語彙のエンコーディング中にトレッドミルウォーキングを行うと、言語的な長期記憶が改善される

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運動方法 認知活動・脳トレ

readmill walking during vocabulary encoding improves verbal long-term memory

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4114134/

要旨

適度な身体活動は様々な認知機能を改善し、特に認知課題に同時に適用される場合には改善する。本研究では、被験者内での心理内分泌学的実験を行い、外国語語彙のエンコーディング中に、非常に低強度の運動(歩行)を行うことで、安静時のエンコーディングに比べて、その後の想起が改善されるかどうかを調べた。さらに、血清中の脳由来神経栄養因子(BDNF)と唾液中のコルチゾールの動態を調べた。これまでの研究では、両物質は記憶力と関連していた。

どちらの実験においても、被験者はエンコーディング中に運動的に活動していた方が、座っていた場合に比べて、より良いパフォーマンスを示した。血清中のBDNFは記憶力とは無関係であった。対照的に、唾液中コルチゾール濃度と正しく想起された項目の数との間には正の相関が見られた。

要約すると、エンコーディング中の非常に軽い運動であっても、その後の想起には有益であるということである。

はじめに

多くの逸話報告によると、身体活動が問題解決や新しい情報の暗記に有益であることが示唆されている。例えば、古代の哲学者や僧侶が日常的に行っていたこととして、同時に散歩をしたり、文章を朗読したりすることが挙げられる。宣言的学習や複雑な問題を再構築しながらのプロムナードの間、部屋の中を上下に歩くことは有用であると報告されている[1]。そのため、様々な分野で同時運動が認知資源を高める可能性があることが報告されている。

本論文では、身体運動と運動活動を区別している。運動とは、指で叩いたり、散歩したりするような非常に低い強度の運動を指し、運動とは、体力や健康に変化をもたらすはずのVO2maxが46%以上の強度を持つ運動に限定している[2]。後者に関しては、特定のタスクの前に1回の運動を行うと認知機能が向上するという証拠が増えてきている。このことは、情報処理速度[3-5]、エリクセンフランカータスク、トレイルメイキングテスト、ストループ干渉[6,7]などの実行機能[6,7]、認知柔軟性の向上[8]、ワーキングメモリ[9,10]や長期記憶[11-13]などのニーモニック機能についても示されている。記憶タスクに対する運動のタイミングがその効果を調節するという証拠がある。LabbanとEtnier [14]は、記憶項目を覚える前に中程度の強度の急性運動を行った場合、運動を行わなかった場合と比較して記憶力が有意に向上することを示した。さらに、Salasら[12]は、エンコード前の歩行(中程度の強度、すなわち「約束の時間に遅刻したときに使う歩行速度」、p.509)は、自由想起課題のパフォーマンスを向上させるが、検索前は向上させないことを明らかにした。したがって、急性の運動は、時間的にエンコーディングに近い場合には、記憶に特に有益であるように思われる。しかし、Winterら[13]は、学習前に高強度の運動を行うと語彙の習得が速くなるが、高強度の運動でも低強度の運動でも、同じ日、1週間後、8ヶ月後の語彙保持力の向上にはつながらないことを発見した。同様に、Coles and Tomporowski [11]は、自由想起テストの前に中程度の強度のサイクリングを行っても、サイクリングエルゴメーターに座っていたり、教育的なドキュメンタリーを見たりした場合と比較して、正の効果はないことを発見した。同時運動活動に関しては、二重タスク効果がパフォーマンスを低下させる可能性がある(包括的な概要については[15]を参照のこと)。いくつかの研究では、暗記中の低強度の歩行は、若くて健康な成人であってもパフォーマンスを低下させることが示されている(例: [15-18];ただし、9歳児における反対の効果については[19]を参照)。私たちの研究室の結果はその逆で、2つの学習研究と注意配分実験では、低・中程度の強度の同時サイクリングは、座っている場合と比較して、より良いパフォーマンスを示した[20-22]。今回の実験シリーズでは、語彙エンコーディング中のトレッドミル歩行がその後の記憶力に与える影響を調べた。特に、運動と認知能力に関する研究で一般的に調査されている強度レベルよりもはるかに低い、非常に低強度の運動活動(約50%未満のVO2max)の効果を調査することを目的とした。

