概要

機械的な全身振動（WBV）が脳に及ぼす生物学的な影響については、あまり知られていない。本研究の目的は、5週間のWBVによる介入が脳機能に及ぼす影響をさらに調査することであった。マウス（C57Bl/6Jオス、15週齢）に30HzのWBVセッション（1日10分、週5日、5週間）を実施した。対照群は、実際の振動を伴わない同じ介入を受けた（n=10）。また，人間（性別，年齢44〜99歳）には，30HzのWBVセッション（1日4分，週4日，5週間）を毎日実施した（n=18）。対照群には，1Hzのプロトコルを用いて同じプロトコルを実施した（n=16）。ポジトロン・エミッション・トモグラフィー（Positron Emission Tomography）による画像診断を行ったところ、5週間のWBVによる介入の結果、グルコースの取り込みに変化は見られなかった。しかし、全身振動は運動能力を向上させ、覚醒によるホームケージでの活動を減少させた。認知機能テストでは、Stroop Color-Wordテストに選択的な改善が見られた。以上のことから、WBVは脳機能を改善するための安全な介入方法であると結論づけられたが、その効果は微妙であり、プロトコルはまだ最適ではないことが示唆された。

キーワード：運動能力，脳糖代謝，行動覚醒，実行機能

はじめに

前世紀に発表された多くの振動研究は、作業環境における機械的振動の有害な影響に焦点を当てていた。例えば、工具（スレッジハンマーや成形機など）を操作しているときや、乗り物（トラック、ヘリコプター、戦車など）に乗っているときなどである。後者の振動は全身に影響するため、このような振動を全身振動（WBV）と呼ぶようになった。しかし、実験的/治療的に誘発されたWBVの肯定的な効果はその後も発見されており、設定次第では、WBVは筋骨格系を鍛え、身体能力を向上させる安全かつ効果的な方法であることが示唆されている。例えば、筋力の向上3や変形性膝関節症の症状の軽減4などが報告されている。さらに、WBVは、骨密度の増加5や血圧の低下6など、生理学的および健康関連の体力要素を向上させる。高齢者においては、WBVは、運動能力、バランス、一般的な健康状態7,8に加え、身体組成、インスリン抵抗性、およびグルコース調節を改善する。

WBVが認知や脳に与える影響を調べた研究はほとんどない。動物実験では、ラットに1日4時間のWBV(30Hz)を4週間、6週間、8週間照射した。これらのラットには記憶障害と脳障害の兆候が見られた。10 WBVの脳へのポジティブな効果は、WBVセッションの時間がずっと短い場合に見られた。私たちは以前、CD1マウスを用いて、5週間のWBV介入(30Hz、1日5分または30分、5週間)により、バランスビームパフォーマンス(感覚運動テスト)と新規物体認識(大脳皮質に依存する記憶テスト)が用量依存的に改善することを示した11。C57Bl/6Jマウスでは，5週間のWBV介入により，前脳の基底核のコリン作動性細胞が支配する脳領域である体性感覚野と扁桃体12のコリン作動性システムの活性が上昇することを示した。予備的な研究では，神経細胞の活性化を示す即時型遺伝子c-fosの発現がWBVによって亢進することが示された13。神経細胞の活性化は，急性の糖代謝の亢進と直接関連している14一方，糖代謝の基礎レベルの低下は，一般的に脳の病理を示すものと解釈され，例えばアルツハイマー病の初期のバイオマーカーと考えられている15,16が，WBV刺激後の脳の糖代謝の変化についてのデータはない。

18F-FDGポジトロン・エミッション・トモグラフィー(PET)は，ヒトや小型げっ歯類の組織におけるグルコース代謝を生体内試験で縦断的に測定できる高感度な手法である。間接熱量測定や二重標識水などの従来の方法とは異なり、生きている動物や人間の組織特異的なグルコース代謝を測定できるという利点がある。18F-fluorodeoxyglucose PETによる小動物イメージングは、脳代謝に対する介入の効果を評価するために私たちのグループで日常的に使用されており17-19,マウスにおける脳と心臓のグルコース取り込みの時間帯の違いなど、小さな生理学的差異を検出するのに十分な感度を持っている20。ここでは、WBVが脳にとって安全であるかどうかをさらに検討するために、C57Bl/6Jマウスにおける5週間のWBV介入の前後に、18F-FDG PETを用いてベースラインの脳グルコース取り込みを調査した。

