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【2022年最新】骨格筋とは?筋トレを科学で理解するために。加齢に伴う筋萎縮やサルコペニア・フレイルまで

学生さん
学生さん
患者さんに筋トレを指導したりしますが、実は筋肉自体のことってあまり理解していなくて、、

 

ストロボ君
ストロボ君
筋肉の性質や強い力はどのように発揮されるのか、どのように筋に刺激を与えたら育つのかなど理解していると患者さんに対する訓練も変わるよね。今回は筋の基本をおさらいしてみよう!!

 

はじめに

 

人体には、骨格筋、心筋、平滑筋の3種類の筋肉が存在します。それぞれの種類の筋には、固有の細胞成分、生理機能、特異的機能、病理学的特徴があります。

 

骨格筋は、主に運動と姿勢を制御する器官です。心筋は心臓を包含し、人体の生命維持に関与します。平滑筋は、消化器系、生殖器系、泌尿器系、血管系、呼吸器系に存在します。

 

今回は、骨格筋にターゲットを絞り解説をしていきます。

 

 

骨格筋の機能

 

骨に付着し、収縮して骨格を動かしやすくするのが主な機能です。その外見から筋としても知られています。筋原線維の中にあるアクチンとミオシンのバンドがサルコメアを形成していることが、この「ストライプ状」の外観の要因です。

 

骨格筋は、私たちが神経系を通じて直接コントロールすることができるため、随意筋と呼ばれています。筋収縮は、力強く速い動きや、小さな精密な動きなど、さまざまに変化することができます。骨格筋は、伸びたり縮んだりしても、元の形に戻ることができます。

 

Muscle SO FO FG

引用元:https://www.quora.com/

 

筋繊維には、遅筋-酸化型(SO)、速筋-酸化型(FO)、速筋-解糖型(FG)の3種類があります。

 

 

 

ミオシンとアクチン

 

筋肉の種類はすべて、ミオシンフィラメントとアクチンフィラメントを利用して、細胞の収縮につながる力を発生させています。骨格筋と心筋では、アクチンとミオシンフィラメントがサルコメアに組織化され、収縮の基本単位として機能します。

 

骨格筋は細長い多核細胞で、長さはミリメートルから数十センチメートル、筋肉の全長にわたっています。

 

心筋細胞は骨格筋細胞と似ていますが、より短く、インターカレートディスク(隣接する心筋細胞間の電気化学および機械的接続を提供する)と呼ばれる特殊な接合部を介して互いに結合しています。

 

 

骨格筋の解剖学

 

ほとんどの筋肉では、繊維は同じ方向に向いており、起始部から停止部まで一直線に走っています。このような筋肉では、力が長さの変化よりも重要です。

 

これらは、作用線に対して斜めに配向した個々の繊維を持つものは羽状筋として知られています。収縮する繊維は、筋の全体的なアクションに対して斜めに引っ張られているので、長さの変化は小さくなりますが、この同じ方向は、与えられたサイズの筋肉でより多くの繊維(したがって、より多くの力)を可能にします。

 

骨膜上層には多くの筋膜があります。各筋膜の周囲には、多くの筋繊維を含む筋周膜と呼ばれる層があり、各筋繊維の周囲には、筋内膜と呼ばれる結合組織の層があります。

 

筋膜の上皮は、両端の腱に筋組織を固定し、筋膜の上皮は厚くなり、コラーゲン性になります。また、他の筋肉や骨との摩擦から筋肉を保護しています。結合組織は、筋膜としてすべての筋肉に存在します。

 

 

サルコメア

 

サルコメアは、筋細胞の細胞膜です。外部環境に対する物理的なバリアを形成し、また外部と筋細胞との間のシグナルを媒介します。筋小胞体は筋細胞の特殊な細胞質で、ゴルジ体、豊富な筋原線維、小胞体(SR)と呼ばれる変形小胞体、ミオグロビン、ミトコンドリアとともに、通常の細胞内要素を含んでいます。

 

横行小管はサルコメアに食い込み、筋原繊維の周りにネットワークを形成し、筋収縮に必要なCa2+を貯蔵・供給しています。筋原線維は、縦方向の筋フィラメント(細いアクチンフィラメントと太いミオシンフィラメント)の秩序だった配列からなる収縮単位(筋細胞内)です。

 

骨格筋や心筋に見られる特徴的な「筋」は、細いフィラメント(明)、太いフィラメント(暗)であり、光学顕微鏡で容易に観察することができます。

 

https://journals.plos.org/plosone/article/figure?id=10.1371/journal.pone.0045661.g001

