〔優秀賞〕習慣的運動が子どもの認知機能に与える影響

第 27 回健康医科学研究助成論文集
平成 22 年度 pp.1∼10（2012.3）
〔優秀賞〕
習慣的運動が子どもの認知機能に与える影響
―健康脳の育て方―
紙上敬太＊
Charles H. Hillman ＊
THE EFFECTS OF AN AFTERSCHOOL PHYSICAL ACTIVITY PROGRAM
ON COGNITIVE FUNCTION IN PREADOLESCENT CHILDREN:
A STUDY OF BRAIN HEALTH AND COGNITIVE DEVELOPMENT
Keita Kamijo and Charles H. Hillman
SUMMARY
Background: There is growing concern that children are becoming more sedentary and less fit, which is
related to increases in the prevalence of obesity and several chronic diseases such as cardiovascular diseases
and type-2 diabetes. Recent neuroelectric studies using event-related brain potentials（ERPs）, and in particular
the P3 component, have indicated a positive relation of aerobic ﬁtness with cognitive function in preadolescent
children, suggesting that aerobic fitness is associated with brain health and cognition. However, these ERP
studies have employed cross-sectional designs, and thus have left open the possibility that other factors（e.g.
personality, genetics）might inﬂuence the relationship between ﬁtness and cognitive function. Accordingly, further
investigation using longitudinal randomized control interventions is warranted to better establish a causal link
between aerobic ﬁtness and changes in cognitive function.
Purpose: The aim of this study was to determine whether a physical activity program aimed at increases in
aerobic ﬁtness improved cognitive function in preadolescent children using a randomized control design.
Methods: Previously sedentary children（n = 92）
, aged 7-9 years, participated in a 9-month randomized control
trial in which they were randomly assigned to either an afterschool physical activity program or a waitlist control
group. Prior to and immediately following the intervention, participants completed compatible and incompatible
stimulus-response conditions of a modiﬁed ﬂanker task, which manipulated executive control requirements, while
task performance and the P3 component were concurrently measured.
Results: Findings revealed increased aerobic ﬁtness and larger P3 amplitude following the afterschool physical
activity program, with no such effect observed for the waitlist control group. Further, although P3 latency at
post-test was shorter than at pre-test across both groups for the compatible stimulus-response condition, only the
physical activity intervention group exhibited shorter P3 latency at post-test relative to pre-test for the incompatible
stimulus-response condition.
Conclusion: These results indicate that regular physical activity leading to increases in aerobic ﬁtness increased
children s ability to allocate attentional resources, with a selective enhancement in the speed of cognitive
processing for task conditions requiring the upregulation of executive control. This study suggests that regular
イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校 Department of Kinesiology and Community Health, University of Illinois at Urbana-Champaign, Urbana, IL, USA.
＊（2）
physical activity is associated with brain health and cognitive improvements and may assume a crucial role of
cognitive development in preadolescent children.
Key words: physical activity, aerobic ﬁtness, cognitive function, preadolescent children, P3.