ヒトを対象とした研究では、認知機能にさまざまな影響が見られ、有害な影響を示す証拠もあったが、用量反応関係を示すものではなかった。一方、2つの研究では、WBVの急性期の効果が認められた。Ishimatsuらの研究（2016）では、持続的注意のgo no-go課題において、WBV中の反応時間が対照と比較して低いことがわかった21が、この反応時間の低下は、速度と正確さのトレードオフを示唆するエラーの増加とともに起こった。Zamanianらは、分割注意(選択的反応時間)課題ではパフォーマンスが向上したが、選択的注意課題では向上しなかったことを明らかにしたが、これは3つの異なる振動の大きさでも当てはまり、特定の大きさの効果はなかった22。他の1つの研究では、振動の大きさを変えて用量反応関係を調べたが(1.0, 1.6, 2.5 m/s2 rms)、短期記憶課題では差が見られなかった23。これはSherwood and Griffin (1990)の知見とほぼ一致している24。本研究では、40歳以上の高齢者を対象に、5週間のWBV介入のパイロットスタディを行った。

本研究では、5週間のWBV介入がマウスとヒトの脳機能に与える影響を調べることを目的とした。具体的な研究の目的は、（1）脳内のグルコース取り込みを調べること、（2）WBVが覚醒誘導活動を低下させるかどうかを調べること（いずれもマウスの研究)（3）マウスで用いた5週間のWBV介入を応用したWBV介入を用いて、ヒトの実行機能と記憶を調べることであった。

材料と方法

動物と住居

若い雄のC57Bl/6Jマウス（実験開始時15週齢、Charles River社、フランス）を20匹使用した。マウスは体重のバランスをとって2群に分け、5週間のWBVプロトコルを受けたWBV群（n=10）と、疑似的な刺激を受けたコントロール群（Sham刺激マウス、pseudoWBV[pWBV]と呼ぶ;n=10）とした。マウスは12：12の明暗サイクルで、21℃±2℃の温度で飼育した。マウスは座位で飼育した。餌はRMH-B 2181（AB diets BV, Woerden, the Netherlands），水は実験期間中自由に摂取できた。

マウス用全身振動プロトコル

マウスのWBVプロトコルは，CD1マウスおよびC57Bl/6Jマウスを用いた我々の過去の研究11,29を参考にし，Keijserらがより詳細に説明した。発振器には，44.5(L)×28(W)×16(H)cmの箱が取り付けられており，その中には，取り外し可能な12個のマウス用コンパートメント（6.5(L)×=7.5(W)×20(H)cm）が設置されていた。刺激方法は，WBV群のマウスをコンパートメントに入れ，Keijser and co-workers11に記載されているとおり，周波数30Hzの低強度正弦波振動を10分間与えた（振幅0.0537mm，g-force（peak）0.098g）。疑似刺激を受けたpWBV群のマウスをコントロールとし，同じスケジュールで同じ時間だけコンパートメントに入れたが，振動子はオンにしなかった。治療は、平日の明期に行った。時間帯効果や予期効果を防ぐために、治療セッションのタイミングは毎日異なり、明期の間にランダムに配置した。11 マウスには，WBVまたはpWBVプロトコルを37日間適用し，合計27日の刺激日を設けた。

図1

A, マウスプラットフォームのセットアップ: 箱(2), (長さ: 44.5 cm, 幅: 28 cm, 高さ: 16 cm)がバイブレーター(1)に接続されている。マウスは社会的相互作用（オス同士のケンカなど）を避けるため、別々の区画に入れられている（3）。4=アンプ、5=発振器。B, 車椅子に適した振動台の上に椅子を設置したヒト用プラットフォームのセットアップ。

運動性能（バランスビーム

我々の研究室では，このテストは，異なるマウス系統において，疾患の表現型31，運動32，さらにWBV刺激11の影響を受けやすいことが証明されている。そのため，この実験では，WBVプロトコルの有効性を確認するためのコントロールとして，このテストを実施した。バランスビーム装置は，幅5 mm，長さ100 cmのアルミニウム製のビームで構成されていた。梁は床から50cmの高さに設置されている。梁の一端にはプラットフォームがあり，その上にテストマウスのホームケージを置き，マウスの安全な出口とした。ケージの上部はビームの端と同じ高さであった。最初のテストセッションに先立ち，マウスをホームケージから5，10，40cmのところに連続して置き，必要に応じてホームケージの方に誘導することで，マウスがビームを正しい方向に渡るように訓練した。1回の試験は、100cmの長さのビームを3回連続して渡ることであった。すべての試行を録画した。このビデオファイルは，事前に訓練を受けた観察者によって採点された。観察者は，動画ファイルを無作為に作成することで，試験，実験条件，動画のタイムポイントを盲検化した。解析には，各マウスの3回の正しい試行の平均交差時間を用いた。バランスビームテストは，WBVプロトコル開始前の週と，WBVプロトコル終了時，および最後の治療セッションを行った日の翌日の2回行った。

