体 力 科 学(1986)35,168∼174
等尺性最大筋 力に及ぼす筋断 面積および筋線維組成の影響
琉
子
友
男
福
永
哲
夫
INFLUENCE OF MUSCLE FIBER COMPOSITION AND MUSCLE CROSS-SECTIONAL AREA ON MAXIMAL ISOMETRIC STRENGTH
TOMOO RYUSHI and TETSUO FUKUNAGA
Abstract
The purpose of the present study is to investigate the influence of muscle cross-sec-tional area on maximal isometric strength (M. I. S.), and the influence of muscle fiber com-position on the ratio of maximal isometric strength to muscle cross-sectional area in the
leg extensor muscles.
Muscle biopsies were taken from the right vastus lateralis of 16 healthy untrained males. Cross-sectional area of the leg extensor muscles were measured by ultrasonic measurements. Maximal isometric strength were determined as peak torques using an isokinetic dynamometer.
Significant positive correlation was observed between muscle cross-sectional area and maximal isometric strength (r=0.61, p<0.05). The ratio of maximal isometric strength to muscle cross-sectional area was 2.6•}0.4 Nm/cm2 (mean•}S. D.) with a wide range of values from 2.0 to 3.3 Nm/cm2. No relationship was observed to exist between the ratio of maximal isometric strength to muscle cross-sectional area and muscle fiber composition.
From these results it can be concluded that muscle cross-sectional area plays a more important role in producing a high maximal isometric strength than muscle fiber
composi-tion, and that the large variations observed in the ratio of maximal isometric strength to muscle cross-sectional area may be caused by factors other than muscle fiber composition.
(J. Physical Fitness Japan 1986, 35 : 168•`174
key words:等 尺 性 最 大 筋 力,筋 断面積,筋 線 維 組 成 I.緒 言 ヒ トの発 揮 す る等 尺性最 大 筋 力 は,筋 の断面 積 や筋線 維組 成,お よび,運 動 単 位 の 動 員数 な どの 生 理学 的 な面,ま た,筋 線 維 の 走 行 角 度や筋 長, お よび,骨 格 な どの 解剖学 的 な 面,さ らに,意 欲 や動機 づ け な どの 心 理学 的 な面 等 が 複 合的 に影 響 し合 って規 定 さ れ る もの と考 え られ る. 等尺 性最 大 筋 力 に 対す る生 理 学 的 な面 での影 響 に関 しては,古 くか ら多 くの研 究 者 に よって報 告 され て いる が,特 に,等 尺性 最 大 筋 力に対 して作 業 筋 の断面 積 が 重 要 な影響 を 及 ぼ して いる こ とが 明 らかに され て い る6)9)12)19).いっ ぽ う,筋 断 面 積 あ た りの等 尺 性 最 大筋 力には 大 き な 個 人差 があ る こ とが 明 ら か に さ れ て い る が6)9)12),そ の 個 人 差 の 生 ず る原 因 に つ い て は 未 だ 明 ら か で な い. ま た,筋 線 維 組 成 と等 尺 性 最 大 筋 力 との 関 係 に つ い て は,両 者 の 間 に 有 意 な 相 関 関 係 が あ る と い う報 告10)16)と 関 係 が な い とす る 報 告8)13)14)17)があ る.