研究論文

 

Published: February 22, 2019

運動皮質の経頭蓋直流刺激はランニングパフォーマンスを増強する

 
執筆者:Seung-Bo Park , Dong Jun Sung , Bokyung Kim, SoJung Kim, Joung-Kyue Han
 

要旨

経頭蓋直流刺激(tDCS)は、運動能力を増強することができる非侵襲的脳刺激を通してニューロンの興奮性を調節するために使用される技術である。我々は、tDCSが最大下運転時間(TTE)を改善し、知覚運動強度(RPE)の評価の増加を遅らせると仮定しています。私達はまたtDCSが心肺反応の違いにつながらないだろうという仮説を立てます。我々は、10人の訓練を受けた男性が参加した、無作為化、一重盲検、および釣り合いのとれたデザインを採用した。一次運動皮質(M1)に20分間の1.98mA陽極tDCSを適用するか、または擬似操作対照を別々の日に受けた後、参加者は、彼ら自身の最大酸素消費量の80%に等しい速度で運転することを含む定負荷試験を完了した。 (VO 2最大)この定負荷試験の間、RPE、心拍数(HR)、VO2、肺換気量(VE)、呼吸交換率(RER)、および換気閾値(VT)を連続的にモニターした。試験終了時にTTEを記録した。TTEは、偽条件よりもtDCSにおいて有意に長かった(21.18±7.13分; 18.44±6.32分;p= 0.011)。TTEについては、等尺性の条件間でRPEに有意差は見られなかった。さらに、HR、VO 2に有意差はありません、VE、RER、およびVTは、任意の時点で2つの刺激条件の間のTTE中に見出された。これらの結果は、tDCSの適用が運動成績関連指標の変化を引き起こさないことを示している。しかしながら、それはM1領域における刺激のために運動期間の増加に影響を及ぼし得る。

前書き

脊髄上疲労とは、一次運動皮質(M1)が出力を生成するのに失敗したことを指し、末梢疲労メカニズムと組み合わせると筋肉疲労に関与します。M1の興奮性を高めるために経頭蓋直流刺激(TDCの)介入は脊柱上の疲労M1のモータ出力を増加させ、遅延させることにより耐久性能を向上させることができる。したがって、TDCの痛みを軽減し、頭皮に微弱な電流を送信し、脳機能を調節する神経細胞の興奮性を変更することにより、モータ部動員を扇動。

TDCの印加時、陽極刺激は、陰極刺激がそれを阻害するのに対し、皮質活性化を増強する。また、TDCの特定の領域におけるニューロンの静止膜電位を変化させ、脳の可塑性を誘導する。薬理学的研究は、tDCS関連効果がN-メチル-D-アスパラギン酸受容体の活性化を改変することによって皮質興奮性を増大させることを示した。いくつかの研究は、最近、耐久性能[TDCの急性効果を調査した ]。Vitro − Costa et al。M1の陽極刺激は、娯楽的に活動的な男性において、疲労までのサイクリング時間(TTE)を改善することを示しました。

Okano等によって行われた研究において。、訓練されたサイクリストの平均TTEは、陽極刺激が左側頭皮質に適用されたとき(T3)増加したが、平均知覚運動評価(RPE)は比較的減少した。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は、RPEの変化に関連している。したがって、tDCS投与後にM1の興奮性が増加した場合、筋肉を強化するのに必要な量の出力を誘導するのに必要な入力が少なくなり、これは与えられた力または力に対して低いRPEが必要であることを示します。Vitor-Costa等による研究において。、TTEの改善にもかかわらず、RPEは変化しなかった。この知見は、増加したM1の興奮は、個々のは、それがそうでない場合は、知覚されるよりも、与えられた強度の運動がより簡単であることを感じさせることが示された。

運動中、求心性フィードバックは心血管反応を調節する主な要因です。求心性フィードバックは、心血管調節に重要な役割を果たしていることが示されています。しかし彼らは、求心性反応がいかにして持久力パフォーマンスに寄与したかを説明していない。最近、いくつかの研究では、M1の興奮は、心血管調節【に関連していないことが示されている。したがって、持久力パフォーマンスと求心性フィードバックおよび心血管系との関連を明確にすることが必要である。M1は運動パフォーマンス、努力の知覚、および心血管反応に重要な影響を及ぼすことが示唆されています。。

