Mem.Faculty.B.0.S.T.KinkiUniversityNo.2861∼72(2011)
5分 間の最 大 自転車 サイ ク リン グ運動 時の筋 の酸 素環 境 ・代謝 環境 の変化
谷 本 道 哉1,佐 賀 典 生2,村 出 真 一 朗2,形 本 静 夫2 要 旨 背 景:自 転 車 競 技 の 短 ・中距 離 選 手 の 下 肢 の 筋 は 非 常 に 良 く発 達 して い る.し か しな が ら,自転 車 運 動 で 発 揮 す る 筋 力 レベ ル は,20-30%MVC程 度 と小 さい 筋 肥 大 誘 発 の 一 要 因 で あ る 筋 の 微 細 損 傷 を 引 き起 こ す エ キ セ ン トリ ッ ク 収 縮 の 局 面 も ほ と ん ど な い.自 転 車 運 動 が 筋 肥 大 を促 す とす る な ら,こ の よ うな メ カ ニ カ ル な 刺 激 と は 別 の 要 素 が 関 係 し て い る と考 え られ る.目 的:自 転 車 運 動 が 筋 肥 大 ・筋 力 増 強 を誘 発 す る 要 因 と して 運 動 中 の 筋 内 の 酸 素 環 境 ・代 謝 環 境 の 変 化 が 関係 し て い る 可 能 性 が あ る.自 転 車 運 動 中 の 酸 素 環 境,代 謝 環 境 の 変 化 を観 察 す る.方 法:男 子 自転 車 競 技 短 ・中 距 離 選 手5名 を用 い て4000mレ ー ス を 模 した5分 間 の 最 大 自転 車 運 動 を 行 い,そ の 時 の 筋 酸 素 化 レベ ル,一 過 性 の 筋 横 断 面 積 変 化(パ ン プ ア ッ プ 度 合:筋 の 代 謝 物 の 蓄 積 量 を反 映 す る)等 を 測 定 し た.ま た,同 一 心 拍 負 荷 の 走 運 動 を行 い 比 較 した.結 果:5分 間 の 最 大 自転 車 運 動 で は 運 動 中 の 筋 酸 素 化 レベ ル が 走 運 動 と比 べ て 有 意 に 大 き く低 下 した(自 転 車26.6±6.4%,走 運 動53.9±16.4%).ま た,運 動 後 の 一 過 的 な 大 腿 部 の 筋 横 断 面 積 の 増 加 が 走 運 動 と比 べ て 有 意 に 大 き か っ た(自 転 車+4.3±1.6%,走 運 動+1.2±2.1%,).結 論:5分 間 の 最 大 自転 車 運 動 で は 筋 の 酸 素 環 境 ・代 謝 環 境 が 大 き く変 化 す る こ と が観 察 さ れ た.こ の よ うな 筋 内 環 境 の 変 化 が 筋 肥 大 の誘 発 と 関 係 して い る 可 能 性 が あ る. キ ー ワ ー ド:自 転 車 運 動,筋 酸 素 化 レベ ル,代 謝 産 物,筋 肥 大 緒 論 自転 車 サ イ ク リ ン グ 運 動 に よ る 筋 肥 大,筋 力 増 強 効 果 は 自転 車 競 技 選 手 の 大 腿 を 見 れ ば 明 ら か に 思 え る が,そ の 効 果 を 検 証 した 研 究 は 多 く な い.ま た,そ の 効 果 に 関 して は 肯 定 的 な も の と否 定 的 な も の が あ り(L2),一致 した 見 解 は 得 られ て い な い. 筋 肥 大 ・筋 力 増 強 を 目 的 と し た レジ ス タ ン ス トレー ニ ン グ の 研 究 で は,筋 肥 大 に 必 要 な 負 荷 重 量 は70%1RM 程 度 以 上 で あ り,また エ キ セ ン トリ ッ ク収 縮 で の 刺 激 が 重 要 な 一 要 素 で あ る こ と を 多 くの 研 究 が 支 持 して い る(3). 自転 車 運 動 は エ キ セ ン ト リ ッ ク 収 縮 の 動 作 局 面 は 極 め て 小 な く,負荷 も70%1RMに は 及 ば な い こ と を 考 え る と, 筋 肥 大 ・筋 力 増 強 に 適 した 運 動 で は な い よ うに も考 え られ る. しか し な が ら,実 際 に 自転 車 運 動 以 外 の 下 肢 の 特 別 な ト レー ニ ン グ を 行 っ て い な い に も 関 わ らず,非 常 に 下 肢 の 筋 群 が 発 達 した 自転 車 競 技 選 手 は 多 い.特 に 競 輪 や1000m,4000mレ ー ス な ど の 短 ・中 距 離 選 手 の 大 腿 部 は 非 常 に よ く発 達 して い る.ま た,自 転 車 に 乗 る よ うに な っ て 大 腿 が 太 くな っ た と い う一 般 の 声 も 良 く聞 か れ る. 近 年,運 動 中 に 筋 内 が 低 酸 素 環 境 に な る こ と,乳酸 や 水 素 イ オ ン 等 の 代 謝 産 物 の 多 量 の 蓄 積 な どの,酸 素 環 境,代 謝 環 境 の 大 き な 変 化 が 筋 肥 大 ・筋 力 増 強 に 有 効 で あ る 可 能 性 が,血 流 制 限 を 用 い た ト レー ニ ン グ法 の 研 究 な どか ら示 唆 され て い る(牛6)高強 度 の 自転 車 運 動 は 抹 消 の 筋 の 代 謝 物 の 蓄 積 を 反 映 す る と され る パ ン プ ア ップ(Muscle 且uidshi且:代 謝 物 蓄 積 の 浸 透 圧 に よ り血 漿 成 分 の 筋 組 織 へ の 移 動 が 起 き て い る と考 え られ る(7))が 強 く起 こ る こ とが 経 験 的 に 良 く知 られ て い る.