引用元:

Stretching Skeletal Muscle: Chronic Muscle Lengthening through Sarcomerogenesis

 

Z線は、各サルコメアの横方向の境界を定義している。Z線が互いに近づくと筋原繊維が収縮し、筋細胞全体が収縮し、さらに筋肉全体が収縮することでサルコメアが収縮します。ミオシンとアクチンの相互作用が筋収縮を担っています。

 

 

運動単位

 

筋内では、筋繊維は機能的にモーターユニットとして組織化されています。運動単位は、1つの運動ニューロンとそれが神経支配するすべての筋繊維から構成されます。

 

例えば、目は速く正確な動きを必要とするが、力はあまり必要としません。

 

そのため、外眼筋の運動単位は非常に小さく(支配比率はわずか3です)、最大速度で収縮できる筋線維の割合が非常に高いです。

 

一方、腓腹筋は小さな単位と大きな単位の両方からなる筋肉で、運動ニューロンあたりの筋線維の支配比は1000~2000であり、体位を急激に変化させるのに必要な力を発生させることができます。

 

ペンを持ち上げるために筋が発生させる力は、自動車の車輪を持ち上げるのに必要な力よりもはるかに小さい。筋肉が生み出す収縮力は、収縮する筋繊維の数を増やす「運動単位の和」と、筋繊維の収縮力を増やす「神経発火頻度の和(インパルス反射頻度)」の2つの方法で増大させることができます(リクルートメントとレートコーディング)。

 

 

リクルートメントとレートコーディング

引用元:http://ksumsc.com/

 

運動単位はまた、神経支配する筋繊維の種類も異なります。ほとんどの骨格筋では、小さな運動単位は、ゆっくりと収縮し、比較的小さな力を発生する小さな「赤」筋繊維を支配しています。筋繊維は、ミオグロビン、ミトコンドリア、毛細血管に富み、疲労しにくい。

 

このような小さな単位は遅筋(S)運動単位と呼ばれ、直立姿勢の維持など持続的な筋収縮を必要とする活動において特に重要です。より大きなα運動ニューロンは、より大きな筋繊維を支配し、より大きな力を発生させます。

 

ミトコンドリアがまばらで、疲労しやすい。このような運動単位は高速疲労性(FF)の運動単位と呼ばれ、走ったり跳んだりするような大きな力を必要とする短時間の運動で特に重要です。第3の運動単位は、他の2つの運動単位の中間に位置する性質をもちます。

 

高速疲労耐性(FR)運動単位は、中間の大きさで、FF運動単位ほど高速ではありません。その名の通り、FRは疲労に強く、FFの約2倍の力を発生させます。

 

元サイトで動画を視聴: YouTube.

 

このような各々の筋の性質や収縮力の基本が上の動画における姿勢制御やハンドリングにも最終的に繋がってきます。

 

 

神経系制御

 

基本的な神経制御の経路は以下の通りである。

 

前頭葉(一次運動野):運動を開始する神経信号の起点となる。
皮質脊髄路(上部運動ニューロン):脳から骨格筋へのメッセージの仲介役。
末梢神経(下位運動ニューロン):筋肉を収縮させる指令を伝えるメッセンジャー細胞。
神経筋接合部:メッセンジャー軸索細胞はこの交差点で筋肉細胞に収縮するよう伝える。

 

 

筋肥大と筋萎縮

 

運動は、骨格筋の外観を変化させ、筋性能の変化をもたらすことができます。筋細胞は大きさを変えることができますが、筋肉が成長するときに新しい細胞が形成されるわけではありません。

 

その代わり、筋肥大と呼ばれるプロセスで構造タンパク質が筋繊維に追加されるため、細胞の直径が増加します。逆に、構造タンパク質が失われ、筋肉量が減少することを萎縮という。

 

また、筋肉を構成する細胞は、筋肉の使われ方の変化に応じて変化することがあります。筋肉の変化は、運動の種類によって異なります。

 

持久的な運動では、遅筋繊維の細胞ミトコンドリア、ミオグロビン、毛細血管網が増加します。持久系アスリートは、他の繊維タイプに比べ、遅筋繊維が多く存在します。

抵抗運動は筋肥大を引き起こします。パワーを生み出す筋肉は、遅筋線維よりも速筋線維の数が多くなっています。

 

 

筋萎縮には、生理的萎縮、病的萎縮、神経原性萎縮の3つのタイプがあります。

 

 

生理的な筋萎縮

 