ただし、最大下のランニングエクササイズ中に持久力パフォーマンスがtDCSの影響を受けるかどうかは不明のままです。さらに、これに関連して調査された全身の動的運動は、これまでサイクリングに限定されており、ランニングに関する研究は行われていない。したがって、大脳皮質におけるtDCSの影響を特定することは、人体の可能性を引き出すための戦略として、パフォーマンスの向上に重要な役割を果たす可能性があります[ 22 ]。したがって、この研究の目的は、tDCSのエルゴジェニック効果が持久力パフォーマンスを改善するかどうかを調べることでした。我々は、tDCSが最大消費時間(TTE)を増加させ、時間の経過とともにRPEの増加を遅らせ、そして心肺反応に変化がないことを示すと仮定した。

 

材料および方法

参加者:
12人の訓練を受けた男性参加者がこの研究に志願した。すべての参加者は健康診断と身体活動準備アンケート(PAR-Q)によって評価されました。参加者は、毎回の訪問前に鎮痛薬(6時間)、アルコール(48時間)、カフェイン(6時間)の摂取を控えるように指示されました。さらに、彼らは全体的な実験手順と測定に関連する危険因子については知らされたが、研究目的や仮説については知らされなかった。各参加者から書面によるインフォームドコンセントを得た。この研究のための研究プロトコルは、Chung-Ang大学の施設内審査委員会によって承認された(NO。1041078 - 201706 - HRZZ - 116 - 01)。

研究デザイン:
各参加者は合計5回実験室を訪れた。この試験は、一重盲検無作為化対平衡試験として設計された。試験は同じ時間帯に予定され、試験期間中、実験室の条件は安定していた(温度22±0.5℃、湿度47±4%)。各参加者に対するすべての試験は3週間以内に完了しました。すべてのテストは、参加者が通常のトレーニング活動を控えている48〜72時間の回復期間によって分離されました。

最初の訪問の目的は、参加者にすべての測定手順を熟知させることによって測定の妥当性を高めることでした。VO2max試験は増分負荷で行われ、ガス分析運動期間評価はすべて2回目の来診時に行われた。3回目の訪問の目的は、参加者が自分の走るスピードと時間に慣れることです。来院4および5は、一重盲検であり、刺激条件(tDCSまたは偽手術対照のいずれか)に関して無作為化した。各来院時に、割り当てられた条件に対応する治療が提供され、次いで定荷重試験が行われた。


VO 2最大テスト:
参加者はウォームアップのトレッドミル走行と15分間のストレッチ(8〜11 km / hで10分間、5分間のストレッチ)を完了しました。VO2最大試験中、走行は8km / hの速度で始まり、参加者が試験を続けることができなくなるまで走行速度が1分毎に1km / hずつ増加するにつれて続けた。VO 2 maxは、以下の基準のうちの少なくとも2つを達成するものと見なされた。1)HRmax(bpm)≧年齢予測された最大値の220%(220 - 年として計算)。2)RER> 1.15。3)RPE≧17。4)VO 2 ≦150 mL / minでプラトー[ 23 ]。VO 2の間に最大試験および定荷重試験では、自動ガス分析器(Metalyzer 3b、Cortex、Leipzig、Germany)を用いて呼気毎に心肺変数を測定し、参加者は適切なサイズ(SまたはMサイズ)のフェイスマスクを着用した。パーソナルコンピュータに情報をダウンロードする前に、ガス濃度と呼吸量を最初にオンボードメモリに保存した。製造業者の推奨に従って、代謝分析器を20分以上オンにしてから各使用前に較正した。提案ガス組成(16%Oを基準に2、5%CO 2、残部N 2:±0.02%絶対、香港特殊ガス、香港、中国)、次いでガスを分析し、周囲空気に対して較正した。さらに、標準化された3Lシリンジ(5530シリーズ、Hans Rudolph、Inc.Shawney Mession、KS、米国)を容量較正に使用した。HRモニターのトランスミッターストラップは各被験者の胸部に固定されています。HRは、すべてのテスト中、Bluetoothデバイスによって継続的に監視されていました(Polar H7、Polar Electro OY、ケンペル、フィンランド)。HRデータとすべての心肺機能変数は5秒ごとに収集されました。