サイ ク リ ン グ運 動 に お け る筋 内 環 境 の 変 化 が 筋 肥 大 ・筋 力 増 強 に つ な が る の か も しれ な い. 自転 車 運 動 に お け る筋 の 酸 素 環 境,代 謝 環 境 等 の 筋 肥 大 の 刺 激 に な る可 能 性 の 示 唆 され る 項 目 の 一 過 性 の 応 答 の 観 察 を す る こ と を 本 研 究 の 目的 とす る. 原 稿 受 付2011年6月13日 1.近 畿 大 学 生 物 理 工 学 部 人 間 工 学 科,〒649-6493和 歌 山 県 紀 の 川 市 西 三 谷930 2.順 天 堂 大 学 ス ポ ー ツ 健 康 科 学 部,〒270-1695千 葉 県 印 西 市 平 賀 学 園 台1-11.研 究 方 法 1.1被 験 者 被 験 者 は,順 天 堂 大 学 自転 車 競 技 部 に 所 属 す る男 子 短 ・中 距 離 選 手8名 と した.被 験 者 の 身 体 特 性 は 以 下 の 通 りで あ っ た 被 験 者 に は,本 研 究 の趣 旨 お よび 危 険 性 に つ い て 説 明 を 行 い,書 面 に て 参 加 の 同 意 を得 た 。
長
切
身
￠
重
⑳
体
依
鷲
自転車
競技歴(年)
174.1±3.3 66.7:と3.4 20.0±1.4 6.2±1.1 表1被 験 者 の身 体 的特性 平 均 ±標 準 偏 差 を 示 すNニ5名. 1.2実 験 プ ロ トコ ル ロ ー ドレー ス 用 の 自転 車(CAAD8,Ca皿odale社,USA)を 用 い て,後 輪 車 軸 を 固 定 して 負 荷 を か け る 固 定 式 の ロ ー ラー(RDA80RimDriveAction,MINOURA社,日 本)上 で の5分 間 の 最 大 自転 車 サ イ ク リ ン グ 運 動 を行 わ せ た.ペ ダ ル 回 転 数 は1001pm以 上 を維 持 す る よ うに 被 験 者 に 指 示 し た.こ の 運 動 は 自転 車 競 技 の4000mレ ー ス を 模 して 設 定 し た も の で あ る 運 動 本 番 前 に ウ ォ ー ム ア ッ プ 運 動 と して150ワ ッ ト,100rpmで5分 間 の サ イ ク リ ン グ 運 動 を行 っ た. 最 大 サ イ ク リン グ 運 動 と の 比 較 運 動 と して 同 一 の 心 拍 負 荷 と な る ト レ ド ミル ラ ン ニ ン グ を,同 じ く5分 間 同 一 被 験 者 に行 わ せ た.心 拍 負 荷 の 調 整 は,最 大 サ イ ク リン グ運 動 中 に 記 録 した30秒 ご との 心 拍 数 デ ー タ を も と に,被 験 者 の ラ ン ニ ン グ 中 の 心 拍 数 を モ ニ タ リ ン グ しな が ら ト レ ッ ド ミル ス ピ ー ドを 増 減 す る こ と で行 っ た 運 動 本 番 前 に ウ ォ ー ム ア ッ プ 運 動 と し て120m/minで5分 間 の ラ ン ニ ン グ 運 動 を 行 っ た.ウ ォ ー ム ア ッ プ の 走 行 速 度 は,Margariaの 走 運 動 の エ ネ ル ギ ー 効 率 に基 づ い て(8)サイ ク リン グ運 動 の ウ ォ ー ム ア ッ プ とエ ネ ル ギ ー 消 費 量 を 合 わ せ る設 定 と し た も の で あ る. ラ ン ニ ン グ 運 動 は サ イ ク リン グ運 動 終 了 か ら3時 間 以 上 の 休 憩 を と っ た 後 に 行 っ た.休 憩 時 間 に は 食 事 を 摂 り, 十 分 に 体 を 休 め る よ うに 指 示 した.両 運 動 の 負 荷 強 度 お よ び 運 動 中 の 心 拍 数 は 表1-2に 示 す 通 りで あ っ た. 前 記 の2つ の 運 動 に お け る筋 機 能 に 与 え る 生 理 学 的 ・力 学 的 指 標 の 比 較 を 行 っ た.測 定 項 目は 筋 内 の 代 謝 環 境 の 指 標 と し て,筋 酸 素 化 レベ ル,血 中 乳 酸 濃 度,筋 パ ン プ ア ッ プ 度(筋 横 断 面 積 変 化)と,ペ ダ ル 踏 力 と し た図1実 験概 要 図 5分 間 の 最 大 サ イ ク リング 運 動 同 一 心 拍 負 荷 の5分 間 の ラ ンニ ン グ運 動
」
ユ
筋 内 の 代 謝 環 境 の指 標 と して,・ 筋 酸 素 化 レベ ル ・血 中乳 酸 濃 度 ・パ ン プア ッ プ度(筋 横 断 面 積 変 化),力 学 的特 性 と して ・ペ ダル 踏 力 を 測 定,比 較 す る 表2運 動 負荷 強 度 1分 2分 3分 4分 5分 サ イ ク リ ン グ ワ ッ ト数(Waの 心・手自数(beat/血) ラ ン ニ ン グ 走 速 度(m/r血) ・L・才白数(beat/曲) 433土34 168土10 262土9 164土6 360土30 177土9 284土9 173土6 338土28 182土6 300土13 179土4 347土32 185土5 309土10 184±4 362土20 187土3 309土10 186土5 平均±標 準偏 差 を示 す. 1.3筋 酸 素 化 レベ ル 安 静 時 お よ び 運 動 中 運 動 後 の 組 織 酸 素 動 態 の 観 察 に は 近 赤 外 分 光 装 置NIRcws(BOMLITR,オ メ ガ ウ ェー ブ 社,日 本)を 用 い た.