The Effect of Exercise Training on Brain Structure and Function in Older Adults: A Systematic Review Based on Evidence from Randomized Control Trials
www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7230405/
要旨
運動トレーニングが高齢者の脳の健康状態の改善と関連していることを示すエビデンスが蓄積されているが、運動トレーニングが脳の構造と機能を促進する理由についての詳細な文献はまだ十分ではない。
具体的には、FITT-VPの原理（Frequency, Intensity, Time, Type, Volume, and Progression）を用いて運動負荷の特徴を明らかにした研究はほとんどなく、運動訓練のどのような特徴が脳の結果に影響を与えるのかを明らかにする研究はまだない。
運動トレーニングが認知・脳アウトカムに影響を与えるかどうかを判断するために、運動トレーニングが高齢者の脳構造・機能に及ぼす影響を調査したシステマティックレビューを実施した。開始から 2020年2月までにPubMedとScopusを検索し、コクランのリスクオブバイアスツールを用いて研究の質を評価した。合計 24 件のランダム化比較試験が含まれていた。このシステマティックレビューでは、運動トレーニングに参加している高齢者は、介入によって誘発された脳の構造と機能の変化に反映されるように、脳の健康に一般的な利益をもたらす可能性があることが示されている。
しかし、このような有益性は運動介入の用量に依存する。重要なことは、現在のエビデンスでは、応用的な運動処方（例：量、進行度）はまだ限られており、高齢者の認知および脳のアウトカムに対する運動トレーニングの効果を明らかにするためには、今後の研究が必要であるということである。
キーワード：有酸素運動、認知、磁気共鳴画像、加齢、灰白質、白質
1. はじめに
世界の高齢者人口は、時間の経過とともに急激に増加している[1]。例えば 2012年には約8億1,000万人（11.7%）が60歳以上であった。2050年までには、高齢者人口は20億人以上に増加し、世界人口の21%に達すると予測されている[2]。高齢化人口の急速な増加は、一般的に生活の質の低下と医療費の増加に関連している加齢に関連した認知障害に注目を集めている[3]。これまでの研究では、認知能力（情報処理速度、記憶力、実行機能など）は加齢とともに低下することが示されている [4,5,6]。加齢に関連した障害はまた、前頭前野、側頭前野、海馬を含むいくつかの領域における脳の萎縮と脳機能の低下を反映している [7,8,9]。そのため、医療分野では、加齢に関連した認知機能低下の増加率に対抗するために、新しい治療戦略を見出さなければならない。
定期的な身体活動は、加齢に伴う認知機能低下の進行を遅らせるための低コストで非薬理学的な治療法として浮上してきている[10,11,12]。いくつかの疫学研究では、より高いレベルの身体活動と認知機能障害のリスク低下との間に関係があることが示されている[13,14]。同様に、運動トレーニングは、地域に住む健康な高齢者において認知機能を改善することが観察されており[15,16,17,18]、いくつかの系統的レビューおよびランダム化対照試験（RCT）のメタアナリシスでは、高齢者集団におけるこれらの行動効果が証明されている[19,20,21,22,23,24,25,26]。
運動トレーニングは認知機能の改善と関連しているが、運動が高齢者の脳の構造と機能にどのような影響を与えるかについては、まだ十分に理解されていない。アメリカ人のための身体活動ガイドライン[27]は、生涯にわたる運動の有益性に関する科学的知見を更新し、脳の健康に変化をもたらす運動トレーニングの具体的な特徴をさらに強調している。さらに、American College of Sports Medicine [28]では、FITT-VPの原則として、頻度（運動の回数)強度（運動の難易度)時間（介入の長さ)タイプ（運動のモード)量（運動の総量)進行（運動プログラムの難易度の経時的な変化）を提示している。現在のレビューでは、体力と白質容積 [29] や有酸素運動と海馬容積 [30] との関係を示す証拠がいくつか示されているが、 特定の運動特性と脳の構造および機能の変化との間に関係があるかどうかについては、 まだ研究が行われていない。さらに、最近のレビューでは認知機能の変化と運動時間（すなわち運動時間の長さ）との関係についてのみ検討されている[31]が、運動トレーニングの他のFITT-VP特性が脳の構造的・機能的転帰の変化に関係しているかどうかについては検討されていない。
したがって、これまでのエビデンスでは、FITT-VPの原理に基づいて特徴づけられた運動トレーニングの側面が、脳の構造と機能の変化に関連しているかどうかをまとめるには不十分なままであった。そこで、我々は、運動トレーニングと脳の構造・機能との関連性について、磁気共鳴画像法（MRI）と機能的MRI（fMRI）を用いて系統的なレビューを行い、運動トレーニングと脳の構造・機能との関連性について検討した。本レビューでは、高齢者を対象としたRCTを通じ、運動トレーニングの効果の根底にある神経生理学的メカニズムをさらに明らかにしていく。これらの目的を達成するために、（1）RCTの基準（コクランリスクオブバイアスツールなど）を用いた方法論的な質、（2）運動トレーニング測定値と脳構造との関係、（3）運動トレーニング測定値と脳機能との関係を評価した。