もの認知機能を評価するには有効な指標であると
緒　言
いえる。
近年、子どもたちの身体活動量は減少し、それ
Hillman et al.14）は、子どもを有酸素能力によっ
に伴う体力の低下、小児生活習慣病の罹患率の増
て低体力群と高体力群に分け、オドボール課題
加が懸念されている。更に、最近の報告では、
中の P3 成分を比較した。オドボール課題とは、
習慣的運動と体力（特に有酸素能力）は小児生活
低頻度（e.g., 20％）の標的刺激と高頻度（e.g.,
7）
習慣病にだけではなく、子どもの脳の健康にもか
80％）の非標的刺激をランダム順に提示し、低
かわっていることが示唆されている 15）。例えば、
頻度の標的刺激に対して反応を求める典型的な
Castelli et al.3）は、有酸素能力が高い子どもほど
P3 課題である。Hillman et al.14）は、高体力群の子
国語や算数の学力テストの点数が高かったことを
どもは低体力群の子どもに比べ、P3 振幅が大き
報告している。更に、事象関連脳電位（event-related
く、P3 潜時が短かったことを示した。この結果
brain potentials; ERPs）の P3 成分を用いた近年の
は、有酸素能力の高い子どもは刺激弁別課題の標
研究は、子どもの有酸素能力と認知機能の間にポ
的刺激に対して的確に注意処理資源を動員できる
ジティブな関係があることを示しており
こと、より短い時間で刺激を弁別できることを示
、
13,14,23）
習慣的運動、有酸素能力と脳の健康に関連がある
唆している。
という見解を支持している。
更に、Hillman et al.13）は、フランカー課題
ERPs とは、何らかの事象（光，音，自発的な
を用いて子どもの有酸素能力と実行機能の関係を
運動など）に関連して一過性に生じる脳電位であ
検討している。実行機能とは、目標を達成するた
る。ERPs はいくつかの振れをもった波のような
めに行動や思考を計画、調整、統合する脳の高次
形状をしており、それらの振れは成分として分離
機能であり 19,21）、抑制（妨害する情報を無視して
され、それぞれの成分が別々の脳内活動に対応し
注意を維持する機能）
、作業記憶（情報を保持し，
10）
ていると仮定されている。ERPs は、核磁気共鳴
必要に応じてその情報を適切にコントロールする
画像法などのニューロイメージング手法に比べ、
機能）
、認知的柔軟性（状況に応じて柔軟に注意
空間分解能では劣るものの、時間分解能に優れて
や行動を切り替える機能）などの下位機能が含ま
いる（ミリ秒単位で神経活動の時間的な変化を
れる 8）。高齢者を対象とした先行研究では、習慣
計測できる）ため、「どのような認知処理過程が
的運動はさまざまな認知機能を改善させうるが、
習慣的運動の影響を受けるのか」を検討するには
その効果は実行機能に対して最も顕著であること
有効な指標である。P3 成分は、刺激の提示後約
が明らかにされている 6,18）。フランカー課題（図
300∼800 ms 後に出現する陽性成分であり、その
1）では、真ん中に提示される標的刺激の向きに
振幅は認知課題の刺激に対してどのくらいの注意
よって、左右のボタンを押し分けるように参加者
を分配したのかといった注意の量的側面（注意処
に教示する。標的刺激の両隣には妨害刺激が提示
理資源）を反映し 22）、その潜時は反応処理過程
され、標的刺激と妨害刺激が同じ方向を向いてい
から独立した刺激評価時間を反映すると考えられ
る一致（congruent）試行と反対の方向を向いてい
ている 9）。つまり、より大きな P3 振幅はより多
る不一致（incongruent）試行を設定し、それらを
くの注意（処理資源）を分配できたことを反映し、
ランダム順で提示する。不一致試行では、妨害刺
より短い P3 潜時はより速い認知処理速度を反映
激が標的刺激と反対側の手の反応を誘発するため
すると考えられる。更に、P3 成分は学力のマー
干渉が生じ、正しく、速く反応するためにはその
カーになりうることが提案されており
干渉を抑制する必要がある。つまり、フランカー
、子ど
16）
（3）
課題は実行機能の 1 つである抑制を要する認知課
外の要因（e.g., 性格，遺伝的要因）が認知パフォー
題である。
マンスや P3 成分に影響を与える可能性がある。
Hillman et al.13）は、フランカー課題中の P3 成
よって、これらの要因を排除し、直接的な習慣的
分を計測し、有酸素能力の高い子どもは低い子ど
運動の効果を検討するためには、無作為化比較試
もに比べ、正反応率は高く、P3 振幅は大きかっ
験による縦断的研究が必要である。
たことを示した。つまり、実行機能を要するフラ
そこで本研究では、子どもを対象に 9 か月間の
ンカー課題中でも、有酸素能力の高い子どもは、
放課後運動教室を実施し、習慣的運動、それに伴
刺激に対してより多くの注意処理資源を動員でき
う有酸素能力の向上が子どもの認知機能に与える
るため（より大きな P3 振幅）
、高い正反応率を
影響を、P3 成分を用いて検討することを目的と
維持できると考えられる。更に、Pontifex et al.
