Changes Sustained Attention Qigong

International Society of Life Information Science(ISLIS)

NII-Electronic Library Service

InternationalSociety of MfeInformationScience{ISLIS)

134 kematofnvSodetyofmoinft"madonSalamaeasas) J.inti,Soc.Ldelnji),Sci, Vok18,Ne.1,Marek2ooO

The Ninth Symposium on Life Information Science MLirch 3-4 2000, fokyo institute of Technology,fokyoss

REM SIeep-Like Response Hypothesis on the Neurophysiological

Changes Due to Sustained Attention in Qigong

Ibng ZHANG i ,

2 ,Masahiko

HIRASAWA i , Mikio YAMAMOTO

i ,

and Kimiko KAWANO i P

i?Vbtional institute ofRadiological Stiences (Chibq lapatij

2 Ochanomizu PPbmen ls Uhiversity (7bkyo, laparij

3 M2pon Mledical Strhool (7bkyo, .lapawf

Abstract: Since sustained attention to a specific object is the main characteristic of

qigong exercise and meditation, in this paper the authors overview the physiologicalchanges in the state ofqigong (by reviewing some studies on qigong and meditation withEEG, PET) based on recent knowledge on attention and wake-sleep regulatory

mechanisms. It is observed that the alpha and theta activities of EEGs increase, and

activities ofthe vigilance attentional network in the right frontal lobe, the thalarnus, and

the innominate substance (a part of the basal forebrain) related to levels of arousal

decrease. Furthermore activation of limbic system is a common point between REMsleep and the state of qigong. It is inferred that in the longterrn sustained attention of

qigong, due to the decline of activity in the noradrenergic system in which the locusceruleus has the leading role, activities of the prefrental lobe and basal forebraindecrease. The REM activating-type ones in the cell group ch5 and ch6 of cholinergic

neurons, moreover the REM regulatory mechanism in the lower part ofthe brainstem are

affected owing to disinhibition ofthe descending output from the posterior hypothalarnicarea and a state similar to REM sleep is experienced.Keywords: qigong, sustained attention, EEG, alpha waye, prefionta1 cortex, the limbic

system, basal forebrain, hypothatamus, REM sleep, ACh, noradpenalin

1.1.

1.Introduction

Qigong -- Mind-Body Training

Tbng ZHANG, or Mikio YAMAMOTO iBio-Emission Lab., Div. ofRadiation Research in9-1, Anagawa-4, lnage-ku, Chiba-shi 263-g555JapanPhone

+81-43-206-3066, Fax [email protected]@nirs.go.jp

Although mind-body training techniques 1ike

qigong, meditation and Zazen developed fromdiffererrt cultural, scientific and religious

backgrounds, and their practitioners have

different purposes, their basic principles are the

sarne; i.e. to decrease body movement,

sensation and cognition, to set up a

biofeedback by adjusting posture, respiration

and mental condition, and therefbre to

improve the psycho-physiological



InternationalSociety ofMfe Information Science{ISLIS)

nvofinte""muSoalotyofWbinmaeSctantmaSus) J.intl.Soc,Lijleh!fo,Sci. Vot18,No,1,Match2000

The Ninth Symposium on Life InforTnation Science imrch 3-4 2000, Tok}'o lnstitute of 7lechnolog)･,fok),o

normalizationi).

Various studies on the physiologicalmechanism of qigong and meditation havebeen carried out so far. Subjects can rarely

undergo a deep change ofconsciousness under

experimental conditions, and the data vary

widely due to differences among individuals,

however the rise of skin temperature2'3) theincrease of skin resistance4), and decline of the

LF! HF (a parameter of the sympathetic nerve

activity) of the R-R wave interval have beenobservedS). On the other hand, the increase of

a and e activities, especially in the

frontal-parieta1 area6'7'8), the inversion of a

activity between the frontal-parieta1 lobe andthe occipita1 lobe and the right-fronta1

predominance8'9) haye also been reported. Inthe endocrine fimction test, the levels ofplasma

conisol and adrenaline of the exercisers

decreased significantly iO'iil

Due to theimprovement ofimaging technologies like PETand fMRI, mental activity can be observed

more directly, and it has been reported thatduring the qigong state, the rCBF in the frontallobe, thalamus and right occipha1 lobedecreased, while the activity of the

:.I.g,po,:g2;:,l}iiLy?,,E\id,.liie.gmxg,Siago,ihd,,;.o,g/s,Leaimechanism ofthe qigong state remains unclear.

1.2. CharacteristicsofQigong

In cognitive science, attention is defined as

the process of catching a subject in clear andvivid form out of several others that exist

simultaneously, and "focused

consciousness" isthought to be its essence. Attention can be

resolved into some sub-processes i4 ). (1)

attentional orientation; (2) selective attention

(or focused attention); (3) divided attention;

and (4) sustained attention. Much knowledgehas been obtained on each of them. On the

other hand, "Santiao", which is adjustment of

posture, adjustment of respiration, and

adjustment of the mind (sustained and focusedattention) is said to be the essence ofqigongi5).

(s:l)135

Although there are many kinds ofpostures like

plain sitting, knee-crossing, supine lying, etc.,

and there are several breathing regulation

methods such as natural respiration,

onhodormic abdominal respiration,

pausing-closing respiration, even the 1atentrespiration etc. which are each somewhat

different, all of them are for the propose ofregulation of the mind which is the most

essential part of qigong training. In qigongtraining, a practitioner must concentrate hismind (attention), which shifts from time to time,

to a particular subject like certain part of thebody (Dantian, Elixir Field), or to hisrespiration, or to something outside his bodMeven a single word or phrases, and then

maintain this concentration as long as possible(sustained attention).

In this papeg the authors discuss the

physiological changes in the qigong state basedon recent findings of cognitive science

regarding the attention mechanism and some

neurophysiological research on the wake-sleepregulation mechanism. A REM sleep-like

response hypothesis is proposed from thecorrelation between sustained attention and

decreased arousal, and the similarity ofcerebralactivities between the qigong state and REMsleep finally.

2. PreviousStudies

2.1. AttentionMechanism

Since neuroimaging technology came to beused as a study method, it is possible to

observe human cerebral activity in real time,and much valual)le knowledge has beenobtained.

From the study ofhuman attention with PETLneuronnetwork that related to attention havefound in the cerebral cortex and the basal partof the braini6'i7'i8). The pychologist Posner

suggested that there are three attentional

networksi7}. The posterior network involvingthe parietal lobe is related to orienting to

sensory stimuli, especially the relevant location



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136 logmaloffi Seteeoft"lointot-atianStdentmasus) J.Ihtl.Soc.LdeInjb.Sci. VoL18,No.l,MdiTh2eee

The Ninth Symposium on Life Information Science

Mtirch 3-4 2000, 7bkyo lnstitute ofTechnology,7bkyoss

L

postenor

attent

attentionnetworkR

vigilancerk

Fig,1 Attentional networksi7)

P

in visual search, the anterior network involvingthe prefrontal lobe play an importarrt role indetecting events (awareness), and the thirdnetwotk involving the right frontal lobecontrols vigilance (Fig.1). According to datafrom animal experiments, Mesularn argued thatthere were fbur parts to the atteniional network.These were the posterior part of the parietallobe involving spatial representation, the

cingulate gyrus related to emotion, the frontallobe related to motive representation, and the

midbrain reticular fbrmation related to arousal.

Connecting them formed the attentional

netwotk, and symptoms such as unilateral

neglect would appear due to damage of thisnetworki9).

The neural mechanism of attention varies to

some extent depending on orientation and

selectivity, and the sensory modality But it hasbeen suggested that the prefronta1 lobe playsthe main role in the eperation of attention.

Strong activity was found in the dorsomedialfrontal lobe in sensory modality (visual,auditory, or somotosensory) tasks in which a

subject was required to direct his attention to

any one of them20). Some data showed that by"top-down"

modification of the prefrontal lobe,connection of each part of the attention

netwotk was intensified2i). Mght hemisphericdominance in the case of spatial attention hasbeen suggested in another study22). It was also

found that no matter what the modality of thesensory input (visual or somatosensory) was,

and regardless of the lateralitM in the case of

short-term sustained attention (40sec), the

cerebral blood flow increased in the prefrontaland superior parietal cortex in the right

hemisphere23).