ニーモニックプロセスに対する身体活動の効果を媒介する内分泌学的パラメータの探索は、脳由来神経栄養因子(BDNF)[13,23]に焦点を当ててきた。いくつかの研究では、BDNFレベルが記憶などの認知プロセスと関連していること(例:[24,25])および少なくとも中程度の強度の急性運動は、ヒトにおいて血清および血漿中のBDNFの両方を上昇させることが示されている(例:[13,26-31])。しかし、私たちの研究では、中等度の強度での自転車走行を用いた語彙エンコーディングの研究では、血清BDNFと学習能力との間に有意な相関は見られなかった[20]。これは、高強度ではあるが低強度ではない自転車走行のみが血清中の BDNF の(一過性の)増加をもたらすという我々の観察結果と一致している[29]。BDNFは認知パフォーマンスに関連していると考えられるため、今回の2つの実験のうち最初の実験で測定したが、BDNFの増加は期待していなかった。しかし、我々はそれが現在の低強度の運動活動によって変調されることを期待していなかった。

その代わりに、2つ目の実験では、運動が認知に及ぼす正の効果の代替的な説明、すなわち覚醒仮説を検証した(例:覚醒仮説[32])。Tomporowski [33]はレビューの中で、Yerkes-Dodsonの法則[34]に従った認知と身体的覚醒の関係を示す証拠を発見した。Levitt & Gutin [35]は、心拍数が中程度に増加した場合には反応時間が速くなるが、心拍数が高度に増加した場合には反応時間が遅くなることを報告している。Kahneman[32]のモデルによると、同時に低強度の運動を行うと覚醒レベルが上昇し、その結果、認知的なタスクを実行するために利用可能な資源が増加する。一方で、運動によって認知課題を遂行するために必要な資源が奪われてしまう場合には、干渉が生じるはずである。この場合、運動によって必要とされる精神的負荷が高すぎて、認知課題を管理することができなくなってしまう([36]参照)。さらに、少なくとも高強度レベルでの身体運動は、精神生理学的ストレスを増加させ、その結果、覚醒レベルを増加させることが報告されている[37]。これは個人のストレスレベルを反映して唾液コルチゾール反応に影響を与える[38]。したがって、認知タスクと組み合わせた運動活動は、「参加者の覚醒」と唾液コルチゾール濃度の偏向につながる可能性があるストレスレベルを増加させる必要がある。実際、Almelaら[39]は、ストレスに関連したコルチゾール反応が高いと中年女性の記憶力に負の影響を与えることを示している。しかし、他の研究者は、ストレスが記憶力に有益な効果をもたらすことを発見している(例:[40])。私たちは、今回の一連の実験でこの問題を調査した。

以上をまとめると、これまでの身体運動と長期記憶、およびその内分泌学的基質に関する実験では、一貫性のない結果が得られてた。我々のデータは、低~中程度の運動強度であっても、エンコーディング中の身体活動が特に語彙学習に有益であることを示している。今回の研究では、さらに運動強度を下げて、有酸素運動負荷を最小限に抑えた状態で運動を行う実験を行った。このように、本研究では、遊歩道を歩くことが認知に与える効果を実験条件を制御して検証した。我々の先行研究[20,22]とは対照的に、我々は男女同数の被験者を対象とした。そのため、これまでの運動研究では男性と女性のどちらかを対象としていたり、性別の因子が並列化されていなかったりした(例:[10,13,14])という限界を克服した。これは、これまでの研究で女性の方が男性よりも優れたエピソード記憶機能を示す可能性があることが示されていることから、重要な問題である。さらに、本研究では、ゆっくりとしたトレッドミル歩行が聴覚的語彙エンコーディングに及ぼす影響を評価するために、被験者内デザインを適用し、被験者間デザインと比較して統計力を向上させた。最初の実験では、BDNFが認知能力に関連していると考えられるため、血清中のBDNFを測定したが、現在の低強度活動によってBDNFが変調されるとは考えられなかった。第二の実験では、ストレス-arousal仮説に従っており、唾液コルチゾールを収集した。

