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ワークループ法は、筋生理学において、全筋、筋線維束、または単一の筋線維の体外筋力試験によって、骨格筋または心筋の収縮の機械的仕事と出力を評価するために用いられます。この方法は主に、ゴキブリの歩行[ 1 ] 、鳥の翼のリズミカルな羽ばたき[ 2 ]、または心室筋の拍動[ 3 ]などの周期的な収縮に用いられます。
筋肉のリズミカルな短縮と伸長（例えば、四肢を動かすとき）と自然な運動学をシミュレートするために、サーボモーターが、自然な動作で観察される特定の周波数と可動範囲で筋肉を振動させます。同時に、各短縮・伸長サイクルの開始時に、筋肉に電気パルスのバーストを印加して、筋肉に力を発生させるように刺激します。力と長さは各サイクルの終わりに初期値に戻るため、力と長さの関係を示すグラフは「仕事ループ」になります。直感的に言えば、このループで囲まれた領域は、1サイクル中に筋肉が行う正味の機械的仕事を表しています。
1920年代から1960年代にかけての古典的な研究では、筋活動（運動ニューロンからの活動電位による）、力の発生、長さの変化、短縮速度、履歴依存性といった基本的な特性が明らかにされました。[ 4 ]しかし、これらのパラメータはそれぞれ他のパラメータを一定に保った状態で測定されたため、それらの相互作用は不明瞭でした。例えば、力-速度関係と力-長さ関係は、一定の速度と負荷で決定されました。しかし、歩行中は、筋速度も筋力も一定ではありません。例えば、ランニングでは、かかとが地面に着地してからつま先が地面から離れるまで、脚が減速および加速するにつれて、各脚の筋肉は時間とともに変化する力と時間とともに変化する短縮速度を経験します。このような場合、古典的な力-長さ（一定速度）または力-速度（一定長さ）実験では、筋肉の機能を完全に説明することはできません。[ 5 ]
1960 年、可変速度と可変力の両方の筋収縮を調べるためにワーク ループ法が導入されました。これらの初期のワーク ループ実験は、非同期筋(昆虫の飛翔筋の一種) の機械的挙動を特徴づけました。[ 6 ] しかし、非同期筋の特殊性のため、ワーク ループ法は昆虫の筋実験にのみ適用可能でした。1985 年、ロバート K. ジョセフソンは、各短縮伸長サイクル中に一定の時間間隔で筋肉を刺激することにより、キリギリスの飛翔を動かす同期筋の特性を評価するためにこの技術を現代化しました。 [ 7 ]ジョセフソンの革新により、ワーク ループ技術は無脊椎動物と脊椎動物の両方の筋肉タイプに広く使用できるようになり、筋生理学と比較生体力学の分野を大きく進歩させました。
ワークループ実験により、筋力と仕事量における活性化と弛緩の速度論的役割をより深く理解することができた。例えば、筋肉のオンオフがよりゆっくりと行われる場合、短縮曲線と伸長曲線はより緩やかで接近し、結果として仕事量が減少する。また、「負の」ワークループも発見され、減速時や一定速度での下り坂歩行時のように、短縮曲線よりも高い力で筋肉が伸長すると、筋肉による正味のエネルギー吸収が生じる可能性があることが示された。
1992年、ワークループアプローチは、生体内の力を得るために骨のひずみ測定を新たに利用することでさらに拡張されました。筋肉の長さの変化の推定値または直接的な方法（例えば、超音波マイクロメトリー）と組み合わせることで、生体内の力技術は最初の生体内ワークループ測定を可能にしました。[ 8 ]
ワークループは、力対時間グラフと長さ対時間グラフという2つのグラフを組み合わせたものです。力を長さに対してプロットすると、ワークループグラフが作成されます。ループ上の各点は、特定の時点における力と長さの値に対応します。時間が経過するにつれて、プロットされた点はワークループの形状を描きます。ワークループが時間とともにどのように描かれるかは、ワークループの重要な特徴です。筋肉が張力を発生させながら短縮する場合（つまり「引っ張る」場合）、慣例として、その段階で筋肉は正の仕事（「モーターとして働く」）を行っていると言われます。筋肉が伸長する場合（張力を発生させながら）、筋肉は負の仕事（または、正の仕事が筋肉に対して行われている）を行っています。したがって、短縮しながら力を発生させる筋肉は「正の仕事」（つまり仕事を生成する）を出力すると言われ、伸長しながら力を発生させる筋肉は「負の仕事」（つまり仕事を吸収する）を生み出すと言われます。