Image recalling is in general use in qigongtraining and meditation. In a study by Rolandet al.2" on spatial image recalling, areas inwhich the rCBF increased the most remarkably

were observed in the prefrontal association

areas (Pars orbitalis, especially the dorsolateral

prefrontal cortex), and the parietal association

areas (especially the lateral-posterior part,around the gyrus supramarginalis), the caudatenutieigp/i,:,l.,d,sll,li,gll,,,,e,?O.f.th,ei.b,a.S,a,ll,g,itlliltOh"ahg,,

of the neural system activity underlying

sustained attention, although the results variedsomewhat, increases of rCBF or glucosemetabolism have been found in the right frontalcortex, the parietal cortex and the thalamus, butal1 of them seemed to agree on the importanceof the right fronta1 cortex in the case of

short-term (less than 3Omin) sustained attention

regardless of the sensory modality. In anotherattention-demanding reaction-time study

28 )

using somatosensory and visual stimuli, theaction of the midbrain reticular formation and

the thalamic intralaminar nuclei were observed.

However, in studies26'27) on the time course of

changes in brain activity during long-term

(60-min) auditory vigilance, increased EEGactivity in the theta (4-7Hz) range and

decreased rCBF in the attentional network

(verrtrolateral, dorsolateral, and orbital frontalcortex, and temporal cortex, al1 limited to theriglrt hemisphere), and some subconical

structures such as thalamus, innominate

substance and putamen were seen.

It has been suggested that noradrenergic

activation is necessary in fbcusing attention. Itwas also put fbnh that the vigilance network

involves the locus coeruleus which is the1argest noradrenergic nucleus and innervates a

widespread area of the central nervous system,

and the networks modulates the activity of the

NII-Electronic




kefiulofintefintlonalSedwtyofUloinuatiaeSalamae(ma) J,intl.Soc.Lgfelt!fo,Sci, VeLIS,iVo,l,Mdivh2ooe

The Ninth Symposium on Life Information Science March 34 2000, fokyo lnstitute of 7lechnolog.v,Tokyoss

137

Fig.2 The ciassical pathway and the alternative pathway34).:

facilitating input ;

attentional network by boosting signal-to-noise

ratios29). From a PET study on a Rapid Visuallnfbrmation Processing task, it was predictedthat the frontal and parieta1 parts of theattentional network can be influenced by the

noradrenergic modulatory system30). Clonidinewhich can decrease the noradrenergic neuron

firing and noradrenaline release, impairs

perfbrmance of an attentional task more

significantly in a "quiet"

condition than a"noisy"

condition, or when the task is a

fatniliar one. In the other words, the clonidineeffect on the activity of the attentiona1 network

depends on the level of nonspecific-arousal: at

a low level of arousal, the drug effect isstronger3i). Some other studies with fronta1type dementia also revealed that noradrenaline

rnodulates attentional fimction through a

-2-adrenoceptors in the frontal cortex,

ggP.eiC,i,al,IX,,i" the

right

fronta1

and

parieta1

-l: inhibitory input

2.2 Mechanism of Sleep-Waking

Modulation in the Neurophysiology

In qigong training and meditation, some

changes that reflect the decline of arousal level,

such as low frequency range ( a , e) activities

in EEGs, and elevation of the threshold of painare observed occasionally, so it is necessary to

know the neural mechanism of sleep-waking.

In this subsection, several recent studies on

neural modulation stmcture of sleep, especially

paradoxical sleep (REM sleep) and related

neurotransmitters are reviewed fbcusing mainly

on research and general remarks ofDt K.Sakai33)

and Dr. T. Maeda34'3S).

2.2.1. Classicalandalternativepathways

It is supposed that the neural mechanism of

the sleep-waking cycle is modulated by theclassical pathway which is also called the

ascending reticular activating system, and bythe alternative pathway which involves the




1ss tournatofl 8ealotyot'UVbh,tomsatlonSale,Ne(ZSUS) J,inti.Soc,Lijlefnj2).Sci. VetlS,NoJ,March2ooO

The Ninth Symposium on Life Inforrnation Science March 3-4 2000, 7lokyo Jnstitute of Technology,7bkyoss

fbrebrain controlling system (Fig. 2).

A. Classicalpathway Since the brainstem reticular fbrmationreactivates the cerebral cortex, it is usually

called the ascending reticular activating

system36). The dorsal component of the

Fig 3 TtelerTpoedicel ciruit34)

ascending pathway (thick line in Fig.2) isformed by the widespread reticular neurons

from the pons to the mesencephalon relays innonspecific nuclei such as the intralarninarnuclei and it sends excitable prejections to the

cerebral cortex. The brainstem reticular

formation, the thalarnus, and the cortex make

up the classical pathway. Nonspecific nuclei of

the thalamus join with the cortex neurons to

fbrm the thalamo-cortical circuit between thethalamus and cortex through the

thalarnocortical fiber and corticothalamic fiber.These nuclei catch excitable input from thebrainstem, which leads to thedesynchronization, fdst wave activities, and

arousal (Fig.3). Furthermore, activity ofthis

circuit is also modulated inhibitorily by thereticular nucleus of the thalamus, and when theinhibition weakens the activity reaches a state

described as reverberation and synchronization.

Besides originating from the brainstem,excitable input to the reticular nucleus of thethalamus also comes from the thalamo-cortical

circuit and basal fbrebrain via the alternative

pathway as well.

B. Alternativepathway

wsums

o/t-"- ww M--

wsw rs

.:H--+ H-ffHH -

amuww- H-H-

rwiebasal forebrain

-: +-H-- tN-mN H-H-

o2

\8iXmp bpseoptic

area -

anterior forebrain contrellingsystem

Fig. 4 Neuron eodvky of the forebrain cantrTotling system34)

{ W, wake : SW, slow wave sleep: PS, paradexieal sieeptREM sleep) }

c

posteriorhypothalamus

posterior forebrain

controllingsystem

Since arousal can be restored after a certain

period of time, even if the classical pathway isruined, the existence of another pathway thatreactivates the cerebral cortex is apparent. This

altematiye pathway consists of the basalforebrain and posterior hypothalamus mainly,

and due to its importance in the modulation of

sleep-waking cycle, it is considered as the

forebrain (sleep-wake) control systern.

Classification of the neuron activity in thefbrebrain control system is shown in Fig.4. In

particular, both arousal-type and (slow wave)

sleep-type neurons exist in the anterior part. The alternative pathway receives the ventralcomponent ofthe ascending activation from thebrainstem (thin line in Fig. 3), and projectionsfrom the posterior hypothalarnus not only

activate the arousal system in the upper

brainstem, but also inhibit the activity of the

sleep system in the anterior part of theforebrain control system and the lowerbrainstem (Fig.2; Fig.5). Furthermore, thearousal system in the anterior forebrain excites

the cerebral cortex directly, sends excitatory

and inhibitory cbolinergic prejections to thereticular nucleus of the thalamus and sends

excitatory ones to the nonspecific nuclei of thethalamus. Since activity of the thalamo-conical

circuit is modulated inhibitorily by the reticularnucleus of the thalamus as mentioned above,

the anterior fbrebrain plays an extremely

important role as the dominant modulating

system ofthe reticular nucleus ofthe thalarnus.

NII-Electronic




nvofintanzationalSoalotyofUleinft"matianSGteneeasas) J,intl.Soc.Lijielnjb.Sci. vot18,No.1,March2eee

The Ninth Symposium on Life Information Science March 3-4 2000, 7bkyo lnstitute ofTechnolog.v,TokyofiSii)

139

2.2.2. Mechanismofthesleep-wakingcycle

A. Sleeping system in the basal forebrain

Although the number of sleeping-type

neurons in the anterior forebrain is smal1, as

their activities intensify with the lapse from

waking to sleeping, they are considered as

neurons ofsleep manifestation (Fig.4). It seems

that they are nonecholinergic, and most exist inthe innominate substance.

Output from this area goes to the interior

{wkie}

fo.5 Fotet)raln eontmiling spteni34)

- : fior"itetiopinpttti -:irtibitoryinptt

preoptic area and reticular nucleus of thethalamus, and then a reciprocal control circuit

is fbrmed between the interior preoptic area

and posterior hypothalarnus. Furthermore,output from the reciprocal control circuit goesto the classical pathway, however most of the

projections to the reticular nucleus of the

thalarnus are excitatory, which seems to berelated to the formation of spindle burst duringstage II.

As shown in Fig.5, the reciprocal inhibitionsystem within the forebrain area participates in

both waking and sleeping. Animals with

damage in the anterior part of the forebrain, - - -especially the inte"or preoptic area, expenence

insomnia, but when the activity of the posteriorpart of the forebrain tposterior hypothalarnus)is inhibited by GABAergic agonist, sleep or

REM sleep is mostly recovered. This suggeststhat the arousal system in the posterior part of

the fbrebrain inhibits not only the activity of

the anterior fbrebrain, but also the sleep system

in the lower brainstem.