さ らに,動 物 の 摘 出 筋 を 用 い た 研 究 に お い て も,FT線 維 の 多 い筋 はST線 維 の 多 い筋 に 比 較 して,Isometric tensionが 大 き い と い う報 告2)3) と,筋 断 面 積 あ た りに す る とIsometric tension は 両 筋 で 有 意 な 差 が な く,ほ ぼ 同 様 の 値 で あ る と す る 報 告4)18)も あ る.こ の よ うに,等 尺 性 最 大 筋 力 と筋 線 維 組 成 と の 関 係 に つ い て は,明 確 な 結 論 は 得 られ て い な い もの と考 え ら れ る. そ こ で,本 研 究 で は,等 尺 性 最 大 筋 力 に 対 す る 東京大学教養 学部保健体育科 東京都目黒区駒 場3-8-1
Department of Sports Sciences, College of Arts and Sciences, University of Tokyo
等尺 性 最大筋力に及ぼ す 筋断面積お よび筋 線 維組成の影響 169 筋 断 面 積 の 影 響,さ らに,筋 断 面 積 あ た りの 等 尺 性 最 大 筋 力 に 対 す る 筋 線 維 組 成 の 影 響 に つ い て 検 討 す る こ と を 目 的 と した. II.方 法 A.被 験 者 被 検 者 は 規 則 的 な ト レー ニ ン グ経 験 の な い 健 康 成 人 男 子16名 で あ っ た.彼 ら の 年 齢 は21.1±2.0歳, 身 長 は169.8±5.2cm,体 重 は62.4±6.1kgで あ っ た. B.等 尺 性 最 大 筋 力 の 測 定 座 位 姿 勢 の 被 験 者 を シ ー トベ ル トを 用 い て 測 定 用 の 椅 子 に 胸 部 お よび 腹 部 を 固 定 した.さ ら に, 被 験 者 の 右 脚 の 足 頸 部 をCybex III(0°/sec)の レ バー に 固 定 し た の ち ,右 膝 関 節 を90° に 保持 し た 状 態 で,膝 を 伸 展 す る際 のpeak torqueを 測 定 した.な お,被 験 者 に は 充 分 な 時 間 閭 隔 を お い て 連 続3回,常 に 最 大 努 力 でpeak torqueを 発 揮 させ,そ の な か の 最 大 値 を 等 尺 性 最 大 筋 力 と し た. C.筋 生 検 と 染 色 法 筋 サ ン プ ル は,Evansた ち の 方 法5)に 若 干 の 修 正 を 加 え た 方 法(図1)を 用 い て,右 大 腿 四 頭 筋 の 外 側 部(外 側 広 筋)か ら 採 取 した,採 取 部 位 は 腸 骨 棘 と 膝 蓋 骨 上 緑 中 央 部 と を 結 ん だ 線 の 遠 位 1/3の 部 位 か ら,さ ら に 外 側 へ1/2の 部 位 で あ り, そ の 深 さ は 大 腿 の 太 さ と は 無 関 係 に筋 膜 か ら 垂 直 に3cmと し た.な お,被 験 者 す べ てに 対 し,ほ とん ど 同 じ 部 位 か ら採 取 す る よ う留 意 した(図1). 筋 の 採 取 量 は 筋 線 維 数 に し て 平 均1,016(410∼
170 琉 子,福 永
Fig 2. Cross-section of muscle fibers stained for myosin ATPase. (A) routine myosin ATPase stain (pH 9.4), dark ; FTa, FTb, FTc, light ; ST, (B) after preincubation in pH
4. 3, dark ; ST, FTc, light ; FTa, FTb, (C) after preincubation in pH 4. 6, dark ; ST, FTb, FTc, light ; FTa. (•› ; ST fibers, •¢; FTa fibers,• : FTb fibers, FTc fibers do not
等尺 性最大筋力に及 ぼす筋断面積お よび筋 線維組成の影響 171 1,781)本 で あ っ た.採 取 後,筋 サ ン プル は 液 体 窒 素-イ ソ ペ ン タ ン で 瞬 間 凍 結,-20℃ の ク リ オ ス タ ッ ト内 で8μ の連 続 切 片 に し た.次 に,そ れ ら の 連 続 切 片 に 対 し,pH4.3,pH4.6の 酢 酸 ナ ト リ ウ ム バ ッ フ アー を 用 い て 前 処 理 を し た の ち,pH 9.4のmyosin ATPase染 色10)を 行 な っ た.そ れ ら の 染 色 結 果 か ら,ST,FTa,FTb,FTc線 維 を 同 定 し た(図2).し か し,FTc線 維 に 関 し て は,そ の 数 が 非 常 に わ ず か で あ っ た た め 考 慮 外 と し た. D.