覚醒誘発性ホームケージ活動測定

認知能力や運動能力の向上以外にも、これまでの実験では、WBVを行っている間、マウスは静かに箱の中を探索したり、時にはリアリング（箱の壁に向かって）やグルーミングを見せたり、寝そべったりすることが観察された。一方、疑似全身振動を行った場合、マウスはより興奮した行動をとり、pWBVセッションの間中、箱を探索し続けた。これらの結果から、WBVは覚醒による活動を抑制することが示唆された。そこで、C57Bl/6Jマウスを用いて、WBVとpWBVの急性効果を観察した。覚醒に対するWBV/pWBVの急性効果は，1日目，最初の治療後，17日目，最後の治療後の37日目の3つの時間帯で測定した。処置後1分以内に，マウスは金網の蓋をしていない自分のホームケージに移された。続いて，ホームケージを上から5分間，カメラで25フレーム/秒の速度でビデオ撮影した。マウスは体の中心を指標にして個別に追跡した。マウスの追跡は，Ethovision XT 11.5（Noldus, Wageningen, the Netherlands）ソフトウェアパッケージを用いて，グレースケール法と12.5フレーム／秒のサンプリング周波数で行った。覚醒によるホームケージでの活動の指標として、移動した総距離をセンチメートル単位で抽出した。

マウスの脳内グルコース摂取量

脳内グルコースの取り込みは，18F-FDG PETスキャンを用いて，治療プロトコルの前後1週間に測定した。スキャンプロトコルは、18F-FDGの脳内取り込みの検出を最適化するように設計され、Fuegerらの報告を参考にした32。マウスはスキャンの6時間前から食事を絶った後、医療用空気中のイソフルランで2～3分間の短時間麻酔をかけた（導入5%、維持1.5%）。この間、18F-FDG（5.64MBq、標準偏差[SD]0.70）を陰茎静脈注射で静脈内投与した。60分間のトレーサー取り込み期間中，マウスは自宅のケージに入れ，マウスの環境温度ゾーンであるthermoneutral33内の30℃±1℃の静かな環境で飼育した。PETスキャンの直前に，マウスを医療用空気中のイソフルランで再度麻酔し（導入5%，維持1.5%），1スキャンあたり4匹のマウスを，小動物専用PETカメラ（Focus 220，Siemens Medical Solutions，Malvern，Pennsylvania）の中に，ヒーターパッドの上で，うつ伏せにして置いた。トレーサー注入の60分後から 10分間のスタティックスキャンを行った。減衰と散乱を補正するために，57Co点線源を用いて伝染スキャンを行った。

ポジトロン・エミッション・トモグラフィーのスキャンは，正規化され，放射能の減衰と崩壊が補正された後，反復再構成（OSEM2D，4反復，16サブセット）されて1つのフレームとなった。512×512×95のマトリクス，ピクセル幅0.475mm，スライス厚0.796mmの画像が得られた。脳を含む個々の動物の頭部領域は，AMIDE 1.05 Softwareを用いて画像から切り出した34。画像を立方体のボクセル（0.2 mm）に再スライスし，組織密度を1 g/mLと仮定して，%injected dose per gram (%ID/g) = (組織活性濃度[MBq/g]/injected dose [MBq]) × 100に換算した。18F-フルオロデオキシグルコースの取り込み量は、血糖値の補正を行わなかった .17,35

VINCI 4.72 (Max Planck Institute for Metabolism Research, Germany)を用いて，画像を自動的に相互にレジストレーションし，すべての個別画像に基づいて平均画像を作成した。この平均画像を，C57Bl/6JのMRI（磁気共鳴画像）脳アトラスに手動で位置合わせした36。その後，元の個別画像をMRIアトラスに位置合わせした平均画像に共登録した。アトラスに基づいた関心領域（ROI）を脳全体に作成したが，嗅覚野と脳幹の尾部は，部分体積効果の影響を最も受ける領域であるため，除外した。全マウスのこのROIについて，%ID/g値を抽出して解析した。