B. MechanismofREM(paradoxical)sleepin the lower brainstem As discussed above, the sleep mechanism,

which the fbrebrain control system inhibits, lies

in the lower brainstem. According to a study of

Jouvet's, some of the neuronal population inthe lower mesencephalon has a close relation

with the inhibitory system descending from theforebrain area. In the case of inhibition of this

group ofneurons, sleep, most ofwhich is REMsleep increases. It was fbund that localiniections of carbachol, which is a potentcholinergic agonist, into the upper pons can

induce REM sleep directly, and the iajection of

muscarinic cholinergic bethanechol can lead teatonia and a state of low arousal37). It has beenindicated that the EEG and hippocampalelectrical activities induced by carbachol

delivery to the pontine region resemble those

present in REM sleep38). Results of the al)ovestudies al1 seem to agree that as the central partin the initiation and maintenance of REM sleep,

the lower brainstem acts as an inhibitorysystem of the classical pathway by descendingand ascending prQjections39) (Fig. 6).

EEG(

PGO waves {EEG<

REM

atonia

Fig.6 Oentral rnechanisus of peradaxical sieep (REM sieep)33)

PGO mmi portogedatmptel waves ux, tmdorsal tegnerrtalrudets ped- LCa, peigoou$ eoert"eus elptia rndous;

ms, mm ma krk retic jais mag,ooelldorls r-,dev$

C. Classical neurotransmitter system related

to the control of the sleep-waking cycle




140 tonvofa SeafietyetL"binhaaatlo,,Stlamtm(ma) J,Inti,Soc.LijleIrVZ),Sci. VoL18,No.1,Mcrch20eO

The Ninth Symposium on Life Inforrnation Science

Mdrch 3-4 2000, 71)k},o Institute of Technology,7bk]Jo(Sl)

Aminergie neural system:

The activity of the noradrenalinergic and

adrenalinergic neurons increases during arousal,decreases during slow wave sleep, and ceases

completely in the period of REM sleep. For thisreason, the aminergic neurons are regarded as

arousal-type neurons, and the locus ceruleus,which is the 1argest noradrenalinergic nucleus

in the brain and has a widespread innervation,is representative of this type of neuron (Fig.7).

subserves arousal; the rear group, is located inthe area around the pedunculopontine tegmentalnucleus (PPT; ch5) the dorsolateral tegmental

nucleus (LDT; ch6) and it is associated with

REM sleep `')

(Figs.8, 9).

Fig 8 distribetion ot the cema cticotimpic system (1)4i)MS, ndel sepbetrr; VDBB, mu 1imb ndas ct be dipa bend ct tuHDBB, horizcnel 1imb ma ct the diagomel bend ct boca: NBM rndecs

baseriis mageooellulais; LC, locxts coertdecs LcrT, mu tepmorrtrindous: PFr, pedtm1ptne tegmcrrtel mudees

ng.7 Projections of the noradrenergic neurorts35)

As the activity of the locus ceruleus declines,sleep occurs more easily. a2- adrenoceptors

that exist in the nuleus peri-locus coeruleus

alpha (peri-LC a ) located in the dorsomedial

pontine tegmentum play an extremely critical

role in inhibiting REM sleep40).

Serotonin, which acts on the anterior

forebrain, is associated with the disinhibition of

the posterior hypothalarnus from the sleep

system in the anterior forebrain.

Clholinergic facetylcholine) system" The discharge rates of both noradrenergicand cholinergic neurons decrease throughout

slow wave sleep. During REM sleep, thenoradrenerigic neurons cease firing, howeverthe cholinergic neurons maintain a high rate oftonic discharge. The central cholinergic system

can be divided into two groups based on theirdistributions and fimctions: the front group islocated in the basal forebrain (chl-ch4) and

vD..,MB,S

,

£,

C

!h

,!,)i.llll!W

tlP>-,,,,,,,,

NBM(,h4)W [lth7t

pb(,hs,,h6)

da.r,tc,:,an.{,v,e,n)trat-Wl:"ti/ Ldl,...sy

LDT(ch6)

Fig. 9 Distribution of the cholinengic system (2}35) MS, medial septum: VDBB, verticel lirnb nudeus ot the diagonel bend

ct Broea: HDBB, horizonel ljmb nudeus ot the disgond band ot Broce;

NBM,nueteusbeselisrnegncx)etluEaris;PPT,pedumulopcvtine

tegmeniel nudeus; Pb, ParabrachLal nudeus : LDT, laterodorsel tegmentelnudeus

The arousal-type cholinergic neurons in thefronta1 group facilitate the activity of thethalamo-conical circuit by enhancing the

activity ofthe thalamic neurons induced by the

perceptive input and the response of the cortex

neurons to the input from the thalamus,

suppressing the activity of the reticular nucleusof the thalamus. On the other hand, theso-called PS-on (onset of paradoxical sleep)

neurons are located in the areas ofch5 and ch6,

(in particular the nucleus peri-locus coeruIeus

NII-Electronic




tovmatofnvSottwofdeldbtmitiamStknosasas) J,IntLSoc,Lijleh!fo.Sci. VoHS,No,I,M`"vh20eO

The Ninth Symposiurn on Life Information Science March 3-4 2000, fokyo Institute ofTechnology,71ok),oss

141

alpha and the lateral parapeduncular and

1aterodorsal tegmental nucleus, also the

reticularis magnocellularis,nucleus (Mc) are

responsible fbr the generation of the PGO

waves, neurocortical EEG desynchronizationand the postural atonia (Fig.6).

22.3. Summary

The classical pathway is the arousal system

mainly composed of innervation from the locus

ceruleus via the nonspecific nuclei such as

intralaminar nuclei of the thalamus that activatethe thalamo-cortical circuit, which is the basisof the arousal. Therefbre, the activity of the

thalamo-cortical circuit is in a spontaneous

state, which is also called a reverberating

circuit, and synchronization of the EEG appears

due to suppression ofthe classical pathway.

Meanwhile the alternative pathway is the

arousal system through the hypothalamus and

the basal forebrain to the neocortex. Thecholinergic arousal neurons distribute through

this pathway while some neurons that are active

specifically in sleep are fbund in the basalforebrain and the preoptic area. Compared to

the role as an ascending arousal pathway, the

alternative pathway is more important as a

control system of the sleep-waking cycle

through the reciprocal inhibiting circuit

between the basal forebrain and the posteriorhypothalamus.

The activity ofthe neurons (Fig. 1O) in the (a)preoptic area and the irrterior part of the

anterior hypothalarnus, (b) the intralaminarnuclei of the thalamus, (c) the reticular nucleusofthe thalanius, and (d) the upper brainstem are

influenced by the change of the activity of the

sleep-type neurons in the basal forebrain.

Through the reciprocal inhibitory loop, thesleep system in the lower brainstem and the

REM generating mechanism in the pontine andthe medulla open due to the disinhibition of the

descending output frem the posteriorhypothalamus. While by pathway (d), thePS-on neurons in the rear group of the centralcholinergic system (ch5 and ch6) are impacted,

therefore the reduction of arousal, locomotionand perception interfaced in the integrationstructure in the reticular infbrmation of thebrainstem is induced (Fig. 1 O).

area hypcthalarrms

tc.1O Basal tbretxein slaep-ccxTtrvlling systcrTt35)

nR retic Sar rvdetts of ms ILN, indalaTinar nedd ct thaferms

2. 3. Several Studies on REM SIeep

2.3.1 EEGstudies

In the previous electrophysiological studies

on REM, the EEG activities at all frequenciesdeclined and the frequencies were 1-2Hz lowerthan those of waking42). On the other hand,

a activity of high arnplimdethere was alph

which correlated with the lucidity of dreams43).Since in some recent works, alpha activity hasbeen shown being attenuated by selective REM

sleep deprivation, alpha activity has beenrecognized as the distinctive feature ofthe EEGduring REM sleep

" ). It shows an

antero-posterior gradient with maximum powerat the parieta1- occipital derivation. In a studyon selective REM sleep deprivation, it was also

observed that the alpha activity was generallyreduced, with significarrt reduction in the

fronta1-parietal area, but there was no change of

the right hemispheric dominance45). A study

with animals showed activity of the

acetylcholinesterase decreased on the occasion

of REM sleep deprivation46).