2. 方法
2.1. 検索戦略
本レビューのためのシステマティック検索は、PRISMA（Preferred Reporting Items for Systematic Review and Meta-Analysis）の声明ガイドラインに従って、2つのデータベース（PubMedとScopus）を用いて2020年2月に実施した[32]。論文検索のキーワードは、介入用語（「運動」OR「身体活動」OR「身体運動」OR「物理療法」OR「身体トレーニング」OR「運動トレーニング」)脳用語（「磁気共鳴イメージング」OR「MRI」OR「灰白質」OR「白質」OR「拡散テンソルイメージング」OR「ボクセルベースの形態測定」OR「テンソルベースの形態測定」OR「機能的磁気共鳴イメージング」OR「fMRI」)高齢化用語（「高齢化」OR「高齢化」）を使用した。研究はヒト臨床試験デザインに限定した。追加の論文は、手作業で検索し、関連論文の専門家の知識を用いて特定した。
2.2. 除外基準
本システマティックレビューに含まれるすべての論文は、以下の基準を満たしている。(1)実験的RCTには、ベースラインおよび介入後の脳構造または機能のアウトカムが含まれていること、(2)実験群が慢性的な運動介入を行っていること、(3)体力の増加または維持を目的とした計画的かつ構造化された身体活動を含むあらゆる種類の運動介入が行われていること、(4)参加者が60歳以上であること、である。(5)または他の年齢層を調査した場合は、この年齢層のデータのみに限定していること、(6)参加者が認知的に無傷であること、(7)対照群は、ストレッチやバランス、軽度の筋力持久力、健康教育や健康増進などの積極的な対照、または待機者対照のいずれかであること、(8)論文は英語で書かれていること、であった。
除外基準は以下の論文とした。(1)解説、症例報告、メタ分析、レビュー、(2)書籍のセクションや章、またはフルテキストの論文（学会要旨
など）を含まない、(3)運動トレーニングや他の治療法を組み合わせたトレーニング（認知トレーニング、補助的なものなど）についての記述がない、(4)脳アウトカムがない、または脳アウトカムが異なる研究間で重複している、または(5)対照群がない、という論文であった。
研究選択のプロセスは、2人の著者が独立してレビューを行った。2人の著者は、タイトル、アブストラクト、キーワードを確認することにより、適格な研究を特定した。その後、2人のレビュアーが関連文献を査読して適格性を確認し、論文選択の不一致について議論した。収集したデータが正確であることを確認するために、各レビュアーは最初に10件の研究を独立してコーディングし、その後、潜在的な差異が最小限に抑えられるようにデータを比較した。その結果、コーディングにおける平均的な評価者間信頼性は、すべての組のレビュアーで95%を達成した。意見の相違が残った場合は、3 人目のレビュアーが議論に加わり、合意に達した。
2.3. バイアスのリスク評価
収録された研究の質は、コクランのリスクオブバイアスツール[33]を用いてテストされた。我々は、潜在的なソースバイアスを評価するために、シーケンスの生成、割り付けの隠蔽、参加者の盲検化、評価者の盲検化、不完全なアウトカムデータ、選択的アウトカム報告を含む6つの評価基準を選択した。2人のレビュアーがバイアスのリスクを評価して収録された各研究を評価し、コクランハンドブック[33]のセクション8.5に従って3つの評価（例：高リスク、低リスク、不明瞭）を用いて各研究を判定した。
2.4. データ収集と抽出プロセス
研究の特徴（サンプルサイズ、年齢、性別など)グループ分け、運動処方（頻度、強度、時間、種類、量、進行度)MRI法（全脳・特定脳領域の体積、白質の完全性など）またはfMRI法（安静時活性化（正式なタスク指示がない場合の評価)タスク誘発活性化（参加者に与えられたタスクの実行を指示した場合の評価））を用いた介入結果に基づいてデータを抽出した。このレビューでは、時間は運動訓練介入の長さとセッション時間を表す。運動処方の構成要素のデータは、その構成要素を具体的に検討した研究を含む場合のみ抽出した。
各運動処方の詳細、頻度（低。週1～2回、中等度。週3～4回、高：週5～7回)強度（中等度。40～60%の心拍予備量（HRR）／最大酸素摂取量（VO2 max)55～70%の心拍数最大値（HRmax)50～70%の1反復最大値（RM）;高強度：61～85%のHRR／VO2max、71～90%のHRmax、71～84%の1反復最大値（RM））[35]、長さ（短期：≦12週間、中期：13～24週間、長期：25～48週間、非常に長期的。>48週以上)セッション時間（短時間：≦45分、中等度：46〜60分、長時間：＞60分)種類（有酸素運動、抵抗運動、太極拳、協調運動、ダンス、複合運動)量（低。<1週間に150分未満の中等度の強度または75分未満の高強度;中等度。中等度：週150～300分の中等度の強度、高等度：週300分以上の中等度の強度）と進行度（介入期間中の運動強度とセッション時間の変化）がコード化され、議論された。
3. 結果
3.1. 研究の選択
システマティックレビューのプロセスを通じた研究の選択基準（すなわち PRISMA）を図 1 に示す。データベース検索（PubMed、Scopus など）で上記の検索語句を用いて、合計 5863 件の研究が最初にスクリーニングされ、他の情報源から 6 件の論文が追加された。重複論文を削除した後、2,281件の論文が追加審査の対象となった。その後、著者はタイトルと要旨
をチェックしたが、レビュー119件、書籍の章と会議の要旨
