運動時の換気応答と呼吸のentrainment...
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運動時の換気応答と呼吸のentrainment の検討
工 学 院 大 学
(共同研究者) 国 際武 道 大学
千 莖 大 学
大
佐
本
薮
藤
田
Studies on Ventilatory Response
in Relation with Respiratory
Entrainment during Bicycle Ergometer E χercise
by
Yoshio Ohyabu
Kogakuin U ㎡1・’ersity
Midori Sato
International Budo University
oshiyuki Honda
Chiba UI 面 ’ersity
由 夫
みどり
良 行
ABSTRACT
To clarify possible affection of respiratory entrainment to hyperpnea
during moderate exercise , bicycle exercises with three different pedalling
rates (35 , 60, 80rpm ) with equal oχygen consumption were conducted .
Twelve normal subjects (one man and n women )were studied the
ventilatory responses during moderate e χercises in room air breathing or
progressive isocapnic hypoxia ・
The results were as follows :
1) Respiratory frequency during e χercises (60 ,80rpm )in six subjects
was higher than of 30rpm exercise in room air breathing . Accordingly ,
respiratory responses of these six subjects (entrainment group ) were com -
pared with that of the other six subjects (non -entrainment group )・
2 ) Minute ventilation in room air breathing in the entrainment group
was also larger than that of the non-entrainment group during e χercises
(60 , 80rpm ). At 80rpm exercise , significant difference was seen between
― 191 ―
-- 192 -
two groups ・ \
3 ) Significant difference between two groups was still found in respi -
ratory frequency in hypoxia (atPETo2 50mmHg ) during 80rpm exercise ン
4 )亅t is suggested that respiratory entrainment is likely to affect the
ventilatory response during exercise and rate of rhythmic movement dur -
ing exercise must be considered in the studies of exercise hyperpnea .
緒 言
運動中の呼吸は,しばしばその身体運動の影響
を受けて変化することは経験的によく知られてい
る.すなわち身体運動に同調してみられる呼吸の
変化は,“呼吸のentrainment ”と言われており,
舞踊,体操,剣道,ヨーガ,水泳,陸上中長距離
走等の領域では,それらの 身 体 運 動 と 呼 吸 の
entrainment の関係が深い関心をもって論じられ
ている. つ
ところで運動中に観察される換気亢進は,今日
までさまざまな方向から検討か加えられてきてい
るが,そのメカニズムの解明は,未だ完全にはな
されていない.
本研究は,そのような運動中の換気亢進に対す
る運動リズムの関与を解明する手がかりとして行
なわれた.すなわち酸素摂取量一定の条件下で3
種類の異なったリズムの運動を行なわせ,空気呼
吸及び 低酸素下での 呼吸のentrainment の換気
応答への影響を検討しだ/卜
研 究 方 法
対象:健常成人男女12名(男1 名,女11名)で
あり,その身体的特徴は,表1 に示した.
実験方法:被験者には,自転車エルゴメータに
よる3 種類の異なったリズムの運動(35, 60, 80
rpm )を行なわせた.なおその際の抵抗負荷は,
いずれの運動時の酸素摂取量も同一となるよう,
あらかじめ予備実験から算出した値(2.0, 1.0,
0.5kp)にそれぞれ調整した.
表I Physical characteristics of the subjects.
Subj . 詰) Weight(kg ) 零豐
V02 at rest(mX /min)
Sex
1 Y .O.
2 M .S.
3 A .N.
4 K .N.
5 Y .H.
6 J .s.
7 T .F.
8 T .T.
9 Y .M.
10 M . Y.
U U .K.