プ ロ ー ブ は 右 大 腿 の 外 側 広 筋 筋 腹 部 に 両 面 テ ー プ お よ び ビニ ー ル テ ー プ で 貼 り付 け遮 光 し た 状 態 で 固 定 した.NIRcwsの 測 定 値 は,仰 臥 位 安 静 時 の 酸 素 化 ヘ モ グ ロ ビ ン/ミ オ グ ロ ビ ン の 値 を100%,動 脈 血 遮 断(カ ブ 圧300mmHg)に よ り酸 素 化 ヘ モ グ ロ ビ ン/ミ オ グ ロ ビ ン が 完 全 に 下 が りき っ た 値 を0%と す る生 理 学 的 キ ャ リ ブ レー シ ョ ン に よ る相 対 値 で 評 価 を 行 っ た(9)NIRcwsの 計 測 信 号 は デ ー タ記 録 シ ス テ ム(PowerLab/16SR ADInstruments社Australia)を 介 し て パ ー ソ ナ ル コ ン ピ ュー タ ー に2kHzでA!D変 換 して 取 り込 ん だ. 1.4血 中 乳 酸 濃 度 サ イ ク リン グ運 動,ラ ン ニ ン グ運 動 そ れ ぞ れ の,運 動 開 始 前 の 安 静 時,運 動 直 後 及 び 運 動 終 了5分 後 ま で の1分 毎に 血 液 を採 取 して 血 中乳 酸 濃 度 の 測 定 を行 っ た 血 液 は 耳 朶 よ りデ ィ ス ポ ー ザ ブ ル 採 血 針 を 用 い て 約5μ1を 採 取 した.乳 酸 濃 度 は 簡 易 血 中乳 酸 測 定 器(ラ ク テ ー ト ・プ ロ,ア ー ク レイ 社 日本)を 用 い て 測 定 した. 1.5大 腿 部 筋 横 断 面 積 お よ び 周 径 囲 MRI(MagneticResonanceImaging)診 断 装 置(E-scar[xQ,東 洋 電 子 社,日 本)を 用 い て 右 大 腿 部 のTl強 調 ス ピ ン エ コ豫 を,ス ラ イ ス 間 隔10㎜,ギ ャ ッ プ5㎜ で 近 位 部 か ら遠 位 部 ま で 連 続 画 像 と して 撮 影 し た.測 定 中,灘 者 に は 仰 臥 位 で リ ラ ッ ク ス し た 姿 勢 を 取 らせ た.得 られ た 横 断 画 像 は コ ン ピ ュ ー タ に 取 り込 み,画 像 解 析 ソ フ ト (ScionImage,Scion社USA)を 用 い て横 断 面 積(CSA;cross-sectionalarea)を 算 出 した.測 定 箇 所 は 大 腿 骨 外 側 上 穎 の7cm上 部 の 水 平 面 と し,CSAの 算 出 は そ れ ぞ れ の 断 面 に 対 して3回 行 い,そ の 平 均 値 を 評 価 値 と した.3回 の 算 出 値 の 標 準 誤 差 は い ず れ の 断 面 に お い て も1%以 下 で あ っ た. MRIに よ る 大 腿 部 画 像 の 撮 像 は,サ イ ク リ ン グ 運 動,ラ ン ニ ン グ運 動 そ れ ぞ れ の 運 動 前 安 静 日寺と運 動 直 後 に 行 っ た.運 動 直 後 のMRI撮 像 は運 動 終 了 か ら5分 以 内 に 開 始 し,15分 以 内 に 完 了 させ た. ま た,各 運 動 の 運 動 前 と終 了 直 後 に 足 幅20cmの 立 位 に お け る 大 腿 部 の 大 腿 長 の 中 間位 置 の周 径 囲 を メ ジ ャ ー に よ り測 定 した.測 定 は2回 行 い,そ の 平 均 値 を 評 価 値 と し た. 1.6ペ ダ ル 踏 力 自転 車 サ イ ク リン グ 運 動 中 の ペ ダ ル 踏 力 の 垂 直 成 分 を 一 軸 の 薄 型 フ ォ ー ス プ レー ト(LPR-A-S-10,共 和 電 業, 日本)に よ り計 測 した 薄 型 フ ォ ー ス プ レ ー トは 自転 車 の右 脚 側 の ペ ダ ル 上 に ビニ ー ル テ ー プ で 強 固 に 固 定 した. ま た,左 脚 側 の ペ ダ ル に は 同 一 形 状 の 木 片 を 同 様 に 装 着 し,ベ ダ リ ン グ 動 作 の 左 右 均 等 を 保 っ た.脚 の 質 量 に よ る 重 力 成 分 を 取 り除 く た め,左 右 の ペ ダ ル を 水 平 に 固 定 し て 脱 力 した 状 態 で の フ ォ ー ス プ レー トの 値 を,得 られ た ペ ダル 踏 力 か ら差 し引 い た 値 を 実 質 の 筋 力 発 揮 に よ るペ ダ ル 踏 力 の 評 価 値 と した .フォー スプ レー トか ら得 られ た 信 号 を デ ー タ記 録 シ ス テ ム(PowerLab/16SRADInstruments社Australia)を 介 して パ ー ソナ ル コ ン ピ ュー タ ー に2kHzでAID変 換 して 取 り込 ん だ . 運 動 中 の ペ ダ ル 踏 力 の 評 価 は,運 動 開 始1分,2分,3分,4分,5分 の 時 点 で 行 っ た.