脚 筋 断 面 積 の 測 定 筋 サ ン プ ル を 採 取 し た 部 位 とほ ぼ 同 様 の 部 位 の 断 面 積 を 超 音 波 法(円 型 コ ン パ ウ ン ド方 式,超 音 波 周 波 数5MHz)を 用 い て 測 定 した. III.結 果 Cybex IIを 用 い て測 定 し た16名 の 被 験 者 の 脚 伸 展 筋 の 等 尺 性 最 大 筋 力 は211±38Nmで あ り,筋 断 面 積 あ た りの 等 尺 性 最 大 筋 力 は2.6±0.4Nm/ cm2,2.0か ら3.3Nm/cm2の 個 人 差 を 示 し た (表1).さ ら に,こ れ ら の 被 験 者 の 外 側 広 筋 の 筋 線 維 の 数 比 率 は,ST線 維 が45.2±9.8%,FTa線 維 が32.5±5.8%,FTb線 維 が22.2±11.4%で あ っ た. さ ら に,筋 線 維 の 平 均 横 断 面 積 はST線 維 が4,920 ±820μm2,FTaの 線 維 が5,330±1,070μm2,FTb 線 維 が4,630±1,250μm2で あ り,こ れ ら の 値 を 考 慮 に 入 れ て 計 算 した 面 積 比 率 はST線 維 が44.8 ±10%,FTa線 維 が34.7±6.3%,FTb線 維 が20.4 ±10.4%で あ っ た(表1).い っ ぽ う,超 音 波 法 を 用 い て 測 定 し た 脚 伸 展 筋 の 断 面 積 は79.9±9.4cm2 で あ っ た(表1).ま た,脚 伸 展 筋 を 構 成 し て い る 4つ の 筋 の 断 面 積 の 占 め る 割 合 は,そ れ ぞ れ 外 側 広 筋 が34±1.5%,大 腿 直 筋 が12±1.9%,中 間 広 筋 が29±2.6%,内 側広筋 が23±3.2%で あ っ た. 各 筋 線 維 の数比 率,面 積 比 率,お よび,平 均 横 断面 積 と等 尺 性最 大 筋 力 との間 には,有 意 な 相 関 係 数 は 得 られ なか っ た(表2).さ らに,筋 断 面 積 あ た りの 等 尺 性最 大 筋 力 と各 筋線 維 の数 比 率,面 積 比 率,お よび,平 均 横 断 面 積 との 間 に も 統 計 的 に 有 意 な 相 関係 数は 得 られ な か った(表2,図3). い っぽ う,脚 伸 展筋 の 断 面 積 と等尺性 最 大 筋 力 と の 間 に は,r=0.61,p<0.05の 有 意 な相 関 係 数 が 得 られ た(図4).さ らに,外 側広 筋の筋 断 面 積 と等 尺 性 最 大 筋 力 との 間 に も有 意 な相 関係 数(r=0.61, p<0.05)が 得 られ た. IV.論 議 ヒ トの 発 揮 した等 尺 性 最 大 筋 力 と筋 線 維 組 成, 筋線 維 の 平 均 横 断面 積,お よび,筋 線 維 の 直 径 と の 関 係 に つ い ては,古 くか ら多 くの研 究 者 に よ っ て報 告 さ れ て いるが,両 者 の間 に有意 な 相 関 関 係 が 認 め られ た とす る報 告10)16)と関係 は認 め られ な か っ た とす る報 告8)17)があ り,必 ず し も一 致 した 結 果 は 得 られ てい な い.さ らに,こ れ らの 報 告 の ほ とん どが 作 業筋 の 断 面 積 を考 慮に 入 れ て 検 討 し て い な い こ とか ら,Mauganた ち13)は脚 伸 展 筋, Nygaardた ち14)は上腕 二 頭 筋 を用 い て,筋 断 面 積 あ た りの 等 尺性 最大 筋 力 と筋 線 維組 成 との 関 係 に つ い て 検 討 した結果,筋 断 面 積 を考 慮 に 入 れ て も 両 者 の 間 に 統 計的 に有 意 な相 関係数 を 得 る こ とは で き な か った こ とを報 告 して い る.ま た,本 研 究 の結 果 に お いて も,筋 線 維 の平 均横 断面 積,筋 線 維 の数 比 率 や面 積比 率 と等 尺性 最大 筋 力,お よび, 筋 断 面 積 あ た りの 等尺 性 最 大筋 力 との 間 に は,い ず れ に お い て も統 計的 に 有 意 な相 関係 数 を 得 る こ Table 1. Maximal isometric strength (M. I. S.), muscle cross-sectional area in leg extensor
172 琉 子,福 永
Fig 3. The relationship between the ratio of maximal isometric strength (M. I. S.) to muscle cross-sectional area and the percent
of ST fibers (A), the relationship between the ratio of M. I. S. to muscle cross-sectional area and the percent area of ST fibers(B).