歩行時の学習パフォーマンスは、座位状態と比較して、参加者がより良い学習パフォーマンスを示すだろうという仮説を立てた。しかし、これまでの研究では、トレッドミル運動は認知資源を必要とする可能性があり、そのためトレッドミルに慣れていない被験者や自信のない被験者の方がパフォーマンスが悪くなる可能性があることが示されていた。最近のレビューでは、LambourneとTomporowski [43]は、同時サイクリングは認知パフォーマンスを向上させるが、トレッドミルでの同時運動はパフォーマンスを悪化させると結論付けている。この矛盾は、トレッドミル運動がバランスの維持と上肢と下肢の協調性に要求される量が増加し、認知的タスクの要求を妨げている可能性があることに起因している。そこで、この問題をコントロールするために、トレッドミルでどれだけ安全だと感じたかを評価してもらった。これまでの結果と同様に、我々は歩行によって血清中のBDNFは上昇しないと予想していた。しかし、歩行時の唾液中コルチゾールの増加は、覚醒作用の増加により、鎮静時に比べて増加すると考えられる。また、語彙テストの成績は、符号化中の唾液コルチゾールの変化と正の相関があると考えられる。

材料と方法

参加者

今回の実験シリーズには、右利き(Edinburgh handedness inventory [44]によって決定された)のドイツ語モノリンガルの若く健康な49人(18~30歳)が参加した。除外基準は、精神医学的または神経学的障害の既往、喫煙、投薬(避妊薬を除く)肥満、ポーランド語または他のスラブ語の知識(ポーランド語の語彙の習得を求められたため)であった。18人(女性9人、平均年齢:22.8歳、SD:2.6,平均BMI:23.2kg/m2,SD:2.9)が実験1に参加した。31名(女性16名、平均年齢:21.7歳、SD:2.7,平均BMI:22.8kg/m2,SD:2.5)が実験2に参加した。

倫理規定

両方の実験は、フランクフルト医科大学のゲーテ大学の倫理委員会によって承認されている “脳の可塑性と外国語学習上の同期的な身体活動の影響 “と題したプロジェクトの一部である。このプロジェクトは、ヘルシンキ宣言に定められた原則に従って実施された。すべての被験者は研究の目的を知らされ、書面による同意を得ました。

手続き

被験者はまず実験前の評価セッションでスクリーニングを受けた。このセッションの後、参加者は2つの実験学習セッションのために私たちの研究室に来るように求められた。実験手順は実験1と実験2と同じである。唯一の違いは、実験1ではBNDF分析のための血液サンプルを採取し、実験2ではコルチゾール分析のための唾液サンプルを採取したことだけである。

実験前のスクリーニング

参加者はいくつかの質問票に記入した。身体活動レベルはFreiburg Questionnaire of Physical Activity (FQPA; [45]を用いて測定した。さらに、学習した外国語の数と演奏した楽器の数を記入しなければならなかった。さらに、新しい語彙を記憶する能力をテストした。受験者には40の擬音語とドイツ語の擬音語のペアを聴かせた。すべてのボキャブラリーのペアはヘッドフォンを介して提示された。30分後、被験者は上記のアンケートに記入した後、ボキャブラリーテストに参加した。

さらに、参加者には電動トレッドミル(フィンランド、トゥルクのトゥントゥリ)で約20分間歩いてもらい、個人の好みの歩行速度を測定した。各ステップは、参加者の左足のかかとに直径0.5インチの丸い感知部を固定した力感知抵抗器を使って測定した。