12 N . A.
35
29
18
18
19
18
19
19
18
18
18
18
75.0
55.0
61.0
57.0
58.0
56.0
50.0
64.0
58.0
62.0
63.0
47.0
170 .0
163 .0
166 .5
160 .0
162 .0
164 .0
157 .0
164 .0
164 .0
160 .5
158 .0
157 .0
272
294
317
273
232
325
297
348
307
301
351
372
Male
Female
Female
Female
Female
Female
Female
Female
Female
Female
Female
Female
Mean 士SD 20 .6士5.5 58.8士7.2 162 .2土3.9 307 土39
Pedalling rhythm: 80rpm, 60rpm, 35rpjnload: 0.5kp, l.Okp, 2.0kp
図I Set up of the eχperiment
Ventilatory responses were measured by pro ・
gressive hypo χla
運 動は ,空気 呼吸下で5 分 間継続 実施 した .さ
らにその後 , progressive hypoxia 下で 続 行させ ,
終末 呼気 酸素分 圧 (PETo2 ) が50mmHg に到達
した時 点で 停止 した .また低酸 素実 験中 の終末 呼
気炭酸 ガ ス分圧(PETco2 )は ,空気 呼吸時 の値を
維持 した .
測 定項目 :運 動中 の酸素摂取 量 (V02 ) は, い
ず れも空 気呼 吸下で の運 動開 始3 分目 か ら5 分目
の計2 分 間 の呼吸をダ グ ラスバ ッグに 採集 し,測
定 した■ Peto2 及 びp ETC02は ,呼気 ガス モニタ
ー(三栄 ) に よ り , 一 回 換 気量(V7 ), 呼 吸数
(f),分時 換気量(VE )は,熱線 流量 計( ミナト)
で 測定 した .
― 193
結 果
図2 は ,本実 験で 得られた 記 録波 形 で あ る .
Subj . J.S では , 空 気 呼吸時 の呼吸 数 は ,ペダ ル
回転 数 の 多い80rpm 時 の ほう が35rpm 時よ り
も多 い傾向を 示 した .またこ の傾向 は , 低酸素下
で も継続さ れた . 一 方 , Subj . Y.M も, 空気 呼
吸時 で は80rpm 時 の 呼吸数 が35rpm 時 の そ れ
より も多い 傾向を 示 した .し かし 低酸 素 によ る呼
吸 のdrive が生 じ た 状 態 で は,80rpm 時 と35
rpm 時 の呼吸数 に は 顕著な 差を認 め な くな った .
t ペダ ル回 転数別 に みた呼 吸応答 の検討
空 気 呼吸時 の呼 吸応答 :表2 は ,ペ ダ ル 回転数
別 に空気 呼 吸時で の呼 吸数,PETco2 ,PE ・ro2,分
時 換気量 ,酸 素摂取 量を それ ぞれ の平 均 値 と標 準
偏 差で示 した . すな わち 呼吸 数( 回 /分) は ,そ
れぞ れ24 .8±7 .9 (80rpm ), 24.8±4 .5(60rpm ),
23 .4±6 .7 (35rpm )で あ り , い ず れ の回転 数 に
お いて も ほぽ 同 様の値 が 得 られ た .PETco2 及 び
PETo2 (mmHg )は ,それぞ れ43 .6士4 .2, 104 .0
±6 .7(80rpm ), 42.5士3 .9, 104.0±5 .7(60rpm ),
43 .5士3 .3, 102,1±4 .7 (35rpm )で あ り , い ず
れ のgroup 閧 にも顕著 な差を認 めな か った .
ま た分 時換 気量(7/min )は ,そ れ ぞれ25 .9±
7 .2 (8Qrpm ), 25 .8±4 .6 (60rpm ), 24 .7±4 .0
(35rpm ) であり ,い ずれ のgroup 閲 に:も顕 著な
差を みな か った .さ ら に酸 素摂 取量 (1/min ) は ,
そ れぞ れ1 .091±0 .242 (80rpm ), 1 .101±0 .147
表2 Respiratory responses during pedalling exercises.
80rpm
60rpm
35rpm
24.8土7.9
24.8土4.5
23.4±6.7
43.6士4.2
42.5士3.9
43.5±3.3
104 .0土6.7
104 .0士5.7
102 .1±4.7
25.9士7.2
25.8士4.6
24.7±4.0
Values are mean土SD f, respiratory frequency Petco2, peto2: mmHg ,
VE : minute ventilation, V02: oχyggn uptake
1.091土O。242
1.101士0.147
1.106±0.137
194
VT I
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図2 - a Some examples of ventilatory l・esponse to progressive isocapnic hypoχia
during exercise in subj, J,S・ and Y-M.
