脳が「疲れたことにしよう!」と・・

私たちの運動パフォーマンスが低下することは「疲労」という概念でとらえられます
そして疲労には、①「末梢性疲労」という筋肉レベルでの収縮力の低下(例えば筋グリコーゲンが枯渇するレース後半では脚が重く感じて動きにくくなる・・)と、②「中枢性疲労」という脳‐神経系が関与した筋収縮力の低下(興奮剤などを使用したドーピングは禁止されています)、があります
私たちの身体は脳-神経系が主導権を握って、筋肉などの身体系に命令をだしていると考えられていますが、最近は環境系と連動した身体系からの情報のフィードバックも重要であることがわかってきました(いわば「忖度」したり「抵抗」したり「是正」したりするようなもの?)

図は、矢部京之介先生の有名な「心理的限界」と「掛け声効果」に関するもので、300回指を動かし続けると黒丸のように筋力が低下してゆきまが、筋を直接電気刺激をすると筋力はほとんど低下していない(筋にはまだ収縮する能力が残っている)のです

つまり「生理的限界(末梢性疲労)」に先行する「心理的限界(中枢性疲労)」ということで、トレーニングにより両者の差を縮めてゆけばパフォーマンスは向上するということになります(実はこのメカニズムは「安全限界設定装置」として私たちの身体を守ってもいます)

これは「中枢性疲労(抑制)」の「脱抑制効果」といわれるメカニズムですが、では「中枢性抑制」をコントロールする何らかの方法はあるのではしょうか?

筋肉の収縮の特徴を電気的に記録した信号を「筋電図(EMG)」といいます
コンピュータを用いてこの信号の性質を解析すると、1秒間に90回ほど収縮する「速筋性活動成分」と40回ほど収縮する「遅筋性活動成分」が混在していることがわかります
そして筋収縮力が低下しているときは「速筋性成分」が減少していることが分かっています
この際に、ストレッチングやマッサージ、アイシングなどを行った後で同じ筋活動を行うと、何故か「速筋性成分」が復活してきます、つまり「脱抑制」がおこっているらしいのです(続く)

「動作モード」の変更で対応?

「太腿四頭筋」は膝を伸ばす主要な筋肉で、その中の「外側広筋」は最大の筋肉です。そして外側広筋は「遅筋線維」と2種類の「速筋線維」から構成され、股関節と膝関節をまたいで同じ個所で骨につながって協働して働いています。垂直跳などの瞬間的運動では速筋系線維が、長距離ランニングなどの持久的運動では遅筋系線維が「主として」活躍します(当然他の筋肉も同時に活動していますが・・)。

そしてその筋収縮のエネルギーを支えるのが3つのエネルギー供給系です。図のTypeⅠは遅筋系線維、TypeⅡaは速筋系線維、TypeⅡd/x(ヒト:ネズミではTypeⅡb)は超速筋系線維で、ATP-CPr系(ハイパワー系)、解糖系(ミドルパワー系)と有酸素系(ローパワー系)からなる「3×3システム」として協働して機能しています。

例えば変速機付きのロードバイクで長い坂道を時速25Kmを維持したまま登っていくケースを考えてください。重いギアで「グイグイ」と登ってゆくと、TypeⅡd/x線維とATP-PCr系だけに頼る「高出力システム」だけが駆動されて坂の途中で力尽きてしまいます。そこで、ギアを軽くして回転数(ケイデンス)を上げる必要があります。ギアを軽くすればペダルは軽くなりTypeⅡaの速筋系線維が参加できるようになります。さらに後半にはもっと回転数を上げれば遅筋系線維も参入できるかもしれません。そして「乳酸シャトル(八田)」を利用して筋グリゴーゲンや乳酸をエネルギーに変換しながら坂道を登りきることができます。

つまり「動作モード」を巧みに変更することができれば乳酸を活用することが可能となります。例えば10Kmロードレースで、ストライド任せでスピードを維持していけば破綻をきたしますので、あるところからストライドを抑えてピッチ走法に切り替えればベストタイムで走りきることが可能となります。ATP-CPr系の「バッテリー残量」と解糖系の「ガソリン残量」と有酸素系の「ソーラーチャージレベル」のメーターを眺めながら、パワードライブモードやエコドライブモードなどを巧に切替えて最速タイムでのゴールを目指すメカニズムなのです。

そしてどうやら100m走でも「オーバーストライドによるピッチの低下」が「結果としての速度低下」を引き起こしているようなのです。

乳酸は疲労物質?