研究の開始時には、参加者全員に、実験期間中(1週間)は身体活動レベルを含む日常生活の変化を避けるように指示した。

学習セッション

実際の実験のために、参加者は2回、私たちの研究室に来てもらった。1回のセッションでは、被験者は40個のポーランド語の単語(20個の名詞と20個の動詞)を、モーター駆動のトレッドミルの上を好みの速度で歩きながら学習した。好みの速度を選択した後は、歩行速度と刺激速度は実験中ずっと同じであった。第2セッションでは、被験者はキャンバスの椅子に座りながら、さらに40個のポーランド語の単語を学習した。セッションの順番は、被験者間でバランスをとった。第2回目のセッションは、第1回目のセッションからちょうど72時間後、つまり1日の同じ時間帯に行われるように慎重にコントロールした。さらに、被験者は各学習セッションの24時間後にオンラインの語彙テストに参加した。歩行が語彙のエンコーディングに与える影響を観察するために、難しい聴覚的なペア連想学習のパラダイムを用いた。さらに、参加者は単語の綴りを知らないため、同調性のない聴覚刺激は、最大でもリコールテストでの不正行為を防ぐことができた。

各学習セッションは30分間、参加者はポーランド語の語彙を2回聞いた。また、各セッションの最初には基本周波数が250Hzの206個の正弦波の音が、セッションの途中には116個の音が提示された。これは、参加者に新しい状況に慣れるためと、2つの学習ブロックの間の一時停止の合図のために、それぞれ行われた。音色は、各参加者の事前に決定された好ましい歩行速度で提示された。音の大きさは参加者の好みに合わせて調整し、両学習セッションで一定にした。語彙のペアの順番は、各学習セッションと各参加者ごとにランダムに設定した。刺激はヘッドフォン(Philips SHP 1900)を介して聴覚的に提示された。ポーランド語とドイツ語の項目は、それぞれ音声言語学的な背景を持つ女性のポーランド語とドイツ語のネイティブスピーカーによって話された。すべての刺激は、PRAATソフトウェアを用いて75dBの強度レベルに正規化した。ポーランド語とドイツ語の語彙ペアの刺激オンセット非同期(SOA)は、単語の知覚中心[46]、すなわち強調された音節の母音のオンセットに一致しており、好ましい歩行速度、すなわち4歩目ごとの歩数に相当した。平均的なSOAは、4歩目ごとの単語提示に対応する語彙ペア内で2.8秒、語彙ペア間で8.4秒であり、その結果、次の語彙ペアが提示される前に12歩のポーズをとることになった。この間、参加者は前に提示された単語ペアを大きな声で繰り返すように求められた。歩行セッションでのパフォーマンスの向上が意味論的に誘導されていないことを確認するために、行動動詞を除外した[47]。

実験とセッションの両方で、個人の心拍数を胸部ストラップ(Polar S810,Polar、Büttelborn、ドイツ)で常時モニターした。歩行セッションでは、上述のように力センサーとカスタマイズされたマイクロコントローラ(®Arduino, http://www.arduino.cc)を使用して、参加者の歩行速度を追加で測定した。

環境はどちらの学習条件でも一定に保たれており、トレッドミルと座位セッションの両方が同じ部屋で行われた。各セッションの終わりに、参加者はトレッドミルでの安全性と最後の夜の睡眠の質を示すように求められた。回答は、「低い」から「高い」までの5段階のリッカート尺度で与えられた。さらに、参加者にカフェインとアルコールの摂取量を尋ねました。また、過去24時間の睡眠時間数も記入してもらった。

各学習セッションの24時間後に、被験者はカスタマイズされたオンライン語彙テストに参加した。テストへのアクセスは、被験者が個々のテスト時間(+-1時間)を守るように時間的に制限されていた。ここで、被験者はポーランド語の語彙をすべて聞き、ドイツ語の翻訳を応答フィールドに入力するように求められた。応答時間は、各項目について8秒に制限された。

採血

実験1では、各セッションの参加者18人のうち11人から2つの静脈血を採取した。他の7人の参加者は、採血を受けることに不快感を感じていると宣言した。追加のストレス要因を避けるために、これらの被験者の採血は控えた。他の参加者については、10分間の休息時間の後に最初の採血を行った。したがって、心肺機能パラメータは学習期間の開始時には安定したベースラインレベルにあった。2回目の採血は、特定の介入(トレッドミル歩行またはキャンバス椅子に座っての学習)が終了した直後に行った。