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Subj. Y.M 80rpm , Cλ5kp
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Subj. Y, M 35Γpm.ZOkp
図2 -b
卜」!≒
― 196 -
(60rpm ), 1.106±0 .137 (35rpm )であり, いず
れのgroup もほぽ同一の値が得られた .
2. Entrainment group とNon ・entrain-≒
ment group の対比からみた 呼吸応答の
検討 ト
ペダル回転数別 にgroup 間の比較を行なうと,
上述のように顕著な差異はみられなかった.しか
し個別に 検討すると, 図2 - a , b に示したよう
にペダ ル回転数の多い運動では,少ない運動より
も呼吸数の多い例が み ら れ た.従って本研究で
は,60rpm と80 呻m の 運動において 空気呼吸時
の呼吸数が35rpm の運動中の 呼吸数より も多い
のをentrainment group とし,少ない者をnon -
entrainment group と した. その結果, entrain-
ment group は,それぞれ6 名(60rpm , 80rpm )
であり,non・entrainment group に属した者もそ
れぞれ6 名(60rpm ,80rpm )であった.
空気呼吸時の呼吸応答:表3 ,図3 は, entrain-
ment group とnon -entrainment group の呼吸応
答の比較を行なったものである.なおパーセント
表示して あ る も の は, 35rpm の運動時の値を基
準(100 )として相対的変化率(%)を みたもので
ある.
空気呼吸時の呼吸数(%)は,それぞれ133 ±22
(entrainment group ), 84±18 (non -entrainment
group ) (80rpm ), 127±25(entrainment group ),
93 ±7 (non -entrainment group) (60rpm )であり,
いずれのペダル回転数の運動においても両group
閧に有意差を 認 め た/ また 分時換気量(1/min)
は,それぞれ30 .6±4.1 (entrainment group ),
21 .2±6.7 (non -entrainment group)(80rpm ),
26 .1±4.5(entrainment group ), 25.5±5.1(non -
entrainment group ) (60rpm )であった.さらに
35rpm 時の 分時換気量を基準(100 ) とした相対
的変化率 で み た 分時換気量(%)は, それぞれ
119 ±12 (entrainment group ), 89±12 (non -ent-
rainment group ) (80rpm ), HO ±10 (entrain-
ment group ), 100±15 (non -en trainment group)
表3 Comparison of the respiratory respo亠es between entrainment
and non - entrainment groups .
Room air breathing
f(%)
VE (Z/min)
VE (%)
PETC02 (%)
PETo2 (%)
Breathing during hypoxia
fs,(%)
卜 VE50 (Z/min)
VE50 (%)
133±22**
30.6±4.1*
119±12**
100±4
103±3
121±25*
61.5±13.3
120 ±39
84±18
2L2 ±6.7
89±12
102±7
101±3
86±16
40.9±22.8
90±32
127 ±25 *
26 .1±4 .5
110 ±10
98 ±2
103 ±4
96±26
40.7±13.4
97±31
93±7
25 .5上5.1
100±15
98上2
101 ±1
88±13
45.6±16.5
83±24
Values are mean 士SD
Ent -G, Entrainment group ; Non・ent -G, Non - entrainment group ; f, respiratory frequency;。
々E , minute ventilation; petco2 0r Petc>2. end-tidal C02 0r 02 pressure; fs。respiratory frequency
at PETOj 50mmHg ; Ve5o< minute ventilation at Peto2 50mmIIg ; ( % ),The values obtained. at eχ-
ercise with 35rpm were taken as 100^ > then the relative magnitude in % were calculated for the
works with 60 and SOrpm , respectively. Differences between . the entrainment and non-entrainment
groups are significant at 5%(*)and l% (**)levels ,respectively .
(畿
)g冫
ぺ。。夕
(
劭
)J
150
へ
CJ
100
60
(
畿
)g瑜
ぺ。回冫
(
岨
)JへJ
-
― 197
Nol ‾entr“inment group
>
匹 匹=?