42件、本システマティックレビューの範囲に関係のない1970件は除外した。合計 150 本の論文がフルテキストのスクリーニングのために検索された。スクリーニング後、介入にRCTが含まれていない（n=13)参加者が60歳未満（n=4)脳アウトカムが報告されていない（n=4)運動トレーニング介入が含まれていない（n=74)実験群（n=6）または対照群（n=5）の基準を満たしていない、またはサンプルが神経認知疾患を特徴とする（n=19）などの理由で、126件の論文が削除された。1件の研究は、脳アウトカムが重複していたため削除された。脳構造に関する研究11件、脳機能に関する研究11件、および両方の転帰を評価した2件の研究を含む、合計24件の研究が基準を満たし、解析に使用された。
図1
PRISMA（Preferred Reporting Items for Systematic Reviews and Meta-Analyses）に従ってレビュープロセスに含まれた研究のフロー図。
3.2. 対象研究のバイアスのリスク分析
バイアスのリスクを評価するために、システマティックレビューに含まれる研究のバイアスの割合（ハイリスク、ローリスク、不明確）を図 2 に示した。選択バイアスについては、脳の構造や機能を論じた研究では、すべての研究がRCTであったため、実験群（運動介入）または対照群へのシーケンス生成無作為化において100%の研究が低リスクとされた。脳構造を測定する研究については、低リスク研究の17%、不明瞭な研究の83%が割り付けの隠蔽で同定された。脳機能を測定する研究については、低リスク研究の23%、不明瞭な研究の77%が割り付け隠しで同定された。パフォーマンスバイアスについては、高リスク研究、低リスク研究ともに17%、脳構造を測定する研究では66%、脳機能を測定する研究では100%の不明確な研究が参加者の盲検化で同定された。検出バイアスについては、低リスク研究が58%、脳構造が不明瞭な研究が42%、脳機能が不明瞭な研究が38%、52%で、評価者の盲検化で判定した。帰属バイアスについては、脳構造・機能ともに低リスク研究の50%以上がアウトカムデータが不完全であると判定された。さらに、データの選択的報告では、100%の研究が低リスクであった。
図2
バイアスのリスクは、含まれている研究のすべての基準についてのバイアスの割合を示すグラフ。
3.3. 脳構造に関する収録研究の運動処方分析
今回のレビューでは、高齢者の脳構造に対する運動介入の効果を検討した13件の研究が確認されたが、これらの研究の要約を表1に示す。
表1 運動介入の脳構造への影響を検討した実験研究のまとめ
| 引用 | 特徴（n、%女性、年齢） | 運動処方 | 主な調査結果 | ||
|---|---|---|---|---|---|
| 実験グループ | 対照群 | 領域 | 比較 | ||
| ベスト、チウら。[ 43 ] | 週1回の抵抗運動（n = 52,100%、69.5±2.7） 週2回の抵抗運動（n = 54,100%、69.4±3.0） |
バランスとトーンのトレーニング（n = 49,100%、70.0±3.3） |
|
脳全体 | TD：週1回のグループでの抵抗運動は、2年間のフォローアップで皮質白質量の萎縮の減少を示したが、1年間のフォローアップではそうではなかった。 |
| Burzynska、Jiao etal。[ 42 ] | ダンスグループ（n = 49,76%、65.88±4.70） ウォーキンググループ（n = 40,68%、64.98±4.00） |
アクティブコントロールグループ（n = 43,67%、66.72±4.65） |
|
20の地域が選択された | BD：ダンスグループは、ウォーキングおよびアクティブコントロールグループと比較して、脳弓のRDおよびMDを増加させた。ウォーキンググループは、アクティブコントロールグループと比較して脳弓のFAを減少させた。 |
| コルコム、エリクソン他。[ 36 ] | 運動グループ（n = NR、NR、65.5） | 対照群（n = NR、NR、66.9） |
|
脳全体 | TD：運動グループは、前頭前野と側頭皮質で灰色と白質の量の増加を示した。 |
| Erickson、Voss etal。[ 47 ] | 有酸素運動グループ（n = 60,NR、67.6±5.81） | ストレッチングコントロールグループ（n = 60,NR、65.5±5.44） |
|
海馬 尾状核 視床 |
TD：有酸素運動グループは、左右の海馬の体積の増加を示した。 |
| Jonasson、Nyberg etal。[ 40 ] | 有酸素グループ（n = 29,52%、68.40±2.54） | 対照群（n = 29,59%、68.97±2.91） |
|
海馬 DLPFC VPC ACC |
TD：どちらのグループも皮質の厚さの違いを示しなかった。 |
| Liu-Ambrose、Nagamatsu etal。[ 44 ] | 週1回の抵抗運動（n = 54,100%、69.5±2.7） 週2回の抵抗運動（n = 52,100%、69.4±3.0） |
バランスとトーンのトレーニング（n = 49,100%、70.0±3.3） |
|
脳全体 | GD：両方の運動グループは、バランスとトーンのトレーニンググループと比較して全脳萎縮の減少を示した。 |
| Maass、Düzeletal。[ 38 ] | 有酸素運動グループ（n = 21,52%、68.8±4.5） | リラックス/ストレッチグループ（n = 19,58%、67.9±4.1） |
|
海馬 | TD：どちらのグループも海馬の体積に変化は見られなかった。 |