BDNF血清濃度の分析

つの血液サンプルのそれぞれにおいて、4.5mlの前庭静脈からの静脈血を、凝固した血液チューブで採取した。血液サンプルの収集および分析は、以下の統一プロトコルに従って実施した:すべてのサンプルは、21℃の温度で30分以内に凝固した。凝固期間の後、サンプルを、Heraeus Labofuge 200(Thermo Fisher Scientific、ドイツ)を用いて、毎分4800ラウンドで10分間遠心分離した。直後、血清を別個のSafeSealマイクロチューブ(SARStedt、Nürnberg、ドイツ)にピペッティングした。サンプルを-30℃で一晩保存し、次いで-80℃の冷凍庫に移し、さらに3週間保存した。次いで、血清中のBDNFレベルを、R&D Systems (Wiesbaden, Germany)からのQuantikine® Human BDNF Immunoassayを用いて、それぞれ6.2%および8.1%のアッセイ内およびアッセイ間の精度で測定した。

メーカーの情報によると、BDNFの最小検出量は20pg/mL未満であった。すべてのサンプルは信頼性のために2回試験した。

唾液サンプリング

実験2では、2つの唾液サンプルは、各セッションのすべての参加者から採取した。最初の唾液サンプルは、各介入の前に収集された。2番目の唾液サンプルは、特定の介入(トレッドミルウォーキングやキャンバスの椅子に座っている間に学習)が終了した直後に採取された。

コルチゾール濃度の分析

現在の研究では、我々は唾液を収集するための “Salivette”(SARStedt AG & Co. (Nümbrecht))収集装置を使用した。それらは、それ自体が遠心分離機の容器に置かれる吊り下げられた挿入物の中の綿棒で構成されている。

被験者は、1分間、綿棒を優しく噛むように指示された。その後、被験者は、飽和した綿棒を触らずに懸濁した挿入物に戻す。誤差を減らすために、被験者は、試験セッションが開始される1時間前から、水以外のものを飲食することを許されなかった。唾液サンプルは、生化学的分析を行うまで-30℃で保存した。唾液サンプルは、分析するまで最大47日間保存した。サンプルは、Naterら[48]に記載されているプロトコルに従って分析した。遊離唾液コルチゾールの濃度は、ルミネセンスイムノアッセイ(IBL、ハンブルグ、ドイツ)を用いて、それぞれ4.5%および4.3%のアッセイ内およびアッセイ間の精度で分析した。

データ分析

両実験ともに、被験者内セッション(トレッドミル歩行、定住)被験者間セッション(性別)共変量「トレッドミルでの安全性の認識」を用いて、2*2 ANCOVAを用いて語彙テストのパフォーマンスを比較した。

実験1. BDNFの学習パフォーマンスへの影響を調べるために、被験者内因子としてセッション(トレッドミル歩行、座位)と時間点(1,2)、被験者間因子として性別、共変量としてトレッドミル上の安全性を設定し、血清中のBDNFについて2*3*2*2のANCOVAを計算した。さらに、学習のためのBDNF動態(学習後のBDNFからベースライン時のBDNFを差し引いた値)を計算し、各時点でのBDNFとBDNF動態と語彙テストの成績との相関を計算した。

実験2. コルチゾールの学習パフォーマンスへの影響を調べるために、被験者内因子をセッション(トレッドミル歩行、座位)と時間点(1,2)、被験者間因子を性、共変量をトレッドミル上の安全性とし、唾液コルチゾールに関する2*3*2*2のANCOVAを計算した。さらに、学習中のコルチゾールレベルの変化を計算し、各実験セッションについてコルチゾール動態と語彙テストの成績との間の相関を計算した。コルチゾールレベルが平均値から3標準偏差以上乖離していた1人の参加者を分析から除外した。

結果

参加者

実験1と2のサンプル特性の概要は、表1に提供されている。両方の実験では、参加者は適度に身体活動的であり、約1.3 Hzの周波数で歩いた。提示頻度と行動性能は相関しておらず、個々の提示時間が保持性能に影響しないことを示していた(座位:r = -.02,p = 0.9,歩行:r = -.09,p = 0.6)。