定荷重試験:
次の2回の訪問中に、参加者は定荷重テストを完了しました。TTEは、アメリカのスポーツ医学大学(ACSM)の走行方程式[ 24 ] を使用して得られた自分のVO 2 maxの80%に相当する速度で、走行を継続できなくなるまで測定しました。定負荷試験中、知覚運動(RPE)、心拍数(HR)、酸素消費量(VO 2)、肺換気量(VE)、および呼吸交換率(RER)の評価を各分の終わりに記録した。テスト RPEでは、参加者は、定常走行中の運動による疲労に集中するように指示されました。その後の分析に参加者全員のデータを含めるために、10分のアイソタイプとTTEの最後の分が使用されました(図1)。)換気閾値(VT)点は、換気等価法[ 25 ] を用いて測定した。VE / VCO2曲線が減少するかまたは同じままである間にVE / VO2曲線が増加する点でVTを決定した。さらに、参加者には、彼らの走行距離や時間についての情報は一切与えられませんでした。


tDCS手順:
tDCSについては、 Neurostimulation(ヘイロースポーツ、ニューロサイエンス 米国カリフォルニア州サンフランシスコ)装置を使用した。頭皮に固定された電極のサイズは28cm(6.4cm×4.4cm)であった。陽極電極は頭頂部の「頂点」のCZ(正中線中央)に、陰極電極は国際的な10 - 20 EEGシステムに従ってC5とC6に配置しました[ 26 ]。この電極位置は、機能的磁気共鳴画像法(fMRI)と高い相関があります[ 27 ]。陽極tDCSの電流は1.98mAに設定され、持続時間は20分に設定された。偽条件では、電流は最初30秒間流れた後、それは終了した。参加者は刺激条件の極性(tDCSまたは偽)について盲検化された。

この研究では、参加者はまず15分間椅子に座って休息し、次に対応する治療を受けながら20分間tDCS装置を備えたヘッドセットを着用し、その間に15分間ウォームアップ(ランニングとストレッチ)を完了しましたそれから5分の休息期間。その後、tDCSヘッドセットを取り外し、定負荷テストを実施しました。

統計分析:
SPSS-PC 22.0ソフトウェア(SPSS、Chicago IL、USA)を用いてデータを処理し分析した。全ての変数について平均および標準偏差(SD)を計算した。データ分布の正規性はShapiro-Wilk検定を使用して評価し、球形度はMauchleyの検定を使用して調べました。事後統計的に有意な効果は、ウィルコクソンの符号付き順位検定を用いて決定した。効果サイズ(ES)(R = Z /√ Nは)ノンパラメトリック検定[について計算した28 ]。小、中、大サイズのrの標準値は、それぞれ0.1、0.3、0.5でした[ 29 ]。RPE、HR、VO 2の分析TTE中の異なる時点での、VE、およびRERを、反復測定ANOVAを用いて実施した。さらに、TTEおよびVTは、対のサンプルt検定を用いて評価した。統計学的有意性は、p<0.05に設定した。パラメトリック検定のためにCohenのdを使用してESを計算し、Hopkins [ 30 ] によって提案された推奨を使用して解釈した:<0.2自明、<0.6小、<1.2中、<2.0大、<4.0大、および4.0ほぼ完全。

 

結果

参加者の一般的な特徴に関して、年齢、身長、体重、体脂肪率、最大酸素消費量、最大心拍数、およびVO2maxでの疲労までの時間は27.40±2.37歳、174.13±3.61cm、71.53±7.47kg、12.29±3.38% 、それぞれ54.03±5.03ml / kg /分、197.60±5.8bpm、および8.97±1.17分。