142 nvet'a SoalotyetUVie- Salo,,ttatZSUS) J.intt.Soc,LCfelnj1).Sci, VZ}U8,tVb,1,March2eOO

The Ninth Symposium on Life Information Science March 3-4 2000, Tbkyo Institute of 7:echnology,7bkyoCIIE)

2.3.2 PETStudies

PET studies on REM reveal a preferentialactivation of the pontine tegmentum, leftthalamus, the limbic region (including bothamygdaloid complexes, anterior cingulate

cortex and right parietal operculuin ) and

paralimbic region of the fbrebrain (includingthe 1ateral hypothalamic area, septal-ventral

striatal areas, and infiralimbic, prelimbic,orbitofronta1, cingulate, entorhinal and insular

cortices), while significant deactivation was

observed in a vast area of the bilateraldorsolateral prefrontal cortex, the parietalcortex, the posterior cingulate cortex and the

precuneus47,48).

2.4. StudiesenQigong(Meditation)

2.4.1 EEGstudies

As discussed above, in many studies the

increase of aand eactivities, in particularlyin the frontal-parietai are4 and the reversal ofa activity between the occipital lobe and thefrontal lobe haye been generally reported. Inseveral studies right hemisphere dominance hasalso been observed. According to preyiousresearch on meditation, which resembles nei-

qigong (intemal qigong), slow a activity and

e activity were also dominant in the frontalarea and the a and eactivities continued

even afier the subjects opened their eyes. wuatis more, at the beginning of the meditation,

involuntary muscular movement and rapid eyemovement were observed, bnt the subjects can

move voluntarily and the rapid eye movement

was relieved gradually. At the same time, therespiration becarne slow and shallow49).

2.4.2 Changes of the regional cerebral

blood flovv (rCBF) Although individual variation is great,according to studies on qigong professionals,significant decrease of rCBF in the bilateral

thalamus, right occipital lobe, and some

decrease of rCBF in the medial fronta1 lobe,right parietal lobe and hippocarnpus andamygdaloid complex were observed. On theother hand, the analysis of a regional cross

correlation between rCBF and EEG frequencyfractions revealed that the EEG slow wave

accompanied a general reduction of rCBF and

vice versq but it was positively related to theactivity ofthe limbic system.

Although the number of previousneuroimagmg studies on qigong is very limited,it appears that the changes of EEG activitiesand rCBF in the qigong state are quite similarto that ofthe REM sleep.

3. HypethesisProposal

Since the thalamus and the innominatesubstance are parts ofthe classical pathway andthe alternative pathway that maintain arousal

respectively, variation of their activities isgenerally regarded as a parameter of the arousallevel. On the occasion of sustained attention toa particular subject, which is essential in qigong,EEG a and e activities increase, whereas theactivity of the arousal attentional network, thethalarnus and that of the (right) innominatesubstance decrease. These observations suggesta state of decreased arousal level, a state

between sleep and waking. Furthermore, incomparison ofthe qigong state and REM sleep,

some similarities have also been seen. Then bycombining the reciprocal inhibiting system inthe forebrain and the mechanism ofREM sleep,

a hypothesis is offered as fo11ows.

According to previous studies, the vigilancenetwork involves the locus coeruleus which isthe largest noradrenergic nucleus, innervating a

widespread area of the central nervous system,

and modulating the activity of the attentionalnetwork. It was fbund that the effects of thenoradrenergic system on the thalamus

decreased in a state of low arousal.

Furthetmore, noradrenaline modulated the

NII-Electronic




MmalofinternetionalSoGtetyofL"binesuloeSalamee(SSUS) J,intt,Sbc.Ldelnjb,Sci. VoL18,No.I,Mmvh2ooe

The Ninth Symposium on Life Information Science Mtirch 3-4 2000, thkyo institute of71echnotogy,fok],oss

143

attentional ftmction through a -2-adrenoceptors

in the fronta1 cortex. It is expected that due tosustained attention, activity of the

noradrenergiq controlled classical pathwaywould decrease, therefore the prefrontal(fronta1) lobe would deactivate.

Due to noradrenergic deactivations on the

paraventricular nucleus (especially decrease of

the corticotropin-releasing factor secretion), thestress response mediated by the

hypothalamus-pituitary-adrenal (HPA) axis

would decrease and the activity of the

sympathetic nervous system would besuppressed.

As revealed in previous studies, on occasion

of long-terrn sustained attention, EEG slow

wave activity increased, and rCBF in some

subcortical structures such as the thalamus, andthe right innominate substance in which the

sleeping-type neurons exist, decreased.However the innorriinate substance is part ofthe sleep system of the basal forebrain.Furthermore, when combined with thereciprocal inhibitien system, it is inferred thatas the sustained attention in qigong proceeds,due te some change (increase) of the activity of

the sleeping-type neurons, its inhibiting activity

on the arousal system in the posteriorhypothalamus would increase. Therefore theREM-type neurons in the rear cholinergic

group and the REM-sleep mechanism in thelower brainstem would be disinhibited, and

physiological activities similar to those duringthe REM-sleep would be induced (Fig. 1 1).

For this reason, in the qigong state, lightmuscular atonia and intermittent rapid eye

movement can be observed, and sensorimotor

blockade and dream hallucinosis are

experienced. The EEG slow waves increase,and the activity of the neocortex is suppressed,especially in the dorsolateral prefrontal area.

However the limbic subcortex, which is ¢ loselyrelated to memory and emotion becomeactivated, more even than in waking. Since

REM sleep is assigned as a aid to theconsolidation of memory50), it is no wonder that

(slecp) (walcing)

Fig. " REMsleep-like response hypothesis

TH, thalarnus; L[rr, latorodorsaL tegmental nunteus; PPT, pedunoulopctiretegmerTtal nudeus: Mc, retia)laris magnocellelaris nudeus

-: patrTway ct REM sieeplike respense: : ouinengic systern

qigong has promoting effects on memory and

menta1 arithmetic capability5i). And what ismore, as the qigong state is usually induced andmaintained by visuospatial imaging, it is alsoinferred that the right parietal (operculum) lobeis relatively activated.

4. ProposalofFutureStudies

The fo11owing future studies are suggested to

confirrn the hypothesis.

1. Comparison of the differences of EEG

activity and regional shifts of cerebral

activation between qigong and REM

sleep, especially in the

mencephalo-pontine tegmentum, the

basal forebrain, and the limbic region.

Comparisons made with the same subject

would be more instructive. 2. Comparative studies of the activation

shifts of neurotranmitters such as

noradrealine, ACh, serotonin, and

6ABA between REM sleep and qigong would also be usefu1.

Acknowledgements

The authors express their

Pro. Shizuo TORII of [rbho Usincere

thanks toniversity and Pro.




1" tovnvofinmuNsalSottwofUVbl Sttentmasus) J,intl.Soc.LdeInjio.Sci. VoL18,No,1,Mut:h2eOO

The Ninth Symposium on Life Information Science

March 3-4 2000, fokyo lnstitute ofTechnology,TZ)kyoss

Shunkichi ENDO of Nippon MedicalUniversity , and Ms. Tbmoko KOKADO and

Ms. Junko 1:ANIGUCHI of the National

Institute of Radiological Sciences fbr their .cooperatlon.

Part of this study was perfbrmed as jointgovernment and private research under theauspices of the Science and TechnologyAgency under the title "Study

on Analyzing

Methods ofHuman Body Functions Using Various Stimultaneous Measurements"

(Representative, Mikio YAMAMOTO).