表1 両実験のサンプル特性

実験1 実験2
身体活動に関するフライバーガーアンケート(FQPA)


50(31.8)MET-h / wk


50(30)MET-h / wk


望ましい歩行頻度


1.3(0.17)Hz


1.36(0.22)Hz


外国語


2


2


実験前の擬似語学習


40語中9.7(4.6)


40語中7(4.4)


心拍数トレッドミル/リラックス


100/69(14.8 / 7.1)bpm


112/74(10.4 / 7.1)bpm


推定歩行強度


52.9(7.7)%HR max


58.7(5.5)%HR最大


カフェインの消費


1.1(1.6)カップ


0.4(0.8)カップ


アルコール消費量


0.5(1.2)グラス


0.25(0.6)グラス


睡眠量


7.1(1.2)h


7.5(1.1)h


睡眠の質 “良い” “良い”

平均心拍数(表1参照)は、両実験ともに歩行時と安静時で有意に異なっていた(実験1:t(17)=10.3;p<0.001;d=2.81,実験2:t(28)=18.7;p<0.001;d=3.7)。両方の実験では、心拍数[49]によって推定される歩行強度は、米国スポーツ医学会[2]のガイドラインによると非常に軽度であった。どちらの実験でも、参加者はカフェインやアルコールの摂取量や睡眠の量や質にセッション間の差はなかった(表1を参照)。

実験パフォーマンス

実験1では、オムニバスANCOVAにより、セッションの主効果(図1参照;F (1,15) = 6.98,p = 0.02,ηp2 = 0.318;トレッドミルでの平均歩行:5.5 (SD: 3.3)語、定住:4.8 (SD: 4.2)語)とセッションの日×トレッドミルでの知覚された安全性の交互作用が明らかになった。4.8(SD:4.2)語)およびセッションの日×トレッドミルでの知覚された安全性の交互作用(F(1,15)=12.3,p<0.01,ηp2=0.451)。性との交互作用はなかった。

図1


各条件・実験ごとの語彙力テストの成績。実験1=濃い灰色、実験2=薄い灰色。エラーバーは標準偏差を示す。

実験2については、オムニバスANCOVAでセッションの主効果が明らかになった(図1参照;F(1,28)=6.44,p=0.02,ηp2=0.187;トレッドミル歩行の平均:5.3(SD:4.6)語;座り仕事の平均:4.1(SD:3.5)語。4.1(SD:3.5)語)であった。それ以上の相互作用はなかった。単身被験者のパフォーマンスを図2と図3,3にプロットしたところ、63%の被験者が歩行条件でより良いパフォーマンスを示していることがわかった。

図2

実験1の各参加者の語彙テストのパフォーマンス。リラックスしている=ダークグレー、歩いている=ライトグレー。

図3

実験2の各参加者の語彙テストのパフォーマンス。リラックスしている=ダークグレー、歩いている=ライトグレー。

血清BDNFとパフォーマンス

血清中のBDNF濃度は24767~53158 pg/ml(平均:35301 pg/ml、SD:6799)であった。ベースライン時のBDNF値は、リラックス状態で36822 pg/ml(SD:5645)歩行状態で33071 pg/ml(7355)であった。また、BDNFはリラックス状態で31999 pg/ml(SD:8697)歩行状態で37531 pg/ml(SD:7464)であった。 それ以上の主効果または相互作用は認められなかった。血清中のBDNFと語彙テストのパフォーマンスとの間の計算された相関はいずれも有意に達しなかった。