運 動 開 始1分 ご と の,ペ ダル 漕 ぎ 8サ イ ク ル 分 の1漕 ぎ ご と の ピ ー ク値 を 抽 出 し,その 中 か ら最 大 値 と最 小 値 を 除 い た6サ イ クル 分 の 平 均 値 を 評 価 値 と して 用 い た. ま た,サ イ ク リ ン グ 運 動 中 の ペ ダ ル 踏 力 を 相 対 評 価 す る た め,ペ ダ ル 踏 力 の 随 意 最 大 筋 力(MVC;maximum voluntarycontraction)の 測 定 を 行 っ た.ペ ダ ル 踏 力 のMVCは,左 右 の ペ ダ ル を 水 平 に した 位 置 に 固 定 して,磐 部 を サ ドル に つ け た 姿 勢 で の 右 脚 の ベ ダ リ ン グ動 作 で 測 定 を 行 っ た.こ の 時 被 験 者 の 磐 部 が サ ドル か ら離 れ な い よ う に 被 験 者 の 肩,腰 を補 助 者 が 押 さ え て 固 定 した.測 定 は90秒 の 休 息 を挟 ん で2回 行 い,最 大 値 を採 用 し た. 1.7統 計 処 理 各 測 定 か ら得 られ た デ ー タ は 平 均 値 ±標 準 偏 差 で 表 した.各 運 動 群 間 の 運 動 中 の 筋 酸 素 化 レベ ル,血 中 乳 酸 濃 度, 大 腿 部 筋 横 断 面 積 変 化 率,大 腿 部 周 径 囲 変 化 量 の 平 均 値 の 差 の 検 定,お よ び 各 運 動 の 運 動 前 安 静 時 との 差 の 検 定 に は 対 応 の あ るt検 定 を 用 い た.い ず れ の 場 合 も有 意 水 準 は5%と した. 2.結 果 2.1筋 酸 素 化 レベ ル サ イ ク リン グ運 動,ラ ン ニ ン グ運 動 の 運 動 中 の 筋 酸 素 化 レベ ル の 時 間 変 化 を 図2に 運 動 中 の 筋 酸 素 化 レベ ル 最 低 値 お よ び 運 動 直 後2分 ま で の 筋 酸 素 化 レベ ル 最 高 値 を 図3,4に 示 す.サ イ ク リ ン グ運 動 は 運 動 中 に 大 き く筋 酸 素 化 レベ ル が 低 下 し,運動 中 の 最 低 値 は26.6±6.4%で あ っ た.ま た,運 動 後 は 速 や か に 筋 酸 素 化 レベ ル が 上 昇 し,運 動 直 後2分 ま で の 最 高 値 は124.1±8.2%で あ っ た. サ イ ク リ ン グ 運 動 と 同程 度 の 心 拍 負 荷 の ラ ン ニ ン グ運 動 で も運 動 中 の 筋 酸 素 化 レベ ル の 低 下 と運 動 直 後 の 筋
65 酸 素 化 レベ ル の 上 昇 が 起 こ る が,サ イ ク リ ン グ 運 動 に 比 べ る と程 度 が 小 さか っ た(最 低 値53.9±16.4%,最 高 値 91.4±10.8%). 運 動 中 の1分 ご と の 各 時 間 の 値 と最 低 値 は い ず れ も サ イ ク リ ン グ 運 動 に お い て ラ ン ニ ン グ 運 動 よ りも 有 意 に 低 く運 動 後2分 ま で の1分 ご と の 各 日寺間 の 値 と最 高 値 は い ず れ も サ イ ク リ ン グ 運 動 に お い て ラ ン ニ ン グ 運 動 よ り も有 意 に 高 か っ た. 図2運 動 中の筋 酸 素化 レベ ル の時 間変 化 ( O d 司 一〇 の 邸 (一 煙 ひ ) 8 遷 8 bo 鉛 。 Φ ﹀ 室 醒 r-7-一 一 平 均 土標 準 偏 差 を 示 す. *:群 間 の 有 意 差Cρ<0.05) r 一一 一一 一r 一一 一一 図3運 動 中の筋 酸 素化 レベ ル最 低値 図4運 動後2分 まで の筋 酸素 化 レベル 最 高値 一 cycling 「unnlng 平 均 ±標 準 偏 差 を 示 す. $:安 静 時 との 問 の 有 意 差(ρ<0.05), 一 cycling *:群 問 の 有 意 差(ρ<0.05) nmnlng
1-2.」血 中 乳 酸 濃 度 サ イ グ リン グ運 動,ラ ン ニ ン グ 運 動 終 了 直 後 か ら5分 後 ま で の 血 中乳 酸 濃 度 最 高 値 を 図5に 示 す.ど ち らの 運 動 も と も に 安 静 時 と比 べ て 有 意 な 血 中乳 酸 濃 度 の 上 昇 を示 した.サ イ ク リン グ運 動 で は ラ ン ニ ン グ運 動 よ り も有 意 に 高 い 値 を 示 した(サ イ ク リ ン グ運 動14.7土0.9mM,ラ ン ニ ン グ運 動7.4±1.3mM). 図5運 動 終 了5分 ま での血 中乳 酸 濃度 最 高値 CyClingrUnning 平 均 ±標 準 偏 差 を 示 す. $:安 静 時 と の 間 の 有 意 差( 一ρ<0.05),*:群 間 の 有 意 差(一 ρ<0.05)
1-3.大 腿 部 筋 横 断 面 積 変 化 お よ び 大 腿 部 周 径 囲 変 化 サ イ グ リン グ運 動,ラ ン ニ ン グ運 動 の 運 動 前 後 の 一 過 性 の 大 腿 部 筋 横 断 面 積 変 化 を 図6に,大 腿 部 周 径 囲 変 化 を 図7に 示 す.ど ち らの 運 動 も と も に 運 動 前 安 静 時 と比 べ て,筋 ・骨 横 断 面 積,周 径 囲 と も に 有 意 な 増 加 を 示 し た. サ イ ク リン グ運 動 で は ラ ン ニ ン グ運 動 よ り も筋 横 断 面 積,周 径 囲 変 化 と も に 有 意 に 高 い 値 を示 した(筋 横 断 面 積 変 化 率:サ イ ク リ ン グ 運 動4.3±1.6%,ラ ン ニ ン グ 運 動1.2±2.1%,周 径 囲 変 化 量:サ イ ク リン グ運 動1.2土0.3cm, ラ ン ニ ン グ運 動0.5土0.2cm). 図6大 腿 部 筋横 断 面積 変化 図7大 腿 部周 径 囲変 化 cycling ● nlnnlng 平 均 ±標 準 偏 差 を 示 す. $:安 静 時 との 間 の 有 意 差Cρ<0.05), cycling *:群 間 の 有 意 差Cρ<0.05) nlnnlng 図8大 腿 部横 断画 像 の一 例 この被 験者 では 大腿 二頭 筋 の断 面積 変化 が特 に大 き い様子 が 良 く分 か る(変 化率6.6%)