とは で きなか っ た(表2,図3). この よ うに,筋 断 面 積 を考 慮 に 入 れ た場 合に お い て も,両 者 の 間 に 有 意 な相 関 係 数 の 得 られ なか っ た原因 の1つ と して,外 側 広 筋 の 筋 線 維組 成 が 脚 伸 展筋全 体 の 筋 線 維 組成 を代 表 す る こ とがで き る か とい う方 法 上 の 問題 点が あ る.し か し,こ の 点 に 関 しては,脚 伸 展筋 を構 成 す る4つ の筋は, 筋 力 を発 揮す る こ とに対 し,平 等 に 寄 与 し て い る1)こ と,ま た,同 一個 人に お い て は,筋 が異 な
等尺性 最大筋 力に及ぼす筋 断面積お よび筋線維組 成 の影響 173
Fig 4. The relationship between maximal iso-metric strength (M. I. S.) and muscle cross-sectional area in leg extensor muscle.
る場 合で もそ れ ぞ れ の筋 線維 組 成 間 に一 定 の 関 係 が 認 め られ て い る15)ことな どか ら,そ の よ うな 方 法 上 の問 題 は な い もの と考 え る.さ らに,ま った く トレー ニ ン グ経 験 の な い被 験 者 が 果 た して真 の 等 尺性 最 大 筋 力 を 発 揮 す る こ とが で き るか とい う こ とが あ るが,本 研 究 にお い て は,随 意最 大 努 力 に よる等 尺 性 最 大 筋 力 の測定 に 際 し ては,被 験者 が測 定 法 に 充 分 に 習 熟 した うえ で 実 施 し,か つ, 発 揮 され た最 大 筋 力 値 の3回 の 値 が ほ とん ど同 じ で あ っ た こ とな どか ら,最 大 筋 力 発 揮 に対 す る測 定 法上 の 問 題 点 は な い もの と考 え られ る.ま た, 本研 究 で は,ト レー ニ ング経 験 の な い被 験 者 を選 ん だが,Maughanた ち13)も,被 験 者 と して ス ポ ー ツ選 手 を 用 い た場 合,骨 格筋 に対 する トレーニ ン グの 影響 を 考 慮 に 入れ なけ れ ば い け な いの で, この種 の 実験 に は 鍛 練 者 よ り非 鍛練 者 の方 が被 験 者 と して適 格 で あ る こ とを報 告 し て い る. つ ぎに両 者 の 間 に 相 関 関係 が 得 られ なか っ た原 因 と して,等 尺 性 最 大 筋 力を 発 揮 す る こ とに対 し ては,FTお よびST線 維 の 両 タ イ プが 動員 され る こ と,し か も,両 線 維 の筋 線 維 横 断 面積 あた り の 張 力 には 差 が な い こ とな どが 考 え られ る.動 物 の 摘 出筋 を用 い た 実 験 結果 に お い て も,Close4)や WendtとBarclay18)は,FT線 維 を 多 く有 して い るEDL(長 指 伸 筋)とST線 維 を 多 く有 して い る SOL(ヒ ラ メ筋)で,筋 断 面 積 あ た りの張 力 に は 有 意 な差 が な い こ とを報告 して い る.