ヒト用全身振動プロトコル

デザイン

このパイロット試験では、実験的なWBV介入を受ける実験群と、偽の介入を受ける対照群の二重盲検無作為化臨床試験を実施した。無作為化は、独立した人物が乱数を用いて、1:1の割り当て比率で行った。

参加者

オランダ北部にある2つの老人ホームの職員、ボランティア、入居者のパートナーから健康な参加者を募った。参加基準は、年齢が40歳以上であること。除外基準は、車いす使用者、重篤な心血管疾患、脳外傷、てんかん、急速な進行性または末期の疾患、変性神経疾患、アルコール中毒または薬物乱用の既往歴、うつ病、重度の視覚または聴覚障害、オランダ語の問題であった。合計34名の参加者が研究を完了した。実験群には18名（平均年齢65.8歳、範囲42～99歳、女性61.1%、ミニメンタルステート検査（MMSE）の平均点29.1点、範囲27～30点)対照群には16名（平均年齢66.0歳、範囲45～90歳、女性50.0%、MMSEの平均点28.1点、範囲27～30点）が参加した。

介入方法

Pactive Motion社が開発した椅子付きの振動プラットフォーム（タイプ：Rolstoelpod）を使用した（図1B参照）。実験群では周波数30Hz，振幅0.5～1mm，対照群では周波数1Hz，振幅0.5～1mmの垂直振動を発生させた。その結果，実験群では0.9〜1.8g，対照群では0.002gのGフォース（ピーク）が発生した。被験者は，椅子の背もたれに背中を預け，腕をレストに置き，足（靴を履いていない状態）をプラットフォームの表面に置いて，椅子に座った状態で振動を受けた。両グループとも，1回4分，1週間に4回，5週間で計20日の振動セッションを行った。振動セッションは、人間運動科学の訓練を受けた学生が個別に指導した。

手続き

最初の WBV セッションの 3 日前にベースライン評価を行った。WBV セッションは、エクササイズルームで行われた。最後の WBV セッションの 1 日後に，介入後の評価を行った。評価は静かな部屋で行った。ベースラインと介入後の評価は，同じ評価者によって行われた。週に1回，参加者はWBVセッションの快適さを1（非常に不快）から 10（非常に快適）までの尺度で評価した。

測定項目

認知機能は、Stroopテスト、Digit Memory Span forward/backward、Trailmaking Test (TMT)の3つのテストで測定した。

ストループテストは、選択的注意と抑制の測定に用いられた37。ストループテストは，3つのパートから構成されている。単語テストでは，黒で印刷された100個の色（赤，青，緑，黄）の名前をできるだけ速く挙げることが求められた。カラーブロックテストでは、100個の正方形（赤、青、緑、黄）の色を挙げてもらった。Color-Wordテストでは、100個の色の名前（赤、青、緑、黄色）が名前以外の色で印刷されている場合（例えば、赤という文字が黄色のインクで印刷されている場合)そのインクの色を挙げてもらった。各課題について，課題を完了するまでの時間を記録した。干渉スコアは、カラーブロックテストのスコアをカラーワードテストのスコアから差し引くことで算出した。

Digit Span Forwardテストは、言語性短期記憶を測定するために用いられた38。このテストでは、参加者は、口頭で提示された一連の数字を繰り返すように求められた。数字の数は3回の試行ごとに1桁ずつ増えていいた。同じ長さの連続した数字を2回以上間違えると試験を中止した。得点は一連の数字を正しく繰り返した数である。Digit Span Backwardテストは、言語的作業記憶を測定するために使用された38。このテストはDigit Span Forwardテストと似ているが、1つだけ例外があり、参加者は逆の順序で一連の作業を繰り返さなければならなかった。

認知的柔軟性の測定には、TMTを用った。認知的柔軟性に加えて、TMTテストは視覚運動速度と注意力を測定するために提案された39。TMTは2つのパートで構成されており，パートAでは，参加者は，1〜25の昇順で囲んだ数字の間に線を引かなければならなかった。TMTは2つのパートから構成されており，Aパートでは，数字（1〜25）の昇順に円で囲んだものと，アルファベット（A〜L）の昇順に円で囲んだものとを交互に線を引く（1-A-2-B-3-C）ことが求められた。いずれのパートでも，タスクを完了するのに要した時間を記録した。また，干渉スコアは，パートBのスコアからパートAのスコアを差し引いて算出した。

