頭を使う仕事や勉強を長時間したあとに頭がボンヤリしたり、難しいことを考えられなくなったり、逆に興奮状態のままおさまらず、疲れているのに中々寝付けなかったり、、、そんな経験はありませんか？頭がボンヤリすると、仕事や勉強の効率が悪くなったり、ミスや事故の原因になったりします。また、興奮状態が続くと、睡眠不足や不安障害などの健康問題を引き起こす可能性があります。
このような脳が疲れた状態を「精神的疲労・認知疲労」といいますが、科学的根拠がとても少なかったため、
「主観的な主張」「作業を中止させるための脳が作り出した幻想だ」（要はサボりや甘え？）
などと言われていました。
今回、2022年8月にCurrent Biologyに発表された論文で、精神的疲労は甘えではなく実際に脳内のある物質が蓄積していることを科学的に証明されたので、対処法と共にご紹介していきます。
目次
脳疲労の原因はグルタミン酸の蓄積
この論文では、仕事時間中に頭に装置を着用してもらい脳の中の代謝物量をモニターし続け、認知を伴うタスクを継続して行うとあるみなさんも聞いたことのある物質が脳内に蓄積し、脳疲労を引き起こすことを突き止めました。
具体的には、被験者に磁気共鳴分光法 (MRS)を就業時間中着用してもらい、脳内の代謝物の量の変化をモニターし続けました。
その結果、認知機能を必要としたタスクを長時間続けた人たちは、認知制御や意思決定、実行行動に関与する脳領域 （外側前頭前皮質 lateral prefrontal cortex, LPFC) 内のグルタミン酸濃度が異常に上昇していることがわかりました。
Source : 脳科学辞典
このグルタミン酸濃度の上昇は、タスクにおいて
①求められる要求の高さ、
② 認知作業の多さ、
と正の相関を示し、さらに休息を適宜入れた人と休みなく働き続けた人とでも大きな差が見られました。
神経伝達物質としての グルタミン酸
Source : wikipedia
うま味成分の一つとしても有名なグルタミン酸は脳や脊髄内では神経伝達物質としても機能します。数ある神経伝達物質の中でもグルタミン酸は「興奮性」の作用を持ち、記憶や学習に重要な役割を果たします。
脳内でのグルタミン酸の量（詳細にはグルタミン酸の刺激を受け取る、受容体に伝わる刺激の量）は、少な過ぎると 統合失調症 となり、逆に多すぎると刺激過多で神経細胞にダメージを与え細胞自死（アポトーシス）を起こし、アルツハイマー病 や筋萎縮性側索硬化症（通称ALS ）の原因となりうるという仮説もあります。
脳内でのグルタミン酸の働き
タンパク質の構成成分である20種類あるアミノ酸の一種、グルタミン酸ですが、血液脳関門 という不要な物質が血流に乗って脳に届かないようにして、病原体や有害物質の侵入に対するバリア構造として機能するシステムによって脳には運ばれません。つまり脳の中で働くグルタミン酸は食事などでの摂取に関係なく、脳の中で新たに生合成されています。よって、肉や魚などのタンパク質やアミノ酸サプリなどの過剰摂取によって、脳内のグルタミン酸が過剰とはなりません。
本来、シナプスから放出されたグルタミン酸が受容体に結合して、神経伝達物質としての役目を終えた後は速やかに代謝・除去されます。
しかし、認知機能を必要とするタスク（責任や経営など重大な判断を多数行うなど）を長時間行ったり、休息の不足などによる脳疲労は、主観的な「頭が疲れた」という感覚ではなく、実際に脳内のグルタミン酸代謝・除去がうまくできずに蓄積してしまうことを科学的に明らかにしました。
高度な認知機能を伴うタスク → 脳内のグルタミン酸代謝が低下
→ 前頭葉機能の低下 → 脳疲労
この論文の結果を受け、さらに研究者らはfMRIも使って脳の活性化状態を調べました。その結果、強い精神疲労を伴うタスクによってグルタミン酸が蓄積した前頭前皮質では、脳の機能低下も観察されました。
前頭前皮質・前頭前野は認知機能や情動、理性、社会規範への適応や長期記憶を担い、人間らしさを発揮するための部分でもあります。瞑想でもその他の脳領域との接続が変化することが知られている脳の部位の一つです。
研究では精神的疲労を伴うタスクをおこなったグループでは、高い認知機能や認知制御を必要とするタスクを避け、労力の少ないオプションを好むようシフトする傾向も観察されました。
これらの結果から、思考や認知を必要とするタスクを長時間行うことで、脳内（の前頭前皮質）にグルタミン酸を適切に除去できずに蓄積してしまい、前頭前皮質の機能低下、すなわち認知機能が低下し認知疲労・精神的疲労となったのではないか？と研究者たちは考察しています。
さらに別の研究では、瞑想での脳の変化に関与する神経可塑性・ニューロン可塑性には、グルタミン酸受容体が関与することも知られています。
脳疲労から回復するには？
では具体的にどうすれば、脳内のグルタミン酸の蓄積による精神的疲労を防ぐ ことができるのでしょうか？
この疑問については、すでに『興奮性神経伝達物質（グルタミン酸）をシナプスから浄化する仕組みを解明』という名古屋大の研究成果が解決してくれそうです。
つまり、
休息と睡眠によって脳を休めること
で、脳内の過剰なグルタミン酸が代謝され除去されることがわかっています。
さらには激しい運動が誘発する脳疲労の仕組みを解明という論文も筑波大から出ています。この論文では、激しいスポーツで血中酸素濃度が低下することによっても、脳疲労が起こるとのこと。
こちらは呼吸に集中する瞑想や意識的な深呼吸などで、改善できそうです。
つまり、過剰な運動によるものも、認知疲労と高度な神経活動による脳疲労の改善も【休息が必要】ということのようです。
これまで瞑想によって脳が休まる作用点として、脳のアイドリング機能 DMN の活動を休める作用が知られていました。実は瞑想は脳を休めることで、前頭前皮質に蓄積したグルタミン酸の除去も同時に担っているのかもしれません。
参考文献：
- 長時間の認知機能を必要とするタスクを続けることで経済的決定の制御機能が変化する原因を、神経代謝物の測定によって明らかに。A neuro-metabolic account of why daylong cognitive work alters the control of economic decisions. Wiehler A, Branzoli F, Adanyeguh I, Mochel F, Pessiglione M. Curr Biol. (2022)
- 学習・記憶におけるシナプス可塑性の分子機構, 高宮考悟, 生化学 (2011)
- 興奮性神経伝達物質をシナプスから浄化する仕組みを解明, A CDC42EP4/septin-based perisynaptic glial scaffold facilitates glutamate clearance, Ageta-Ishihara N, Yamazaki M, Konno K, Nakayama H, Abe M, Hashimoto K, Nishioka T, Kaibuchi K, Hattori S, Miyakawa T, Tanaka K, Huda F, Hirai H, Hashimoto K, Watanabe M, Sakimura K, Nat Commun (2015) [日本語の紹介記事]
- 激しい運動が誘発する脳疲労の仕組みを解明～低酸素血の関与を実証、対処法開発に期待～, Cognitive fatigue due to exercise under normobaric hypoxia is related to hypoxemia during exercise, Ochi G, Kuwamizu R, Suwabe K, Fukuie T, Hyodo K, Soya H, Sci Rep (2022) [日本語の紹介記事]
