Age-related differences in cortical functional connectivity during du al-task walking: a cross-sectional fNIRS study

歩行は、人間が行う最も自動的な動作の一つです。足を上げ、体重を移動させ、踵を下ろすといった動作について、私たちは意識することはありません。身体がそれらを自然に処理している間、精神は自由にさまようことができます。しかし、人は年齢を重ねるにつれ、この自動的なプロセスには、より意識的な注意が必要になることがよくあります。脳は、足の動きを安全に維持するために、より懸命に働かなければなりません。特に、買い物リストを思い出したり会話を続けたりといった、他のことをしようとしている時にはなおさらです。身体を動かすことと思考することの間のこの葛藤は「デュアルタスク（二重課題）」として知られており、加齢による隠れた変化が顕著に現れる場面でもあります。科学者たちは、加齢に伴い脳がこれらの競合する要求を管理する方法を再編成しているのではないかと長年疑ってきましたが、人が歩いている間に脳の異なる部位がどのように互いに通信しているのかを正確に観察することは困難でした。これを理解するためには、研究者は、巨大な機械の中でじっとしているように求められることなく、脳の活動を観察できる方法を必要としていました。

中国の研究チームは、健康な高齢者と健康な若年者を比較することで、このプロセスを直接観察しようと試みました。彼らは、安全な近赤外線を生体を通して頭蓋骨に照射し、脳の外層の血流を測定する携帯型デバイスを使用しました。機能的近赤近赤外分光法（fNIRS）と呼ばれるこの技術は、人が自由に動いている間の脳の活動を覗き見る窓のような役割を果たします。研究者たちは58人のボランティアに対し、3つの異なる活動を行うよう求めました。それは、「単独での歩行」、「座っての単語ゲーム」、そして「単語ゲームを行いながらの歩行」です。この単語ゲームは、特定の文字を含む言葉を考える必要があり、集中力と記憶力を要求される課題です。血流パターンを測定することで、チームは、身体を動かし続け、かつ精神を働かせるために、脳の異なる領域がどのように互いに接続されているのかを確認することができました。

この研究には、中央値67歳の高齢者30名と、中央値24歳の若年者28名が参加しました。脳スキャンを開始する前に、研究者たちは、高齢者グループが標準的な記憶力や思考速度のテストにおいて、加齢に伴う典型的な傾向として、わずかに低いスコアを示していることを確認しましたが、全員が歩行や会話に支障のない健康な状態にありました。参加者は、運動の計画や思考に関与することが知られている前頭部および頭頂部をカバーするセンサーを備えたキャップを着用しました。その後、研究者たちは、ボランティアが直線を歩いている時、数字を暗唱するために静かに座っている時、そして最後に単語を生成しながら歩いている時の脳活動を記録しました。目的は、課題が難しくなったときに脳領域間のコミュニケーションが変化するかどうか、そしてその変化が、高齢者グループと若年者グループでどのように異なるかを確認することでした。

結果は、これら2つの年齢層が「歩きながら考える」という課題に対して、どのように対処したかについて明確な違いを明らかにしました。若年者の場合、脳の通信パターンは驚くほど安定していました。単独で歩いている時でも、単語パズルを解きながら歩いている時でも、脳の異なる部分間の接続は大きく変化しませんでした。彼らの脳は、内部ネットワークを再編成する必要なく、追加の精神的負荷を処理できているようでした。しかし、高齢者は全く異なる状況を示しました。歩きながら思考を行う際、特定の領域、特に運動の計画と調整を司る右側の脳の領域における接続が弱まりました。同時に、思考を司る前方の脳と、言語や音に関連する耳の近くの領域との間の接続は強まりました。

この高齢者の脳における変化は、課題が困難になると、通信のネットワークがその形状を変えることを示唆しています。運動計画領域における接続の弱まりは、脳が単語ゲームで忙しい時に、これらの領域が通常の調整レベルを維持するのに苦労していることを示している可能性があります。対照的に、思考領域と言語領域の間のより強いリンクは、高齢者の脳が要求に対処するために、ネットワークの他の部分から追加の助けを動員していることを示唆しています。研究者たちは、これらの変化が単なるランダムなものではないことを見出しました。接続の強さは、参加者の記憶テストの成績や、椅子から立ち上がって歩く速さと関連していました。運動領域における接続が強い人ほど、認知テストのスコアが高い傾向にあり、一方で思考と言語の間のリンクが強い人は、やや異なるパフォーマンスパターンを示す傾向がありました。

研究では、参加者が実際にこれらの課題をどの程度遂行できたかも調査されました。デュアルタスク歩行中、高齢者は若年者よりも正しい単語を少なく生成しており、精神的負荷が彼らにとって実際に困難であったことが裏付けられました。しかし、研究者たちは、単語ゲーム中に歩行速度や安定性がどのように変化したかを正確に測定できなかったため、高齢者が思考を優先するために歩行の安全性を犠牲にしたのか、あるいはその逆なのかを断定することはできないと述べています。これらの知見は、歩行と思考を行っている瞬間に特有のものでした。高齢者が単に歩いている時や、単に考えている時には、彼らの脳の接続は若年者グループと非常によく似ていました。これは、彼らの脳の組織化における独特の違いが、両方のことを同時に行うことを強制された時にのみ明らかになることを意味しています。

これらの観察結果は、複雑な日常活動が行われている最中の、老化する脳の中で何が起きているのかについて、より明確な視点を提供しています。高齢者の脳がプレッシャーの下で異なる接続パターンを示すという事実は、脳が課題に対処するために、おそらく別の経路を使用して仕事を完遂しようとしていることを示唆しています。この研究は、これらの変化が良いか悪いかの証明をするものではありませんが、脳のネットワークが柔軟であり、その瞬間の要求に応答することを明らかにしています。研究者たちは、サンプルサイズが限定的であることや、この研究が特定の時点を切り取ったものであるため、これらのパターンが数年間にわたってどのように変化するかを示すことはできないことを認めています。また、単語ゲームの設計方法が結果に影響を与えた可能性や、使用された技術が脳の表面しか見ていないことも指摘しています。それらの限界はあるものの、本研究は、脳が周囲の世界に応じて自らを再配線していることを示し、私たちが動き続け、考え続けるために脳が行っている目に見えない調整を、具体的に描き出しています。