| Matura、Fleckenstein etal。[ 39 ] | 運動グループ（n = 29,42%、73.3±5.5） | 待機中の対照群（n = 24,52%、77.0±8.1） |
|
脳全体 | TD：運動グループは皮質灰白質量の変化を示さなかった。 |
| ニーマン、ゴッド他 [ 41 ] | 心血管トレーニンググループ（n = 17,71%、68.24±2.61） 調整トレーニンググループ（n = 19,68%、69.63±5.10） |
対照群（n = 13,54%、68.77±2.56） |
|
海馬 | TD：両方の運動グループは海馬の体積の増加を示した。 |
| Prehn、Lesemann etal。[ 45 ] | 有酸素運動グループ（n = 11,36 %、69） | ストレッチと調子を整えるグループ（n = 18,56 %、65） |
|
脳全体 | TD：どちらのグループも灰白質量に有意な変化を示しなかった。 |
| Rosano、Guralnik etal。[ 48 ] | 身体活動グループ（n = 10,NR、74.9±4.4） | 健康教育グループ（n = 16,NR、76.8±6.1） |
|
海馬 | GD：身体活動グループは、健康教育グループと比較して、左右の海馬の体積と左角膜を示した。 |
| タオ、劉ら。[ 46 ] | 太極拳グループ（n = 21,NR、62.38±2.07） バドゥアンジングループ（n = 16,NR、62.18±2.02） |
対照群（n = 24,NR、60.16±1.88） |
|
脳全体 | TD：太極拳グループは、対照グループと比較して、左島、左被殻、左海馬傍回/海馬、左扁桃体、および左ITGの灰白質量を増加させた。バドゥアンジン群は、対照群と比較して、島、左海馬、左扁桃体、両側被殻の灰白質量を増加させた。 |
| Voss、Heo etal。[ 37 ] | ウォーキンググループ（n = 35,69%、65.17±4.40） | ストレッチンググループ（n = 35,60%、64.57±4.46） |
|
脳全体 | TD：ウォーキンググループは、FA、AD、およびRDに有意な影響を示しなかった。 |
注：F=頻度;I=強度;TM=長さ／セッション時間;TP=タイプ;V=体積;P=進行;NR=報告されていない;TD．時間差;GD=群間差;VAT=換気性嫌気性閾値;FA=分数異方性;AD=軸方向拡散性;RD=放射状拡散性;ACC=前帯状皮質;dlPFC=背外側前頭前野;VPC=ベントロラテラル前頭前野;ITG=下側頭回。
3.3.1. 周波数
全13研究のうち、7研究（54%）が高齢者を中程度の頻度（週3～4回）の介入に割り付けたと報告しており[36,37,38,39,40,41,42]、3研究（23%）が高齢者を低頻度（週1～2回）の介入に割り付けた[43,44,45]、1研究（8%）が高齢者を高頻度（週5～7回）の介入に割り付けたと報告していた[46]。2件の研究（15%）では運動訓練の頻度は報告されていなかった[47,48]。
3.3.2. 強度
含まれた研究では、HRR、HRmax、VO2max、換気性嫌気性酸素摂取閾値（VO2VAT)嫌気性閾値（AT)RMなど、運動トレーニング中の強度の測定値がいくつか報告されている。レビューに含まれた研究のうち、8件の研究（62%）が運動トレーニングに高強度を用いており[36,37,38,39,40,43,44,47]、2件の研究（15%）が中程度の強度を用いていた[45,48]。3つの研究（23%）は運動トレーニングの強度を報告していなかった[41,42,46]。
3.3.3. 長さ
6つの研究（46%）は、運動訓練介入が長期（25～48週）であったことを示しており[37,40,41,44,47,48]、3つの研究（23%）は短期（≦12週）であったことを示しており[38,39,46]、3つの研究（23%）は中期（13～24週）であったことを示しており[36,42,45]、1つの研究（8%）は非常に長期（48週以上）であったことを示していた[43]。
3.3.4. セッション時間
6つの研究（46%）では、中程度の時間（45～60分）の運動セッションを使用していた[36,41,42,43,44,46]。さらに、5つの研究（38%）では短時間（≦45分）の運動セッションを用いていた [37,38,39,45,47]。1つの研究（8%）は1セッションあたりの運動トレーニングの期間を報告しておらず[48]、1つの研究（8%）は運動トレーニングの具体的でないタイミング（すなわち30～60分）を報告していた[40]。さらに、含まれていた研究のいずれも、運動トレーニングのセッション時間が長い（60分以上）ものはなかった。
3.3.5. タイプ
7件の研究（53%）が介入が有酸素運動で構成されていると報告しており [36,37,38,39,40,45,47]、1件の研究（8%）が運動訓練なしと比較して有酸素運動と協調運動を取り入れていると報告している [41]。また、抵抗または筋力トレーニングを用いた研究が2件（15%)太極拳を用いた研究が1件（8%)複合運動を用いた研究が1件（8%)ダンス介入を用いた研究が1件（8%）であった[42]。
3.3.6. ボリューム
含まれた研究のうち、運動トレーニングの量に焦点を当てたものはなかった。
3.3.7. 進行度
対象となった研究のうち4件(31%)では、強度とセッション時間の進行が報告された [36,37,40,47]。
3.3.8. 脳領域と主な介入所見
7件の研究(54%)では、運動トレーニングが脳全体の体積に及ぼす影響を分析している[36,37,39,43,44,45,46]。さらに、3つの研究(23%)は海馬などの特定の脳領域に対する運動トレーニングの効果を調査しており[38,41,48]、3つの研究(23%)は2つ以上の脳領域に焦点を当てていた[40,42,47]。