さ ら に, GydikovとKosarov7)は,Isometric forceを 発 揮 す る こ とに 対 して は,FTとSTの 両 タ イプを 支 配 す るmotor unitsが 動 員 され る こ とを報 告 して お り,こ れ らの 報 告 は 本研 究 の 結 果 を支持 す る も ので あ る. い っぽ う,脚 伸 展筋 の 発揮 した等 尺 性最 大 筋 力 と筋 断面 積 との 間 に は,r=0.61,p<0.05の 有 意 な 相 関係数 が 得 られ た(図4).こ の こ とは,ヒ トの 発揮 す る等 尺 性 最 大 筋 力 と筋 断 面 積 との 間に は, 直 線 的 な正 の 比 例 関係 が存 在 す る と した先 行 研 究 の結 果6)9)12)19)を支 持 す る もの で あ り,等尺 性最 大 筋 力発 揮 に 対 しては,筋 線 維 組 成 よ りも筋 断 面 積 の方 が よ り重 要 な影 響 を及 ぼ し て い る こ とを 示 す もの であ る. しか しな が ら,筋 断面 積 あ た りの 等 尺性 最 大 筋 力 には大 き な 個 人 差 が あ る こ とが 報 告 さ れ て お り6)9)12),本研 究 に お いて も,2.0か ら3.3Nm/cm2 の大 きな個 人 差 が 認 め られ た(表1).本 研 究 の 結 果 か ら,こ の 個 人 差 の生ず る 原 因 は,筋 線 維 の 数 比 率や面 積 比 率,お よび,筋 線 維 の平 均横 断 面 積 の差 に よる もの で は な く,む し ろ,等 尺性 最 大 筋 力 を発揮 す る こ とに対 す る運 動 単 位 の 動 員数 の 個 人 差 や意 欲 や 動 機 づ けな どの心 理 的 な面 での 個 人 差 に 依 る も の と考 え るが,こ の 点 に 関 しては,今 後,更 に 検 討 を 加 え る こ とが 必 要 と思 わ れ る. V.要 約 トレー ニ ン グ経 験 の な い16名 の 健 康 成人 男 子 を 用 いて,脚 伸 展 筋 の 等尺 性 最 大 筋 力 に対 す る筋 断 面 積 の影 響,お よび,筋 断 面 積 あ た りの等 尺性 最 大 筋 力に 対 す る 外 側 広筋 の 筋 線 維 組 成 の影響 に つ い て検 討 し,次 の 結 果 を得 た. 1.等 尺 性 最 大筋 力 と筋 断 面 積 との間 に は,先 行 研究 と同 様,有 意 な正 の 相 関 係 数(r=0.61,p< 0.05)が 得 られ た. 2.筋 断 面 積 あ た りの 等 尺 性 最 大 筋 力 と外側 広 筋 の筋線 維 組 成 との 間に は,統 計 的 に有 意 な相 関 係 数は 得 られ な か った.
174 琉 子,福 永 以上 の 結 果 か ら,静 的 な最 大 筋 力 を発揮 す る こ とに対 して は,筋 線 維組 成 よ り も筋 断 面積 の 方 が よ り重要 な 影 響 を及 ぼ して い る こ と,さ らに,筋 断面 積 あ た りの 等 尺性 最 大筋 力 の 大 き な個 人 差 の 生 ず る原 因 は,筋 線維 組 成 以 外 の要 因に 依 る もの で あ る こ とが 示 唆 され た. 本研究 の一部 は,昭 和58年度文 部省科学研究費補 助金,奨 励 研究(A)に よるもの であ る. (受付 昭和60年11月1日) References
1) Alexander, R. McN. and Vernon, A.(1975) : The dimensions of knee and ankle muscles and the
forces they exert. J. Hum. Mov. Stud. 1, 115-123.