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工nternatlonal 　Soolety 　of 　Llfe 　工nformatlon 　Solenoe （工 SL 工S ｝

Jemalat 「

晶一 80db曜γ 星伽晶轍賜 8 醐，　　　　　　　　　　　　J，1nt’．∫oc ．ムtfe　1ψ、　Sei．　　yo‘18，

〜Vo・1，ルf〃 ch　20ee

　　　 The　Ninth　Symposi臆m 　on 　Life　lnforrnation　Science　　　　　　　　　　　ルlarch　3−42000，　Tokyo∬nstitute （）f　Techno’ogy，Tok），o 圃

即

気功における局所的注意持続による脳生理学的変化に関する

　　　　　　　　　　　　　　類 REM 反応仮説

（REM 　Sleep・Like　Response　HypothesiS　on 　the　Neurophysielogical　Changes

　　　　　　　　　 Due　to　sustained　Attention　in　Qigong）

　　　　　　　　　　張トウ1・2

，平澤雅彦1

，山本幹男1，河野貴美子

1・3

（Tong 　ZHANG 　i　’　2

，Masahiko　HIRASAWA 　

i，Mikio　YAMAMOTO 　

i，Kimiko　KAWANO 　

i　s）

1放射線医学総合研究所旧本、チ剰

　eお茶の水女子大学　（E本、東京丿

　　3H

本医科大挙 rθ本、東京丿

要旨：気功や瞑想などの心身鍛錬法における特定の対象への注意持続という共通的特徴に注目し、覚醒・

睡眠の調節機構に関する最近の知見をふまえ、 EEG や PET などの手法による関連研究を概観する。長

時間の注意持続によって、 α 、 θ活動の増大（EEG の徐波化）、右前頭葉一頭頂葉注意ネットワ

ーク及

び視床、無名質（前脳基底部の一部）血流の減少など覚醒水準の低下につながる現象が観察されたこと、

さらに気功時と REM 睡眠時における大脳辺縁系の活性化という共通点から、以下の類 REM 反応仮説

を提案した。即ち、長時間の注意持続の場合、青斑核を主役としたノルアドレナリン作動系支配の古典

経路の活動が低下するため、前頭前野の活動も次第に低下する。同時に前脳制御系の睡眠系（特に無名

質）の何らかの変化によって、前脳制御系相互抑制ループを通して、視床下部後部からの下行性出力が

脱抑制され、後群コリン作動系（ch5 、　ch6 ）のうち REM 睡眠活動型、さらに脳幹下部の REM 睡眠調

節機構が強く影響され、 REM 睡眠時と類似した反応が起こると推測される。

Keyword8：qigong，　sustained 　attention ，　EEG ，　 a蘯pha　wa ▼e，　PET 　

，　prefrontal　 cortex

，　the

limbic　system ，　basal　fbrebrain，　hypothalamus，　REM 　sleep，　ACh ，　noradrena 且in

，

　　　　　　　　 1．　はじめに

1．1　問題の提起

　気功、瞑想及び坐禅などの心身鍛練法は、行者の

文化的背景、主として科学的、宗教的な背景によっ

張トウ、山本幹男放射線科学研究部第三研究室、1 内、

〒263・8555 千葉市稲毛区穴川 4・9・1

電言舌　043・206・3066　　　Fax　O43・206・3069E ・

mail 　 chang ＠nirs ．go．jp　 yamamo ＠nirs．go．jp

て、また練習の目的、心身の個人差などによって、

異なっているが、基本的な原則は三つある。即ち運

動、感覚と認知を減少させ、随意的制御によって、

自律神経系など不随意的システムに働きかけるこ

とが特徴であり、

一般的には姿勢、呼吸、心的状態

の三つの調整が、相互に密接なバイオフィードバッ

クを形成し、心理的、生理的正常化を促進する1）。

　今まで、気功、瞑想などの生理学的機序について、

N 工工一Eleotronlo 　Llbrary 　




148

層蠶難i撫纛驚圃さまざまな研究が行われてきた。被験者が実験とい

う場面では深い意識の変容を経験することは稀で

あり、個人差によるデー

タのばらつきが大きいなど

の問題もあるが、一般的に生理学的変化として、皮

膚温度の上昇2・3）、皮膚電気抵抗の上昇4）、心電図 R・R

波間隔の LF／HF （交感神経活動の指標）の低下5）

などが観察されており、または脳波の徐波化（β波

の減少、 α 波の増大、 θ波の出現）が一般的に認め

られている。特に前頭葉、頭頂葉での α 波の増大6・7・s）、

α 波強度の前頭葉／後頭葉間での逆転），さらに α 波

の右前頭葉寄り傾向 8・9｝が観察されており、内分泌系

に対する影響として血漿アドレナリン、

コルチゾー

ルの減少などが認められている 10・11）。さらに PET ，

fMRI など脳可視化技術の進歩により、直接脳内活

動を観察することが可能になり、気功状態では、前

頭葉、視床、右側後頭葉の血流が低下し、海馬、扁

桃体など大脳辺縁系部分の活動が上昇する12113）とい

う報告も出されている。しかし、気功状態に関する

脳内機序については、充分な検討がなされていない。

1．2　気功作法の特徴

　認知科学では、注意は同時に存在するいくつかの

対象と連鎖のうちの一

つを、鮮明なかたちで心にと

らえることであると定義され、意識の焦点化集中が

その本質であるとされている。また方向性、選択性、

分配性、持続性など四つの要素1a」によって構成され

るとも考えられ、各要素について多くの研究成果が

得られている。

一方、気功、瞑想などの作法の基本

は姿勢の調整、呼吸の調整、精神の調整のいわゆる

“三調

”15）により特徴づけられ、流派によって、様々

な姿勢や呼吸調整法があるが、これらは何れも深い

精神集中の状態を導くためのものである。即ち気功

においては、普段では常に移りやすい注意を、心を

込めて移さず、体の特定の部位（ツボ、臓器など）、

自分の呼吸、外界の特定の物事；または特定の言葉、

文字などに注意集中し、それをなるべく長く持続す

ること、即ち注意集中を持続することが最大の特徴

とされている

　本論文では、この主たる特徴とされる注意集中の

持続に注目し、認知科学及び神経生理学の知見に基

づいて、気功（瞑想的内気功）状態での脳生理学的

変化を検討し、 REM 睡眠時と内気功状態との EEG

や脳活動部位における類似性から、内気功状態の類

REM 反応仮説を提案する。

2．　注意と覚醒の調節機構及び相互作用

　注意に関する認知科学的研究は十分な年数を経

ておらず、その研究の有効な方法に関しても、いま

だ模索中であるが、以下において過去におけるいく

つかの注意の神経機構、更に、脳幹機構を中心とし

た意識の調節機構に関する研究や仮説について概

観する。

2，1　注意の神経機構

　注意と関連したニュー

ロンが大脳皮質や大脳基底

部で発見されt6・　17・18）

、注意は観察可能なニューロン

活動そのものに関連付けて論じられるようになっ

てきた。特に per、

　 fMRIなどの測定装置が認知科学

の研究に利用され始めて以来、健常人に認知課題を

与えてリアルタイムでその課題処理中の脳内活動

を非侵襲的に観察することが可能となり、注意の研

究に新しいデータを提供している。

　心理学者 Posnerら 17〕は PET などを用いたヒト

の注意に関する実験研究から、脳内には主要な三つ

の注意ネットワー

クがあるとし、これらの神経ネッ

トワー

クの相互抑制や相互選択の過程として選択

的注意を説明することができることを示している。

それは、視覚探索など空間における位置への注意に

関わる背側ネットワー

ク　（頭頂葉）、事象の察知な

どに必要となるアウェアネスと関わる腹側ネット

ワーク（前頭葉前野〉、及び覚醒ネットワー

ク（右

＊

気功には何も考えず、心の中をなるべく“

無”

の状態にする一

一非意守功というものもあるが、本論文の検討対象とはしない




工nternational 　Sooiety 　of 　Life 　工nformation 　Soienoe （工 SL 工S ｝

鯏覇一蜘 of 酌伽掬願闢噛昭 8齢（aSUS）　　　　　　　　　　　 ∫．’ntl，∫oc．ムife∬nfo ，∫ci，　　yo‘18，ハ厂o・1，　Mcrch 　2の00

　　　 The　Ninth　Symposiurn　on 　Life　lnformation　Science　　　　　　　　　　 March　3−42000 ，　Tokyo　lnstitute　ofTechno ’ogy ，Tokyo 町