マウスおよびヒトのデータの統計解析

動物データは、Microsoft Excel（バージョン2016）およびSystat Sigmaplot（バージョン12.5）を用いて処理し、統計的差異を分析した。データは、正規性（Shapiro-Wilk検定）と等分散性（Levene median検定）を確認し、続いて2-Way-Repeated Measures分散分析で分析した。有意な主効果または交互作用が存在する場合は、Holm-Sidak法を用いた一対の多重比較を行った。データは、特に明記しない限り、平均値と平均の標準誤差（SEM）で報告した。ヒトのデータはSPSSバージョン23を用いて解析した。実験群と対照群の快適性知覚の差は，ノンパラメトリックなMann-Whitney U検定で調べた。介入効果の違いは，認知機能テストのテスト前からテスト後のゲインスコアを従属変数，群（実験群と対照群）を参加者間因子，年齢を共変量とした共分散分析で調べた。部分η2効果量を算出した。0.01,0.06,0.14のベンチマークを用いて、それぞれ小さな効果量、中程度の効果量、強い効果量を示した。統計的有意性のカットオフ値は，動物およびヒトのデータともにP < 0.05とした。

マウスおよびヒトの実験の倫理

動物実験は，フローニンゲン大学のInstitutional Animal Care and Use Committee（ライセンス番号：DEC6321C）により承認された。DEC6321C。ヒト試験は，フローニンゲン大学医療センターの医療倫理委員会で承認され，オランダの試験登録簿（NTR4512）に登録された。本研究はヘルシンキ宣言に基づいて実施された。参加者全員がインフォームドコンセントに署名した。研究のGPS位置は，緯度53º 13′ 9,01″N;経度6º 34′ 0,01″Eであった。

結果

マウス試験

体積

PET検査当日の実験開始時の平均体重は、WBVマウスが25.3g(SEM 0.50)、pWBVマウスが25.3g(SEM 0.46)であった。実験終了時の最終的なPETスキャン時の体重は、WBVマウスが27.0g（SEM 0.53)PWBVが26.8g（SEM 0.49）であった。両群ともに経時的に体重が有意に増加していたが（F(1,18) = 34.8; P < 0.001)治療前（t = 5.082× 10-015; P = 1)治療後（t = 0.286; P = 0.78）の実験群間には差がなかった。

バランスビームテスト

バランスビームを渡るのに必要な時間のテスト前とテスト後の値を比較したところ、両グループのマウスは時間の経過とともにパフォーマンスが向上した（図2）。WBVマウスでは21.3%、pWBVマウスでは11.9%パフォーマンスが向上した。この結果、統計解析では、時間の主効果は有意であったが（F(1,18)=10.974;P=0.004)治療の主効果は有意ではなかった（F(1,18)=0.870;P=0.363）。しかし、ポストホック解析の結果、WBV刺激を受けたマウスだけが、統計的に有意なパフォーマンスの向上を示した。平均すると、WBVマウスは処理前に21.00秒（SEM 1.36)処理後に16.5秒（SEM 0.98）で横断した（t = 2.989; P = 0.008）。pWBVマウスは、ビームを渡るのに平均して、処理前は21.26秒（SEM 1.32)処理後は18.73秒（SEM 1.66）かかった（t = 1.695; P = 0.107）。

図2

WBVマウスとpWBVマウス(n = 10匹ずつ)の、5週間のWBVプロトコルの前(黒棒)と後(白棒)のバランスビーム渡り時間。pWBVはpseudo whole body vibration，RM-ANOVAはrepeated measure analysis of variance，WBVはwhole body vibrationを意味する．