2) Barany, M, and Close, R. I.(1971) : The trans-formation of myosin in cross-innervated rat
mus-cles. J. Physiol., 213, 455-474.
3) Burke, R. E. and Edgerton, V. R.(1975) : Motor unit properties and selective involvement in
movement. Exer. Sports Sci. Rev., 3, 31-81.
4) Close, R I. (1972) ; Dynamic properties of mam-malian skeletal muscle. Physiol. Rev., 52, 129-197.
5) Evans, W. J., Phinney, S. D, and Young, V. R.
(1982) : Suction applied to a muscle biopsy max-imizes sample size. Med. Sci, sports, 14, 101-102.
6) Fukunaga, T. (1976) : Die absolute Muskelkraft and das Muskelkrafttraining. Sportarzt unt
Sport-med., 27, 255-265.
7) Gidikov, A, and Kosarov, D. (1974): Some features
of different motor units in human biceps brachii.
Pflugers Arch., 347, 75-88.
8) Hulten, B., Thorstensson, A., Sjð±din, B. and
Karlsson, J. (1975) : Relationship between isome-tric endurance and fiber types in human leg
muscles. Acta. physiol. scand., 93, 135-138.
9) Ikai, M, and Fukunaga, T.(1968) ; Calculation of muscle by means of ultrasonic measurement.
Int. Z. angew. Physiol., 26, 26-32.
10) Komi, P. V., Rusko, H., Vos, J. and Vihko, V.
(1977) : Anaerobic performance capacity in
ath-letes. Acta. physiol, scand., 100, 107-114.
11) Khan, M. A., Papadimitriou, J. M., Holt, P. G. and Kakulas, B. A.(1972) : A
calcium-citro-phos-phate technique for the histochemical localiza-tion of myosin ATPase. Stain technology., 47,
277-281.
12) Maughan, R. J., Watson, J. S. and Weir, J.(1983):
Relationships between muscle strength and
mus-cle cross-sectional area in male sprinters and endurance runners. Eur. J. Appl. Physiol., 50,
309-318.
13) Maughan, R. J. and Nimmo, M. A.(1984) : The influence of variations in muscle fiber
composi-tion on muacle strength and cross-sectional area in untrained males. J. Physiol., 351, 299-311.
14) Nygaard, E., Houston, M., Suzuki, Y., JƒÓrgensen,
K. and Saltin, B. (1983) : Morphology of the brachial biceps muscle and elbow flextion in
man. Acta. physiol, scand., 117, 287-292. 15) Saltin, B., Henriksson, J., Nygaard, E., Andersen,
P. and Jansson, E.(1977) : Fiber types and
met-abolic potentials of skeletal muscles in sed-entary man and endurnce runners. Ann. N. Y.
Acad. Sci., 301, 3-29.
16) Tesch, P. and Karlsson, J. (1978) : Isometric
strength performance and muscle fiber type distribution in man. Acta. physiol, scand., 103,
47-61.
17) Thorstensson, A., Hulten, B., Dð±bein, W. J, and Karlsson, J.(1976) : Effects of strength training
on enzyme activities and fiber characteristics
in human skeletal muscle. Acta. physiol, scand., 96, 392-398.
18) Wendt, I. R. and Barclay, J. K.(1980) : Effects of dantrolen on the energetics of fast- and
slow-twitch muscles of the mouse. Am. J.
phys-iol., 238, 56-61.
19) Young, A., Stokes, M., Walker, I. C. R. and
Newham, D.(1981) : The relationship between
quadriceps size and strength in nomal young adults. Ann, rheum. Dis., 40, 619