1-4.ペ ダ ル 踏 力 サ イ グ リン グ運 動 中 の1分 ご との ペ ダ ル 踏 力 を 表3に 示 す.ペ ダ ル 踏 力 は,1サ イ ク ル 中 の ピー ク値 を 示 す.サ イ ク リ ン グ 運 動 中 の ペ ダ ル 踏 力 の 時 間 変 化 を 図9に 示 す.サ イ ク リン グ運 動 中 の ペ ダ ル 踏 力 の1サ イ クル の ピー ク 値 は 運 動 時 間 を通 して ほ ぼ20%MVC程 度 で あ っ た. 表3サ イ ク リン グ運 動 中 の ペ ダ ル 踏 力(1サ イ クル 中 の ピー ク 値) MVC 1分 2分 3分 4分 5分 ペ ダ ル 踏 力 絶 対 値(kgF) 相 対 値(%) 161.7±12.6 35.0±2.7 21.8±3.4 33.1土3.4 20.6±3.6 33.2土3.4 20.7土4.3 32.9±4.1 20.5±4.0 33.8±3.0 20.9±3.7 図9サ イ ク リン グ運 動 中 の ペ ダ ル 踏 力 の 時 間 変 化 の 一 例 (運 動 開 始1分 の 時 点) 3.考 察 3.1サ イ ク リ ン グ 運 動 と筋 肥 大 を 誘 発 す る生 理 的 メ カ ニ ズ ム の推 察 筋 肥 大 ・筋 力 増 強 を 目 的 と し た レジ ス タ ン ス トレー ニ ン グ の 研 究 で は,筋 肥 大 に 必 要 な 負 荷 重 量 は70%1RM 程 度 以 上 で あ り(lo),筋肥 大 ・筋 力 増 強 に は 筋 に 大 き な メ カ ニ カ ル な 刺 激 を 与 え る必 要 が あ る と考 え られ て き た. サ イ ク リ ン グ 運 動 は 筋 短 縮 速 度 が 大 き く力 学 的 な 仕 事 率 は 高 い が,負 荷 は あ ま り大 き く な い.本 研 究 に お け る5分 間 の 最 大 サ イ ク リ ン グ動 作 中 の発 揮 筋 力 の1サ イ クル 中 の ピー ク 値 の 平 均 は20%MVC強 程 度 で あ っ た.ま た,筋 肥 大 を誘 発 す る刺 激 の 一 つ と して,エ キ セ ン ト リ ッ ク収 縮 に よ る微 細 な 筋 損 傷 が 知 られ て い る(ll).その た め,通 常 の レ ジ ス タ ン ス トレー ニ ン グ で は,エ キ セ ン トリ ッ ク 局 面 の 動 作 を 丁 寧 に 行 うこ とが 重 要 と さ れ て い る.し か し
69 な が ら,サ イ ク リ ン グ運 動 に は エ キ セ ン ト リ ッ ク な 動 作 局 面 は ほ とん ど な い.以 上 か ら,サ イ ク リ ン グ 運 動 に よ る 筋 肥 大 ・筋 力 増 強 に は,一 般 的 な レ ジ ス タ ン ス ト レー ニ ン グ で 筋 に 与 え られ る大 き な メ カ ニ カ ル ス トレ ス や 筋 の 微 細 な 損 傷 とは 別 の 筋 肥 大 誘 発 の メ カ ニ ズ ム が 作 用 して い る と考 え られ る. サ イ ク リ ン グ運 動 が 筋 肥 大 を 誘 発 す る メ カ ニ ズ ム と して 運 動 中 の 筋 内 の 酸 素 環 境,代 謝 環 境 が 激 変 す る こ と が 関係 し て い る 可 能 性 が 考 え られ る 近 年,加 圧 トレー ニ ン グ や ス ロ ー ト レー ニ ン グ な どの,比 較 的 軽 負 荷 を 用 い た レ ジ ス タ ン ス トレ ー ニ ン グ法 の 研 究 か ら運 動 に よ る 筋 の 酸 素 環 境,代 謝 環 境 の 急 激 な 変 化 が 筋 肥 大 の 刺 激 と な っ て い る こ と が 推 察 さ れ て い る.加 圧 ト レー ニ ン グ で は20-50%IRM程 度(412),ス ロ ー ト レ ー ニ ン グ で は 50%IRM程 度 の 負 荷 強 度 で 大 き な 筋 肥 大 効 果 が 得 られ る こ と が 示 され て い る(5). 3.2サ イ ク リ ン グ 運 動 中 の 筋 内 の 酸 素 環 境 加 圧 ト レー ニ ン グ や ス ロ ー ト レー ニ ン グ で は 運 動 中 の 血 流 制 限 に よ り,筋酸 素 化 レベ ル が 大 き く低 下 す る.レ ッ グ エ ク ス テ ン シ ョ ン を 行 っ た と き の 外 側 広 筋 の 筋 酸 素 化 レベ ル は,加 圧 トレ ー ニ ン グ,ス ロ ー ト レー ニ ン グ と も に 安 静 時 の30%程 度 ま で 減 少 す る(13).