研究論文

 

Front. Physiol., 14 February 2017

運動性能に対する経頭蓋直流刺激のエルゴジェニック効果

 
執筆者:Luca Angius, James Hopker and Alexis R. Mauger
 
 
 
要旨

人間の能力の身体的限界はかなり前から研究の対象でした。研究のほとんどは、運動筋、肺、心臓に焦点を当てています。結果として、現代の文献の多くは運動能力の調節における脳の重要性を無視してきました。新しい非侵襲的装置の導入および開発により、運動中の中枢神経系の挙動に関する知識は進歩してきた。最初のステップは、特定の脳領域の役割が孤立した筋肉や全身の運動中に識別されている神経画像技術を含む研究から提供されています。さらに、特定の脳領域を操作するための非侵襲的技術を含む研究によって、新しい興味深いアプローチが提供されています。これらの技術は最も一般的には脳を横断する電場または磁場の使用を含む。この点に関して、特定の脳領域の刺激後に健康な人々の運動結果に影響を与える可能性を示す新しい文献が出ています。特に、経頭蓋直流刺激(tDCS)は、広範囲の運動タイプの下で運動能力を改善するために、運動の前に最近使用されている。このレビュー記事では、tDCSを含む実験的研究から提供された証拠を説明します。このレビューの目的は、運動前のtDCSの適用とそれが脳の機能とパフォーマンスにどのように影響するかを調査する実験研究の批判的分析を提供することです。最後に、運動強化のためのtDCSの使用法について批判的な意見を述べます。

キーワード:
tDCS、脳刺激、運動能力、努力感、皮質興奮性、運動皮質


前書き

最大下収縮が持続している間、脊髄運動ニューロンの興奮性および筋繊維の収縮能力は低下し(Butlerら、2003年 ; Allenら、2008年)、必要な力または力を維持するために、脊髄運動ニューロンへの増加は増加しなければならない(Taylor et al。、1996)。この入力(下降駆動とも呼ばれる)は皮質脊髄経路から生じる可能性があり、以前の実験ではこれを緩和する可能性があるいくつかの要因が実証されている(Gandevia、2001年、Enoka ら、2011年)。)これに関して、運動皮質(M1)からの出力を生成することの失敗は、脊髄上疲労として定義されており、そして末梢機構と共に、筋肉疲労に関与している(Gandevia、2001)。以前の研究では、発達上の脊椎の疲労は運動皮質の興奮性の変化を伴うことが示唆されていた(Taylor et al。、1996)。

M1興奮性を増加させる介入は、M1からの産出量を増加させ(下降駆動を増加させ)、それにより脊椎上疲労の発生を遅らせ、それ故運動能力を改善するかもしれない(Cogiamanian et al。、2007 ; Williams et al。、2013)。これに関して、経頭蓋直流刺激(tDCS)と呼ばれる神経調節技術が頭皮を横切って弱い電流を印加することによって標的とされた脳領域の興奮性を調節するために広く使用されてきた。電流は標的となるニューロンの静止膜電位を変化させ、陽極電極は興奮性で陰極は抑制性である(Nitsche et al。、2008 ; George and Aston-Jones、2010)これらの影響は、9〜13分の刺激後90分まで持続します(Nitsche and Paulus、2001)。急性tDCSが安全な神経調節脳技術であり、副作用が全くないかまたはごくわずかしかないことが研究により実証されている(Fregniら、2006年; Poreiszら、2007年; Palmら、2008年; Frankら、2010年)。安価で管理も簡単です。そのため、tDCSの人間工学的な可能性への関心はかなり高まっています。

tDCSが身体能力に及ぼす影響の調査は最近になって始まったばかりであり、脊髄上疲労の発生における運動脳領域と運動前脳領域の顕著な役割を考えると(Gandevia、2001)、ほとんどの研究はこれらの領域を対象とした。現在までに、限られた数の研究しかなく、矛盾した結果を示し、そしてしばしば欠陥のある方法論的設計を伴う。それにもかかわらず、証拠のバランスはtDCSが運動能力に良い影響を与えるかもしれないことを示唆しています。

単関節等尺性運動に関する研究

運動パフォーマンスに対するtDCSの効果を調査した最初の研究はCogiamanian等によって行われました。(2007年)、そして2つの実験から構成された。第一に、参加者は2つのグループ(脳の分極化とコントロール)に分けられ、どちらも2つの肘屈筋の等時性消耗時間(TTE)作業を完了した。2回目の課題の前に、脳分極群は陽極または陰極tDCSを受けたが、対照群はtDCS投与を受けなかった。第二の実験は、tDCS投与後の皮質脊髄反応をモニターすることを目的とした。MVCまたはEMG活性に変化は見られなかったが、第2のTTEは陽極tDCS後に有意に長く、第2の実験では皮質脊髄興奮性の有意な増加が観察された。著者らはTTEの改善について正確な説明を提供することができなかった。