23）
した。Pontifex et al.23）に従い、本研究では、実行
は、フランカー課題の刺激反応適合性を操作し
機能の要求度を操作するため、フランカー課題の
て、有酸素能力と認知的柔軟性（実行機能の 1
適合条件と不適合条件を用いた。放課後運動教室
つ）の関係を検討している。適合（compatible）
による有酸素能力の向上は、フランカー課題のパ
条件では、左、右の標的刺激に対して、それぞれ
フォーマンスの改善（正反応率の向上，反応時間
左、右のボタン押し反応を求めるのに対し、不適
の短縮）
、P3 振幅の増大、P3 潜時の短縮をもた
合（incompatible）条件では、標的刺激とは反対
らすと予測された。更に、認知パフォーマンスと
側の手のボタン押し反応を求める。不適合条件で
P3 成分に反映される認知機能の改善は、実行機
は、適合条件に比べ、より柔軟に実行機能をコン
能の要求度の高い不適合条件でより顕著に現れる
トロールする必要があり、すなわち実行機能の要
と予測された。
求度が高いと考えられる 11）。Pontifex et al.23）は、
方　法
低体力群では不適合条件における正反応率が適合
Ａ．参加者
条件に比べ低かったのに対し、高体力群では適合
条件間で正反応率の違いが認められなかったこと
125 名の子ども（7 ∼ 9 歳）が、運動プログラ
を示した。更に、低体力群では適合条件間で P3
振幅の差が認められなかったのに対し、高体力群
ムに参加する運動介入群（physical activity intervention group, n = 62）と運動プログラムに参加し
では適合条件に比べ不適合条件で P3 振幅が大き
ない統制群（waitlist control group, n = 63）にラン
かったことを示している
。この結果は、高体
ダムに割り付けられた。ドロップアウトした 17
力群の子どもは、実行機能の要求度が高い不適合
名（運動介入群：5，統制群：12）
、データの欠測
条件では多くの注意処理資源を動員してパフォー
があった 2 名（統制群：2）
、脳波信号に過度のノ
マンスを維持しているのに対し、低体力群の子ど
イズが混入したため ERPs の加算平均処理ができ
23）
もはそのような適合条件による柔軟な対応ができ
ていないことを示唆している。このように、これ
表 1 ．参加者の特徴の平均値（標準偏差）
Table 1．Mean（SD）values for participant characteristics.
までの先行研究 6,18）で明らかとされてきた高齢者
と同様に、子どもにおいても有酸素能力と実行機
能の間にはポジティブな関係があるようである。
しかしながら、これら ERP 研究 13,14,23）では、
有酸素能力の低い子どもと高い子どもの認知パ
フォーマンス、P3 成分を比較する横断的研究デ
ザインが用いられていることに留意する必要があ
る。つまり、これらの横断的研究 13,14,23）は有酸素
能力と認知機能の「関係」を示しているにすぎず、
習慣的運動の直接的な「効果」を示しているわけ
ではない。更に、横断的研究では、有酸素能力以
Measured Variable
Intervention
Waitlist
48（18 girls） 44（16 girls）
Age（years）
8.8（0.5）
8.8（0.6）
19.6（4.4）
18.8（4.5）
BMI（kg/m2）
K-BIT composite score（IQ）108.0（11.1） 108.5（12.3）
SES
2.0（0.9）
1.8（0.9）
*
7.2（2.1）
0.5（1.3）
Fitness improvement（%）
Attendance Rate（%）
82.1（11.5） ―
n
BMI = body mass index, K-BIT = Kaufman Brief Intelligence
Test, SES = socioeconomic status.
Signiﬁcant difference, unpaired t-test between groups, *P < 0.05.