筋酸 素 化 レ ベ ル の 低 下 は 一 酸 化 窒 素(NO)な ど の 活 性 酸 素 種 (ROS:ReactiveOxygenspecies)を 生 じ る が,NOは 筋 の 幹 細 胞 で あ る筋 サ テ ラ イ ト細 胞 の 増 殖 ・分 化 を 促 進 す る こ とが 観 察 され て い る(14).本研 究 の5分 間 の 最 大 サ イ ク リ ン グ 運 動 で は 運 動 中 の 筋 酸 素 化 レベ ル が 加 圧 トレー ニ ン グ や ス ロ ー トレ ー ニ ン グ と 同 程 度 の26.6±6.4%に ま で 低 下 した.同 程 度 の 心 拍 負 荷 で の ラ ン ニ ン グ運 動 で は 53.9±16.4%と あ ま り低 く な か っ た. ま た,加 圧 トレー ニ ン グ や ス ロ ー ト レー ニ ン グ で は 運 動 後 に 低 酸 素 状 態 か ら一 転 して 高 酸 素 状 態 に 移 行 す る. レ ッ グエ ク ス テ ン シ ョ ン を 行 っ た と き の 筋 酸 素 化 レベ ル は 加 圧 トレー ニ ン グ で 安 静 時 の140%,ス ロー トレー ニ ン グ で120%ま で 増 加 す る(13).虚血 ・再 還 流 に よ る 低 酸 素 環 境 か ら高 酸 素 環 境 へ の 移 行 が キ サ ンチ ン オ キ シ ダ ー ゼ を介 してROSの 活 性 を あ げ る こ と(15)などが 示 され て い る 虚 血 ・再 還 流 に よ るROSの 発 生 は 血 管 平 滑 筋 成 長 の 重 要 な シ グ ナ ル とな る 作 用 が 示 され て お り(16),骨格 筋 の 肥 大 に も 関 与 して い る 可 能 性 が あ る.本 研 究 の5分 間 の 最 大 サ イ ク リ ン グ運 動 で は 運 動 後 の 筋 酸 素 化 レベ ル が124.1±8.2%に ま で 増 加 し た.同 程 度 の 心 拍 負 荷 で の ラ ン ニ ン グ 運 動 で は91.4±10.8%で あ り,安静 時 と比 べ て 有 意 差 は み られ な か っ た.こ れ ら の 酸 素 環 境 の 変 化 が サ イ ク リ ン グ 運 動 の 筋 肥 大 効 果 に 関 与 し て い る可 能 性 が 考 え られ る. 3.3サ イ ク リ ン グ 運 動 中 の 筋 内 の 代 謝 環 境 加 圧 トレ ー ニ ン グ や ス ロ ー トレー ニ ン グ で は 筋 内 が 低 酸 素 状 態 と な り無 酸 素 性 代 謝 物 で あ る乳 酸 や 水 素 イ オ ン が 多 量 に 発 生 す る と 考 え られ て い る 血 中 乳 酸 濃 度 が 大 き く増 加 す る こ と,成長 ホ ル モ ン,テ ス トス テ ロ ン の 分 泌 充 進 が 観 察 され て い る(17)(13).乳酸 等 の 代 謝 物 の 蓄 積 は 筋 肥 大 誘 発 作 用 の あ る成 長 ホ ル モ ン や テ ス トス テ ロ ン な どの 内 分 泌 系 活 性 を 元 進 す る(18).本研 究 の5分 間 の 最 大 サ イ ク リ ン グ運 動 で は,血 中 乳 酸 濃 度 が14.7±0.9mMま で 増 加 し た.同 程 度 の 心 拍 負 荷 で の ラ ン ニ ン グ 運 動 で は7.4±1.3mMで あ り,サイ ク リ ン グ 運 動 よ り も 有 意 に 低 い 値 で あ っ た. こ れ ら の 無 酸 素 性 代 謝 物 の 局 所 的 な 蓄 積 は,筋 内 の 溶 解 物 濃 度 を 高 め る こ と に よ り,筋 組 織 へ の 血 漿 の 移 動 (FluidShi且)が 起 こ る と考 え られ て い る(7).これ を パ ン プ ア ップ 現 象 と い うが,パ ン プ ア ッ プ 現 象 に よ っ て 筋 は 一 時 的 に 肥 大 し,周径 囲 が 増 大 す る.下肢 の 加 圧 ト レー ニ ン グ で は 大 腿 部 中央 の 周 径 が1.5cm程 度 増 加 す る こ と が 報 告 され て い る(19).5分 間 の 最 大 サ イ ク リ ン グ 運 動 で は 運 動 直 後 に 大 腿 部 の 筋 横 断 面 積 が4.3±1.6%増 加 し,周径 は 1.2±0.3cm増 加 した.周 径 の 変 化 は加 圧 ト レー ニ ン グ の 研 究 に 近 い 値 で あ っ た.同 程 度 の 心 拍 負 荷 で の ラ ン ニ ン グ 運 動 で は横 断 面 積 変 化 は+1.2±2.1%,周 径 変 化 は0.5±0.2cmで あ り,サイ ク リ ン グ運 動 よ りも 有 意 に 低 い 値 で あ っ た. これ らの 血 中 乳 酸 濃 度,大 腿 部 筋 横 断 面 積 変 化,周 径 変 化 の 結 果 か ら,5分 間 の ス プ リ ン トサ イ ク リ ン グ 運 動 で は 筋 に乳 酸 な どの 無 酸 素 性 の 代 謝 物 が 多 量 に 蓄 積 し て い る こ と が 推 察 され る.こ の よ うな 代 謝 的 な 刺 激 が 筋 肥 大 を
