運動時のエネルギーシステムの貢献を決定する

こんにちは、エマーソン・フランク博士です。私たちのグループでは、運動生理学ラボのような管理された環境では再現が困難な、スポーツにおけるエネルギー系の決定方法について解説します。スポーツにはそれぞれ固有の特性があり、それによって代謝要求が異なります。

代謝要求において最も重要な側面の一つは、エネルギーシステム、すなわち好気的、乳酸系、および無気的（乳酸系および非乳酸系）の相対的な寄与度です。一部のスポーツは、動作が周期的に予測可能であるため、研究室環境で比較的容易に模倣し、検討することが可能です。一方で、チームメイトや対戦相手との複雑な相互作用に依存するため、予測が困難なスポーツも存在します。

これは多くのチームスポーツや個人スポーツに当てはまることです。ここでは、運動中にエネルギー系の相対的な寄与をどのように評価できるかを示します。この手法はあらゆる種類の運動に適用可能ですが、ここではその特有の性質から、予測不可能な局面への適応について重点的に説明します。

ここでは、本手順をどのように適応させるかの例として柔道を取り上げます。アスリートの動作に応じて、他のスポーツを研究している研究者もこの手順に容易に適応させることができます。ここで示す内容に基づき、以下の生理学的変数を評価します。

安静時酸素消費量、運動時酸素消費量、運動後酸素消費量、安静時血漿乳酸濃度、運動後血漿最高乳酸濃度。まず、安静時の血液サンプルを採取し、少なくとも5分間安静時酸素消費量を測定しなければならない。この期間の最後の30秒間の酸素摂取量を用いて、基準値および酸化代謝への寄与率を算出する。血液サンプルの採取については、耳朶または指先から少量の毛細管血を採取する。採取後、マイクロピペットを用いて、既知量の血液を同量の1%フッ化ナトリウム溶液に加える。運動。

酸素消費量は、ポータブルガス分析装置を用いて測定する必要があります。これにより、呼吸ごとの酸素消費量を測定することが可能です。マスクを装着し、呼気が漏れないよう適切に密閉されていることを確認してください。

データ収集の前には、必ずメーカーの指示に従って機器の校正を行ってください。通常、機器はアスリートの背中に配置します。ただし、複雑な競技においては、柔道を用いて機器の配置を調整する必要があります。

例として、手技に背面の接触が必要な場合は、機器を胸部に配置します。手技に前面の接触が必要な場合は、機器を背面に配置します。背面が地面に接している場合も同様に行います。

この手法で側面の接触が必要な場合は、機器を反対側に配置します。競技規則をわずかに調整することで、アスリートにスポーツと同等の負荷をかけるエクササイズを作成することが可能です。例えば、ここでは機器への損傷を防ぐため、柔道の試合をシミュレーションしています。

対戦相手は有効な投げ技を適用しません。また、評価対象のアスリートは、背中が接地する投げ技を適用してはいけません。データ収集が完了したら、エネルギー寄与率を算出するための手順を開始します。

それでは、手順を確認しましょう。まず、血漿乳酸を測定する必要があります。血液を遠心分離し、血漿を赤血球から分離します。その後、分光光度法、光度法、蛍光法、または電気化学的に血漿乳酸を測定することができます。

当研究室では、通常、自動乳酸分析装置を用いた電気化学的手法を使用しています。結果は小型スクリーンに即座に表示され、その後、希釈係数による補正を行う必要があります。これは、安静時、あるいは運動中のベースライン、および運動後の典型的な酸素摂取量曲線です。

運動後の曲線（EPOC曲線）を詳しく見ると、2つの異なる成分を確認することができます。速い成分と遅い成分です。運動中の総エネルギー消費量に対する好気性代謝の寄与率を算出するため、酸素摂取量のベースラインまたは安静時の値を決定します。これは、曲線の最後の30秒間の平均値を算出することで行えます。

次に、得られた値に運動の総時間を掛けます。例えば、運動時間が5分であった場合は、安静時酸素摂取量に5を掛けます。運動時の酸素摂取量の曲線下面積を算出することで、運動中の総酸素摂取量を決定します。

台形法を用いて曲線下の面積を算出します。最後に、運動時の酸素消費量からベースラインの酸素消費量を差し引きます。乳酸嫌気性代謝の寄与分を算出するには、運動後の曲線のキネティクスをモノエキスポネンシャルまたはバイエキスポネンシャルモデルで調整する必要があります。

各呼吸で得られたデータを、単一指数関数曲線および二重指数関数曲線に合わせて調整します。これは数学ソフトを使用して行うことができます。研究対象の運動の曲線パターンが不明な場合は、単一指数および二重指数の両モデルを検証し、どちらがデータに最も適合するかを確認する必要があります。

そのためには、ソフトウェアを使用して単一指数関数および二重指数関数による近似曲線を生成します。最適なモデルでは、実測曲線が近似曲線に最も近くなります。実測曲線と近似曲線のデータを用いて、各呼吸におけるモデルの残差を算出します。

これは、実測値からフィッティング値を引き、その結果を2乗することを意味します。単次指数関数および二重指数関数による近似の両方について、曲線の各点の残差を算出した後、F検定を用いてモデル間で残差に差があるかどうかを検証します。最も適切なモデルは、残差が最小となったものです。

モデル間に有意な差がない場合は、最も単純なモデルである単一指数関数を使用してください。最後に、最適に適合した曲線の式から得られた項を用いて、電気的代謝の寄与率を算出します。例として、以下に単一指数関数近似の式を示します。

これらの用語を用いて、以下の方程式により無酸素性の弾性寄与を算出しました。振幅 A1 は 60 で除し、単位を milliliters per minute から milliliters per second に変換します。乳酸および無酸素性代謝の寄与を算出するために、安静時値を超える 1 millimole の乳酸が、体重 1 kg あたり 3 milliliters の酸素消費量に相当すると想定します。

したがって、ピーク血漿乳酸値から安静時血漿乳酸値を引いたデルタピーク血漿乳酸値を3倍し、さらにアスリートの体重を掛けます。得られた結果（ml）をリットルに変換し、酸素1リットルを20.92キロジュールとしてエネルギー量に換算します。最後に、各エネルギー系で得られた結果を合計することで、運動中の総エネルギー消費量を算出し、総量に対する各系の相対的な寄与率を計算することができます。

ここで示した方法は、持続的運動と間欠的運動の両方に適用可能です。この方法の最大の利点は、管理された実験室環境で再現することが困難なエクササイズやスポーツに適応させることができる点にあります。また、これは3つの異なるエネルギー系の寄与を推定できる唯一の利用可能な手法です。

したがって、この手法により、実際の競技状況に非常に近い生理的反応を研究することができ、本研究に望ましい生態学的妥当性をもたらします。例えば、Benefit Lから得られたデータに基づき、最も頻繁に使用される無酸素能力テストの一つであるウイングゲート無酸素テストにおいて、エネルギーの主源が無酸素代謝であることを確認しました。より正確には、糖解系が50％、リン酸系が30％、有酸素系が20％でした。

我々のグループによる最近の研究では、本例で示すように、屋内ロッククライミング、ローイング、および柔道におけるエネルギー寄与についても特性を明らかにしています。実際、エネルギー寄与に関する知識は、遺伝的戦略、トレーニング、モニタリングの開発、さらにはテストの妥当性を検証するために極めて重要です。