筋肉を十分に使わないことが原因で起こります。このタイプの萎縮は、運動と栄養改善で回復することが多いです。

 

健康上の問題で動きが制限されている人、活動量が低下している人、寝たきりの人、脳卒中などの脳の病気で手足が動かない人、宇宙飛行のように重力のない場所にいる人などが危険とされます。

 

加齢による筋萎縮

サルコペニアと呼ばれ、筋線維が死滅し、結合組織や脂肪組織に置き換わることで起こります。

 

 

病的萎縮

飢餓やクッシング病(副腎皮質ホルモンと呼ばれる薬の飲みすぎが原因)、うっ血性心疾患、肝疾患などの疾患によって見られます。

 

神経原性筋萎縮

最も重篤な筋萎縮のタイプです。筋肉につながる神経が傷ついたり、病気になったりすることで起こります。このタイプの筋萎縮は、例えばALSなど生理的な筋萎縮よりも突然起こる傾向があります。

 

身体的不活動

筋肉における増加したタンパク質分解または減少したタンパク質合成に起因する筋肉量の減少を引き起こす。これは、人の生活の質に直接影響を与え、慢性疾患の主な危険因子です。

 

運動は、筋タンパク質の合成を維持・促進し、筋肉へのシグナル伝達経路を活性化させるために重要であることはよく知られています。運動促進は、運動不足の人の健康とライフスタイルに多大な利益をもたらすため、不可欠です。

 

 

 

ストロボ君
ストロボ君
それでは関連する論文を読んで理解を深めていこう

 

 

骨格筋に関連するリハビリ論文サマリー

 

 

 

 

 

カテゴリー

 

神経系、脳卒中、運動単位

 

タイトル

●脳卒中患者の高閾値の運動単位の選択的な喪失

 

●原著はLarge motor units are selectively affected following a strokeこちら

 

なぜこの論文を読もうと思ったのか?

 

●臨床では脳卒中患者の治療に関わる事が多い。その中で、同じ筋でも速筋・遅筋など種類によって脳卒中により受ける影響が違うのか学びたく本論文に至る。

 

内 容

 

背景

 

●先行研究では、脳卒中患者の運動単位の機能の喪失が明らかになっています。しかし、運動単位がランダムに影響を受けるのか、特定のパターンで影響を受けるのかは不明なままでした。

 

●補足:サイズの原理とは、筋力の発揮の際に小さな運動単位から動員され、必要とされる筋力が増加するにしたがってより大きな運動単位へと順に活性化されていくこと。複雑な難易度の高い動きなどの場合は選択的に高閾値の運動単位が動員されることもある。

 

●脳卒中後の大きな(高閾値)または小さな(低閾値)の運動単位の選択的喪失があるかどうかを評価しました。

 

 

方法

 

●45人の脳卒中患者と40人の健常者が研究に参加した。マクロ筋電図は、小指外転筋から2つのレベルの出力(低および高)で記録されました。

 

●麻痺側のマクロ運動単位電位(マクロMUP)の振幅の中央値を、非麻痺側および健常者の振幅と比較しました。

 

 

結果

 

図参照:Large motor units are selectively affected following a stroke

 

●結果、健常者と非麻痺側では、マクロMUPは、低レベルの出力よりも高レベルの出力で有意に大きかった。ただし麻痺側では、高出力でのマクロMUPは、低出力で記録されたものと同程度の振幅であった。これらの変化は、不全麻痺の重症度と相関していた。

 

●脳卒中後、高閾値運動単位の選択的な機能喪失が観察されました。これらの変化は、症状の重症度に関連していた。

 

 

私見・明日への臨床アイデア

 

●本論文では高閾値の運動単位の選択的な喪失が示唆された。これは、速い動作や複雑な課題では高閾値の運動単位が選択的に動員されやすいため難しくなりやすいことを示唆している。

 

●治療としては、ゆっくりかつ簡単な静的課題が難易度が低く導入としては良さそうだが、速さや複雑な課題も取り入れ高閾値の運動単位への働きかけも重要と言える。電気刺激は速筋を促通するのに有用と言われる。

 

併せて読みたい【脳卒中 運動麻痺 運動単位】関連論文

 

Vol.470.速筋が失われやすい!?高齢者および脳卒中患者の骨格筋変化と運動の効果

 

vol.93:姿勢の連鎖と筋活動 脳卒中/ 脳梗塞リハビリ論文サマリー

 

Vol.456.非麻痺側トレーニングが麻痺側同部位を強化する!?脳卒中患者の手関節背屈筋に対するCross Educationの効果

 

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