サイクル全体を通して、通常は正の仕事と負の仕事があります。全体のサイクルが反時計回りか時計回りかによって、仕事ループはそれぞれ全体の仕事の生成と仕事の吸収を表します。[ 9 ] 例えば、ジャンプ中、脚の筋肉は地面から離れる体の速度を上げるために仕事を生成し、反時計回りの仕事ループを生み出します。しかし、着地時には、同じ筋肉が体の速度を落とすために仕事を吸収し、時計回りの仕事ループを生み出します。さらに、筋肉は短縮・伸長サイクル内で正の仕事の後に負の仕事（またはその逆）を生成することができ、時計回りと反時計回りの両方のセグメントを含む「8の字」の仕事ループ形状を生み出します。[ 10 ]
仕事は力と変位の積として定義されるため、グラフの面積は筋肉の機械的仕事出力を表します。典型的な仕事生成の例では、筋肉は短縮するにつれて力が急速に曲線的に上昇し、その後、筋肉がサイクルの伸長フェーズを開始する直前または最中に、より緩やかな減少を示します。短縮曲線（上側の曲線）の下の面積は、短縮する筋肉によって行われた総仕事を表し、伸長曲線（下側の曲線）の下の面積は、筋肉によって吸収され、熱に変換された仕事（環境力または拮抗筋によって行われた仕事）を表します。前者から後者を差し引くと、筋肉サイクルの正味の機械的仕事出力が得られ、それをサイクルの持続時間で割ると、正味の機械的出力が得られます。[ 9 ]
仮に、正方形のワークループ（面積＝最大力×最大変位）は、与えられた力と長さの範囲内で動作する筋肉の最大仕事出力を表す。[ 9 ] [ 11 ] 逆に、水平線（面積＝0）は最小仕事出力を表す。たとえば、長さを変えずに力を発生させる筋肉（等尺性収縮）は、垂直線の「ワークループ」を示す。逆に、力を変えずに短縮する筋肉（等張性収縮）は、水平線の「ワークループ」を示す。最後に、筋肉は力が加えられると直線的に伸びるバネのように振る舞うことができる。この最後のケースでは、傾きがバネの剛性である傾斜した直線の「ワークループ」が得られる。[ 12 ]
ワークループ実験は、無脊椎動物（昆虫[ 7 ]や甲殻類[ 13 ]など）または小型脊椎動物（魚類[ 14] 、カエル[ 10 ]、げっ歯類[ 15 ]など）から分離した筋肉組織を用いて行われることが最も多い。以下に説明する実験手法は、 in vitroとin situの両方のアプローチに適用できる。
IACUCによって承認された人道的な手順に従い、筋肉は動物から分離され（または生体内で準備され）、筋力試験装置に取り付けられ、一定温度に保たれた酸素化リンガー液またはクレブス・ヘンゼライト液に浸されます。分離された筋肉がまだ生きている間に、実験者は筋肉の機能をテストするために2つの操作を適用します。1) 運動ニューロンの作用を模倣するための電気刺激、2) 四肢のリズミカルな動きを模倣するための歪み（筋肉の長さの変化）。筋肉の収縮を誘発するために、運動神経または筋肉組織自体を刺激する電極によって送られる一連の電気パルスによって筋肉が刺激されます。同時に、試験装置内のコンピューター制御サーボモーターが筋肉を振動させ、刺激された筋肉によって発生する力を測定します。筋力、仕事、および出力に影響を与えるために、次のパラメーターが実験者によって調整されます。
筋仕事量または筋力を計算するには、既知のサンプリングレートで筋力と筋長（または筋速度）のデータを収集する必要があります。正味仕事量は通常、瞬間的な筋力（筋力×筋速度）から、または筋力対筋長のグラフ上の仕事ループで囲まれた面積から計算されます。どちらの方法も数学的に同等で非常に正確ですが、「ループ内の面積」法は（単純ではあるものの）大規模なデータセットでは実行が面倒になる場合があります。
ステップ1）筋長データを数値微分して筋速度を求めます。ステップ2）各時間サンプルについて、筋力データと筋速度データを乗算して瞬間筋パワーを求めます。ステップ3）筋パワーデータを数値積分して正味仕事（単一の数値）を求めます。ステップ4）正味仕事（単一の数値）をサイクル時間で割って正味パワー（単一の数値）を求めます。