- -
Non-entrainment group
40 50 60
150
100
50
70 80
Entrainment group
一 一
90 100
PETo2(mmUg )
40 50 60 70 80 90 100 40 50 60 70 80 90 1 100
PETo2(mmHg )
図3 Changes of the tidal volume and respilatory frequency to progressive hypoχia
―198 ―
(60rpm )であった. 60rpm 時では,両group 間
に有意差 を 認 め な か った が,80rpm 時 では両
group 間に有意差がみられた ー
またPETcoi (%)は, そ れ ぞ れ100 ±4 (en・
trainment group ), 102 王7 (non -entrainment
group ) (80rpm ), 98±2 (entrainment group ),
98±2 (non -entrainment group)(60rpm )で あ
り, いずれの 運動時においても両group 問には
有意差を認めなかった.さらにPETo2 (%)は,
それぞれ103 ±3 (entrainment group ),101 ±3
(non -entrainment group) (80rpm ), 103±4 (en -
trainment group ), 101 ±1 (non -entrainment
group ) (60rpm )であり, いずれの運動時におい
ても両gr()up 間には有意差をみなかった.
低酸 素 下 で の 呼 吸 応 答:図3 は,80rpm と
60rpm 時のprogressive hypoxia 下 で の 呼 吸 数
と 一回換気量を 相対的変化率(%)で示したもの
である.呼吸数は,低酸素による呼吸のdrive が
生じると増加傾向を示し, entrainment group に
おいても運動リズムの呼吸数への影響か顕著でな
くな った例もみられた.
Peto2 50mmHg に達 した 時点 での 呼吸数
(%)は,それぞれ121 ±25(entrainment group ),
86±16 (non -entrainment group) (80rpm ), 96±
26 (entrainment group ), 88 ±13 (non -entrain-
merit group)(60rpm )であり, 低酸素下 におい
てもentrainment group の ほ う がnon -entrain-
ment group よりも呼吸数の多い 傾向が継続され
た .なお60rpm 時では,両group 問に有意差を
認めな かったが ,80rpm 時では 両group 閧に有
意差がみられた. さらにPETo2 が50mmHg に
達した時点 で の分時換気量(1/min)は, それぞ
れ61 .5±13 .3 (enrainmentt group ), 40.9±22.8
(non -entrainment group) (80rpm ), 40.7±13 .4
(entrainment group ), 45-6±16 .5 (non -entrain-
ment group )(60rpm )であった . いずれの 運動
時においても 両group 間には, 有意差を認めな
くな った.さらに35rpm 時の値を基準(100 )と
した相対的変化率(%)で比較すると, それぞれ
120 ±39 (entrainment group ),90 ±32 (non -en-
trainment group) (80rpm ), 97±31 (entrainment
group ), 83 ±24 (non -entrainment group) (60
rpm )であった. いずれの運動時もentrainment
group のほうが大きな値を示 したか有意差はみら
れなかった.
考 察
運動時の換気亢進のメカニズムについては,今
日種々の因子が考えら れ て い る.その主なもの
は,1 )四肢からの神経性駆動(Comroe et al.
1943 , Kao et al. 1955, Dxion et al. 1961, Mc
Closkey . 1972), 2)中枢性換気亢進(Krogh et
al. 1913, Godwin et al. 1972, Morgan et a1.