全体では、8つの研究（62%）が、運動トレーニングが脳の構造を増加させたり、灰白質および白質の萎縮を減少させることを示唆していた [36,41,42,43,44,46,47,48]。しかし、他の5つの研究（38%）では、運動介入後や群間での脳構造の変化は観察されなかった[37,38,39,40,45]。
3.4. 脳機能のための運動処方分析
運動訓練が脳機能に及ぼす影響を検討した研究は13件あり、安静時fMRI研究の概要を表2に、タスク誘発fMRI研究の概要を表3に示した。
表2 安静時脳機能に対する運動介入の効果を検討した実験研究の概要
| 引用 | 研究の特徴（n、%女性、年齢） | 運動処方 | 主な調査結果 | |
|---|---|---|---|---|
| 実験グループ | 対照群 | |||
| チャップマン、アスラン他 [ 49 ] | 体力トレーニンググループ（n = 18,72%、64.0±4.3） | 対照群（n = 19,74%、64.0±3.6） |
|
TD：どちらのグループも海馬のCBFに変化は見られなかった。 BD：介入後の体力トレーニンググループは、コントロールグループと比較して両側ACCのCBFの活性化を増加させた。 |
| Flodin、Jonasson etal。[ 51 ] | 有酸素運動グループ（n = 30,53%、68.41±2.59） | 対照群（n = 25,56%、69.16±3.01） |
|
TD：どちらのグループも介入後に機能的接続性の変化を示しなかった。 |
| Maass、Düzeletal。[ 38 ] | 有酸素運動グループ（n = 21,52%、68.8±4.5） | リラックス/ストレッチグループ（n = 19,58%、67.9±4.1） |
|
TD：有酸素運動グループは、海馬灌流（すなわち、CBFおよびCBV）に有意な変化を示した。 |
| Prehn、Lesemann etal。[ 45 ] | 有酸素運動グループ（n = 11,36 %、69） | ストレッチと調子を整えるグループ（n = 18,56 %、65） |
|
GD：有酸素運動グループは、ストレッチおよびトーニンググループと比較して、dlPFCと上頭頂小葉/楔前部の間の機能的接続性を高めた。 |
| タオ、チェンら。[ 57 ] | 太極拳グループ（n = 21,62%、62.38±4.55） バドゥアンジングループ（n = 15,60%、62.33±3.88） |
対照群（n = 25,76%、59.76±4.83） |
|
GD：太極拳グループは、対照グループと比較して、右dlPFCの低周波および低4帯域の振幅を大幅に増加させた。Baduanjinグループは、コントロールグループと比較して、両側内側PFCの低周波および低4バンドの振幅を有意に増加させた。 |
| タオ、チェンら。[ 58 ] | 太極拳グループ（n = 21,62%、62.38±4.55）バドゥアンジングループ（n = 15,60%、62.33±3.88） | 対照群（n = 25,76%、59.76±4.83） |
|
GD：太極拳グループは、対照グループと比較して、左SFG、左背側前帯状回、および吻側ACCの機能的接続性を低下させた。バドゥアンジン群は、対照群と比較して、左被殻/島の安静時機能的接続性を低下させた |
| タオ、劉ら。[ 59 ] | 太極拳グループ（n = 21,62%、62.38±4.55）バドゥアンジングループ（n = 15,60%、62.33±3.88） | 対照群（n = 25,76%、59.76±4.83） |
|
GD：太極拳グループは、対照グループと比較して、両側海馬と右内側PFCおよび左内側PFCの間の機能的接続性を増加させた。太極拳グループは、対照グループと比較して、左右の海馬間の機能的接続性を増加させた |
| Voss、Erickson etal。[ 55 ] | ウォーキンググループ（n = 30,73%、67.3±5.8） | 柔軟性、調色、バランスグループ（n = 35,71%、65.4±5.2） |
|
この研究は介入結果を提供しなかった。 |
| Voss、Prakash etal。[ 54 ] | 有酸素ウォーキンググループ（n = 30,73%、67.30±5.80） | 対照群（n = 35,71%、67.30±5.24） |
|
TD：有酸素歩行運動グループは、介入の48週間後に右前部PFCとPFCの間に関連性を示した。 |
注：F=頻度;I=強度;TM=長さ／セッション時間;TP=タイプ;V=体積;P=進行;NR=報告されていない;TD．時間差; GD = 群間差; MFG = 中前頭回; SFG = 上前頭回; SPL = 上頭頂葉; ACC = 前帯状皮質; IFG = 下前頭回; STG = 上側頭回; ITG = 下側頭回; MTG = 中側頭回。
3.4.1. 頻度
13研究のうち9研究（69%）が中等度の頻度（週3～4回）の介入に高齢者が割り振られたと報告しており [38,49,50,51,52,53,54,55,56]、3研究（23%）が高頻度（週5～7回）の介入に高齢者が割り振られたと報告しており [57,58,59]、1研究（8%）が低頻度（週1～2回）の介入に高齢者が割り振られたと報告している [45]。
3.4.2. 強度
