質、運動前野、補足を相互接続する神経経路を減少させる。運動野(SMA)、および一次運動皮質が抑制システムを構成する。次に、促進システムが既存の脊椎上疲労を克服するためにM1からのモーター出力を増加させる。大脳辺縁系、大脳基底核、視床、眼窩前頭皮質、前帯状皮質、前運動野、SMA、および一次運動野をつなぐリエントラント神経回路は、促進系を表しています。このシステムへのやる気を起こさせる入力はSMA活動を高めます、Vitor-Costa et al。、2015)。したがって、M1からのアウトプット(運動皮質から皮質脊髄経路への情報の流出、そして結果として運動ニューロン)は、抑制と促進のバランスによって主に調節され、ヘイロースポーツがパワー出力を増大させる促進効果を有すると推測する。サイクリング この仮説は将来の研究で評価される必要があります。

私たちの知る限りでは、これはヘイロースポーツが認知能力を高めることができることを観察した最初の研究です。認知機能に関する以前の非侵襲的神経調節研究の結果と我々の発見を比較することは困難である。健康なボランティアのDLPCに適用される陽極tDCSは、認知の実行機能を強化すると報告されています(Dockery et al。、2009 ; Stone and Tesche、2009 ; Zaehle et al。、2011)。実行機能は認知の一側面であり、それは一般に、精神的セットのシフト、情報の更新、および優性反応の抑制からなる(Miyake et al。、2000 ; Hofmann et al。、2012)。Fregni et al。(2005)前頭前野の陽極tDCSが3-backのACCを向上させると報告した。これは情報更新性能のテストである。彼らは、tDCSが執行機能の情報更新パフォーマンスの側面を改善できることを提案した。本研究では、Fregniらの結果と同様の結果が得られた。(2005)。運動野の両側でのヘイロースポーツ刺激後、反応時間は刺激によって変化しなかったので、HaloグループにおけるStroop不適合試験のACC強化は説明できない。これらの結果は、ハロースポーツ刺激がストループ性能の増強をもたらすことを示した。ストループテストは、効力のある反応を抑制するための古典的な作業です。したがって、ヘイロースポーツは実行機能にプラスの効果をもたらします。これらの結果は、ヘイロースポーツが、サイクリング/マウンテンバイク、スキー、ほとんどの野球の試合など、集中力、RT、および技術的/戦術的スキルが身体的および精神的パフォーマンスに大きな影響を与えるあらゆる種類の運動を強化するのに役立ちます。そうです。

本研究では、我々はStroopパフォーマンスに対するヘイロースポーツの良い効果を示しただけですが、この現象の背後にあるメカニズムは不明です。ミルハム等。(2003) Stroopタスクの間に、DLPCがトップダウン注意制御の実施に関与する主要な領域であると報告しました。さらに、Krompinger and Simons(2011)によれば、DLPCはストループタスク中の不適合刺激の情報処理中に発生する競合を解決します。したがって、ストループのパフォーマンスはDLPCのアクティブ化に関連しています。さらに、以前の研究は、運動皮質の両側性刺激が、特に前頭前野、ならびに一次および二次運動皮質に関して、機能的結合性の広範な変化を誘導することを示している(Sehm et al。、2012)。解剖学的には、M1はSMAの隣にあります。M1の活性化は活動的なSMAに影響を与える可能性があり、その機能は行動を計画し、いつ行動を開始するかについて決定を下すと考えられている(Nachev et al。、2008 ; Coull et al。、2016)。そして以前の研究は、SMAがStroop課題の対立状態によって引き起こされる認知干渉を処理するために背側前帯状皮質(dACC)と協働するかもしれないことを示した(Liuら、2004年 ; Dengら、2018年)。DACCはコグニティブ干渉に関する信号をDLPFCに送信し、DLPFCはコグニティブ干渉の解決に関与します(MacDonald et al。、2000 ; Liu et al。、2004)本研究では、改善されたストループ性能は、運動皮質の両側に加えてハロースポーツがDLPCの活性化を増加させることに起因するかもしれません。ヘイロースポーツの脳活動への影響を明らかにするためには、さらなる研究が必要です。

 

結論

ヘイロースポーツデバイスを搭載したtDCSは、繰り返しのスプリントサイクリングパワー出力とストループ性能を改善しました。これらの結果は、ヘイロースポーツが身体的要求と認知的要求の両方を伴う幅広い運動活動にわたってパフォーマンスを向上させる可能性があることを示しています。

 

※こちらの論文は、原文の一部を翻訳したものになります

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