2つの異なる研究がCogiamanian et al。の研究を部分的に再現しました。(2007)。Kanら。(2013)参加者がCogiamanian等によって使用されたそれと類似したプロトコルを実行した交差研究を実行しました。(2007)が、より低い収縮強度(30%MVC)と異なるTDCのモンタージュで(表参照表1参照)。1)。MVC、トルク変動、EMG、および知覚される疼痛の変化は見られず、TTE持続期間の改善は見られなかった。Muthalibらの研究。(2013)主に前頭前酸素化のレベルをモニターすることを目的としました、そして、同様にKan等。(2013年tDCS後の前頭前酸素化の変化を伴わずに、MVCまたはTTE持続時間に改善はなかった。しかし、Muthalibら。(2013)tDCS電極位置(M1)から遠い地域で酸素化を監視しました、そしてそれは前頭前酸素化の変化の欠如を説明するかもしれません。残念なことに、上記の研究のいずれも皮質脊髄反応をモニターしていなかったので、tDCSが皮質脊髄興奮性を増加させることができたかどうかを立証することは不可能である。

持続等尺性収縮に対するtDCSの効果を調査するさらなる実験は、Williams et al。(2013)。クロスオーバー試験では、参加者は肘屈筋の20%MVCで等尺性TTEを実施するよう求められた。当初、(偽と比較して)陽極tDCS後の性能の改善は観察されなかった。その後、研究者は、2つのサブグループに参加者を分け一のTTE時間がTDCの投与時間より短かった群(N = 8)、およびTTE時間がTDCの投与時間よりた一つの基(nは= 10)。最初のグループは2番目のグループと比較してパフォーマンスが大幅に向上しています。運動誘発電位(MEP)の有意な変化は条件またはグループ間で見つかりませんでしたが、知覚運動(RPE)の評価は、陽極tDCS条件で有意に減少しました。実験期間による参加者の細分化は、tDCSの真の有効性に関していくつかの疑問を提起し、実験的発見は、tDCSが運動中に刺激が起こったときにだけ有益であるかどうか、そしてより低い持久力を持つものだけに疑問を呈する。

tDCSメカニズムのより良い理解を提供する目的で、Abdelmoula等。(2016)、Cogiamanian等と同様のプロトコルでいくつかの筋肉を監視しました。(2007)。Cogiamanianらの発見と同様。(2007年)、TTE持続時間は、陽極tDCSに続いてより長くなった。しかしながら、これは、神経筋、皮質脊髄または知覚パラメータに変化がない場合に生じた。実際、MVC、トルクの変動係数、運動中の筋電図活動、MEP反応、およびRPEは、条件間で差はありませんでした。神経筋または皮質脊髄反応の変化がない場合のTTE期間の増加のために、著者らは大きなtDCS電極が、変化を生じることなく作業中の感覚運動統合および関連する認知要求に影響する隣接脳領域を促進した可能性があると提案した。中央モーター指令。しかしながら、この研究はこの提案を支持する証拠を提供しなかった。

tDCSの利点は高齢者にも拡大されており(Oki et al。、2016)、tDCS後の高齢者の方が若い成人よりも皮質興奮性が低いことが示されています(Oliviero et al。、2006)。陽極tDCS後のTTE期間の増加と共に、以前の実験と一致してRPEのより遅い増加が観察された(Williamsら、2013年; Okanoら、2015年; Angiusら、2016年b)。著者(沖ら、2016は、M1の興奮性の増加は、そのタスクを実行するのに必要な神経駆動を減少させ、それによってRPEを低下させる可能性があることを示唆した。tDCS の影響の大きさとベースラインの筋力レベルとの間に関連が見られました(r = –0.55; p = 0.05)。これは、より弱い被験者はより強い被験者と比較してより多くの恩恵を受ける可能性があることを示唆するかもしれないが、著者はこの可能性をさらに調査しなかった。tDCSの有効性は回答者の多い参加者に依存する可能性があるため、被験者の45%のみがtDCSに対して肯定的な反応を示したので、これらの知見はまたtDCS研究にわたる異なる結果を部分的に説明するかもしれない。したがって、将来の研究では参加者コホートを決定する際にそのような変数を考慮に入れるべきです。