覚醒によるホームケージでの活動

活動量の測定では、WBVの投与直後にホームケージの活動量を抑制する効果が急性に現れた。図3Aは、WBVまたはpWBV刺激直後の5分間にマウスがホームケージ内を移動した距離の差を示したものである。全3回の測定（1日目、17日目、37日目）の平均値をグループ平均に含めた。WBVマウスは、治療後の最初の60秒間に平均211cm（SEM10)pWBVは250cm（SEM13）移動した。これが5分間の間にWBV群で172cm（SEM9)pWBV群で184cm（SEM9）と減少していった。移動距離に対する時間の主効果は有意であった（F(1,18) = 55.931; P < 0.001）。グループレベルでのポストホック分析の結果、WBVマウスとpWBVマウスの間には、最初の60秒のインターバルにおいてのみ、統計的に有意な差があることがわかった（t = 2.553, P = 0.018）。これは、分析時間枠における効果サイズにも反映された（図3B）。効果の大きさ（Cohens d）は、最初の1分間隔で1.07,最後の1分間隔で0.43と減少した。そこで、最初の1分間のみを用いて、治療期間中のホームケージでの活動を分析した（図3C）。治療後の最初の1分間において、WBVマウスは、介入プロトコル中の3つの時点すべてにおいて、pWBVグループよりも常に覚醒誘発性ホームケージ活動が少なかったことが、治療の有意な主効果（F(1,18) = 5.466; P < 0.031）によって示された。この効果は介入期間中に増加した。ポストホック解析の結果，37日目の最終治療後にも統計的に有意な効果が認められた（t = 2.247; P = 0.029）．この日、WBVマウスは平均211cm（SEM15)pWBVマウスは平均267cm（SEM29）移動した。

図3

(A) 1日目、18日目、37日目の動物ごとに平均した60秒ビンあたりの移動距離。対応する効果の大きさ（Cohen d）を（B）に示す。(エラーバーはSEM; *two-way-RM-ANOVA: post-hoc Holm-Sidak for WBV vs pWBV: t = 2.553; P = .018)。C）最初のWBVセッション後（1日目)2.5週間後（17日目)およびWBV介入の終了時（37日目）にホームケージに戻ったときの移動距離（エラーバーはSEM、*2-way-RM-ANOVA：ポストホックHolm-Sidak for WBV vs pWBV：t = 2. pWBVは疑似全身振動、RM-ANOVAは反復測定分散分析、SEMは平均の標準誤差、WBVは全身振動。

脳内グルコース代謝

18F-fluorodeoxyglucose PET画像では、介入プロトコルの前後で、WBV群とpWBV群の間に実質的な違いは見られなかった（図4）。WBVマウスの18F-FDG摂取量は、治療前が3.77%ID/g (SEM 0.14)、治療後が3.87%ID/g (SEM 0.10)であった。pWBV群の摂取量は、前処理で3.65%ID/g（SEM 0.13)後処理で4.04%ID/g（SEM 0.16）であった。有意な主効果は見られなかった（処理の効果。有意な主効果は見られなかった（処理の効果：F(1,18) 0.0255; P = 0.875, 時間の効果。F(1,18) 4.317; P = 0.052)有意な主効果が見られなかったため、事後分析ができなかった。

図4

WBVマウスとpWBVマウスの治療前後の平均的な脳内18F-FDG取り込み量（%ID/g）（棒グラフ）の概要

右上のパネルは、18F-FDG PETデータをC57Bl/6 JマウスのMRI脳アトラス19と水平面、冠状面、矢状面で重ね合わせたものである。薄い色の領域は，ROIに含まれる脳領域を示す．暗い色の領域（bulbus, 脳幹の尾側）はROIから除外されている。下の4つのパネルは，WBVマウスとpWBVマウス（各n = 10）のWBV介入前と介入後の平均取り込み量を示す．18F-FDGは18F-フルオロデオキシグルコース，%ID/gは1gあたりの注入量，MRIは磁気共鳴画像，PETはポジトロン・エミッション・トモグラフィー，pWBVは擬似全身振動，ROIは関心領域，WBVは全身振動を表す．

ヒト試験

知覚的快適性は，実験群で7.0（SEM 1.5），対照群で6.9（SEM 1.6）であった（P > .05）．表1は、両群のベースラインおよびゲインスコアにおける認知機能テストの結果を示したものである。獲得スコアの正の値は，ベースラインからテスト後までにテストスコアが向上したことを示す。Trailmaking Aテストを除くすべてのテストで，実験群は対照群よりも向上していた。しかし，その差は概して小さく，統計的に有意な効果があったのはStroop Color-Wordテストのみで，その効果の大きさはほぼ強いものであった（図5）。Stroop干渉スコアについては、統計的に中程度の非有意な効果が見られた。

表1．

実験群（WBV）と対照群（pWBV）の認知機能テストのベースラインスコアとゲインスコア（ベースラインからテスト後まで）の平均値と標準偏差（SD)および共分散分析の結果