誘 発 し て い る 可 能 性 が 考 え られ る. 3.4パ ン プ ア ッ プ を 誘 発 す る コ ン セ ン トリ ッ ク 動 作 競 技 5分 間 の 最 大 サ イ ク リ ン グ 運 動 で 大 き く筋 酸 素 化 レベ ル が 低 下 し,強い パ ン プ ア ップ を 起 こす 理 由 と して,以 下 が 考 え られ る. ・サ イ ク リン グ運 動 は ジ ョギ ン グ な どの 同 じ連 続 運 動 に 比 べ て,筋力 発 揮 局 面 が 長 く,脱力 局 面 が 短 い.大 き な 仕 事 量 を短 い 休 息 を 挟 ん で 繰 り返 し生 み 出 す 運 動 に な る の で,抹 消 の 筋 の エ ネ ル ギ ー 消 費 酸 素 消 費 が 大 き くな り, 筋 内 の 酸 素 環 境 ・代 謝 環 境 が 苛 酷 に な る. ・着 地 動 作 の な い ピ ュ ア コ ン セ ン ト リ ッ ク な サ イ ク リン グ運 動 は腱 の ば ね 作 用 が あ ま り働 か な い た め 筋 の エ ネ ル ギ ー 消 費 が 大 き く な る. ・腱 の ば ね 作 用 を 利 用 で き な い こ と は 大 き な 筋 の 短 縮 速 度 を 必 要 とす る が,大 き な 短 縮 速 度 は エ ネ ル ギ ー 効 率 が 悪 く(20)(21),それ だ け 外 的 仕 事 量 に 対 す る エ ネ ル ギ ー 消 費 が 大 き く な る. ま た 着 地 に よ る 瞬 間 的 な 切 り替 え し動 作 を 行 う ジ ョ ギ ン グ と比 べ て,持 続 的 な 筋 力 発 揮 を 行 うサ イ ク リ ン グ 運 動 で は,血 流 が促 進 され に く く低 酸 素 環 境 を誘 発 しや す い の か も しれ な い. 上 記 の よ うな 特 徴 は サ イ ク リ ン グ運 動 だ け で な く,ボー トや 競 泳 な ど の ピ ュ ア コ ン セ ン ト リ ッ ク 動 作 を繰 りか え し行 う他 の 競 技 に も 当 て は ま りそ うで あ る.こ れ ら の 競 技 は サ イ ク リン グ運 動 と 同 様 に パ ン プ ア ッ フ゜が 起 こ り や す い 運 動 とい え る.ま た,エ キ セ ン ト リ ッ ク 局 面 は や や あ る が,ス ピー ドス ケ ー ト も コ ンセ ン ト リ ッ ク 動 作 の 繰 りか え しに よ っ て パ ン プ ア ッ プ の 強 く起 こ る 競 技 とい え そ うで あ る.そ して これ ら の 競 技 選 手 の 筋 は 非 常 に よ く 発 達 し て い る 場 合 が 多 い.サ イ ク リ ン グ 運 動 と類 似 の 筋 肥 大 誘 発 の メ カ ニ ズ ム が 作 用 して い る の か も しれ な い. これ らの コ ン セ ン トリ ッ ク動 作 を 繰 り返 す 運 動 は,エ キ セ ン トリ ッ ク 収 縮 に よ る筋 の 微 細 な 損 傷 が 起 こ りに く い た め,筋 肉 痛 が 起 こ り に く い とい う特 徴 が あ る.そ の た め,筋 の 回 復 の た め の 長 い 休 息 時 間 が 必 要 と な らな い と 考 え られ る.一般 的 な レジ ス タ ン ス トレー ニ ン グ プ ロ グ ラ ム で は2-3日 間 の 休 養 を必 要 と され る が(22),これ ら の 運 動 の 競 技 練 習 は た い て い 毎 日行 わ れ る. 軽 負 荷 で 行 う加 圧 ト レー ニ ン グ は,エ キ セ ン ト リ ッ ク 局 面 は あ る が,負 荷 が 小 さ い た め 筋 の 損 傷 の 程 度 が 小 さ く,高頻 度 で の トレ ー ニ ン グ が 可 能 と考 え られ て い る.20%IRMを 用 い た 加 圧 ト レー ニ ン グ で は 筋 の 損 傷 マ ー カ ー で あ る 血 中 ク レ ア チ ン キ ナ ー ゼ の 濃 度 上 昇 が ほ と ん ど な く ,また1日2回 の 高 頻 度 ト レー ニ ン グ に よ っ て 短 期 間 に大 き な 筋 肥 大 効 果 が 得 られ る こ とが 示 され て い る(23). 自転 車 競 技 や ボ ー ト,競泳 選 手 の 筋 が よ く発 達 して い る こ と に は,ピ ュ ア コ ン セ ン ト リ ッ ク運 動 の 毎 日 で も 行 え る筋 へ の ダ メ ー ジ の 少 な さ と,パ ン プ ア ップ に よ る筋 肥 大 の 刺 激 を 毎 日の 競 技 練 習 で 高 頻 度 で 与 え られ て い る こ とが 関係 して い る の か も しれ な い. 4.結 論 5分 間 の 最 大 サ イ ク リン グ運 動 で は,筋 内 の 酸 素 環 境,代 謝 環 境 が 大 き く変 化 す る.そ の 動 態 は 比 較 的 軽 負 荷 を 用 い て 大 き な 筋 肥 大 効 果 の 得 られ る加 圧 トレー ニ ン グ や ス ロ ー ト レー ニ ン グ と類 似 して い る 短 ・中 距 離 系 の 自転 車 サ イ ク リン グ運 動 が 筋 に 与 え る これ ら の 刺 激 が,筋 肥 大 ・筋 力 増 強 を誘 発 す る 可 能 性 が 考 え られ る. 引 用 文 献 1.Linossier,M.T,Dormois,D.,Geyssant,A.,andDenis,C.(1997)Performanceandfibrecharacteristics ofhumanskeletalmuscleduringshortsprinttraininganddetrainingonacycleergometeLEurJAppl PhysiolOccupPhysiol75,491-498