Angius等(2016B)は、2つのTDCのモンタージュ(表を参照)の 1)膝の伸筋のTTEにします。皮質脊髄および末梢のパラメータに影響を与えずに脳外モンタージュを使用した場合、TTEは有意に長かった。RPEの減少は、頭蓋外モンタージュが使用されたときに見出されたが、HRおよび疼痛は変化しなかった。皮質脊髄および末梢のパラメータへの影響は見られなかったので、TTEの改善を説明する正確なメカニズムは未だ不明である。しかしながら、皮質脊髄反応に対する効果の欠如は、神経筋評価のために使用された収縮強度(50%MVC)に起因し得る。確かに、最大のMEP反応は50%MVCで起こることが示されている(Goodall et al。、2014これは、この変数に対するtDCSの影響を覆い隠している可能性があります。この研究は、頭蓋外モンタージュが運動能力の改善にはより適切であることを示唆しており、全身運動を含む以前の研究で示されたtDCSの無効効果を説明することができた。

 

全身動的運動に関する研究

全身運動に対するtDCSの効果を調査した最初の研究はOkano等によって行われました。(2015)交差、無作為化された実験計画では、参加者は意欲的な疲労まで最大のサイクリング運動を行った。陽極tDCS後、最大出力は〜4%改善し、RPEおよびHRは偽条件と比較して低かった(ただし、試験の後期段階では影響を受けなかった)。著者らは、陽極刺激が島皮質の活動に影響を及ぼし、それによってRPEを低下させ、パフォーマンスの改善につながる可能性があると示唆している。

Angius等(2015a)冷たい昇圧テストの間、サイクリングTTEの間の運動誘発筋肉痛と痛み知覚の上のtDCSの効果を調査しました。著者らは、運動中のTTE期間および生理学的または知覚的パラメータの変化を発見しませんでした。しかしながら、tDCS後に、コールドプレッサー試験中に知覚される疼痛の有意な減少が見られた。サイクリング中の効果の欠如は、おそらくさまざまな種類の疼痛刺激、知覚される疼痛強度、または各作業中の注意の集中によって引き起こされた。さらに、著者らは、運動性能への影響の欠如は、使用されるTDCのモンタージュ(表になっている可能性が示唆さ(表1)、 1M1のアノード電極からの利点は、背側前頭前皮質上のカソード電極によって無効にされた可能性があります。したがって著者らは、両側脳外tDCSモンタージュが全身運動にはより適切であろうと示唆した。

tDCS後のサイクリングTTEの改善は、Vitor − Costa et al。(2015)TTEへの影響にもかかわらず、気分、生理的、または知覚的パラメータの変化は報告されていません。陽極tDCS後の低いRPEの傾向が見られ(p = 0.07)、これはM1興奮性の増加が与えられた強度に対して運動をより容易にした可能性があることを示唆している(Williamsら、2013 ; Abdelmoulaら、2005)。 著者らは、TTEの改善は皮質内促進およびM1興奮性の増加の結果であると示唆したが、必要な皮質脊髄パラメーターがモニターされなかったのでこの仮説は確認できなかった。さらに、この研究におけるtDCSモンタージュは、後頭部突起上に1つの電極を配置し、その結果、2つの電極間の電流の方向は他の脳領域と干渉し得、従って生理学的パラメータと知覚パラメータの両方に影響を及ぼし得る。

Angius等(2016a)全身運動におけるtDCSのエルゴジェニック効果を示し、TTE期間は陽極tDCSに続いて増加し、より低いRPEと平行した。陰極および偽tDCS条件に違いは観察されなかった。陽極tDCSに続いて、膝伸筋の皮質脊髄興奮性の増加も報告され、著者はM1の興奮性の増加が結果的に必要な中枢コマンドを減らすことによって作業筋肉への出力を増大させることを示唆した。これによりRPEが低くなり、参加者は運動をより容易に感じるようになりました。しかし、この仮説を裏付けるさらなる証拠は提供されていないので、そのようなメカニズムに関する推測は慎重に扱われるべきである。

2つの別々の研究において、Barwood等(2016)20kmのサイクリングタイムトライアルと暑い条件下でのTTEテストに対するtDCSの効果を調査しました。Okanoらによって使用されたのと同じモンタージュ。(2015)は、tDCSが与えられた強度のためにRPEを減らし、それゆえサイクリングパフォーマンスを改善するという仮説を適用しました。どちらのエクササイズプロトコルでもパフォーマンスの変化は見られず、RPEにも違いはありませんでした。Okano他とは異なります。(2015)tDCS後のHRの減少は報告されていません。著者によって提案されているように、運動結果の食い違いはOkano(2015年)不適切な盲検化手順が原因であった可能性があり、人事での効果の欠如は採用された高い労働率が原因であった可能性があります。ゼロ効果もまた陰極電極の負の効果によるものであったかもしれない。さらに、温熱療法は、中枢性疲労の増加とともに代謝および心血管の需要の変化を誘発することが実証されており(Nybo and Nielsen、2001)、これは陽極刺激の利点を否定するかもしれない。