東京大学の八田秀雄先生は「乳酸は疲労物質である」との従来の単純な考え方について、生理学生化学に基づくデータから反論し、新たなトレーニング理論を提唱しています。しかし依然として、200m全力疾走後再び100mを走るトレーニングが「対乳酸能力を改善する」といった不思議な考え方があるのも事実です。実は、乳酸は運動を阻害する「悪者」ではなく、運動を継続するのに重要なエネルギー源なのです。

では「乳酸」とは何なのでしょうか?

筋肉が収縮することによって運動が可能となります。筋肉は「筋原線維」という究極の収縮要素(アクチンとミオシンという二つの収縮タンパク質が連続して繋がったもの)が活動しますが、動くためにはエネルギーが必要です。筋原線維ではアデノシン3リン酸(ATP)からリン酸基を一つ離してアデノシン2リン酸(ADP)になるエネルギーを利用して収縮しますが、そのままでは次の収縮ができません。そこでどこかから早急にエネルギーを持ってきてATPに戻します。このメカニズムが「エネルギー供給系」で、①クレアチンリン酸からリン酸基を離す、②筋内のグリコーゲンを分解する、③筋細胞内のミトコンドリアの働きでの酸化エネルギー利用、という3つのシステムを利用します。それぞれが、①ハイパワー系、②ミドルパワー系、③ローパワー系、といわれ①と②は「無酸素性機構」、③は「有酸素性機構」といわれます。特に、速筋系筋線維での無酸素的なグリコーゲン分解(解糖)が激しくなると、一次的に分解された「乳酸」が処理しきれずに筋内に一定以上蓄積して「きつい」という感覚が生じます。一方、遅筋系では③の有酸素能力が高いので「乳酸」は処理されてエネルギーに変換されます。3×3システムのところでも指摘したのですが、筋の中には速筋系筋線維と遅筋系筋線維が隣り合って混在していますので速筋線維で処理しきれない「乳酸」を遅筋系筋線維にわたしてエネルギーに変換してもらうことができます。八田先生は、これを「乳酸シャトル」と表現しています。

つまり「乳酸は疲労物質である」というのは不正確で、「乳酸はきついという感覚を生じさせて運動継続を制限する」が「うまくエネルギーに変換することによってさらに運動を継続することができる」ということで「対乳酸能力」ではなく「乳酸処理能力」というほうが正確な表現です。

ではどうやって「うまくエネルギーに変換する」のでしょうか?(続く)

 

私は反応が遅い?

テニスのネットプレーで、相手の厳しいバッククロスにすばやく対応してボレーを決める・・夢のようなプレーですが実際にはなかなかうまくいきません。
かつて錦織圭選手がジョコビッチ選手の強烈な逆クロスショットに対して、インパクト直前に絶妙のタイミングで反応動作を開始(0.37秒前)している放映がありました。
「やはり一流プレーヤーは反応が速い!」と思いがちですが、単純な光刺激に対して反応を開始する「反応時間(Reaction Time)」は、0.3秒程度であまり個人差はありません。ところが陸上競技や水泳競技でのピストル音からスタートまでのリアクションタイムは結構個人差があります。何故なのでしょうか?
これは「反応時間」の構造(下図)に関連しています。光刺激が提示されると、網膜から視覚野へ信号が送られます。身体のほうは「跳びあがる準備」はできていますので、視覚野からのシグナルに対応して運動野から「Goサイン」が脊髄を経由して該当筋に送られ筋収縮がおこります(PMT)。ところが筋が収縮をはじめても関節をまたいで動作が始まるまで(MT)には遅れがあります。「あ、分かってるけど身体が動かない!」状態で、特に体重の重い方や筋力の弱い方では多少反応時間が遅くなります。ところが「ヤマを張る(タイミングを「予測」する)」と反応時間は速くなります。が、陸上競技ではピストル音の0.1秒以内にスターティングブロックに大きな力をかけると、たとえ動いていなくともセンサーが反応して「フライング」で失格となります。
野球やテニスでは、投手のボールリリースやラケットのインパクト以前に適切な「予測」が可能です。これは「相手方ディスプレイ状況」から適切な情報を得て、錦織選手のように絶妙のタイミング(「不応期」といい動作を修正できない時間帯・・あまり早めに動くと相手がショットを変えてくる)で反応します。まさに「経験の智慧」です。相手のスタンスやラケットの向き、それまでの確率など様々な状況を瞬時に分析して対応しているのです。卓球女子の伊藤美誠選手の「速攻ミマパンチ!」はこの事前情報を提供しない高度なテクニックです(フェイントでいう”ノーフェイク”と同じ)。
つまり「反応が遅い」のではなく「経験知が足りない」のです。また、トレーニングで動作を速くする(スイング速度やステップ速度のパワーアップ)ことで、反応をおこしてから動作完了までの「移動時間(mvT)」を短縮して全体としての「反応動作時間(Total Reaction Time)」を速くすることができます。