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Acute changes in muscular oxygen and metabolic environment during 5minutes maximal cycling exercise
Michiya Tanimotol, Norio Saga2, Shinichiro Murade2 , Shizuo Katamoto 2
Background: Short to middle distance cycling race competitors have very huge thigh muscles. However, mechanical
load in cycling is relatively low and cycling movement hardly have eccentric contraction phase which induce
muscle micro damage enhancing muscular hypertrophy. Cycling exercise might have other factors except such
mechanical factors. Purpose: Purpose of this study is investigating the acute changes in muscular oxygenation level
and metabolic environment during 5 minutes maximal cycling exercise. These acute changes in muscle during
exercise have possibilities to perform some roles of inducing muscular hypertrophy. Method: Five cyclists affiliated
with the cycling club of Juntendo University performed 5 minutes maximum cycling exercise which simulates 4000
meter cycling race, and performed 5 minute treadmill running with same cardiorespiratory load (same hart rate) as
cycling exercise. Treadmill running protocol was configured as comparison of cycling exercise. Thigh muscle
oxygenation level, blood lactate concentration and thigh muscle pump-up level assessed by muscle cross sectional
area (CSA) were measured during these two exercises. Muscle pump-up during exercise mainly reflects the volume
of muscular metabolic sub-products accumulation. Result: Muscle oxygenation level during cycling exercise
decreased drastically and significantly lower than that during treadmill running (cycling: 26.6±6.4%, running:
53.9±16.4%). CSA changing immediately after cycling increased potentialy and significantly lower than that during
treadmill running (cycling: 4.3±1.6%, running: 1.2±2.1%). Conclusion: 5 minutes maximum cycling exercise
made drastic changes in thigh muscle oxygenation and metabolic environment. These changes in muscle have
possibilities to perform some roles of inducing muscular hypertrophy.
1. Department of Biomedical Engineering, Kinki University, Wakayama 649-6493, Japan 2. Institute of Health and Sports Science & Medicine, Juntendo University, Chiba270-1695, Japan
