骨格筋の損傷―再生過程におけるアポトーシス応答：ラット運動誘発性筋損傷モデルによる検討

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Executive function after exhaustive exercise

PurposeFindings concerning the effects of exhaustive exercise on cognitive function are somewhat equivocal. The purpose of this study was to identify physiological factors that determine executive function after exhaustive exercise.MethodsThirty-two participants completed the cognitive tasks before and after an incremental exercise until exhaustion (exercise group: N = 18) or resting period (control group N = 14). The cognitive task was a combination of a Spatial Delayed-Response (Spatial DR) task and a Go/No-Go task, which requires executive function. Cerebral oxygenation and skin blood flow were monitored during the cognitive task over the prefrontal cortex. Venous blood samples were collected before and after the exercise or resting period, and blood catecholamines, serum brain-derived neurotrophic factor, insulin-like growth hormone factor 1, and blood lactate concentrations were analyzed.ResultsIn the exercise group, exhaustive exercise did not alter reaction time (RT) in the Go/No-Go task (pre: 861 ± 299 ms vs. post: 775 ± 168 ms) and the number of error trials in the Go/No-Go task (pre: 0.9 ± 0.7 vs. post: 1.8 ± 1.8) and the Spatial DR task (pre: 0.3 ± 0.5 vs. post: 0.8 ± 1.2). However, ΔRT was negatively correlated with Δcerebral oxygenation (r = −0.64, P = 0.004). Other physiological parameters were not correlated with cognitive performance. Venous blood samples were not directly associated with cognitive function after exhaustive exercise.ConclusionThe present results suggest that recovery of regional cerebral oxygenation affects executive function after exhaustive exercise

Slowed response to peripheral visual stimuli during strenuous exercise

Recently, we proposed that strenuous exercise impairs peripheral visual perception because visual responses to peripheral visual stimuli were slowed during strenuous exercise. However, this proposal was challenged because strenuous exercise is also likely to affect the brain network underlying motor responses. The purpose of the current study was to resolve this issue. Fourteen participants performed a visual reaction-time (RT) task at rest and while exercising at 50% (moderate) and 75% (strenuous) peak oxygen uptake. Visual stimuli were randomly presented at different distances from fixation in two task conditions: the Central condition (2° or 5° from fixation) and the Peripheral condition (30° or 50° from fixation). We defined premotor time as the time between stimulus onset and the motor response, as determined using electromyographic recordings. In the Central condition, premotor time did not change during moderate (167 ± 19 ms) and strenuous (168 ± 24 ms) exercise from that at rest (164 ± 17 ms). In the Peripheral condition, premotor time significantly increased during moderate (181 ± 18 ms, P < 0.05) and strenuous exercise (189 ± 23 ms, P < 0.001) from that at rest (173 ± 17 ms). These results suggest that increases in Premotor Time to the peripheral visual stimuli did not result from an impaired motor-response network, but rather from impaired peripheral visual perception. We conclude that slowed response to peripheral visual stimuli during strenuous exercise primarily results from impaired visual perception of the periphery

Cognitive function during exercise under severe hypoxia

Acute exercise has been demonstrated to improve cognitive function. In contrast, severe hypoxia can impair cognitive function. Hence, cognitive function during exercise under severe hypoxia may be determined by the balance between the beneficial effects of exercise and the detrimental effects of severe hypoxia. However, the physiological factors that determine cognitive function during exercise under hypoxia remain unclear. Here, we examined the combined effects of acute exercise and severe hypoxia on cognitive function and identified physiological factors that determine cognitive function during exercise under severe hypoxia. The participants completed cognitive tasks at rest and during moderate exercise under either normoxic or severe hypoxic conditions. Peripheral oxygen saturation, cerebral oxygenation, and middle cerebral artery velocity were continuously monitored. Cerebral oxygen delivery was calculated as the product of estimated arterial oxygen content and cerebral blood flow. On average, cognitive performance improved during exercise under both normoxia and hypoxia, without sacrificing accuracy. However, under hypoxia, cognitive improvements were attenuated for individuals exhibiting a greater decrease in peripheral oxygen saturation. Cognitive performance was not associated with other physiological parameters. Taken together, the present results suggest that arterial desaturation attenuates cognitive improvements during exercise under hypoxia