急斜面が怖いのは?

スキーやスノボ、登山やトレイルランで急斜面や急峻な稜線に立った時に ”怖い”という感覚が生ずることがあります。

全く実体験がなければ「未知への恐怖」ですが、過去に失敗体験があり「自分には無理だ」と判断する場合でも、練習によりスキルが向上すれば対応できるケースもあります。生態学的心理学では「アフォーダンス」という概念があり、同じ35度の急斜面でも低速ではOKでも高速で突入したり脚に疲労感があったりすると不安が広がります。つまり同じ物理的条件でも「行動する側の状況」によって提供される(afford)情報の意味が違ってくるということで、助走に勢いがあれば「登れる階段」も勢いがなければ「登れない階段」になるということです。

深刻なのは失敗体験(大転倒など)がトラウマのようになる一種の「不安(パニック)症」に類似したケースです。実はこれは「ストレス反応」と関連していて、人類がかつてサバンナで猛獣や危険動物に遭遇した時の「闘争・逃避反応」が過剰に生じたケースです。

ハーバード大学の精神科医・レイティ医師は、人間にもともと備わっているストレス反応は、①危険に集中する、②反応を起こす、③将来のためにその経験を記憶する、こととし、情動を司る大脳基底核の扁桃体に非常スイッチが入り、視床下部⇒脳下垂体⇒副腎皮質ルートでストレスホルモン(コルチゾールなど)を放出し、これが記憶と関連する海馬に送られて前頭前野と連携して将来的に適切な反応が形成されると指摘します。問題は、過剰なストレス反応では前頭前野から扁桃体に送られる信号が乱れ、いわばフリーズしてしまう「凍結・闘争・逃避反応」が生ずること、また前頭前野と海馬に「不安(パニック)回路」が形成されてしまうことです。

この対処法には認知行動療法(CBT)があり、恐怖の記憶を中立的あるいは前向きな記憶に置き換える必要があること。対人不安のある「広場恐怖症」の治療では、誰もいない時にモール(人混みの象徴)にむって何回かダッシュさせながら不安(パニック)を引き起こさない体験を積み重ねてゆくジョンズガードによるアプローチを紹介し、「本質的には自分を振り落とした馬の背に再び乗ること」を学ぶこと、恐怖を感じても死ぬわけではないと脳に教え込むことが大切であると指摘します。

スキーであれば、急斜面を下から登って行って可能な場所から滑り降りるという「成功体験」を繰り返して「別の回路」を作ってゆくこと、また不安回路を「再活性化しない(ここは ”断崖” ではない ”スキー場の滑走斜面だ”・・大丈夫、大丈夫!)」ことも重要かもしれません。「挑戦なくして向上なし」とはいいますが「可能な挑戦」でなければ人は向上し成功しないものだと思うのです。

 

私は ”パワー系” それとも ”持久系”?

