前十字靭帯損傷

前十字靭帯再建リハビリでのエキセントリック収縮と脳への刺激

前十字靭帯断裂した人の脳の働きが変化が生じており、これによって大腿四頭筋の筋力発揮が抑制されているという説があります。この問題を解決するためには脳に刺激を入れることが役に立つ可能性があり、筋肉エキセントリック収縮がひとつの手段として提唱されていることがあります。そこで脳神経の働きを踏まえながら考察していきたいと思います。

 

ポイント

  • 前十字靭帯断裂した人の脳の活動にはある特徴があり、これが筋力発揮抑制の原因のひとつと考えられています。
  • エキセントリック収縮によるトレーニングには前十字靭帯断裂した人の脳機能を刺激する可能性があります。
  • 脳機能への刺激が筋力発揮抑制という問題を解決するという直接の証明はありません。

 

背景〜前十字靭帯断裂と脳機能の低下

脳

前十字靭帯断裂した人の大腿四頭筋の筋力発揮が抑制されるのですが、この原因のひとつは脳神経にあるのではないか?という考え方があります。

前十字靭帯断裂後は脳への刺激に対する反応が悪い?

 

エキセントリック収縮が前十字靭帯断裂した人の脳神経を改善する?

筋肉のエキセントリック収縮には前十字靭帯断裂した人の脳機能を改善させるのに役に立つのではないか?という考え方があります。

筋肉の収縮様式

 

前十字靭帯断裂による脳の働きの変化

前十字靭帯断裂した人達の膝の曲げ伸ばし動作における脳の活動には特徴があります。

(Lepley et al 2017より引用)

  • 運動皮質(motor cortex)の活動量の増加し、小脳(cerebellum)の活動量の低下する傾向にあるようです。
  • ちなみに他の研究では違う結果も出ており、前十字靭帯断裂後の脳の活動の変化には賛否両論があるかと思います。

 

エキセントリック収縮時の脳の働き

エキセントリック収縮時には先ほどの前十字靭帯断裂した場合の脳の働きが不足していた部分への刺激が高まっていたそうです

(Lepley et al 2017より引用)

  • エキセントリック収縮とコンセントリック収縮を比べた時にエキセントリック収縮時には小脳の活動量の増加、運動皮質の活動量の低下がみられたそうです

こういったことから前十字靭帯断裂した人の脳機能を改善させるのにエキセントリック収縮が役に立つのではないか?という意見があるようです。

 

エキセントリッック収縮時の神経の働き

色々な方法でエキセントリック収縮時の神経の働きを調べた研究があるので、それぞれ紹介していきます。

 

fMRI

fMRIによってエキセントリック収縮時の脳の働きを調べた研究があります。

(Kwon and Park 2011)

  • エキセントリック収縮時には運動皮質との働きが低下していたそうです。これは少ない刺激で筋肉が働くことを示唆しています。
  • エキセントリック収縮時には意図的に動きをコントロールしていると考えられており、下頭頂小葉(inferior parietal lobe)、前補足運動野、前帯状皮質などの働きが増加していたことがそれを示しているようです
  • あくまで右手の手首の筋肉を動かしている時の脳の働きを調べています。

 

脳波(EEG)

エキセントリック収縮時には意図的に身体をコントロールするために脳が働くという傾向は脳波による研究からも確認されているようです。

(Fang et al 2004より引用)

  • エキセントリック収縮時には全体的に脳波が増加している傾向にあった
  • エキセントリック収縮時には注意やコントロールが必要なことが脳波に影響している可能性があるようです
  • 測定方法の違いにより他の研究との単純な比較はできないところに注意が必要です。

 

経頭蓋磁気刺激(TMS)

エキセントリック収縮のほうが脳からの刺激に対する反応が良いようです。

(Lesley et al 2020より引用)

エキセントリック収縮のほうが神経の興奮度が高まっており脳からの刺激が小さくても筋力発揮しやすい傾向にあります4・5

前十字靭帯断裂した人は神経の興奮度が小さいため、エキセントリック収縮がこれを補うように効果を発揮するかもしれません。

 

末梢神経(H-reflex)

末梢神経の反応(H-reflex)を調べた研究では筋肉が伸ばされている状態のほうがやや反応が抑制されている傾向にあるようです4・7

というのも伸張反射が強すぎると関節を伸ばす動きを邪魔する可能性があるため、神経による反射が弱められているのではないか?というのがひとつの考え方のようです。

末梢神経の反応が弱いのだから、脳からの刺激が活性化できるのがエキセントリック収縮の利点という仮説もあるようです。(十分な検証はされていませんが)