左側

　　　　　　　　　覚醒　背側　　　　　　　　ネットワ

ーク

監働。

　　　　　　右側

　腹劃

憲拿・

．

図1 注意のネットワーク17，

半球の前頭葉）と呼ばれる注意ネットワー

クである

（図 1参照）。また、MesUlam は動物実験から注意

ネットワー

クに係わる脳内の 4領域として空間的

認知に係わる頭頂後部、情動に係わる帯状回、運動

的認知に係わる前頭部及び覚醒に係わる中脳網様

体を挙げ、この 4領域の相互作用が注意ネットワー

クを形成し、その障害によって半側空間無視゜

などの

症状が現れるとしている 19）。

　注意の選択性、方向性、また感覚モダリティ（視

覚か、聴覚か、或いは体性感覚）によって、注意の

神経機構が多少異なるが、前頭野皮質が常に注意を

操作する主な役割を持つことが示唆されている。刺

激が視覚、聴覚、触覚の三つのモダリテイで与えら

れ、被験者はその中のどれかに注意を向けなければ

ならないと求められる場合、いずれ強い活動を示し

たのは前頭連合野の上内側部であったことが報告

されている 2ω。前頭前野のトップダウン制御によっ

て、注意ネットワークの各部分の連絡（の強さ）が

調節されるといわれている21）。 Corbettaらの実験で

は、空間的注意において右側の大脳皮質が優位であ

ることが示唆されている22｝。更に Pardo ら（1991）

は、体性感覚課題及び視覚課題を用い、持続的注意

（40秒）と覚醒レベルが要求される実験を行ってい

る。両方の場合、しかも刺激の左右差と関係なく、

“

半側空間無視（unilateral 　spatial　neglect）：頭頂葉に損傷の

ある患者に認められる症状で、損傷半球と反対側の視野に現れる

対象が無視される。

共通して活動が上昇した領域は、右側の前頭連合野

と右側の頭頂連合野であったと報告されている23）。

　気功・瞑想にもよく使われているイメー

ジ想起の

場合は、 Roland ら（1987）の空間的イメー

ジの課

題を使って行われた実験によると、血流量が最も上

昇したのは前頭連合野（前頭眼野を含み特に上部と

外側部，dorsalateral）、頭頂連合野（特に後上部）

と大脳基底核（の尾状核と被殻）であったとされて

いる24）。

　また注意機構の時間的特性について、短時間（30

分以下）の注意持続（視覚性、体性感覚また聴覚性）

状態では、右側前頭葉、頭頂葉また視床において、

脳血流量の上昇あるいはブドウ糖代謝率の上昇が

観察されている 23・25・26・27）。感覚刺激のモダリティ（視

覚、体性感覚など）に関係なく、注意時に中脳被蓋、

左側視床髄板内核の活動の上昇が見られている 28）。

一方、聴性課題での長時間の注意持続状態（60分以

上）では、 EEG では θ波の増大、　 f　MRI では右前

頭葉一

頭頂葉注意ネットワー

クなどにおける血流

量の低下、及び視床、右側無名質（前脳基底部の一

部）、被蓋での血流量の低下が観察されている 26・27）。

　認知行動における神経伝達物質の働きに関する

研究によると、注意ネットワークの主体となる右前

頭葉、頭頂葉及び視床前部の活動は主にノルアドレ

ナリン作動系に影響され，特にノルアドレナリン作

動系の主体となる青斑核（LC ）は、（信号／ノイズ）

を高めることによって、注意を促進すると考えられ

ている29＞。サルや健常人を対象とした注意課題の研

究によると、注意ネットワー

クの前頭部、頭頂部（即

ちPosnerの覚醒ネットワー

クと腹側ネットワーク）

はノルアドレナリン作動系によって調節されてお

り3ω、特に覚醒度低下時にノルアドレナリンアゴニ

スト（clonidine ）の視床に対する作用や注意の阻害

作用がより強かったことが観察されている 31）。更に

前頭型痴呆症に関する研究によると、ノルアドレナ

リン作動系の働く場所は前頭葉の、特に右前頭葉、

右頭頂葉のノルアドレナリン α 2 受容体である 14β2）。

N 工工一Eleotronio 　Library 　




150 r 瀦雛i　欝難魍2．2　覚醒の神経機構

　気功（瞑想）において、脳波の徐波化や痛覚閾が

上がることなど覚醒水準の低下時に特徴的な変化

が時々見られるため、その脳内機序をよりよく理解

するには、覚醒・睡眠の調節機構に関する認識が不

可欠である。従って、以下において、主に酒井一弥

33）、前田敏博34β5）など諸氏の総説に基づき、覚醒・

睡眠の神経機構及びそれに関わる各神経伝達物質

作動系による調節について述べる。

2．2．1 古典経路と別経路

　覚醒の神経機構に関しては、古典経路と別経路が

あると考えられている（図 2 参照）。

　　図2 古典経路と嬲産路34）

（一員奮性入力：　一一岬抑鯛性入力　以下も同

A 古典経路

　脳幹網様体は大脳皮質の活動を賦活しているた

め、上行性網様体賦活系と呼ばれている36》。中脳か

ら橋にかけての広い網様体ニュー

ロンから上行す

る上行路背側成分（図 2 中の太線経路）は視床髄板

内核などの非特殊核禽

でニュー

ロンを切り替え、大脳

皮質へ広範に興奮性の入力を投射する。この脳幹一

視床一大脳皮質の経路が古典経路と呼ばれる。視床

非特殊核は皮質との相互結合により視床一皮質回

＋視床非特殊核；視床の髄板内核と正中中心核はほかの局在性を

保つ中継核と違って、局在性が不明瞭で、それからの投射線維は

広い大脳皮質領野に終止している。このような終止様式からこれ

らの神経核は汎性投射核また非特殊核と呼ばれている

路が作られ、脳幹からの興奮性刺激を受けとめ、皮

質脳波の脱同期、速波化、覚醒がひきおこされると

考えられている（図 3 参照）。更にこの経路の活動

図3 視床一皮質回路34）

が、視床網様核（nRt ）の強力な抑制によって、調

節されている。この抑制の弱まりによって、視床

一

皮質回路の活動は視床と皮質で反響し、同期化する

ようになる。視床網様核への興奮性の入力は、脳幹

からの上行性入力のほかに、視床一皮質回路そのも

のと別経路に属する前脳基底部から与えられる。

B 別経路

　古典経路を破壊しても、

一定の時間が経つと覚醒

が回復することから、大脳皮質を賦活させる別の経

路の存在が明らかにされてきた。前脳基底部と視床

下部（後部）がその主な構造で、睡眠の発現、調節に

も強く関与しているので、前脳（睡眠・覚醒）調節

　覚醒　橡渡■眠逆眼曝眠

a ■■■■■ 酬 H 一

孤← 十一十 H → 州 H ■■鬮■瞳

　　　　　　　　ノ　　　　　　隧愚

　覚醒　樵減睡眠逆鋭睡眠

aww ← ← 十十亅一

●：← ← ←H ■圏騨國 ← H →→

　　　　　 0

　　　　　　　　’

　　　　　　勠　 a 　　　　　　　　 b前9 − nS廴L −．＿＿Lns”野

　　前脳上師調節系

購　 c

視床下部後部

前隨下部■節系

図4 前脳調節系ニューロンの自発活動s4）

O ：覚屋ニュー

ロン； △ ：酒井の匪型ニユーロン 1

口：覚醒型ヒスタミンニューロン； ● 睡眠型ニューロン





掬囓喇勗一 80函陶ぴ or肋屆刪 8伽 o ‘瀏 8，　　　　　　　　　　　ノL／ntl．∫oc．乙tfe　tnfcフ，　Sci，　　VoL　18，〜》α 1，　MOivh 　2000