レビューに含まれていた研究のうち、5研究（46%）が高強度の運動トレーニングを行った[38,50,54,55,56]、3研究（15%）が中等度の強度を行った[45,49,53]、1研究（8%）が中等度から重度の強度を行った[52]。4つの研究（31%）では、運動トレーニングの強度を報告していなかった[51,57,58,59]。
3.4.3. 長さ
7件の研究（50%）では、運動介入は短期的な期間（≦12週間）[38,49,52,56,57,58,59]、3件の研究（25%）では中期的な期間（13～24週間）[45,50,51]、3件の研究（25%）では長期的な期間（25～48週間）[53,54,55]、そしていずれの研究も非常に長期的な期間（48週間以上）を採用していないことが示されている。
3.4.4. セッション時間
6つの研究(46%)が1セッションの短時間(≦45分)の運動トレーニングを報告しており[38,45,50,54,55,56]、6つの研究(46%)が中程度のセッション時間(45～60分)を使用しており[49,52,53,57,58,59]、1つの研究(8%)は運動トレーニングの具体的なセッション時間を報告していなかった[51]。また、いずれの研究も長時間（60分以上）のセッション時間を用いたものはなかった。
3.4.5. タイプ
8件の研究（62%）が有酸素運動トレーニングを用いた介入を報告しており[38,45,49,50,51,52,54,55]、4件の研究（31%）が太極拳を用いた[56,57,58,59]、1件の研究（7%）が有酸素運動と運動トレーニングを用いない場合と比較して協調運動を用いたと報告している（Voelcker-Rehage et al 2011）。脳機能を調べるために抵抗運動や複合運動を用いた研究はなかった。
3.4.6. ボリューム
含まれた研究のうち、運動トレーニングの量に焦点を当てたものはなかった。
3.4.7. 進行度
13件の研究のうち6件（46%）が強度とセッション時間の進行を報告した[45,50,52,53,54,55]。
3.4.8. アプローチと主な介入所見
9件の研究（69%）が安静時fMRIを用いて運動トレーニングの脳機能への影響を調べており[38,45,49,51,54,55,57,58,59]、4件（31%）がタスク誘発fMRIを用いていた[50,52,53,56]。
7つの研究(54%)では、運動訓練は安静時の脳機能の変化、特に前頭前野と側頭領域での変化を示しており[38,45,49,54,57,58,59]、2つの研究(15%)では、運動介入後の活性化に変化がないか、介入効果を報告していないことが示された[51,55]。4件の研究（31%）では、タスク誘発fMRI採取時の脳活性化の変化が示された[50,52,53,56]。
4. 考察
4.1. 検索結果の概要
本システマティックレビューの目的は、無作為化対照運動介入が脳の構造と機能に及ぼす影響を検討した文献を要約し、高齢者におけるFITT-VPプリンシパルを用いた様々な運動処方に基づいて、その根底にある関係をさらに探求することであった。全体では、運動トレーニングが脳構造と脳機能に変化をもたらすかどうかを検討した合計24の実証論文が同定された（それぞれ13のデータセット、2つの研究では構造的アウトカムと機能的アウトカムの両方を用いた）。対象となった研究の方法論的不均一性の結果から、4つの基準（すなわち、シーケンスの生成、評価者の盲検化、不完全なアウトカムデータ、選択的アウトカム）において50%以上が低リスクであったことが示された。また、3つの基準（すなわち、割り付けの隠蔽、参加者と評価者の盲検化）は50%以上の研究で高リスクであり、不明確であった。運動処方が脳アウトカムを変調しているかどうかを確認するために、運動トレーニングと脳の構造・機能との関係をさらに記述するために、FITT-VPの原理に関する詳細な情報を抽出した。特筆すべきは、脳アウトカムに対する運動効果を特徴づけるためにFITT-VPを指導原理として用いた最初のシステマティックレビューであることである。
4.2. 運動トレーニングと脳構造
脳構造を分析した結果、最も多く処方されている運動は、週3～4回（頻度)精力的（強度)25～48週（長さ)45～60分（セッション時間)有酸素運動（種類）であった。脳構造への影響を理解するために、含まれる研究を脳全体の構造を評価したもの（グローバル効果）か、特定の地域構造を評価したもの（選択的効果）かで分類した。その結果、13件の研究のうち7件が脳全体を対象とした研究であり、運動による脳構造変化を評価していることがわかった。これらの研究のうち、4件の研究では、運動介入群が脳の構造を増加させ[36,46]、または脳体積の萎縮を減少させ[43,44]、3件の研究では介入後の脳全体の体積変化[37,39,45]に有益な効果があるというエビデンスは得られなかった。さらに、13件の研究のうち6件では、運動訓練に関連した構造的効果を理解するために、特定の領域の転帰を検討した。3件の研究では海馬体積の増加[41,47,48]と白質の完全性[42]が示され、2件の研究では介入後の皮質の厚さ[40]や構造的体積[38]に差が認められなかった。
脳構造を評価した研究の約半数が中程度の頻度（週に3～4回）の運動トレーニングを実施していたが、研究間で相反する所見が指摘されている。例えば、3つの研究では、高齢者が週に3回の運動トレーニングを行うと、灰白質体積[36]、海馬体積[41]、白質完全性[42]が増加することが示されたが、3つの研究では変化は認められなかった[37,38,40]。さらに、低運動頻度（週1～2回）に関連した同様の構造的効果を示唆するエビデンスもある。例えば、Liu-Ambrose、Nagamatsuら[44]は、週1回と週2回のレジスタンス運動の両方が、バランスとトーニングのグループと比較して、全脳萎縮の減少につながることを示唆している。高頻度の場合、週5回の運動トレーニングを実施した研究は1件のみで、脳体積に正の影響があることを示した[46]。これらの知見は、運動頻度が脳構造の転帰に対する運動トレーニング効果を中和しない可能性を示唆している。