我々は、最大下のトレッドミル走行下でのTTEに対するtDCS適用の効果を調べた。図2Aおよび2Bに示されるように、TTEはtDCS適用において偽対照条件におけるよりも有意に長かった(t= −3.213、p= 0.011、d= 0.407)。また、7名の参加者のTTEはtDCS適用により増加した。これらの結果は、tDCSの適用が運動成績関連指標の変化を引き起こさなかったことを示している。しかし、それはM1領域に導入された刺激のために運動時間を増やす可能性があります。


討論

準最大走行性能に対するtDCSの影響はこれまでに報告されていない。我々の主な発見は、80%の強度で走っているときにM1モンタージュがTTEを改善したことですが、心肺反応には変化が見られませんでした。

この研究では、TTEはtDCS治療後の偽の状態と比較して改善され、これはtDCSがランニング中にエルゴジェニック効果を誘発することを示している。これらの結果は、気晴らしアクティブ男性[におけるTDCの介入後のサイクル中の鎮痛効果を示し、以前の研究と一致している。「疼痛」は、その求心性フィードバックのために運動耐性において本質的な役割を果たす。高強度運動中に経験される痛みは、グループIIIおよびIVの筋肉求心性神経として分類される周囲の筋肉侵害受容器によって検出され得る様々な運動誘発性代謝産物によって引き起こされる。その後、信号は前頭葉領域の痛みとして検出されます。運動中の自分のペーシング戦略を決定する際には、意識的な意識が重要な要素となるため、運動誘発性疼痛は、個人が身体に関連する緊張をよりよく理解するのに役立つかもしれません。これは個人が運動強度を調節するために情報に基づいた決定をするのを助けることができます。Okanoらによる代表的な研究。10人のサイクリストにおけるtDCS治療後のTTEの増加が報告されており、左側頭皮質の上にアノードがあるモンタージュは、作業の初期段階で労力の軽減と運動関連の不快感を感じさせる。 対照的に、いくつかの研究はtDCSで観察されたTTEの改善を報告しなかった。Angius等。左運動野と背外側右前頭前皮質(DLPFC)に標的化陰極に対して標的化された陽極[と共にモンタージュを使用している。このモンタージュはM1での興奮性を増加させ、一方カソードはDLPFCでの興奮性を減少させた。DLPFCのtDCS介入は、知覚される痛みと負の相関があります。それは痛みに感情的な反応。したがって、M1活性化は陰極DLPFC刺激によって無効にすることができます。しかし、本研究では、陽極刺激は側頭葉に関連するC 5またはC 6の位置(すなわち、島および視床)に影響を及ぼさないと考えた。これはVitor-Costaらの研究によって支持されています。、M1の陽極刺激を受けた群でTTEが改善されることを示す。さらに、Angius et alは、M1に陽極刺激を適用し、陰極刺激を脳以外の領域(反対側の肩)に付着させることによるTTEの改善を示した。しかしながら、カソード電極を前頭前野に適用した場合には、耐久性能に変化は見られなかった。したがって、C5とC6にカソードを配置すると、TTEの改善に役立ちます。