（4）
なかった 14 名（運動介入群：9，統制群：5）の
平均 82.1％（SD=11.5）であった。週末には、家
参加者を除外し、92 名（運動介入群：48，統制群：
族と一緒に運動を行うように促した。
44）を対象に分析を行った。参加者の特徴を表 1
Ｃ．有酸素能力の評価
に示す。認知機能障害や注意障害による特殊教育
最大運動負荷試験によって最大酸素摂取量
を受けている参加者はいなかった。すべての参加
（maximal oxygen consumption; VO2max）を計測し、
者およびその保護者から書面によるインフォーム
参加者の有酸素能力を評価した。最大運動負荷
ド・アセント/コンセントを得た。本研究は Insti-
試験には、Balke のプロコトル 1）を用いた。参加
tutional Review Board at the University of Illinois か
者にトレッドミル上で苦痛を感じない程度の一
ら承認を得て実施された（承認番号 : 08573）
。
定のスピードで歩行またはランニングを開始さ
Ｂ．運動プログラム
●
せ、任意の疲労困憊に至るまで 2 分ごとに傾斜角
9 か月間の放課後運動教室（週 5 日）を実施し
度を 2.5％漸増した。呼気ガス分析器（True Max
た。運動教室は有酸素能力の向上を目的とし、年
2400, ParvoMedics）を用いて、20 秒ごとの平均
齢に応じたさまざまな運動（e.g., 断続的な有酸素
酸素摂取量を算出し、その最大値を VO2max とした。
運動，ドリブル，ミニゲーム）を用いた。本運動
●
Ｄ．認知課題
教室では、参加者は、断続的な中強度∼高強度の
本研究では、魚のキャラクターを用いたフラン
運動（最大心拍数の 55％以上）を少なくとも 70
カー課題 10）の修正版（図 1）を使用した。本フ
分間以上行った（本運動プログラムの運動強度の
ランカー課題は、真ん中に提示される標的刺激
詳細に関しては Castelli et al. を参照）
。また、週
とその両隣に 2 つずつ提示される妨害刺激からな
に 2 回以上は、自重やセラバンド（Akron, OH）、
る。標的刺激と妨害刺激が同じ方向を向いている
メディシンボールなどを使ったトレーニングを実
一致試行と反対の方向を向いている不一致試行
施した。このように、本運動プログラムは有酸素
をランダム順に提示した。適合条件では、標的
能力の向上を第一目的としているが、子どもに 9
刺激の魚の向きに合わせてボタンを第一指で押
か月間の運動教室を継続させるためにはさまざま
す（e.g., 右向きの魚には右手反応）ように参加者
な運動を組み込む必要があり、筋力や運動技能を
に教示した。適合条件の後に行われた不適合条件
要する運動も含まれている。運動教室の出席率は
では、標的刺激の魚の向きと反対のボタンを押
4）
Compatible
Incompatible
Congruent
Left Button Press
Right Button Press
Incongruent
Left Button Press
Right Button Press
図 1 ．フランカー課題の刺激
Fig.1．The stimuli for the ﬂanker task.
A modiﬁed ﬂanker task asked participants to respond to a centrally presented target stimulus
amid an array of four ﬂanking stimuli, which were task irrelevant. Both the target and ﬂanking
stimuli were left- or right-oriented ﬁsh. The ﬂanker task consisted of congruent trials, in which
ﬂanking ﬁsh faced in the same direction as the target ﬁsh; and incongruent trials, in which ﬂanking ﬁsh faced in the opposite direction from the target ﬁsh. In the compatible condition, participants responded to the direction of the target ﬁsh with their consonant thumb. In the incompatible
condition, they responded with a button press in the direction opposite to that of the target ﬁsh.
（5）
す（e.g., 右向きの魚には左手反応）ように参加者
を P3 成分とした。P3 振幅の分析には、頂点潜時
に教示した。反応はできる限り正確に行うように
の 50 ms の平均電位を用いた。
Ｆ．手順
教示した。一致試行と不一致試行、魚の左右の
向きは同確率で提示した。刺激の提示時間は 200
Pre-test、Post-test において、本実験プロトコル
ms、試行間間隔は 1700 ms に設定した。刺激を
は 2 日間にわたって行われた。実験当日には参加
提示するコンピューターモニターは、参加者の
者に運動を行わないように指示した。1 日目には、
100 cm 前方に置かれた。刺激の視角は水平方向