	ベースライン				試験後のベースラインからの利得A				ゲインスコアの違いb
認知テスト	実験グループ		対照群		実験グループ		対照群
	N	平均（SD）	N	平均（SD）	N	平均（SD）	N	平均（SD）	F c	P	ES d
ストループワード	18	50.8（13.5）	16	51.1（12.4）	18	0.25（8.7）	16	−0.25（6.3）	0.034	.855	0.001
ストループカラーブロック	18	66.4（21.8）	16	67.5（19.8）	18	9.04（12.7）	16	6.63（10.8）	0.564	.458	0.018
ストループカラー-単語	17	115.9（48.9）	15	120.8（48.8）	17	27.4（23.4）	15	11.6（20.2）	4.587	.041	0.137
ストループ干渉（CW-C）（s）	17	50.4（32.8）	15	54.8（31.6）	17	19.0（22.3）	15	7.20（18.2）	2.604	.117	0.082
トレイルメイキングA（s）	18	46.6（27.9）	16	51.9（41.0）	18	2.63（12.6）	16	3.18（16.0）	0.011	.915	0.000
トレイルメイキングB（s）	17	125.7（104.7）	14	125.3（89.8）	17	19.3（31.4）	14	8.89（23.0）	0.847	.365	0.029
トレイルメイキングBA	17	79.7（81.8）	14	83.82（70.6）	17	17.8（35.8）	14	8.97（20.2）	0.488	.491	0.017
前方の桁スパン（#digits）	18	11. 9（3.8）	15	10.9（2.7）	18	0.89（2.2）	15	0.40（2.2）	0.381	.542	0.013
桁スパン後方（#digits）	18	7. 8（2.6）	15	7.5（3.1）	18	0.22（1.9）	15	−0.13（2.9）	0.122	.729	0.004

略語は SD は標準偏差、pWBV は疑似全身振動、WBV は全身振動。

a 正の値はベースラインからテスト後までの改善に対応し、負の値はテストパフォーマンスの低下に対応する。

b 年齢を共変量とした実験群と対照群の差。

c df = 1,28-31。

d 部分η2効果量。

図5

実験群(WBV)と対照群(pWBV)の介入前(黒棒)と介入後(白棒)のStroop Color-Wordテストのスコア。pWBVはpseudo whole body vibration、SEMはstandard error of the mean、WBVはwhole body vibrationの略。

考察

要約すると、PET画像から、5週間のWBV介入の結果として、グルコースの取り込みは変化しないことが明らかになった。しかし、WBVはマウスの運動能力を向上させ、覚醒誘発性活動を減少させた。認知機能テストでは、Stroop Color-Wordテストに選択的な改善が見られた。以上のことから、私たちのWBVによる介入は、少なくとも脳機能の一部を改善することができる安全な介入であると結論づけられた。しかし，ヒトの研究における認知機能テストの限界は，栄養補助食品，カフェイン摂取量，睡眠の質などの変数をコントロールできなかったことにあるかもしれない。マウスとヒトの直接比較に影響を与えるその他の要因は、種間の固有の違いに基づくものである。マウスは4本足で立った状態、座った状態、横になった状態、またはそれらを組み合わせた状態でWBVを受けてたが、2本足の人間の参加者は座った状態であった。また、WBVセッションの回数と時間（マウスではそれぞれ37分と10分、ヒトでは27分と4分）も同様ではなかった。ヒトの場合、WBVセッションの回数が少なかったのは、高い装着率を確保するためと、参加者や監督者に多くを求めすぎないようにするためである（高齢の参加者の場合）。WBVセッションの時間を短くしたのは、本研究で使用した高齢の参加者にとって、4分以上のWBVセッションは長すぎると感じられたというパイロット研究に基づいている。それにもかかわらず、マウスとヒトの両方において、WBVのポジティブな効果が認められた。

C57Bl/6Jにおける運動能力の向上は、以前にCD1マウスで示した結果と一致している。pWBVの直後はWBVに比べて身体活動量が多いことから、WBVは実験で誘発された行動の覚醒を軽減していると考えられる。覚醒度低減効果は、実験の過程で徐々にその大きさを増していった。この効果は、図3Aに見られるように、セッション後数分で減少し、WBVの効果がかなり急性であることを示している。このような覚醒抑制効果がヒトにもあるとすれば、WBVの注意力に対する急性効果の一因となる可能性がある25。なお、今回の結果は、5週間のWBVプロトコル単独では、マウスの行動覚醒を誘発しないことも明らかにしている。