我々の研究は、RPEが変化しないことを見出したが、他の研究は、RPEが減少することを見出した。これらの結果は、tDCS投与後のRPEの減少がM1を活性化し、中枢運動指令を増加させ、そして努力に対する比較的低い知覚を示し得ることを実証する。そのようなRPE変化は運動前野およびM1運動皮質内の異なる領域の様々な活動に関連している。理論的には、陽極tDCS投与は不快感レベルを低下させ、その後RPEに積極的に影響を与え、運動耐性を改善することができます。この文脈では、[左DLPFCにおける陽極刺激が積極的な感情の制御に影響を与えることができることが報告されている知覚される不快レベルを減少させる。不快レベルなどの感情に直接関連している背外側前頭前野(DLPFC)とは異なり、この研究で使用されるモンタージュは一般的に感情制御に関連していないCZ(M1)に陽極刺激を適用します。それにもかかわらず、前頭皮質は皮質-皮質ニューラルネットワークを介して接続されているように、この研究におけるtDCS刺激は皮質のM1領域だけでなく皮質下の構造にも影響を与えたかもしれない。さらに、参加者の一重盲目デザインの下での参加者のモチベーションと感情のために、努力に対する認識は異なっていたかもしれません。この研究の結果を説明するために、さまざまな要因を考慮したインターセプトモデルを使用することができます。インターセプティックモデルによると、求心性フィードバック、感覚、感情、および動機を含むさまざまな要因が、全身の生理的状態に基づく中枢性疲労の原因となっています。このモデルは、既存の神経化学的および精神生理学的理論を補完する統合的モデルです。しかしながら、最近の研究のほとんどは、陽極tDCSがRPEを減少させることによってTTEを増加させることを示唆している。したがって、この主題に関するさらなる研究が必要です。 以前の研究では、[周辺の筋侵害受容器(グループIIIとIVの筋求心性神経)からの求心性応答が運動中の呼吸循環応答を調節することを報告している]。オカノ他は、側頭皮質上のtDCSが心拍変動(HRV)を増加させることを報告しており、それは増分運動試験中の自律神経系(ANS)活動によって調節される。さらに、モンテネグロ等。側頭葉のtDCSは、ANS対照領域をかなり標的としており、健康な対象におけるHRVの増加をもたらすことを示した。まとめると、これらの結果は、tDCSが運動中のANS活性を増加させる可能性があることを示唆している。しかし、この研究では、SNS / PNSバランスに有意差は見られませんでした。これは運動強度に起因する可能性があります。より具体的には、この研究では、最大強度以下で定荷重試験を実施し、それに応じて副交感神経活動が低下した結果が得られた。オカノ他 80%HRmaxの定荷重試験で運動を行った13人の若年成人座りがちな男性の間でSNS / PNSバランスに有意差は報告されていない。さらに、Anguas等。[ 20運動強度が心血管反応に影響を及ぼさないことは、運動強度がSNS / PNSバランスに影響を及ぼし得ることを示している。しかし、心肺反応が運動中にtDCSの影響を受けるかどうかは不明のままです。Vitor-Costa等。2分間の刺激が11分間のレクリエーション活動の男性に13分間適用され、それらのHRとHRmaxが運動時間に従って比較されたとき、彼らは偽グループと比較して有意差を示さなかったと報告しました。

これらの以前の研究と同様に、本研究でも、偽条件と比較して、tDCS治療後のいかなる時点においても心肺反応(HR、VO 2、VE、RER、およびVT)に有意な変化は見られなかった。したがって、以前の研究と同様に、本研究支援の所見のTDCは、心肺応答に関連する生理学的変数には影響がないこと理論(HRは、VO 2は、RERをVE、およびVT)および中枢神経との間の通信を示唆していますシステムおよび運動単位は求心性反応によってのみ調節される。各研究で使用されているtDCSモンタージュは異なる場合がありますが、これまでに報告された知見は、tDCS介入が心肺反応に影響を及ぼさないことを示唆しています(HR、VO 2)運動中のVE、RER、およびVT)。

本研究のいくつかの制限に注意する必要があります。電気刺激はtDCS治療中に標的部位に特異的に適用されたが、それは広大な皮質の他の領域に影響を与えた可能性がある。言い換えれば、我々はtDCSによって刺激される部位を正確にスクリーニングすることに限界がある。しかしながら、本研究では、我々はM1が様々な証拠によるとtDCSによって刺激されると信じる。Jurcakら。 tDCSは10〜20のEEGに基づいてEEGおよびfMRIと高い相関があることを提案している。Meinzer et al。[ 50fMRIによるtDCS刺激部位の確認の結果として、M1の活性化は偽と比較して有意に増加することを示した。本研究の結果は、主にM1刺激によるものと考えられる。tDCS装置は二重盲検デザインで使用することができるが、本研究は一重盲検デザインを有した。

 

結論

tDCSがM1に適用されたとき、それは準最大走行中のTTEを改善します。ただし、tDCSの介入は心肺反応には影響しません。鎮痛効果と持久力パフォーマンスの間の特定のメカニズムを確立する将来の研究が必要です。さらに、tDCS介入の急性効果が確認されているが、この介入後の訓練に対する長期的な効果を決定するためにさらなる研究が必要である。

 

※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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