参加者およびその保護者からインフォームド・ア
（5 つの刺激の左端から右端まで）に 15 、垂直
セント/コンセントを得た後、参加者は Kaufman
方向に 1.8 であった。参加者は、各適合条件で、
の簡易知能検査 17）
（IQ の評価）を行った。その後、
150 試行（75 試行× 2 ブロック）を行った。
参加者の身長と体重を計測した。参加者の保護者
Ｅ．記録と解析
脳波は国際 10-10 法
は、参加者の健康状態に関する質問紙、身体活動
5）
に基づき、頭皮上 64 部
簡易質問紙
、社会経済的地位（socioeconomic
25）
位より Cz と CPz の間に位置する電極を基準とし
status; SES）の質問紙 2）に回答した。これらの質
て単極導出した。接地電極は AFz とし、電極間
問紙、計測が終わった後、最大運動負荷試験が行
インピーダンスは 10 kΩ 未満に保った。また、左
われた。
眼窩上下と左右眼角外から垂直・水平眼電図を双
2 日目には、脳波計測が行われた。64 チャンネ
極導出し、まばたきや眼球運動をモニターした。
ルの Quick-Cap（Compumedics Neuroscan, El Paso,
脳波データは 500 Hz でサンプリングされ、バン
TX）を装着後、防音室内に参加者を座らせた。
ドパスフィルタ（DC∼70 Hz）とノッチフィルタ
その後、参加者に認知課題のルールを教示し、練
（60 Hz）を施した（Neuroscan Synamps2 ampliﬁer,
習試行（40 試行）を行わせた。正反応率が 50％
（chance level）以下の場合は、練習試行を繰り返
Neuro, Charlotte, NC）
。
オフライン処理では、1）空間フィルタを用い
し行わせた。認知課題終了後、Pre-test では、参
た眼電図補正、2）再基準化（両マストイド連結）
、
加者を各群にランダムに割り付けた。
Ｇ．統計検定
3）刺激に同期したエポックの切り出し（100∼
1500 ms）
、4）基線算出（100∼ 0 ms の平均電
行動指標（正反応率，反応時間）の統計検定に
位）
、5）ローパスフィルタの適用（30 Hz, 24 dB/
は、2（群：運動介入群，統制群）× 2（時間：
octave）
、6）アーチファクトの除外（ 75 µV を
Pre-test，Post-test）× 2（条件：適合，不適合）×
超える電位を含む試行を除外）を行った。エラー
2（試行：一致，不一致）の多変量分散分析（multi-
試行は、反応時間の分析、ERPs の加算平均から
variate analysis of variance; MANOVA）を用いた。
除外した。刺激後 300∼750 ms 間の最大陽性成分
P3 振幅、P3 潜時の統計検定には、2（群）× 2（時
表 2 ．Pre-test、Post-test における行動指標の平均値（標準偏差）
Table 2．Mean（SD）values for behavioral measures at pre- and post-test.
Measured Variable
Mean Response Accuracy（%）
Compatible-Congruent
Compatible-Incongruent
Incompatible-Congruent
Incompatible-Incongruent
Mean Reaction Time（ms）
Compatible-Congruent
Compatible-Incongruent
Incompatible-Congruent
Incompatible-Incongruent
Intervention
Waitlist
Pre
Post
Pre
Post
76.5（13.8）
70.3（14.9）
71.1（14.1）
68.6（15.0）
83.3（10.4）
77.8（12.2）
80.8（12.4）
75.9（14.3）
78.6（13.3）
72.9（13.0）
76.1（16.1）
72.4（18.5）
85.9（10.0）
80.4（13.4）
80.0（13.2）
77.4（14.8）
521.8（109.0）
552.3（113.9）
585.7（122.2）
598.4（126.6）
474.5（82.0）
508.9（86.1）
537.4（101.0）
557.5（111.3）
545.4（120.2）
572.5（139.0）
590.1（128.5）
615.1（140.1）
480.4（113.5）
513.5（116.2）
527.8（111.1）
538.6（106.6）
400 600
Time (ms)
800 1000
0
200
400 600
Time (ms)
800 1000
400 600
Time (ms)
800 1000
0
200
400 600
Time (ms)
Cz
800 1000
5
0
-5
-10
5
0
15
10
Amplitude (µV)
-5
0
200
400 600
Time (ms)
Pz
800 1000
P3
Amplitude (µV)
15
10
5
0
-5
0
400 600
Time (ms)
800 1000
15
10
5
0
-5
-10
0
200
400 600
Time (ms)
Pz
図 2 ．Pre-test、Post-test における ERP 総加算波形
Fig.2．Grand averaged ERP waveforms at pre- and post-test.