このレビューでは、有酸素運動トレーニングが最も一般的な介入モードであり、いくつかの研究では介入終了後に皮質および皮質下層構造の両方を含む脳構造の転帰が増加したことが示されている[36,41,47]。有酸素運動以外の介入モード（すなわち、抵抗運動、太極拳）では、加齢に関連した脳萎縮の減少が示されている [43,44,46]。介入の強度を考慮した場合、大多数の研究では、強度の高い有酸素運動および/または抵抗運動のトレーニングが脳体積の増加につながることが示されている [36,41,43,44,47]。これらの知見は、脳体積を変化させるにはターゲットゾーンが十分であることを示した以前のレビュー[31]の示唆と一致している。今回のレビューでは、特定の運動タイプ（太極拳、協調運動、ダンスなど）では目標強度が報告されていないことが示されている。これらのタイプの介入では、心血管系や筋力よりも運動器系の体力（俊敏性やバランスなど）が求められるが、これらは脳構造 [41,46] や白質完全性 [42] にも有益である可能性がある。そのため、運動タイプ間の比較を容易にするために、運動トレーニングプログラムを特徴づけるための簡単な測定法（例：定格知覚労作 [RPE]、心拍数モニタリング、加速度計）を用いることを推奨する。
運動トレーニングの期間を定量化するために、3つの研究では、中程度のセッション時間（45～60分）を用いて、長時間（48週間以上）の運動の効果を評価した。これらの研究では、運動トレーニングが介入後に脳体積を有意に増加させ [41,44] 、または白質量萎縮 [43] を減少させることが示された。これまでの文献と一致するこれらの知見は、定期的な運動トレーニングが脳体積の変化に関連しうることを示唆している[31]。しかし、ある研究では、1セッション40分の運動を48週間行った後、分画異方性（水の拡散方向のコヒーレンス)軸方向拡散性（一次軸の固有値)または放射状拡散性（2つの垂直な固有値の平均）の測定値を含む、白質の完全性の変化は認められなかった[37]。これらの知見は、運動の長さとセッション時間の両方が高齢者の脳構造に影響を与える可能性を示唆している。
本レビューでは、運動トレーニングと脳構造の関係を概観することができるが、運動トレーニングの進行を評価した研究は13件中4件のみであり、高齢者の脳構造に及ぼすFITT-VPプリンシパルのこの側面の影響を論じることはできない。以上のことから、今後の研究では、脳の構造と機能に関する運動ガイドラインをよりよく作成できるように、用量反応関係（運動量など）を報告することを推奨する。
4.3. 運動トレーニングと脳機能
脳機能の転帰を検討した13の研究がレビューに含まれていた。我々の分析では、最も一般的に使用されている運動トレーニングの処方は、週3～4回（頻度)精力的（強度)≦12週（長さ)≦60分（セッション時間)有酸素トレーニング（タイプ）であった。含まれた研究は、安静時fMRI [38,45,49,51,54,55,57,58,59]またはタスク誘発fMRI [50,52,53,56]のいずれかに焦点を当てた。これらを合わせると、大多数の研究（85%）で運動トレーニング後の脳機能の変化が示されている。
今回のレビューでは、運動トレーニングの頻度が脳機能への影響を中和していないことが示唆されている。例えば、Voss, Prakashら[54]は、週に3日間の有酸素運動プログラムは、ストレッチとトーニングの対照群と比較して、安静時の神経活動の促進を示し、高次の認知ネットワークを支える前頭皮質と側頭皮質の機能的接続性（すなわち、空間的に離れた脳領域間の時間的コヒーレンス）を向上させることを示唆している。同様に、初期の研究では、特定の脳領域における血中酸素濃度依存性の変化を介して測定されたタスク誘発脳活性化の変化が示されている [50]。この研究では、中程度の頻度（週に3回）の運動トレーニングプログラムに参加した高齢者は、中前頭前野回（MFG)上前頭前野回（SFG)上頭頂葉（SPL）での活性化の増加を示し、修正されたフランカー課題の間は前帯状皮質（ACC）での活性化の減少を示し、抑制と選択的注意要求を調節した。低頻度（週1～2回）または高頻度（週5回）の介入に焦点を当てた研究は4件のみであるが、これらの研究から得られた知見は、対照群に割り付けられた研究と比較して、介入後に高齢者が安静時脳活性化の変化を示したことを示している [45,57,58,59]。
いくつかの研究では、高強度の運動トレーニングは安静時脳活性化と課題誘発脳活性化の両方を促進することが示唆されている。具体的には、心拍数予備量（HRR）を61～85%、または心拍数最大値（HRmax）を71～90%に設定すると、脳の活性化に変化が生じることが示唆されている [50,54,56]。さらに、著者らは12週間の有酸素運動介入について、50%から75%のHRR（我々のレビューでは中等度から高強度とコード化されている）の範囲で評価し、言語流暢性タスクの実行中に対照群（すなわち、ストレッチとバランス運動）と比較して右IFGのタスク誘発活性が低いことを示し、認知処理中の神経資源のより効率的な使用を示唆している[52]。4件の研究では太極拳または複合運動トレーニング中の運動強度が報告されていない[51,57,58,59]ため、脳機能の転帰に対する介入のこの側面を特徴づけることは困難である。今後の研究では、介入研究で処方された運動トレーニングの強度を報告し、運動強度が脳機能に及ぼす潜在的な効果をさらに調査することを推奨する。
