建築用ギア比

構造的ギア比は解剖学的ギア比（AGR）とも呼ばれ、筋肉の縦方向の歪みと筋線維の歪みの比によって定義される羽状筋の特徴です。筋肉の短縮速度と線維の短縮速度の比として定義されることもあります。^[1]

AGR = ε _x /ε _f

ここで、ε _{x は}縦方向のひずみ（または筋短縮速度）、ε _{f は}繊維のひずみ（または繊維短縮速度）です。紡錘状筋では繊維は縦方向なので、縦方向のひずみは繊維のひずみに等しく、AGR は常に 1 です。

羽状筋が活性化されると、繊維は短くなりながら回転し、角度をつけて引っ張られる。羽状筋では、繊維は筋の作用線に対して角度をつけて配向され、短くなるにつれて回転し、より斜めになるため、筋の作用線に沿って向けられる力の割合は収縮中に減少する。力の出力は繊維の回転角度に依存するため、筋肉の厚さの変化と厚さの変化のベクトルは、生成される力に基づいて変化する。回転運動のため、羽状筋は低速（短い短縮距離）で動作する。羽状筋全体の短縮速度は、個々の繊維の短縮速度よりも大きい。これにより、AGR の特性が生じる。繊維の回転により、筋肉の出力力は減少するが、筋肉がより高いギア比（筋肉速度/繊維速度）で機能できるようにすることで、出力速度は増加する。Azizi と Brainerd は、羽状筋のギア比は外部負荷に応じて変化できることを実証した。^[2]

羽状筋のような分節筋は、繊維が角度をつけて並んでおり、この構造上の特徴により、筋繊維が中心軸に対して角度を増し、筋肉の膨らみの方向と量が増すと、構造的ギア比が増加します。^{[1] [3]異なる}解剖学的位置、負荷、動作条件に基づく可変ギア比は、空間的に変化するギア比と呼ばれています。空間的に変化するギア比の発生は、筋肉生物学における新たな知見、「不均一な筋肉力学」 を生み出します。 ^[4]

この比率の特徴の 1 つは、長さと張力の関係と力と速度の関係が示すように、各筋肉に最適なギア比が存在することです。長さと張力は、筋繊維のひずみ範囲で作り出せる最大張力を指し、力と速度は、短縮速度と比較した繊維の可能な力を指します。筋肉のこれらの 2 つの特徴は、筋肉に最適な AGR を定義するのに役立ちます。^[1]

建築ギア比は、エマヌエル・アジジが提唱する分節筋モデル 3 によって説明されます。このモデルでは、筋分節は、水生サンショウウオであるサイレンラセルティナの筋隔膜に特定の鋭い羽状角で付着した単一の筋繊維として示されます。このモデルでは、分節が水平方向と垂直方向に異なる形で膨らむことが可能であり、各分節の建築ギア比を計算するために使用されました。予備モデルの結果は、筋肉が膨らむと建築ギア比が増加することを示しています。さまざまな膨らみ条件が研究され、図 2 に示されています。モデルの結果は、筋肉が背腹方向に膨らむほど、筋繊維が短くなり、したがって建築ギア比が高くなることを示しています。^[3]

羽状筋では、羽状角が大きい分節では短縮した筋線維1本あたりの力は小さくなります。そのため、羽状筋の構造的ギア比は紡錘状筋（紡錘状筋など）の構造的ギア比よりも高くなります。筋線維を同じスペースに押し込まなければならない場合、繊維長が短いと、この高い構造的ギア比が相殺されます。^[3]

回旋筋腱板は、棘上筋、棘下筋、肩甲下筋、小円筋の4つの羽状筋と、それらに付随する腱で構成されています。これらの筋肉は肩甲上腕関節の周りに腱板を形成し、肩を安定させ、操作する機能を果たします。^[5]

回旋筋腱板筋線維の羽状角、つまり線維が関連する腱に接続する角度は、羽状筋全体の収縮特性と機能に影響します。たとえば、羽状角は、羽状筋が動作する構造的なギア比を決定します。初期の羽状角が大きいと、AGRと速度増幅が大きくなります。^[2]