私たちの骨格筋には3種類の筋線維(速筋線維2種と遅筋線維)があります。筋の最小のものを「筋原線維」といい「筋節」という最小単位が連続してつながっています。この筋節は「アクチン」と「ミオシン」という収縮たんぱくが規則的に配列されて模様のようになっていますので「横紋筋」と言われます。よく出てくる筋線維の画像で速筋線維が白や灰色で遅筋線維が赤黒いのはアクチンやミオシンではなく、筋線維に含まれている酵素やエネルギー源などによるものです。

アクチンとミオシンが滑り込み筋線維の収縮が起きますが、その際は筋線維内のアデノシン3リン酸をアデノシン2リン酸に分解するエネルギーを利用します。そしてそのままですと筋線維が再度収縮できなくなりますので、連続収縮するためには何らかの方法で直ぐにエネルギーを補填してアデノシン3リン酸に戻さなくてはいけません(アデノシン3リン酸はなくならないと考えられています)。

ハイブリッドエンジンのように、急速にエネルギーを補充するバッテリーに相当するものが「ハイパワー系(クレアチンリン酸系)」、ガソリンエンジンのようにそこそこのスピードでグリコーゲンを分解するものが乳酸でお馴染みの「ミドルパワー系(解糖系)」で、これらは「無酸素性エネルギー供給機構」とよばれます。これに対してソーラーパネルのように高出力ではないが連続的にエネルギー生産をするものが「ローパワー系(有酸素系)」であり、筋細胞内のミトコンドリアを効率的に駆動して糖質や脂質から連続的にエネルギーを生み出すもので、解糖系で産出された乳酸をも利用することができます。

つまり「動きを作り出すシステム」としての3種類の筋線維だけではなく、「エネルギーを作り出すシステム」にも3種類があるのです。私はこれを筋の「3×3システム」と表現しています。”◎〇系”は、この9個のマトリクスの中の位置づけや、継続する運動の中でその位置を巧みに変容させることによって実現されているのです。(続く)

 

私は ”速筋系” それとも ”遅筋系”?

元旦駅伝も箱根駅伝も終了しましたが、只今ロードレースシーズン真っ盛りです。
長距離ランナーが話題となりますが、箱根駅伝では1500mの選手も登場しました。
ご存知のように私たちの筋肉には同一の筋肉内に「速筋系筋線維」と「遅筋系筋線維」が混在しています。また速筋系筋線維にも「超瞬発型」と「瞬発型」の2種類が存在しますので、私たちの筋肉には3種類の筋線維が混在していることとなります。
この遅筋線維と速筋線維の比率が筋の収縮の性質を決めるわけで、垂直跳や立幅跳の記録が良い人はパワーがあるので「速筋系」とされています。瞬発系のトレーニングを実施するとこの速筋系筋線維が発達(筋肥大)して収縮力が高まります。
では、長距離が得意な人の場合はどうなのでしょうか?
持久的トレーニングを行うと改善の効果は大きいのですが、トレーニングを行っても遅筋線維の数が増えることはありませんし、遅筋線維はあまり肥大しません。また 速筋線維と遅筋線維の比率はトレーニングによって変わらないことがわかっています。
これは毛細血管の発達やエネルギー代謝プロセス改善などの機能的変化起こるからです。また、スピード持久力の改善には速筋系筋線維(「超瞬発型」ではない速筋線維)が大きく関与します。このことから、長い時間運動を続けることができる「持久性」と一定の距離を速く走る「持久力」とは区分して考えたほうがよさそうです。つまり「長い時間運動を続けられて」かつ「速い」ことが競技で必要な「スピード持久力」ですので「有酸素的持久性」だけでは不十分なのです。
また、パワーを決定するには筋肉の「太さ」だけではなく「長さ」も重要なので、例え遅筋系筋線維が多くとも手脚の長い選手はそれなりのスピードを生み出すことができます。現女子400m日本記録保持者の千葉選手も筋線維の遺伝子検査では長距離的要素があったようですし、ケニアやエチオピアのマラソントップランナーはジャマイカのスプリンターと同様の筋線維組成の遺伝子特性を持っているとも報告されています。
つまり筋肉の組成(速筋と遅筋の比率)だけでは単純に ”◎◎系” とはならないようです。(続く)