含まれたレビューから得られた全体的な知見は、有酸素トレーニングが海馬の灌流（すなわち、血液の動き） [38r]と脳機能を変化させるための実行可能な戦略であることを示唆している [45,50,52,54] 。大半の研究では、有酸素運動トレーニングの増加が加齢脳の機能的転帰の可塑性につながることが報告されている。重要なことは、運動の種類によって脳機能に異なる影響を与える可能性があるということである。例えば、Voelcker-Rehage, Goddeら[53]は、12ヶ月間の有酸素運動と協調運動のトレーニングプログラムに参加した高齢者の脳機能を調査したところ、有酸素運動トレーニングは、MFG、左ACC、左海馬傍回、右上中側頭回のタスク誘発活性化を減少させ、協調運動トレーニングはIFG、視床、尾状突起、上頭頂小葉の活性化を増加させることがわかった。また、他の3つの研究で得られた知見は、太極拳などの他の運動モードに焦点を当てたもので、機能的接続性[58,59]や低周波変動の分数振幅（局所的な自発神経活動）に有益な効果を示している[57]。
運動トレーニングの長さは、異なる脳領域における安静時脳接続性に観察される効果に影響を及ぼす可能性がある。例えば、Voss, Prakashら[54]は、運動トレーニングを行うと、24週（6ヶ月）後にデフォルトモードネットワーク（DMN）（後帯状体、腹側前頭内側皮質、上前頭内側皮質、両側後頭部、中前頭、海馬、傍海馬、中側頭皮質を含む）の接続性が増加し、48週（12ヶ月）には、活動的なコントロール群と比較して、前頭-頭頂部ネットワークにさらなる変化が現れることを示唆した。同様に、Prehn, Lesemannら[45]は、太りすぎた高齢者を対象に、24週間（6ヶ月）の適度な有酸素運動プログラムを実施したところ、24週間（6ヶ月）の適度な有酸素運動プログラムでは、ストレッチ・トーニング群と比較して、背外側前頭前野（dlPFC）と上頭頂回/前庭の接続性が有意に増加したことを観察している。先行レビュー[31]と同様に、本レビューの所見では、24週間の運動トレーニングは安静時のネットワークの接続性を増加させることが明らかになった。
セッション時間を評価した場合、これらの研究のうち6つの研究では、安静時fMRI [45,54,55]と課題誘発fMRI [50,52,56]で、セッション時間が短い（45分未満）場合に介入後の脳機能の変化が認められた。例えば、Wu, Tangら[56]は、1セッション30分間の太極拳トレーニングプログラムを行うと、タスク切り替えのパラダイムにおいて左SFGと右MFGの活性化が増加することを実証した。このような有益な効果は、Voelcker-Rehage, Goddeら[53]が、有酸素運動と協調運動の介入を中程度のセッション時間(45-50分)で行った後に確認している。しかし、Flodin, Jonassonら[51]は、30～60分のセッションを24週間実施した後に海馬の機能的接続性を調べたが、実験群と対照群との間にテスト後の差は認められなかった。したがって、運動トレーニングのセッション時間と脳機能との関連を理解するためには、運動トレーニングのセッション時間の長さに一貫性を持たせるべきであることが示唆された。
本レビューでは、運動トレーニングの量や進行度を論じた研究はほとんどなく、運動トレーニングの変化が脳機能に及ぼす影響を理解することは困難であった。運動介入が脳機能的転帰に有益であることを示す豊富なエビデンスがあるにもかかわらず、用量と反応の関係は明確ではなかった。したがって、運動トレーニングの特性をよりよく理解するためには、今後の研究が必要である。同様に、今後の研究では、運動の総量（運動の長さ、頻度、セッション時間、強度など）を定量化して、脳の構造と機能に対する運動トレーニングの適切な投与ガイドラインをよりよく知ることができる。
4.4. 限界
私たちの知る限りでは、高齢者の脳の転帰に及ぼす運動負荷の根本的な要因を理解するために、運動トレーニングプログラムの特徴を検討した初めてのシステマティックレビューである。しかし、いくつかの制限を考慮する必要がある。第一に、この分野の現状を考えると、システマティックレビューには限られた数の研究しか含まれていない。そのため、結果は慎重に解釈されるべきである。第二に、含まれている研究のうちいくつかは、内部妥当性を脅かすものが含まれている可能性があるため、フラグが立てられた。第三に、我々は英語で出版された研究のみを収集したため、出版バイアスに関連した問題が生じる可能性がある。
4.5. 結論
本レビューは、運動トレーニングの特性と脳の転帰との関係を体系的に調査することで、この分野を強化するものである。このレビューは、高齢者の脳の構造と機能を改善する可能性のあるトレーニングの処方箋を提供する能力をさらに強化するものである。
重要なことは、我々はFITT-VP原則を用いて、脳アウトカムに対する運動の有益性についての記述的報告を行ったことである。今回のシステマティックレビューの結果から、運動トレーニングに参加した高齢者は、介入によって誘発された脳の構造と機能の変化に反映されるように、脳の健康に有益な効果が得られる可能性があり、そのような効果は運動介入の用量に依存することが示された。
割り付けの隠蔽、参加者と評価者の盲検化を含む研究方法論の不均一性は、研究間の所見の比較可能性を制限している可能性がある。したがって、高齢者の脳構造と機能に有益な効果をもたらす運動介入の特徴をさらに明確にするためには、十分に設計された方法論と報告が必要であることを示唆している。