　　　 The　Ninth　Symposium 　on 　Life　lnfbrmation　Science

　　　　　　　　　　 Ma 厂ch 　3剛42000 ，　Tokンo ’ノrstitute（〜fTecゐnolo8y ，Zo細o 圃m

系とみなされている。図 4 に前脳調節系における細

胞活動分類を示す。特に前脳上部（a 、b）で覚醒系、

睡眠系ニュー

ロンの両方が存在している。

　これが覚醒の別経路として、脳幹から上行路腹側

成分を受けている（図 2下側の細線経路）。脳幹か

ら興奮性入力を受けた視床下部後部は前脳上部覚

醒系ニュー

ロンを活動させる。更に視床下部後部は

脳幹上部に興奮性の入力を与えると同時に、前脳上

部の睡眠系と脳幹下部の睡眠系の働きを抑制して

いる（図 2、5 参照、詳細は次の睡眠機構を参照）。

また前脳上部の覚醒系は大脳皮質を直接に興奮さ

せるだけではなく、視床非特殊核に興奮性の、視床

網様核に興奮性と抑制性の入力を与え、しかも視床

網様核に対する抑制はコリン作動性調節であると

考えられている。視床一皮質回路の活動は視床網様

核による抑制が強い場合、完全に抑えられるが、あ

る程度弱くなると反響化、同期化する。従って、前

脳上部は視床網様核の抑制調節機構の上位制御機

構として極めて重要である。

2．2．2 覚醒から睡眠への神経機構

A 　煎脳基底部における睡眠機構

　図 4 に示されているように前脳上部（a 、 b）には

睡眠時活動ニューロンが存在している。ニュ

ーロン

は数少ないにも関わらず、覚醒から睡眠に入るにつ

れて、活動が強まるため、睡眠発現ニュー

ロンとし

て考えられる。ほとんどの睡眠ニュー

ロンは無名質

に存在する非コリン作動性のものであると考えら

れている。

　ここからの出力が、また内側視索前野と視床網様

核に伝えられ、そして内側視索前野が視床下部後部

との間に相互制御回路が形成され、さらにそこから

古典経路に対して出力を出している。

一方、視床網

様核に対する出力には興奮性のものが主であり、入

眠時に見られる紡錘波の形成に関係すると考えら

れている。

　図 5 に示されているように、前脳相互抑制機構は

覚醒一

睡眠両方にも関与する調節制御系である。前

　図5 前脳調節系34）

脳上部、特に内側視索前野の破壊された動物は不眠

になるが、前脳下部（視床下部後部）の活動を GABA

作動薬で抑えると睡眠（REM （逆説）睡眠の割合が

特に高い）が回復するため、前脳下部覚醒系は前脳

上部の他に、さらに脳幹下部の睡眠系活動に強い抑

制をかけていることがわかる。

B　脳幹下部における睡眠調節

　上で述べたように、前脳調節系によって抑制をか

けられていると考えられる睡眠系が脳幹に存在す

るといわれている。 Jouvet（1994）らの研究による

と、中脳下部にあるニュー

ロン群が前脳の下降性抑

制機構と密接に関与している。しかもこのニュー

ロ

ン群の活動抑制により睡眠が増加し、しかもほとん

ど REM （逆説）睡眠である。コリン作動薬カルバコ

ールを橋上部に与えると、直接に REM睡眠状態を引

き起こせる。そこにムスカリン性だけのコリン作動

　　

　　

ゆ

）

大網胞網様核（Mc）

医b 遡瓶垂眠の発現機構 33｝





152 鯏

鑑，講簾黶驚圃薬の投与によって、四肢の筋緊張の弛緩と意識の低

下が観察されている37）

。橋網様体にカルバコー

ルを

微量注入すると、大脳皮質及び海馬に REMに類似し

た EEGスペクトルが記録された38）

。従って、脳幹下

部は REM睡眠の発現と維持の機構の中心として、下

行性また上行性に覚醒の古典経路抑制系を作って

いると考えられている39）（図 6参照）。

C　覚醒・睡眠の調節に関わる古典的伝達物質作動

系

　アミン系：ノルアドレナリンとアドレナリン作動

性ニュー

ロンは、覚醒時に活動し、徐波睡眠曹で活動

が下がり、 REM （逆説）睡眠時全く活動しなくなり、

即ち覚醒ニューロンである。大脳皮質へ広汎に投射

する青斑核はその代表である（図 7 参照）。その活

図8 脳内コリン作動系の分布（1）41 〕

灘鳳贈隴。嬰

壕ツ

》＿＿

・｝一一

v 証青煽髄桜 Ch6（L【n ）

ノ

図9脳内コリン系の分布（2）35｝

図7 ノルアドレナリン作動性ニュー口：の投射 se）

　　　 Q ：背側束：：腹側束

動が低下することによって睡眠に移りやすくなる。

橋被蓋部に存在する青斑核アルファ旁核（peri’LC

α 、酒井の逆説睡眠実行系の一部である）に存在す

る α 2 型アドレナリン受容体が REM 睡眠（逆説）

実行系に対する抑制機構として、極めて重要であ

る40）。

　セロトニンは睡眠の発現機構前脳前部睡眠系に

よる後部覚醒系の脱抑制（まとめ参照）と密接に関

連して、その働く場所は前脳上部睡眠系である。

’

徐波睡眠・逆説睡眠：脳波からネコの睡眠行動が二つに分けら

れる。徐波のときを徐波睡眠、速波のときを逆説睡眠と呼ぶ。ヒ

トの場合は逆説睡眠をレム睡眠、徐波睡眠はノンレム睡眠と呼ぶ。

　コリン系（アセチルコリン）：徐波睡眠時にはア

ミン作動性ニューロンもコリン作動性ニュ

ーロン

も活動が低下する。

一方、逆説睡眠時にはコリン作

動性だけが強く活動している。そしてアミン作動性

ニュー

ロンは活動を停止している。　コリン作動性

ニュー

ロンには前脳基底部含

に存在する前群（ch1 −

ch4 ）と中脳脚橋被蓋核（PPT ）から橋背外側被蓋

核（LDT ）に存在する後群（ch5 、　ch6 ）がある 41）

（図 8、9参照）。

　主に前群に存在する覚醒型（覚醒時強く活動）の

コリンニューロンは、覚醒の維持と関わり，視床ニ

ューロンの興奮性を高めて知覚などの入力による

活動を上げる働きをしている。また視床網様核に対

’前脳基底部からの入力は主に上部網様体（中脳網様体、上橋網

様核、脚傍核）に終わり、一部は興奮性と抑制性のコリン作動性ニュ

ーロン間の相互入力であり、睡眠発現・維持機構と覚醒機構

の両方に働いている。対角帯、無名質（マイネルト基底核〉を主

体とし、コリン作動性と GABA作動性ニューロンに代表される。

上部脳幹とは強い相互連絡を持ち、興奮性・抑制性の両者がある。

新皮質への投射の主体はコリン作動性興奮性である。更に視床髄

板内核群、視床網様核へは興奮性、抑制性の入力を与える。





鯏 of伽蝕閉団回黝己伽 inlo隔醒冒Sdenoo （ma ，

　　　　　　　　　　　ノL∬ntl．∫oc ，Life∬rザb．∫cご．　　　yo‘18，ハio．1，　Mureh　2

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，o　Inst厘‘ute 〔ゾTechno’ogy，Tokyo 圃螂