The effects of acute high-intensity aerobic exercise on cognitive performance: A structured narrative review

It is well established that acute moderate-intensity exercise improves cognitive performance. However, the effects of acute high-intensity aerobic exercise on cognitive performance have not been well characterized. In this review, we summarize the literature investigating the exercise-cognition interaction, especially focusing on high-intensity aerobic exercise. We discuss methodological and physiological factors that potentially mediate cognitive performance in response to high-intensity exercise. We propose that the effects of high-intensity exercise on cognitive performance are primarily affected by the timing of cognitive task (during vs. after exercise, and the time delay after exercise). In particular, cognitive performance is more likely to be impaired during high-intensity exercise when both cognitive and physiological demands are high and completed simultaneously (i.e., the dual-task paradigm). The effects may also be affected by the type of cognitive task, physical fitness, exercise mode/duration, and age. Second, we suggest that interactions between changes in regional cerebral blood flow (CBF), cerebral oxygenation, cerebral metabolism, neuromodulation by neurotransmitters/neurotrophic factors, and a variety of psychological factors are promising candidates that determine cognitive performance in response to acute high-intensity exercise. The present review has implications for recreational, sporting, and occupational activities where high cognitive and physiological demands are required to be completed concurrently

Recent Results from LHD Experiment with Emphasis on Relation to Theory from Experimentalist’s View

he Large Helical Device (LHD) has been extending an operational regime of net-current free plasmas towardsthe fusion relevant condition with taking advantage of a net current-free heliotron concept and employing a superconducting coil system. Heating capability has exceeded 10 MW and the central ion and electron temperatureshave reached 7 and 10 keV, respectively. The maximum value of β and pulse length have been extended to 3.2% and 150 s, respectively. Many encouraging physical findings have been obtained. Topics from recent experiments, which should be emphasized from the aspect of theoretical approaches, are reviewed. Those are (1) Prominent features in the inward shifted configuration, i.e., mitigation of an ideal interchange mode in the configuration with magnetic hill, and confinement improvement due to suppression of both anomalous and neoclassical transport, (2) Demonstration ofbifurcation of radial electric field and associated formation of an internal transport barrier, and (3) Dynamics of magnetic islands and clarification of the role of separatrix