 

行動および制限の考えられるメカニズム

まとめると、これまでの実験は、健康な個人の運動に対するtDCSの考えられるエルゴジェニック効果に関する興味深い洞察を提供します。実験デザイン、実施したタスク、およびtDCSモンタージュに関する各研究での違いにもかかわらず、さまざまな実験で同様の実験的知見がいくつかあります。第一に、M1に対する急性tDCSは最大等尺性力容量を改善しないようである(Cogiamanianら、2007年; Kanら、2013年; Williamsら、2013年; Angiusら、2015b、2016a、b)。第二に、最大以下の強度で実行されるタスクは一般にtDCSによって改善される(Cogiamanian et al。、2007 ; Williams et al。、20072013年 ; Angius et al。、2015b、2016a、b ; Abdelmoula et al。、2016)。第三に、運動中の生理学的または神経筋パラメータ(皮質脊髄興奮性以外)はどれもtDCSの影響を受けていないようです。

各研究を横切る矛盾については、以前の研究は、皮質興奮性の高い変動(と大きな効果を、ほとんどまたは全く影響からのTDC刺激後の応答の範囲を示したHorvathのら、。2015、2016 ; Madhavanら、2016)さらに、神経筋反応に対するtDCSの効果をモニターするための標準化された信頼できるプロトコルがない(2016)。それゆえ、皮質脊髄経路に特に関心があるが、パフォーマンスの改善が神経筋機能の変化を伴わなかったことは驚くべきことではない。最後に、研究のかなりの数の厳密な失明の手順が存在しない(表1)1)は、現在文献に見られる混合結果に寄与し得るので、これが明らかである場合、結果は慎重に解釈されなければならない。

tDCSが運動パフォーマンスを向上させる正確なメカニズムはまだわかっていません。tDCSは、運動中の拍出量を増加させ、おそらく脊髄上の疲労を軽減することによって、M1を促進する可能性が高いと示唆されている(Cogiamanian et al。、2007 ; Williams et al。、2013)。しかし、この仮説は、パフォーマンスの改善が皮質脊髄反応の変化に依存しないように思われるため、以前の研究とは対照的です(2016)。他の著者は、tDCS投与後の低いRPEがパフォーマンスの改善を説明するかもしれないと示唆している(2016a、b)RPEの変化モータ/運動前野の脳領域の活動に由来する中枢運動指令の大きさに関連している(2012、2014)。したがって、tDCS投与後にM1興奮性が増加した場合、筋肉を動員するのに必要な量の出力を生成するために、それはより少ない入力を受け取る必要があり、したがって、所与の力または力に対してより低いRPEが期待される。この仮説は、前運動野および運動脳領域の操作がRPEの変動を誘発した非侵襲性脳刺激を含む以前の実験によって支持されている(Goodallら、2013 年 ; Takaradaら、2014年 ;Zénonら、2015年)。)しかしながら、電極サイズのため、tDCSの影響は、運動指令に影響を与えることなく、筋肉収縮中の感覚運動統合に影響を与えることによって隣接領域に影響を与える可能性があります(2016)。私たちの知る限りでは、tDCS刺激後の運動中の脳領域の活動をモニターした研究はないため、機構的理解の発達が明らかに優先事項です。

結論と展望

運動パフォーマンスに関するtDCSの有望な結果は、最近、人間工学的目的のために国内で使用される可能性があることから注目を集めています。TMS機器とは異なり、tDCS機器は比較的小型で使いやすいため、その潜在的な影響に気付いていない人々による使用が報告されています(Reardon、2016)。)運動前のtDCSのメカニズムの不確実性および結果の不一致を考えると、運動前または運動中のtDCSの使用はいくつかの注意を払って扱われるべきです。将来の研究では、tDCSの見かけのエルゴジェニック効果を支えるメカニズムを特定するよう努めるべきであり、また長期使用の効果にも焦点を当てるべきである。tDCSは科学だけでなく、公共および商業界にも明らかに興味があるので、研究者および出版社は、tDCSの理解を深めることができる透明で客観的な研究を広める責任があります。

現在、TDCの調査で観察された異なる結果が設定し、運動の種類および/またはTDCの間の相違の結果がそうである(表(表1)は、 1)、および前述の研究の多くは、具体的メカニズムを評価するために設計されていませんパフォーマンスは改善すると仮定されました。したがって、tDCS変数(例えば、モンタージュ、期間、場所など)を体系的に管理し、メカニズムの評価を可能にするさらなる研究が必要です。

 

※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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