唾液コルチゾールとパフォーマンス

コルチゾール濃度は1.3~33.8 nmol/l(平均:27.6 nmol/l;SD:6.6)であった。ベースライン時のコルチゾール濃度は、リラックス状態で9.9(SD:8.2)nmol/l、歩行状態で10.6(SD:7.4)nmol/lであった。関節間後のコルチゾールは、リラックス状態で8.3 nmol/l(6.5)歩行状態で8.7 nmol/l(6.5)であった。コルチゾール濃度に関するANCOVAでは、有意な効果は認められなかった(p > 0.08)。しかし、トレッドミルセッション中のコルチゾール濃度の変化(平均-2.37 nmol/l; SD: 3.52)と語彙テストのパフォーマンス(図4参照; r = 0.386; p = 0.02)の間には正の相関があり、パフォーマンスの向上は唾液コルチゾールの減少が少ないことと関連していることを示している。さらに-14 nmol/l付近の極端な値を除外すると、相関関係は依然として有意であった(r = .322; p = .05)。

図4

トレッドミル歩行学習セッション中のコルチゾール値の変化と語彙テストの成績との相関性について


 

考察

本研究では、トレッドミル歩行と運動不足が語彙学習に及ぼす影響を比較した。血清BDNFと唾液中コルチゾール濃度を被験者のサブグループで測定し、これらの物質が身体活動と学習の関係にどのように関与しているかを調べた。

実験1では、被験者の運動量と学習量の関係を調べるために、被験者の唾液中コルチゾール濃度を測定したところ、被験者の運動量と学習量の関係を調べるために、被験者の唾液中コルチゾール濃度を測定した。実験1では、セッションの日とトレッドミルでの安全性との交互作用が見られ、参加者はトレッドミルでの安全性を感じている方がより良いパフォーマンスを示した。しかし、実験2ではこの効果は再現されなかった。これまでの研究[20,22]とは対照的に、今回は女性と男性の同数の参加者を対象とした。その結果、性別という因子が関与する交互作用は認められず、言語的長期記憶に対する歩行の正の効果は性別に依存しないことが示された。この効果は並行して行われる運動活動によって引き起こされるものではなく、学習課題の前に歩行課題が行われていた場合にも観察されたのではないかという議論があるかもしれない。しかし、中等度のエルゴメーターサイクリングに関する我々の以前の研究[20]からのデータでは、エンコード前の運動条件は摂動条件と比較してパフォーマンスを向上させないことが示されている。今回の一連の実験では運動強度が最大酸素消費量の50%以下であったため、中等度の運動を行っても効果がない場合に、エンコード前のこのような低強度の運動状態がエンコードに影響を与えるとは考えられない。したがって、今回の結果は、同時運動が言語学習に有益な効果をもたらすことを示す証拠と解釈している。

重要な点として、本研究の潜在的な限界として、各実験セッションの終了時に即時想起テストを実施しなかったことが挙げられる。本研究では、符号化段階の直後にパフォーマンスがテストされなかった以前の研究と比較するために、このテストを意図的に省略した [20,22]。しかし、最近の、まだ発表されていない研究では、この追加テストを実施した。ここでは、運動活動は保持性能にさらに強い正の効果をもたらした。この証拠は、各セッションの最後に追加のテストを実施することで、現在の知見が強化された可能性が高いことを示唆している。

収集した内分泌学的パラメータについては、血清BDNFは語彙学習に影響を与えなかったが、唾液コルチゾールは語彙学習に影響を与えた。BDNFに関する結果は、血清BDNFは中等度の強度の運動では影響を受けないという我々の先行研究[20,29]の結果と一致しており、このような行動効果を媒介するものではないと考えられる。しかし、これらの結果は、BDNFと記憶力との間に正の関係があることを報告している他の研究(例: [24,25]など)とは対照的である。批判的な注意点としては、サンプリング時間が否定的な結果の原因となっている可能性がある。ここでは、介入後のサンプルは、それぞれの介入が終了した直後に採取されており、活動に関連した増加を拾うには遅すぎたかもしれない。しかし、運動中に採血した場合でも、BDNFは中等度の運動時には増加せず、高強度の運動時にのみ増加している[29]。したがって、我々の報告したヌル効果はサンプリング時間の交絡に基づくものではなく、生理学的に実在するものであると確信している。