1973 , Homma et a I. 1984, Eldridge et al. 1981,
1985 ), 3)末 梢性イ匕学受容器の興奮性増大(Weil
et al. 1972, Martin et al. 1978, Honda et aL
1979 ,大藪ら:1985), 4)中枢性化学受容器の関与
(Cunningham et al . 1963, Weii et al. 1972,
Spode and Schlafke 1975, Miyaura et al. 1り76),
5)体温上昇 に伴なう末梢化学受容器 及び 視床下
部の興奮性増大(Natalino et al. 1977, Peterson
et al. 1977), 6)C02 の肺への還流量増大に伴な
う混合静脈血C02 増大と心拍出量増大(Wasser ・
man et al. 1974, Miyamoto et al. 1983) ,7 )無
酸素性解糖の進行に伴なうpH の低下 (Wasser -
man , 1978)などの因子があげ られる. 勿論これ
らの因子は,運動の強度,時間経過,さら記環境
条件等により,その関与の度合も異なるものと思
われ,また今後の研究成果により除外される因子
や新たにつけ加えられる因子の可能性も考えられ
る. /
ところで 呼吸のentrainment は, 運動リズ ム
が呼吸リズムに影響しているのではないか・とする
考えのもとに関心がもたれてきた.すなわち呼吸
のentrainment の解明は, 四肢からの 神経性駆
動,あるいは中枢性換気亢進のような神経性因子
の運動時換気亢進への関与の有無を明らかにする
ための手がかりとなるものである.しかしこれま
での研究結果は,運動時に呼吸のentrainment が
観察されなかったとするもの(Kelman and Wat -
son 1973, Dixon et al. 1961, Key et al. 1974),
あるいは呼吸のentrainment が認めら れた と す
るもの(Agostoni and D’ange10 1976, Bechbache
and Duffin 1977, Jasinskas et al. 1980, Yonge
and Petersen 1983)に分かれ, 運動時の 呼吸の
entrainment の存在そのものの有無をめぐっての
論議もなされてきた.
本研究では,呼吸のentrainment を35rpm の
運動時の呼吸数よりも多かった場合とした.この
ことは,これまで先行研究でみられた呼吸のen -
trainment の判定基準とは多少異な るようにも思
われる.しかしそのことは,我々の研究のねらい
が単に運動リズムの呼吸リズムへの関与に対して
のみ検討を加えるの で は な く, 呼吸.のentrain -
roent が実際に 運動時の換気応答にどのような影
響を与えるのかに重点をおいたためである.その
結果,本研究でみ られ た 呼吸のentrainment の
出現率は,ペダル回転数が多くなると高くなる訳
ではなかった .しかしペダル回転数の多い80rpm
時のほうが, 呼吸のentrainment の現象 が 顕著
であり,呼吸数の増大が著しかった. 二
Bechbache and Duffin (1977 )は, 自 転 車工
ルゴメータを用いた実験で,ペダル回転数の多い
運動 の ほ う か,呼吸のentrainment の出現率が
高いことを報告している.本研究結果と傾向を異
にしたのは,呼吸のentrainment の判 定 基 準 の
違いによ るものであろう.
Jasinskas et al。 (1980) は, 自転車エルゴメー
タを用いて2 種類の異なった強度で運動を行なわ
せたところ,呼吸のentrainment の 出 現 率 は,
それぞれ87% (Iow work, 30~59 %V02 . .),94
― 199 ―
%(high work , 70~95%yo2 . .)で あり,運動
強度の高いほうが出現率も高い旨,報 告した.ま
たBechbache and Duffin (1977 )は , 自転車エ
ルゴメータを用いて,メトロノームに合わせてペ
ダ リング運動を行なわせた場合とスピ ードメー,夕
に合わせてペダ リング運動を行なわせた場合の呼
吸のentrainment の出現率を比較し た と ころ ,
メトロノームを使用したほうがその出現率の高い
ことを観察している.
本研究では,3 種類の異なったリズ ムでペダ リ
ング運動を行なわせた,しかしその運 動強度は,
酸素摂取量が一定となるよう,予備実験のデータ
よりあらかじめ調整を行なった.これ は,運動強
度の違いによる換気亢進レベルの差異をなくすた
めである.また運動は,すべて自転車 エルゴメー
タを用い,メトロノームに合わせてペダ リング運
動を行なうよう指示した.
Bechbacha and Duffin (1977 )は, ト レ ッド
ミルを用いて中等度の運動強度の ランニングを 行
なわせ た と こ ろ,呼吸のentrainment の出現率
が自転車エルゴメータを用いた場合よ りも高かっ
たと報告し,その理由として,おそらくランニ ン
グでは,腹部内容物の上下動が生じるため,呼吸
のentrainment の 出現率が 高くな るのであろう
と推察している.
本研究の運動はすべて自転車エルゴ メータによ
るペダリング運動であり,運動の種類 からの検討
は,今回行なわなかった.しかしペダ ル回転数の
多い運動ほど,その脚の動作も早くな り,それに
伴う腹部や胸部筋群の収縮,弛緩の リズムも当然
早くなり,そのことによる横隔膜や胸 郭の呼吸運
動への 制限か 呼吸のentrainment の 主要因子 で
あるようにも考えられる.