骨格筋線維の損傷－再生過程におけるアポトーシス応答

骨格筋は，多核細胞である筋線維の集合体であり，筋収縮によって誘発される様々なストレスに対して高い可塑性を有する．伸張性(エキセントリック)の筋収縮は，筋線維微細構造の崩壊，浮腫，貪食細胞の浸潤などの炎症反応を引き起こす．このような反応は，筋線維全体に生じるものではなく，線維の一部分に起こる．損傷した筋線維部位は浸潤作用によって除去されるが，再生過程を経てすみやかに回復する．したがって，筋線維の再生は部分的な修復と捉えることができる．これまで細胞死・細胞再構築に関する機能として，遺伝的にプログラムされた機構により自らを除去する「アポトーシス」が知られている．しかしながら，骨格筋の損傷－再生過程において多核細胞である筋線維に対するアポトーシスの関与は未だ明らかにされていない．本論文は，運動ストレスにともなう筋損傷とその再生機構に着目し，特にその過程で生じるアポトーシスの発生とその機序について明らかにすることを目的として以下の研究課題を遂行した．本論文は，以下の9 章から構成されている．第１章では，骨格筋におけるアポトーシスのメカニズムについて述べ，筋線維におけるアポトーシス発生に関する文献研究をおこなった．そして，第２章において，筋線維における運動ストレスによるアポトーシス応答を解明する必要性を指摘した上で，具体的な研究課題を設定した．第３章では，実験動物（ラット）を対象に運動誘発性筋損傷モデルを確立するために，収縮負荷条件（実験１）と損傷の発生割合やその範囲（実験２）について検証した．そして，この運動誘発性筋損傷モデルを用いて，第４章では運動ストレスによるアポトーシス応答における性差について検証（実験３）し，その結果を受けて第５章では筋収縮により誘発された骨格筋の損傷－再生期のアポトーシス応答とその機序の解明（実験４）を試みた．さらに，第６章では低酸素ストレス，第７章では糖尿病による代謝的ストレスをともなった運動負荷に対するアポトーシス応答（実験５，６）について検証した．以下に各々の研究課題とその概要について示した．研究課題 １ （実験１, ２）：動物モデルを対象とした骨格筋における運動誘発性筋損傷モデルの確立を目的として，エキセントリック収縮負荷の回数依存性，および，筋損傷部位を解析した．その結果，筋損傷は，収縮回数が20 回以上の負荷では筋損傷を発生するが，10 回以下では誘発されないことが明らかとなった（実験１）．また，前脛骨筋におけるエキセントリック収縮負荷は，近位部，中央部，遠位部では一様な損傷を誘導することが示された(実験２)．研究課題 ２ (実験３, ４)：オス・メスラット骨格筋を対象にエキセントリック，およびアイソメトリック収縮を負荷し，損傷期のアポトーシス発生における性差について検討した．その結果，筋損傷と同様に筋組織におけるアポトーシス発生はアイソメトリック収縮よりもエキセントリック収縮で多く観察され，さらに，エキセントリック収縮に対するアポトーシス応答はオスにおいて顕著であることが明らかになった（実験３）．また，損傷－再生期における筋線維のアポトーシス応答を組織・生化学的手法から検討することで，アポトーシス発生の生理学的意義の解明を試みた．その結果，エキセントリック収縮による筋線維でのアポトーシス応答は，損傷－再生期において持続的に誘発されることを明らかにした．これらの知見は，アポトーシスが損傷部位の除去に関与することに加えて，再生期の衛星細胞由来の新生核と既存の核との間における核数調節などの役割を果たしていること示唆するものである（実験４）．研究課題 ３ （実験５）：筋収縮が生み出す運動ストレスに加えて，活動筋における低酸素刺激負荷をともなったエキセントリック収縮モデルを確立し，複合的なストレス刺激が筋組織へおよぼすアポトーシス応答および細胞内情報伝達物質について検証した．その結果，エキセントリック収縮中の血流制限による活動筋への低酸素刺激の増大は，血流制限をともなわない筋収縮負荷と比較して筋損傷，およびアポトーシス応答を抑制することが明らかとなった．また，血流制限下では損傷，アポトーシス応答を抑制するにもかかわらず筋肥大因子は活性化することが示された．したがって，低酸素刺激環境下における筋収縮モデルは，筋損傷を生じない効果的な筋肥大を引き起こすプログラムであることが示唆された．研究課題 ４ (実験６)：糖尿病の発症は，骨格筋の形態や機能に大きな変化をもたらす．形態的には顕著な筋萎縮を引き起こす．さらに，筋収縮負荷に対する抵抗性や損傷時の修復応答が劣ることが考えられる．したがって，１型糖尿病ラットモデルを作成し，エキセントリック収縮に対する細胞構造の抵抗性や損傷時の修復応答についてアポトーシスという観点に着目し検証をおこなった．その結果，エキセントリック収縮による損傷－再生応答が正常な骨格筋よりも遅延すること，さらに損傷期においてアポトーシス応答が増加することを明らかにした．第8 章および第9 章では，本研究から得られた知見を統合的に捉えて骨格筋におけるアポトーシス応答について考察するとともに，各研究課題における成果を検討し，運動ストレスによるアポトーシス応答とその機序について総括した．さらに今後の課題として，同モデルにおけるアポトーシス発生阻害による損傷－再生機構への影響について検証することの必要性について言及した．本研究の知見より，多核細胞である筋線維の損傷－再生の各段階において，アポトーシスの関与が明らかになった．特に，再生過程におけるアポトーシスの果たす役割は，多核細胞である筋線維に特徴的なユニークな生物学的応答である．これらの知見は新たな筋損傷修復メカニズムとして注目するべき点であり，運動のような複合的なストレスに対する骨格筋の高い可塑性を説明するメカニズムの一つでもあるだろう．電気通信大学200