200
Pz
Amplitude (µV)
-10
800 1000
15
10
5
0
-5
-10
Amplitude (µV)
-10
15
200
5
0
-5
-10
15
0
Cz
15
5
0
-5
-10
15
200
15
0
15
15
800 1000
800 1000
10
5
0
-5
10
400 600
Time (ms)
Cz
400 600
Time (ms)
Fz
10
5
0
-5
10
200
200
Fz
-10
0
0
0
Incompatible
10
5
0
-5
-10
Congruent
10
0
0
Pre Intervention
Post Intervention
Pre Waitlist
Post Waitlist
Fz
Incongruent
10
5
0
-5
-10
15
10
5
0
-5
-10
Amplitude (µV)
Amplitude (µV)
-10
Compatible
Amplitude (µV)
Amplitude (µV)
Amplitude (µV)
Amplitude (µV)
Amplitude (µV)
Amplitude (µV)
Congruent
200
200
200
400 600
Time (ms)
Pz
400 600
Time (ms)
Cz
400 600
Time (ms)
Fz
Incongruent
800 1000
800 1000
800 1000
（6）
（7）
間）× 2（条件）× 2（試行）× 3（導出部位：Fz,
Cz, Pz）の MANOVA を用いた。下位検定では、
Pre-test（M = 572.7 ms, SE = 11.7）に比べ Post-test
（M = 517.3 ms, SE = 10.0）で反応時間が短かった
Bonferroni 法を用いて有意水準を調整した。有意
ことを示している。群要因を含む主効果、交互作
水準は 5 ％とした。
用は認められなかった。
Ｃ．P3 成分
結　果
Pre-test、Post-test における ERP 総加算波形を
本統計検定は多くの要因を含んでいるため、本
図 2 に示す。P3 振幅に関して MANOVA を行っ
研究目的に基づき、群、時間の要因を含む主効果、
た結果、群×時間の交互作用が認められた（F
［1,
90］= 11.1, P = 0.001, η2p = 0.11）
。この交互作用
交互作用のみを以下に示す。
Ａ．参加者の特徴
は、運動介入群では Pre-test に比べ Post-test で P3
すべての参加者の特徴（年齢，BMI，IQ，
SES）は群間で異ならなかった（ts［90］≤ 1.3, Ps ≥
0.19）
（表 1）
。有酸素能力の向上率は統制群に比
べ運動介入群で有意に大きかった（t
［90］= 2.8, P
振幅が大きかった（t
［47］= 2.7, P = 0.009）のに対
し、統制群では Pre-test に比べ Post-test で P3 振
幅が小さかった（t
［43］= 2.3, P = 0.02）ことを示
= 0.007）
（表 1）
。この結果は、本運動プログラム
15
が有酸素能力を向上させたことを示している。
＊
P3 Amplitude (µV)
Ｂ．行動指標
Pre-test、Post-test における行動指標の平均値を
表 2 に示す。正反応率に関して MANOVA を行っ
た結果、時間の主効果が認められた（F［1, 90］=
29.0, P < 0.001, η2p = 0.24）
。この主効果は、両群
において、Pre-test（M = 73.3%, SE = 1.4）に比べ
Post-test（M = 80.2%, SE = 1.2）で正反応率が高かっ
0.001, η2p = 0.28）
。この主効果は、両群において、
Compatible
450
Pre
Post
Intervention
Pre
Post
Waitlist
Pre
Post
Waitlist
＊
P3 Latency (ms)
P3 Latency (ms)
500
Post
Incompatible
550
＊
＊
Pre
図 3 ．Pre-test、Post-test における平均 P3 振幅
Fig.3．Mean P3 amplitudes at pre- and post-test.
The Compatibility, Congruency, and Site factors were
collapsed in this ﬁgure. Error bars indicate SEs.
反応時間に関して MANOVA を行った結果、
時間の主効果が認められた（F
［1, 90］= 35.7, P <
400
5
Intervention
作用は認められなかった。
550
10
0
たことを示している。群要因を含む主効果、交互
＊
500
450
400
Pre
Post
Intervention
Pre
Post
Waitlist
図 4 ．Pre-test、Post-test における各適合条件の平均 P3 潜時
Fig.4．Mean P3 latency at pre- and post-test for each compatibility condition.