作業ループ内部の面積は、1) ImageJに作業ループ画像をインポートし、作業ループの形状をトレースして面積を定量化するデジタル方式、または2) 作業ループグラフを印刷し、内部領域を切り取って分析天秤で重量を測定する手動方式のいずれかで定量化できます。正味の仕事量をサイクル時間で割ると、正味の電力が得られます。
ワークループ法がヒトの骨格筋パワー評価に比べて大きな利点となるのは、骨格筋機能に関連する交絡因子が骨格筋レベルでの真のパワー生成を覆い隠してしまう点です。最も顕著な交絡因子としては、中枢神経系の影響による最大パワー出力の制限、個々の骨格筋ではなく筋群全体の検査、身体の慣性、持続的な筋活動に伴う動機付けなどが挙げられます。さらに、筋疲労の測定は中枢神経系の疲労の影響を受けません。ワークループ法を単離筋モデルに適用することで、これらの交絡因子が排除され、刺激に対するワークループ出力の筋特異的な変化をより詳細に調べることが可能になります。さらに、等尺性、等張性、等速度などの他の収縮モードとは対照的にワークループ技術を使用することで、カフェイン[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] 、重炭酸ナトリウム[ 22] 、タウリン[ 23 ]を単離した骨格筋に直接適用した場合などの独立変数に対する骨格筋の機械的仕事の変化、加齢[ 24 ] [25][ 26 ]および肥満誘発食[27] [ 28 ]に対するワークループ出力と疲労抵抗の変化をより適切に表現することができます。
ワークループ技術の開発により、より現実的な運動学と活性化をシミュレートすることで、筋肉のさまざまな機能的役割が明らかになった。筋肉は「モーター」として、環境に仕事をし、反時計回りの正のワークループを生み出す。正の仕事が発生すると、筋肉の長さが増加し、ピークに達する前に力が増加します。ピークに達すると、筋肉は短縮し、力は減少します。[ 29 ]環境に対して行われる正の仕事の1つは、ウナギの遊泳です。[ 30 ]他の波動遊泳動物と同様に、ウナギは水中で推力を発生させて移動します。ウナギは、胴体に沿った筋肉を使用して体軸を波動させ、機械的な動力を発生させます。
筋肉は「ブレーキ」として、環境からエネルギーを吸収します。[ 1 ]この時計回りの円運動により、筋肉は仕事を吸収し、環境に対して負の仕事をします。これらの筋肉は、力の出力を低下させながら短縮します。筋肉が環境からエネルギーを吸収し終えると、筋肉の長さは力が増加して正常に戻ります。ゴキブリの脚伸筋の1つは、力を生み出す能力があるにもかかわらず、自然な走行中に加わる大きな負荷中の筋肉の活性化は、脚の振りを遅くするのに役立ちました。[ 1 ]
筋肉は「バネ」として、運動状態を変化させることができ、その結果、仕事はごくわずかしか発生しません。[ 31 ]バネとして、これらの筋肉は力が加えられると短くなり、力が解放されると静止長に戻ります。たとえば、クロバエの大きな基底筋（b1）は受動的な弾性要素として機能し、ほとんど動力を発生させません。代わりに、発生したエネルギーを蓄えて力を方向付けます。[ 32 ] これらの筋肉は、動力を発生させるというよりも、運動のメカニズムを迅速に調整するために使用されていると考えられます。
筋肉は「支柱」として、等尺性収縮、つまり短縮しながら均等に力を発生させ、腱の受動的な弾性によってエネルギーを蓄積および放出します。平らな地面を走る七面鳥では、外側腓腹筋が等尺性収縮します。この筋肉は長さは変化しませんが、大きな力を発生させ、腱の伸縮によって機械的な仕事を提供します。[ 33 ]
当初、作業ループは筋肉に正弦波状の長さ変化を与え、伸長と短縮の時間が等しいとされていました。しかし、生体内での筋肉の長さ変化は、サイクルの半分以上が短縮し、半分未満が伸長することがよくあります。このような「非対称」な伸張短縮サイクルを課すことで、アマガエルの鳴き声を出す筋肉で示されているように、より高い仕事量と出力が得られる可能性があります。[ 34 ]