(Zehr 2002より引用)

5週間のエキセントリック収縮によるトレーニングで末梢神経の反射(H-reflex)が促進されることが報告されています

ただ、通常のトレーニングでも同様のことが確認されており、エキセントリック収縮による恩恵について詳しいことはわかっていません。

 

エキセントリック収縮の利点と限界

脳の働きが活性化=前十字靭帯損傷後の筋力発揮の抑制を改善する、という直接的な証明ではないかと思います。

エキセントリック収縮の特有の動きをするために脳の注意が必要で、それが脳の活性化されているように写っているだけかもしれません。

やはり、筋力発揮が完全に回復するかどうかについて別途検証することは必要ではないかと思います。

ちなみにエキセントリック収縮は前十字靭帯損傷後の筋力発揮抑制の問題を解決した、とするほどの研究結果を私は見つけられませんでした。

エキセントリック収縮というありふれた方法でこの問題が解決されるのならば、そんなに苦労しないのでは?という疑問があるわけです。

 

ただ、エキセントリック収縮は筋力をつけるのに高い効果がありますし11〜12、手軽に取り組むことができますし、取り入れることで損をすることは少ないかと思います。

 

まとめ

エキセントリック収縮による脳の刺激が筋力発揮抑制という問題を解決するかどうかはわかりませんが、少なくとも筋力トレーニングに取り入れておいて損することは少ないでしょう。

最後まで読んでいただき、ありがとうございました。

 

<参考文献>

  1. Lepley LK, Lepley AS, Onate JA, Grooms DR. Eccentric Exercise to Enhance Neuromuscular Control. Sports Health. 2017;9(4):333-340.
  2. Kwon Y-H, Park J-W. Different cortical activation patterns during voluntary eccentric and concentric muscle contractions: an fMRI study. NeuroRehabilitation. 2011;29(3):253-259.
  3. Fang Y, Siemionow V, Sahgal V, Xiong F, Yue GH. Distinct brain activation patterns for human maximal voluntary eccentric and concentric muscle actions. Brain Res. 2004;1023(2):200-212.
  4. Sekiguchi H, Nakazawa K, Suzuki S. Differences in recruitment properties of the corticospinal pathway between lengthening and shortening contractions in human soleus muscle. Brain Res. 2003;977(2):169-179.
  5. Gruber M, Linnamo V, Strojnik V, Rantalainen T, Avela J. Excitability at the motoneuron pool and motor cortex is specifically modulated in lengthening compared to isometric contractions. J Neurophysiol. 2009;101(4):2030-2040.
  6. Lepley AS, Ly MT, Grooms DR, Kinsella-Shaw JM, Lepley LK. Corticospinal tract structure and excitability in patients with anterior cruciate ligament reconstruction: A DTI and TMS study. NeuroImage: Clinical. 2020;25:102157.
  7. Duclay J, Martin A. Evoked H-reflex and V-wave responses during maximal isometric, concentric, and eccentric muscle contraction. J Neurophysiol. 2005;94(5):3555-3562.
  8. Vangsgaard S, Taylor JL, Hansen EA, Madeleine P. Changes in H reflex and neuromechanical properties of the trapezius muscle after 5 weeks of eccentric training: a randomized controlled trial. J Appl Physiol (1985). 2014;116(12):1623-1631.
  9. Aagaard P, Simonsen EB, Andersen JL, Magnusson P, Dyhre-Poulsen P. Neural adaptation to resistance training: changes in evoked V-wave and H-reflex responses. J Appl Physiol (1985). 2002;92(6):2309-2318.
  10. Zehr EP. Considerations for use of the Hoffmann reflex in exercise studies. Eur J Appl Physiol. 2002;86(6):455-468.
  11. Friedmann-Bette B, Profit F, Gwechenberger T, et al. Strength Training Effects on Muscular Regeneration after ACL Reconstruction. Medicine & Science in Sports & Exercise. 2018;50(6):1152-1161. doi:10.1249/MSS.0000000000001564
  12. Gerber JP, Marcus RL, Dibble LE, Greis PE, Burks RT, LaStayo PC. Effects of early progressive eccentric exercise on muscle size and function after anterior cruciate ligament reconstruction: a 1-year follow-up study of a randomized clinical trial. Physical Therapy. 2009;89(1):51-59. doi:10.2522/ptj.20070189

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