「熱中症」と「低体温症」

私たちヒト(ホモサピエンス)は、発汗による体温調節のできる珍しい動物です。そして「恒常性」といって体内環境を極めて狭い範囲に安定させながら熱帯から氷雪環境に至るまで進出し、様々な身体活動を行ってきました。
体温調節にかかわって「体毛」を失ったため、寒冷環境においては衣服をまとって保温をする必要が生まれました。ちなみに絶滅したネアンデルタール人は「縫い針」を発明しなかったとされ毛皮を羽織っていたようです。また身体が大きく脚が短く発熱源の筋肉量も多かったようで、消費カロリーの多い分摂取カロリーも高かったと推定されています。
私たちは「恒常性」を持っているがゆえ、暑熱環境や寒冷環境下での身体運動時の体温変動は運動遂行に大きな影響を与えます。
「熱中症」は、継続される運動により数分間で3~4度上昇する「産熱」を十分に「放熱」できないため直腸温が40度を超えて発症します。世界のトップクラスのランナーの参加する夏の五輪や世界選手権のマラソンでも30~40%がリタイアします。
一方、冬のマラソンやロードレースで最近報告される「低体温症」によるリタイアや救急搬送は、深部体温が35度以下になる症状(28度以下は重症とされる)です。
厳しい環境要因(低温・雨や雪による濡れ・強い風など)によって、ペース低下(発熱量減少)や過度の放熱(対流・伝導・輻射など)が誘発され、寒さ・ふるえ・悪心・嘔吐・意識障害等の症状がみられ、医療機関への緊急搬送も報告されています。
最近は選手も「アームウォーマー」「帽子」「タイツ」などで冬のレースに備えるようになりましたが、かつてはランニングとパンツという軽装で臨んで、いわゆる「30Kmの壁(筋グリコーゲンの枯渇)」で調子を崩し、疾走速度が低下して低体温症で苦しんでいる選手も多かったようです。
また、熱生産のエネルギー源である糖質摂取(たんぱく質も食後の熱生産効率が良い)も大事です。冬のレースに「空腹」で参加するとトラブルの原因となりますので注意しましょう。

スポーツ実施中の暑さ対策は?

人類(ホモ・サピエンス)は20万年の進化の中で「発汗による体温調節」を獲得した極めて珍しい「動物」です。これは、アフリカのサバンナで「昼間」に移動する必要性があったからです。「持久狩猟」といって、発汗により体温調節のできないシカ(アンテロープ)を20~30Km追い回して熱中症にして仕留めます。ライオンやヒョウも発汗による体温調節ができませんので昼間は寝ていて安全です(まさに”ライオンは寝ている”!)。
発汗により体温調節ができるものを「能動汗腺」といいます。これは子どもの頃の生育環境によってその数が決まり、後天的なトレーニングでは増加しないといわれています。これが暑さに強い「ヒートランナー」がいる所以です。
ですから「発汗機能」があまりよくない(他人より汗をかきにくい)人の場合は、長時間体温上昇を伴うような運動は苦手ということです。ただし、長距離ランニングを繰り返すと発汗機能は改善しますし、その日の体調によっても発汗機能は異なります。
スポーツ実施中は、発汗のための適切な水分補給が必要です。また、水だけを飲んでいると塩分補給が追いつかず「低ナトリウム血症(昔でいう”水あたり”)」になり痙攣を誘発します。マラソン後半、水分補給したのに「脚の痙攣でリタイア」はこのケースが多いのです。スタート前のウォーミングアップから、300~500ccの水分やスポーツドリンクを摂取して発汗機能を活性化しておくことをお薦めします。また高温環境下では、熱中症対策のいわゆる「塩飴」など(飴ですので糖質もある)の摂取も必要かもしれません。
ウェアは「通気性」の良い素材と「襟付きやVネック」デザイン(新しいTシャツなどの通気性のない ”丸首” はNG)が体熱の排出(伝導・対流・輻射・蒸散の4ルート)には有利です。(続く・・)

このブログについて

新日本スポーツ連盟附属スポーツ科学研究所・所長の山崎健先生(新潟大学名誉教授)によるQ&A式ブログです。

山崎 健(やまけん先生):1950年生まれ
新潟大学名誉教授
東京教育大学大学院体育学研究科修了(運動生理学)
専門分野:運動生理学、陸上競技のサイエンス

マスターズM70三段跳&競歩選手兼おじいさん市民ランナー
(ホノルルマラソンにて)