2011 年に行われた人間の死体の肩に関する研究では、腱断裂が腱板筋の羽状角に影響を及ぼす可能性があることが示唆されています。研究者らは、コントロール グループと、部分的または完全な厚さの腱断裂のいずれかを含む断裂グループとの間で羽状角を比較しました。死体の肩 10 個と負傷していない肩 10 個を解剖した結果、腱断裂のサイズと 2 つの腱板筋の羽状角の増加との間に相関関係があることがわかりました。部分的な腱断裂グループのすべての腱板筋で羽状角は影響を受けなかったため、羽状角に何らかの変化が生じるには、閾値の断裂サイズを超える必要があることが示唆されました。完全な厚さの腱断裂は、肩甲下筋や小円筋の羽状角には影響しませんでした。しかし、完全な厚さの腱板断裂のサイズと棘上筋および棘下筋の羽状角との間には相関関係があることが明らかになりました。全層腱断裂の長さは、棘上筋の羽状角の増加と強い相関関係にあった。さらに、全層断裂の面積と、その結果生じる棘下筋の羽状角の増加との間には、中程度に強い相関関係が認められた。^[5]

羽状角の増加は、筋肉の構造の変化につながる可能性があります。羊を被験者とした研究では、慢性的な回旋筋腱板断裂により、回旋筋腱板筋の羽状角と筋線維間の分離の両方が増加しました。その後、脂肪細胞が再配置された筋肉に集まりました。この現象は、前述の人間の実験でも明らかでした。^[5]

全層腱断裂後の羽状角の増加は、棘上筋と棘下筋の PCSA の変化をもたらします。これにより、これらの筋肉の力を生み出す能力が低下します。しかし、腱板筋のいずれの羽状構造にも変化をもたらさない部分的な腱断裂は、筋肉の力を生み出す特性を損なわない可能性があります。^[5]羽状筋の可変ギアに関する Azizi の観察は、腱断裂が棘上筋と棘下筋の AGR に影響を与えることをさらに示唆しています。羽状角の増加は AGR の増加につながる可能性があります。^[2]

修復不可能な腱板断裂にはパッチ移植を行うべきだと提唱する科学者もいる。この方法は痛みを軽減するが、筋力は完全には回復しない。前述のヒト腱板研究では、棘上筋の断裂長さと羽状角に相関関係があることがわかった。したがって、パッチ移植では羽状角を回復させるために必要な長さの変化を解決できない可能性がある。断裂した腱を牽引すると断裂後の羽状角が軽減され、筋力が大幅に回復する可能性がある。^[5]

筋線維内ひずみは、筋肉が不均一であること、構造的ギア比が筋肉の近位部で最も高いが、遠位部に向かって減少することを示した。「現時点では、筋肉全体の応力の正確な分布を決定することはできませんが、筋肉と腱のどの断面でも、近位遠位軸に沿って合計（統合）力がほぼ一定であると仮定するのが妥当と思われます。筋肉が薄くなり腱になると断面積が小さくなるため、より狭い領域に同じ応力を収容するために応力集中が高まり、材料特性が一定であれば、ひずみが大きくなる可能性があります。」^[6]

人間の大腿四頭筋などの羽状筋の筋構造は可塑性が高く、収縮特性に大きく影響します。^[6]羽状角やそれに伴う PCSA などの羽状筋構造特性の変化は、筋肉の力発揮能力や筋肉が機能する AGR を変化させる可能性があります。平行四辺形モデルは、二羽状筋の総 PCSA が sin(θpennation) に比例して増加する一方で、関連する腱膜に及ぼされる総力は cos(θpennation) に比例して減少すると予測しています。これは、45 度の羽状角が達成されるまで羽状筋の力発揮が増加するという理論です。^[7]