前脳の基底核から扁桃体へのコリン作動性投射は、感覚入力に反応することが知られているため、この覚醒抑制効果に関与している可能性がある。電気生理学的には、基底核のコリン作動性細胞が注意プロセスの制御や覚醒の制御・維持に関与していることが示唆されている。私たちは以前、5週間のWBV介入により、扁桃体と大脳新皮質への基底核のコリン作動性投射の活性が増加することを実証した12。したがって、コリン作動性システムの活性化が、私たちがマウスとヒトで発見したWBVの効果に重要な役割を果たしているのかもしれない。全身振動は受動的な運動とみなすことができるが，これは，自発的な運動が覚醒誘導活動を低下させ，不安関連行動を抑制するという観察結果と一致する42,43。

我々の知る限り、本研究は、WBVに関連した脳内の18F-FDG PETイメージング研究としては初めてのものである。我々の研究における18F-FDG PETデータでは、WBVによる脳内取り込み率の有意差は見られなかった。pWBV群では、治療後にわずかな増加が見られたが、有意ではなかった。我々のグループによる他の（未発表の）データは、トレーサー取り込み期間中に動物がより覚醒していれば、時間の経過とともにはるかに強い脳グルコースの取り込みを示すのが一般的である。脳内グルコース取り込みの効果は、末梢グルコース代謝に非常に敏感です32。そのため、脳内グルコース取り込みの増加が見られないことが、本研究で観察されたWBVプロトコルの覚醒低下効果と関連している可能性がある。ヒトでは、高強度の有酸素運動に関連して脳のグルコース代謝が研究された。長期にわたる慢性的な運動介入では、グルコース摂取量の増加と減少のパターンが混在しており、非常に脳の領域に特化しているようである。一方、高齢女性を対象とした3カ月間のウォーキング介入では、対照群と治療群の間でさまざまな脳領域におけるグルコース摂取量に差が見られたが、グルコース摂取量の全体的な差は観察されなかった48。マウスにWBV刺激を与えた後の結果は、ヒトにおけるこれらの様々な知見と一致しており、ベースラインの全体的な脳のグルコース代謝に対して、マウスのWBVが大きな有益な効果をもたらさないだけでなく、有害な効果ももたらさないことを示している。マウスのWBV刺激には脳領域に特異的な効果があるかもしれないが、PETの空間分解能ではそのような効果を検出することはできない。

本研究のヒト編の目的は、認知機能に障害のない高齢者を対象に、5週間のWBV介入プロトコルの効果を調べることであった。その結果、30HzのWBVと1HzのpWBVを併用することで、Stroop Color-Wordテストのパフォーマンスが向上したが、Stroopテストの他の条件では向上しなかった。また、TMTテストとDigit Spanテストでは、有益な効果も有害な効果も認められなかった。これらの結果は、若年層におけるWBVの短期的な効果に関する先行研究と一部一致している。今回の研究と同様に、Regterschot et al 2014)はDigit Span Backwardテストへの影響を認めませんであった25。もし、マウスで見られたように、WBVによってヒトでもコリン作動性が亢進されるのであれば、Stroop Color-Wordテストの改善を説明できるかもしれない。このテストはコリン作動性と正の相関がある49が、他のテストにも影響があるはずである。おそらく、今回使用したWBVプロトコルは、他のテストの改善を誘発するにはまだ最適ではないのであろう。いずれにしても、このパイロット研究のサンプルサイズが小さいこと、年齢層が高いこと、得られたスコアの標準偏差に反映されているように反応のばらつきが大きいことを考慮して、この発見を慎重に解釈すべきである。今後、より多くのサンプルサイズの研究を行うことで、今回の結果を裏付けることができるであろう。また、WBVが抑制に影響を与えるという仮説の根底にある潜在的な神経生物学的メカニズムに関する研究も必要である。さらに、反応のばらつきが大きいことを考慮すると、今後の研究では、短時間のWBVを繰り返し照射することも考慮して、個別の設定を検討する必要がある。最後に、WBVの効果の人口特異性を調べるために、さらなる研究が必要である。特に認知機能に障害のある人は、WBVから恩恵を受ける可能性がある。最近の研究50では、認知症の高齢者においてWBVが実行可能で安全であることが示されたが、この特定の集団においてWBVが身体機能や生活の質に影響を与えるという証拠は見つかりなかった。しかし、WBVが認知症の人の認知機能に影響を与えるかどうかは、まだわかっていない。以上のことから、私たちの5週間のWBV介入は、脳機能を改善する安全な介入であると結論づけられたが、微妙な効果から、このプロトコルはまだ最適ではないことが示唆された。