しては抑制をかけている。更にほとんどの皮質ニュ

ーロンの興奮性を変え、視床からの入力に対する応

答を変化させる。従って、視床一皮質回路の活動を

促通性に調節している。

一方，上小脳脚周囲の X野、

外側脚旁核（PbL）、背外側被蓋核（IDT ）、青斑核

アルファ旁核（peri・LC α ）に存在するコリン作動

性ニュー

ロンが含まれる後群（ch5 ，　 ch6 ）は睡眠特

に REM （逆説）睡眠の発現に関係している（図 6

参照）。

2．2．3 　まとめ

　古典経路というのは、青斑核ノルアドレナリンニ

ュー

ロンなどが主体となる調節系で、視床髄板内核

を経由する上行路であり、生理状態では皮質下の興

奮が視床非特殊核群（視床髄板内核）を経て、視床

一皮質回路を作動させ、生理的な脳波の覚醒、速波

化の基礎を作る。逆に視床一

皮質回路の活動が低下

すると、この回路は自発性活動により、反響回路

となり、脳波は同期した徐波となる。

　一方、別経路とは視床下部一前脳基底部一大脳皮

質を経る覚醒系（コリン系が主体）であり、その中

に視床下部後部から前脳基底部にかけて、コリン作

動性覚醒ニューロンが存在し、視索前野、前脳基底

部に睡眠ニューロンが存在する。別経路は、視床下

部後部一前脳基底部（主役はコリン作動性）一大脳

皮質の上行性投射する覚醒系としての働きより、前

脳基底部と視床下部後部の相互抑制ループを中心

構造となる制御系の働きが極めて強力であるため、

生理的睡眠・覚醒の切り換えにおいて重要な役割を

果たしている（図 5 参照）。

　前脳基底部の睡眠ニューロンの活動は（a ）視索

前野、視床下部前部の内側野（b）視床髄板内核（c）

視床網様核（d）脳幹上部へ出力する。（a ）は相互

抑制ループにより視床下部後部からの下行性出力

を脱抑制させる。従って脳幹下部の古典経路抑制系

　（睡眠系）、橋、延髄にある逆説睡眠発現機構が起

動される。同時に（d）によって、コリン作動系後

群（ch5 、　ch6 ）はアミン作動性ニュー

ロンの活動を

完全に抑え、逆説睡眠を発現させることによって、

脳幹網様体統合機構の中における意識、運動、知覚

の低下が起こると考えられている（図 10参照）

　図10 前脳睡眠系の出力35）

2．2EEG 及びPET によるREM 睡眠の研究

　EEG による先行研究で、　 REM 睡眠時において、

全体的に各周波数成分の振幅が比較的に低いが、覚

醒時より 1− 2Hz 低く、時には高振幅の α 波が現れ

るとされており42）、また、このような α 活動は夢の

自覚度とは明確な対応関係があり、覚醒中の α 活動

と REM 睡眠中の α 活動には強い相関関係があると

いう報告もある43）。 REM 睡眠中 α 活動が増大し、

特に右側が顕著であり、前頭から後頭部にかけて、

次第に強まる傾向があると報告されている。また

REM 睡眠剥奪される場合、 α 活動も低下し、特に

前頭葉においてより顕著であるが、右寄り傾向は変

りがないと言われ 44・45）、動物による REM 睡眠剥奪

実験では、Acetylcholinesterase（AC 　h分解酵素）

活動度は前頭葉において顕著に低下したという報

告もある 46》。

　 PET による研究では、　 REM 睡眠時に橋被蓋部、

左側視床、両側扁桃体、帯状前回、右側頭頂弁蓋（島

葉）の血流量が上昇するにたいし、両側上、中前頭

回（？dorsolateral　prefronta1　cortex ），縁上回、帯状

後回及び楔前部（後頭葉の一部〉において血流量の

低下が観察されている47

）。特に前脳域において、辺

縁系の視床下部外側、扁桃体、腹側線条体、辺縁系





154

r l糠審撚蕪纛驚圃前部、辺縁系下部、帯状回、眼窩前回、島回などの

活動の上昇が顕著である4s）。

2．4　EEG 及び PET による気功（瞑想）の関連研究

　 EEG の変動：上にも述べたように気功では、脳波

の変動としては脳波の徐波化（β波の減少、 α 波の

増大、θ波の出現）などが一般的に認められている。

殊に前頭葉、頭頂葉 α 波の増大， a 波前頭葉／後頭

葉の逆転、さらに右前頭葉寄り傾向が観察されてい

る。また気功と作法がよく類似した瞑想に関する研

究では、 α リズムは後頭一

頭頂部から前頭部にかけ

て広がり、瞑想が深くなるとα 波の周波数は小さく

なり、 θ波が混在している。瞑想の深い被験者では、

瞑想後の開眼時でも α 波、あるいは θ波が持続する。

また、睡眠の初期に類似した不随意的な運動が現れ

たが、筋肉の活動の完全な消失はない。最初に急速

な眼球運動は観察されたが、徐々と緩徐な眼球運動

に移り変わり、呼吸は遅く、浅くなることが報告さ

れている49）。

　脳各部位血流量の変化：個人差が大きいといわれ

るが、気功師を対象とした気功状態における脳血流

量の変化として、両側視床及び右側後頭葉に血流量

の低下、また前頭葉内側面、右側頭頂葉、海馬、扁

桃体など辺縁系に血流量の上昇が観察されたと報

告されており、さらに脳波脳血流相関に関する研究

では、両側脳波の低周波成分は、血流の低下、高周

波数成分は、血流の上昇を伴うことが確認され、低

周波成分が有意であるとき大脳辺縁系（海馬、扁桃

体、側頭葉）の血流の上昇が見られた。

　研究の数が限られ、充分検討されているとはいい

難いが、上の REM 睡眠時と気功状態の脳活動の変

化を比べてみると、脳波の徐波化、右後頭葉活動の

低下、および右頭頂葉、特に海馬、扁桃体周辺など

いわゆる大脳辺縁系の活動上昇などの点において、

よく類似していることがわかる。

3．気功時の脳生理学的変化に関する

　　　　類 REM 反応仮説

　視床と無名質はそれぞれ覚醒水準を維持する役

割を担う古典経路と別経路の中に位置し、知覚入力

を調節し、大脳皮質に伝える。それらの活動変動が一

般的に覚醒水準を反映していると考えられてい

る。上の注意関連研究の章節でも紹介したが、気功

や瞑想によく使われている調心（特定の対象に注意

集中を長時間にわたり、持続する状態）では、 EEG

の α 波、θ波の増大、右前頭葉一頭頂葉注意ネット

ワー

ク及び視床、右側無名質（前脳基底部の一

部）

血流の低下が観察されたことから、そのとき、覚醒

水準が平常より低下していると判断されるが、普通

の睡眠状態とは異なり、睡眠と覚醒との中間状態、

特に REM 睡眠との類似点が多いといえる。そこで、

上でも説明した前脳基底部睡眠系（図 10）、または

前脳制御系の相互抑制ループ（図 5）などの研究成

果、さらには REM （逆説）睡眠の発現機構（図 6）

などと合わせて、気功における局所的注意持続によ

る脳生理学的変化について、以下の仮説を提案する

　前にも述べたように注意ネットワー

クは主にノ

ルアドレナリン作動系が主体となっており、覚醒低

下時にはノルアドレナリンの視床に対する作用が

より少ないことから、局所的注意集中持続によって、

注意ネットワー

クの右前頭葉、頭頂葉視床、及び覚

醒ネットワーク（視床、前脳基底核）の活動、特に

青斑核を主役としたノルアドレナリン作動系支配

の古典経路の活動が低下するため、前頭前野の活動

も次第に低下する。青斑核の視床下部室傍核に対す

る特異なノルアドレナリン性活性化作用の低下（特

に CRF の分泌の低下）により、視床下部一下垂体

一副腎系におけるストレス反応や体温調節機能に

何らかの変動が起こる（気功練習中に皮膚温度の上

昇や LF／HF の抑制など自律神経反応に関連する

現象が発現することが知られている）。

　2，2 の後半で注意の時間的特性について紹介した

ように、注意集中を長時間にわたって持続する場合、

右側の無名質での血流量の減少が観察されている

が、これと前脳基底部睡眠系（図 10）、または前脳

制御系の相互抑制ループ（図 5）とを合わせて考慮





枷 Jof驫一 Soatety 肋向帽鬮幽聞 8飆 tZ8us）　　　　　　　　　　　　」し∬nt’．∫oc．乙ife　lnfo．∫ci．　　Vol」18，ハ厂α 1，　Marcゐ20θθ

　　　 The　Ninth　Symposium　on 　Life　lnferrna¢ion　Science　　　　　　　　　　　ルfarch　3−42000 ，

　Tokンo ’nstitute　ofTechnotogy ，Tok），o圃

155

すると、前脳基底部における睡眠系である視索前野、

無名質の睡眠ニューロンにおける何らかの変化（活

性化）によって、視床下部後部覚醒系に対する抑制

が強まり、さらに視床下部後部からの下行性出力が

脱抑制される。従って、、後群コリン作動系（ch5 、

ch6 ）のうち REM 睡眠活動型、さらに脳幹下部の

REM 睡眠調節機構が強く影響され、類 REM 反応

が起こる（図 11参照）。

　　　　　　｛覚醐ゆ

　　　　　図11 類REM 反応仮説

　　　 → 　顛REM 反応の経路1　− ：コリン作動系

　それゆえ、気功（瞑想）状態では幾分の筋弛緩反

応と一時的な急速な眼球運動、感覚遮断に近い状態、

夢見に類似した幻覚などの主観体験を経験する。

EEG の π 波、 θ波が増大し、大脳皮質の活動水準

がいくらか低下し、特に前頭前野の活動が抑制され

るが、記憶、情動反応などと深く関与する辺縁系の

活動水準は比較的高くなる。 REM 睡眠が記憶の固

定化を促進すると考えられているため50）、この仮説

によって、気功練習による記憶力や暗算力の増進51）

の説明がつく。しかも、視覚的イメージにより導入

し、維持されるものが主なため、右頭頂葉の活動が

比較的活発であることが多いと推測される。

4 ．今後の発展

　関連分野の研究を概観し、特に睡眠（REM 睡眠）

調節機構に関する知見に基づき案出された上記仮

説を検証するために以下の進め方が考えられる。

1．気功状態と REM 睡眠時の EEG 変動及び

fMRI による部位別、特に脳幹の中脳被蓋部や、

前脳基底部、大脳辺縁系域の活動変動の相違を比

較する実験研究。特に同一被験者（気功師や瞑想

の達人から健常者）の比較がより有益であると推

測される。

2．気功（瞑想）状態と REM 睡眠時の神経伝達

物質（覚醒時と REM 睡眠時にそれぞれ主役を演

じるノルアドレナリン、アセチルコリンや、睡眠

のトリガー役を務めると言われる52｝セロトニン、

GABA など）の変動を測定し、比較する実験研究。

　　　　　　　　　　　謝辞

　本研究は、東邦大学名誉教授の鳥居鎮夫先生、日

本医科大学の遠藤俊吉先生のご指導、ならびに放射

線医学総合研究所、谷口順子，古角智子等諸氏のご

協力を得て行われた。ここに深甚なる謝意を表す。

　なお、本研究は一部科学技術庁官民特定研究「多

様同時計測による生体機能解析法の研究（代表 1山

本幹男）」として行われた。

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Changes Sustained Attention Qigong

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