The Congruency and Site factors were collapsed in this ﬁgure. Error bars indicate SEs.
（8）
している（図 3）
。
達の最も遅い脳部位の 1 つであることが知られて
P3 潜時に関して MANOVA を行った結果、群
いる 12）。つまり、習慣的運動による有酸素能力
×時間×条件の交互作用が認められた（F
［1, 90］
= 4.4, P = 0.04, η2p = 0.05）
。下位検定として、各
の向上は脳の発達にかかわるため、子どもではま
適合条件において群×時間の MANOVA を行っ
前頭前野が重要な役割を果たす実行機能にその効
た。適合条件では、時間の主効果のみが認められ
た（F［1, 90］= 24.3, P < 0.001, η2p = 0.21）
。この
果が顕著に現れるのかもしれない。本研究におけ
主効果は、両群において、Pre-test に比べ Post-test
齢者 6,18）だけではなく、子どもにおいても、習慣
で P3 潜時が短かったことを示している。一方、
的運動の効果が実行機能に対して大きいことを示
不適合条件では、群×時間の交互作用が認めら
れた（F［1, 90］= 4.5, P = 0.04, η2p = 0.05）
。この
唆するものである。
だ未成熟にある前頭前野に対して影響が大きく、
る P3 潜時の結果は、これまで報告されてきた高
一方、P3 振幅は、統制群では Post-test におい
交互作用は、運動介入群では Pre-test に比べ Post-
て低下したのに対し、
運動介入群では増大した
（図
test で P3 潜時が短かった（t
［47］= 3.2, P = 0.002）
3）。両群において、Post-test で正反応率の向上、
のに対し、統制群では Pre-test と Post-test で P3 潜
反応時間の短縮が認められており、これはフラン
時が異ならなかった（t
［43］= 0.4, P = 0.7）ことを
カー課題に対する学習効果（練習効果）を示して
いると考えられる。よって、統制群における P3
示している（図 4）
。
の低振幅化は、学習効果による効率的な認知処理
考　察
過程を反映していると示唆される。この推察が正
本研究は、有酸素能力の向上を目的とした放課
しいのであれば、運動介入群における Post-test で
後運動教室が、子どもの認知機能を改善させるの
の P3 振幅の増大は、非効率的な認知処理過程を
かを無作為化比較試験によって検討した。認知機
反映していると考えられるのかもしれない。しか
能の評価には P3 成分を用い、実行機能の要求度
しながら、上述のように P3 潜時の結果は有酸素
を操作するためフランカー課題の適合条件と不適
能力の向上が実行機能の改善をもたらしたことを
合条件を設定した。
示唆するものであり、運動介入群における P3 振
本研究における最も重要な知見は、有酸素能力
幅の増大が非効率的な認知処理過程を反映してい
の向上に伴う P3 潜時の変化である（図 4）
。まず
るとは考えにくい。また、横断的研究デザインを
適合条件では、両群において Post-test で P3 潜時
用いた先行研究では、一貫して、有酸素能力の高
の短縮が認められた。これは、9 か月間の発達の
い子どもは低い子どもに比べ P3 振幅が大きく、
影響、もしくはフランカー課題に対する学習効
より高い認知パフォーマンスを示すことが報告さ
果（練習効果）により刺激評価時間が短縮したこ
れている 13,14,23）。つまり、有酸素能力の高い子ど
とを反映していると考えられる。一方、不適合条
もは注意処理資源の動員レベルを効果的に高める
件では、統制群においては P3 潜時に変化が認め
ことができるため、より高い認知パフォーマンス
られなかった。これは、実行機能の要求度が高い
を遂行できると考えられる。よって、推察の域は
不適合条件において刺激評価時間を短縮させるに
脱しないが、本研究における運動介入群で認めら
は、発達の影響、学習効果が不十分であったこと
れた P3 振幅の増大は、より効果的な注意処理資
を示していると考えられる。対照的に、運動介入
源の動員を反映していると考えるのが妥当であろ
群では、不適合条件においても Post-test で P3 潜
う。
時の短縮が認められた。つまり、運動教室による
本研究では、放課後運動教室による有酸素能力
有酸素能力の向上が実行機能を改善させたため、
の向上は、認知パフォーマンス（正反応率，反応
刺激評価時間の短縮が、実行機能の要求度が高い
時間）に影響を与えなかった。横断的研究デザイ
不適合条件においてのみ選択的に認められたと考
ンを用いた P3 研究では、有酸素能力の高い子ど
えられる。実行機能のコントロールには前頭前野
ものほうがフランカー課題の正反応率が高かった
が重要な役割を果たしており
ことが示されている 13,23）。これらの先行研究では、
、前頭前野は発
20）
（9）
VO2max が各年齢における 70 パーセンタイル以上
●
の参加者を高体力群、30 パーセンタイル以下の
参加者を低体力群とするなど、有酸素能力の群間
差が非常に大きく設定されている。本研究におけ
る運動介入群の有酸素能力の改善率は平均 7.2％
（M = 2.1 ml/kg/min）であり、認知パフォーマン
スを向上させるには、不十分であったのかもしれ
ない。言い換えれば、認知パフォーマンスの改善
にはもう少し長い期間の有酸素トレーニングが必
要なのかもしれない。
Lippincott Williams & Wilkins, New York.