本研究結果より,運動時にしばしば 観察される
呼吸のentrainment は,空気 呼吸 及 び 低酸素下
のいずれの状態 に お い て もtotal output として
-200-
の分時換気量には,それほど大きな影響を及ぼし
ていないようであり,生体の恒常性が維持されて
いるように推察された.しかしペダル回転数の多
い80rpm 時では, 空気呼吸時に 呼吸のentrain-
ment による分時換気量の有意な 増加傾向が認め
られ, 呼吸のentrainment の運動時換気亢進へ
の影響の可能性を全く否定することは困難なよう
に推察された.今後は,運動強度を変化さぜて行
なうことも肝要なように思われる.
ま と め
運動時の換気亢進に対する呼吸のentrainment
の関与の有無を解明するために以下の研究を行な
った卜すなわち酸素摂取量一定の条件下で3 種類
の異なったリズム運動を行なわせ,空気呼吸及び
低酸素下で の呼吸のentrainment の換気応答へ
の影響を検討した.
対象は,成人男女12名であり,被験者には自転
車エルゴメータによる3 種類の異なったペダル回
転数(35, 60, 80rpm)で運動を行なわせた.な
お運動中の 低酸素実験は, progressive hypoxia
法を用いた.
結果は,以下に示すようである.
1) 運動中の 酸素摂取量(も/min)は, それぞ
れ1 .091±0.242 (80rpm ), 1 .101±0.147 (60
rpm )の1 .106±0.137 (35rpm )であり,いずれ
のgroup もほぽ同一の値が得られた.
2) ペダル回転数別に空気呼吸時め呼吸数(回
/min)と分時換気量(1/min)を比較すると,そ
れぞれ24 .8士7.9, 25.9±7.2 (80rpm ), 24.8±
4.5, 25.8±4.6 (60rpm ),づ23.4士6.7, 24.7毋
4.0 (35rpm )であり,いずれの項目もgroup 間
に顕著な差を認めなかった.
3) 60rpm と80rpm の運動において,空気呼
吸時の呼吸数が35rpm 時の 呼吸数よりも多い者
をentrainment group とし, 少ない者 をnon -
entrainment group とした. その結果, entrain-
ment group は,それぞれ6 名(60rpm , 80rpm )
であり, non-entrainment group もそれぞれ6 名
(60rpm , 80rpm )であった.
4)一 空気呼吸時の呼吸数は,いずれの運動(60
rpm , 80rpm)においてもentrainment group の
ほうかnon ・entrainment group よりも 有意に 大
きな値を示した.
5) 空気呼吸時の分時換気量は,いずれの運動
(60rpm , 80rpm)においてもentrainment group
がnon -entrainment group よりも 大きな 値を示
し,特に80rpm 時では 両グループ間に有意差が
みられた. レ
6)PETc02 とPET02 は,い ず れ の 運 動(60
rpm , 80rpm )においても 両グループ間に有意差
は認められなかった.
7) 低酸素下での呼吸数は,いずれの運動(60
rpm , 80rpm )に・おいてもentrainment group が
non -entrainment group よ り も大きな 値を 示し
た. 特に80rpm 時では, 両group 間に 有意差
を認 めた./
8) 低酸素下での分時換気量(%)は,いずれ
の運動(60rpm , 80rpm)においてもentrainment
group がnon -entrainment group よりも 大きな
僖を示したか,両grout )間に 有意差を認めなか
うた.
以上の結果より,運動時 にしばし ば観察される
呼吸のentrainment は, 空気呼吸 及び 低酸素下
のいずれの状態においても換気応答 に,それほど
大きな影響は及ぼしていないようで あった.しか
しペダル回転数の多い運動では,空気呼吸時に呼
吸のentrainment によ る換気応答 の有意な増加
が認 め ら れ,呼吸のentrainment :の運動時換気
亢進への関与を全面的に否定することは困難なよ
うに思われた.
文 献 ・. 二
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