Aagaardらが 2001 年に実施した研究では、MRI、超音波検査、筋生検技術を使用して、14 週間の筋力トレーニング後の人間の大腿四頭筋の筋肉構造、収縮力、および羽状角の関係を調べました。トレーニング プログラムが完了すると、Aagaardらは、大腿四頭筋の CSA と体積がそれぞれ 10.2 パーセントと 10.3 パーセント増加し、対称的に増加したことに気づきました。ただし、これらのパラメーターの増加は、16 パーセント増加した大腿四頭筋の PCSA の増加とは不釣り合いでした。PCSA の急速な増加に伴い、主要な大腿四頭筋の 1 つである外側広筋の束羽状角が 35.5 パーセント増加し、筋線維 CSA も 16 パーセント増加しました。外側広筋の羽状角の増加は、筋肉のPCSAの増加をもたらし、これは羽状筋が生み出すことができる収縮力に比例する尺度である。^[7] Aziziらによる研究では、抵抗トレーニング後の外側広筋の羽状角の増加は、筋肉のAGRの増加をもたらし、筋肉全体がより高速で収縮できるようにする特性をもたらすことが示唆されている。^[2]

Blazevichらが2007年に実施した研究では、Aagaardらの結論が繰り返され、新たな側面が加わった。 ^{[6] [7]} Blazevichらは、構造適応に関与する機械的刺激を明らかにする目的で、10週間のコンセントリックまたはエキセントリック膝伸展トレーニングが人間の大腿四頭筋の構造特性に及ぼす影響を調査した。どちらの運動モードでも、ピーク時のコンセントリックおよびエキセントリック強度が増加した。しかし、コンセントリックトレーニングの方がピーク時のコンセントリック強度が高くなる。超音波検査によると、エキセントリックおよびコンセントリックトレーニング後、内側広筋と外側広筋の筋線維長が同様に増加し、トレーニングプログラムの最初の5週間で変化が急激に起こることが示唆されている。線維長はトレーニングの種類に依存しなかったため、Blazevichらは、動作距離が最適な線維長を決定すると考えている。この筋肉特性は、筋肉の角度とトルクの関係を決定する上で重要である。この研究は、Aagaard らが明らかにした羽状角の傾向を裏付けました。さらに Blazevichらは、外側広筋の束の角度の変化はトレーニングの種類に依存せず、量によって大きく変化すると結論付けました。これは、線維長と羽状角の修正が、それぞれ動作距離と筋肉量という別々の機械的刺激によって起こることを示唆しています。さらに、これらの角度の変化は、10 週目にトレーニング プログラムが停止するまで羽状角が増加するため、比較的長い時間スケールで発生します。Blazevich らは、遠心性または求心性トレーニング後に見られる羽状角の増加により、羽状筋が関連する腱膜にさらに多くの線維を付着できるようになり、PCSA と AGR も増加すると予測しています。羽状筋の構造的修正により、力-速度曲線と力-長さ曲線上で筋肉が動作する位置が、筋肉の機能に最適な領域にシフトします。羽根角の増加は理論的には特定の羽根状筋のPCSAとAGRの両方を増加させ、筋肉はより高い最適速度で動作しながらより大きな力を生み出すことができる。繊維長の増加は筋肉がより長い長さで機能することを可能にする。^{[6] [7]}

2009 年に磁気共鳴画像法と超音波検査を用いた研究により、異なる収縮モード中の内側腓腹筋羽状筋内の歪みと羽状角の不均一性が発見されました。束の位置と収縮タイプ (遠心性または受動的) のパラメータによって、MG のさまざまな領域が受ける歪みの大きさが決まりました。 ^[6] 深部 MG腱膜(アキレス腱)に最も近い束端では、MG 筋の近位部から遠位部にかけて歪みが増加しました。浅部腱膜に隣接する束端ではその逆が見られ、MG 筋の近位部から遠位部にかけて線維歪みが減少しました。これらの傾向は、MG の近位端と遠位端での筋肉の CSA の変化が原因で、応力と歪みが集中する領域が生じた可能性があります。^[6] この歪みの地域的変動は、筋肉の遠位部から近位部にかけての AGR と静止時の羽状角の統計的に有意な増加を伴っていました。さらに、MGの近位端では、羽状角のより大きな変化が見られました。実験的なAGR値は、羽状角と深部および浅部アポニューロシス間の距離に応じて正に変化し、直交性隆起の地域パターンに影響された可能性があります。これらの傾向は、筋肉の異なる領域が、歪みやAGRなどのさまざまな収縮特性で収縮する可能性があるため、筋肉生理学の複雑さを浮き彫りにしています。^[6]