2）Birnbaum AS, Lytle LA, Murray DM, Story M, Perry CL,
Boutelle KN（2002）: Survey development for assessing
correlates of young adolescents eating. Am J Health Behav,
26, 284-295.
3）Castelli DM, Hillman CH, Buck SM, Erwin HE（2007）:
Physical fitness and academic achievement in third- and
ﬁfth-grade students. J Sport Exerc Psychol, 29, 239-252.
4）Castelli DM, Hillman CH, Hirsch J, Hirsch A, Drollette E
（2011）: FIT kids: time in target heart zone and cognitive
performance. Prev Med, 52, S55-S59.
本研究は、無作為化比較試験により、習慣的運
5）Chatrian GE, Lettich E, Nelson PL（1985）: Ten percent
動による有酸素能力の向上が子どもの認知機能を
electrode system for topographic studies of spontaneous
改善させうることを示したが、結果の解釈には注
意が必要である。本運動プログラムは、有酸素運
動だけではなく、筋力や運動技能を要する運動が
含まれているため、それらの能力も同時に向上さ
せた可能性が考えられる。つまり、本研究では、
筋力や運動技能の向上が認知機能に影響を与えた
可能性を否定できない。筋力や運動技能と認知機
能の関係はいまだ不明であり、今後どのような運
動が認知機能の改善をもたらすのかといった運動
and evoked EEG activity. Am J EEG Technol, 25, 83-92.
6）Colcomb SJ, Kramer AF（2003）: Fitness effects on the
cognitive function of older adults: a meta-analytic study.
Psychol Sci, 14, 125-130.
7）Department of Health and Human Services［DHHS］and
Department of Education［DOE］
（2000）: Promoting
better health for young people through physical activity
and sports. A report to the President from the Secretary of
Health and Human Services and the Secretary of Education.
Centers for Disease Control, Silver Spring.
のタイプに注目する研究が期待される。しかしな
8）Diamond A（2006）: The early development of executive
がら、先行研究におけるこれまでの知見と本研究
functions. In: Bialystok E, Craik EIM（eds.）, Lifespan cog-
の結果から、習慣的運動による認知機能の改善に
nition: mechanisms of change, 70-95, Oxford University
は有酸素能力の向上が重要な要因の 1 つになって
いると考えるのが現時点では妥当である。
総　括
酸素能力の向上が、P3 成分に反映される子ども
の実行機能を改善させることを示した。実行機
、また P3 成
24）
分は学力のマーカーになることが提案されてい
る 16）ため、本研究の結果は有酸素能力と学力の
関係を示した先行研究
3）
of information processing. Psychophysiology, 18, 207-215.
10）Eriksen CW, Eriksen BA（1974）: Effects of noise letters
本研究は、9 か月間の放課後運動教室による有
能と学力は密接にかかわっており
Press, New York.
9）Duncan-Johnson CC（1981）: P300 latency: a new metric
の知見を支持するもの
である。本研究は、習慣的運動、それに伴う有酸
素能力の向上が子どもの脳の健康、脳（特に前頭
前野）の発達に重要な役割を果たす可能性がある
ことを提案するものである。
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