今回の結果は、唾液コルチゾールが運動活動と長期記憶の相互作用におけるメディエーター変数である可能性を示唆している。我々は、コルチゾールレベルの変化が歩行条件のパフォーマンスと正の相関があることを発見した。唾液性コルチゾールはトレッドミル歩行中に減少したが、これは我々の初期仮説とは対照的であった。しかし、この発見は、非常に軽いトレッドミル歩行がストレスにならないことを示している。このことは、実験2ではトレッドミル上での安全性とセッションの相互作用が欠落していたことと一致している。実験2の参加者は明らかにトレッドミルの上で非常に自信を感じていたので、コルチゾール値が上昇しなかった理由を説明することができるかもしれない。一方で、安静時と歩行時の心拍数に有意な差が見られたことから、歩行時の方が覚醒度が高くなっていることが示唆された。しかし、心拍数と語彙テストの成績との間には有意な相関関係は見られなかった。

以上のことから、内分泌学的パラメータが行動効果の一端を担っていると考えられる。我々の結果は、記憶に対するグルココルチコイドの効果に関する先行研究と一致しており、コルチゾールレベルの上昇は記憶形成を改善し、特に感情的に喚起される出来事の記憶を改善することを示している(例えば、[50];レビューについては[51]を参照)。我々の介入、すなわちトレッドミルウォーキングはコルチゾールレベルを増加させなかったので、我々は、より安定したコルチゾールレベルが、現在の感情的に中立な刺激に対するより良い記憶形成と関連していることを発見した。まず、今後の研究では、参加者に早歩きをさせた場合にこの効果が強くなるのか、つまり身体的覚醒度を上げた場合にこの効果が強くなるのか、それとも逆の効果があるのかを評価する必要がある。Kirschbaumら[52]は、宣言的記憶(ワードリストの想起テスト)に対するストレスの効果を研究した。著者らはTrier Social Stress Test [53]を用いてストレスを誘発し、コルチゾール反応と記憶テストのパフォーマンスの間に強い負の相関があることを発見した。したがって、運動誘発性コルチゾール反応と記憶力の効果に関する今後の研究では、運動強度が高くなりすぎて記憶保持力が向上しない逆U字型関数のピークを特定する必要がある。第二に、情動的に覚醒する刺激がより強い効果をもたらすのか、それとも物理的覚醒が情動的刺激と中立的刺激に同じように影響を与えるのかは未解決の問題である。おそらく、初期エンコーディング時の覚醒を増加させるために以前よく使われていたコールドプレッサーストレス [50] は、感情的刺激に対して特別に有効であるのに対し、快感的覚醒の一形態としての運動は中性刺激にも影響を与えるのではないであろうか。このように、歩行が語彙学習に及ぼす効果の具体的なメカニズムはまだ解明されていない。今回の結果は、視床下部-下垂体-副腎(HPA)軸の関与を示唆しているが、より詳細な調査が必要である。

今後の実験で評価しようとしている少なくとも1つの代替的な説明は、聴覚と運動の結合が記憶保持能力に及ぼす影響である。本研究では、刺激は参加者の好みの歩行速度と同じ速度で提示された。したがって、刺激の提示と運動活動の時間的な整合性がパフォーマンスの向上に重要であった可能性がある。この仮説は、外部イベントと内部の出席活動の同期が注意深い処理の前提条件であるエントレインメント理論と一致するだろう [54]。したがって、刺激の時間的予測可能性は、時間内に予想されるポイントに注意を集中させることを容易にし、その結果、認知資源のより効率的な配分が可能になる。しかし、この仮説はまだ検証する必要がある。現在実施中の歩行中の語彙エンコーディングに関する研究では、タイミングという要素を含めて、時間的に整列させた語彙提示とランダムな語彙提示を比較することを目的としている。さらに、私たちの研究室の最近のデータは、同期した運動活動が学習の前提条件である注意配分を高めるという証拠を提供している[21]。したがって、この問題にもっと光を当てるためには、今後の研究が必要である。現時点では、語彙のエンコーディング中に、非常に軽い強度でゆっくりと歩行することで、言語の長期記憶が改善されると結論づけられている。この現象の背後にある正確なメカニズムについては、今後の研究で明らかにされなければならない。