運動生理学をわかりやすく解説！トレーニングによって起こる身体の変化とは？
人間はトレーニングをすると、身体にさまざまな変化が起こります。そのため、より効果的なトレーニングを実践するためには、運動生理学の知識を持っておく事が大切です。
運動生理学について学んでおくと、運動を始める前と後で身体にどのような変化が起こるのかが見えやすくなるでしょう。
そこで今回の記事では、運動生理学で欠かせない神経系の作用や仕組み、筋肉・骨の構造や機能などについて解説していきます。運動生理学の基礎を理解し、運動する事によって具体的にどのような良い効果が得られるのかを考えるきっかけにしましょう。
運動生理学とは？
運動生理学は私たちの体内に関する学問であるとともに「身体運動の生理学」と位置付けられています。トレーニングをおこなうと、身体の機能的能力と筋力に変化が見られます。具体的には、運動前・運動後で神経・筋肉・骨格などに変化が起こるとされており、この変化について研究したのが運動生理学といえるでしょう。
運動生理学は大きく「動物系」と「植物系」の2つに分けて考える事ができます。筋や神経は動物系・呼吸や循環・代謝は植物系に分類され、この両方が運動生理学の範疇とされています。
さらに、運動やトレーニングに取り組んだ場合、内容によっては疾患の進行を抑制したり、病理に対して何らかの影響を及ぼしたりする事もめずらしくありません。このように、運動生理学とは、運動が私たちの身体にもたらす影響や、そのメカニズムを研究するためにも用いられている学問といえます。
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運動生理学が役に立つ場面
運動生理学の知識はスポーツトレーナーやパーソナルトレーナーとして働く際に役立ちます。身体に負担をかける動きや必要とするエネルギー量が分かるため、お客様の健康管理や傷病予防を行えるようになります。
また、運動生理学は理学療法士や作業療法士にとっても役立つ知識です。運動による身体への影響を知ることはリハビリの指導にも役立ちます。
運動生理学における神経の作用
効果的な運動をおこなうためには、神経系の知識が必要です。ここからは、運動生理学における神経の作用について見ていきましょう。
神経系の役割
神経には大きく分けて「全身から出た情報を脳に送る役割」「送られた情報を分析して最適な決定を下す役割」「決定を抹消に伝える役割」の3つの役割があります。これらの役割を持つ細胞を神経細胞といい、神経細胞が集まっているところを神経系と呼びます。
神経系はストレスなどの情報を処理するシステムで「中枢神経系」と「末梢神経系」に分ける事ができ、これらはそれぞれ働きが異なります。
・中枢神経系
脳と脊髄に存在する神経系です。送られた情報を収集して分析し、最適な決定をしたうえで全身に指令を出すのが主な役割です。
・末梢神経系
中枢神経系以外の神経系の事で、臓器や手足に存在する神経がこれに当たります。末梢神経は全身に広がっており、脳で下された指令や身体に受けた刺激を末端や中枢へ伝達する役割を持っています。
神経系の仕組み
中枢神経系は「上位脳」「下位脳」「脊髄」の3つに分類され、末梢神経系は「体性神経」と「自律神経」に分ける事ができます。
中枢神経系
・上位脳（大脳皮質）
知的活動や運動、精神活動、記憶などの情報処理がおこなわれています。
・下位脳（脳幹・小脳・基底核）
生命を維持するために欠かせない呼吸や循環、運動調節、心拍動などを実施している部分です。
・脊髄
本能的、無意識的におこなわれる活動に相当し、反射などがこれに当たります。
抹消神経系
・体性神経
「動物神経」ともいわれており、知覚神経や運動神経からなっている点が特徴です。この事からも分かるように、体性神経は自らの意思で働いている機能に関わる神経といえるでしょう。
・自律神経
自分の意思では動かせない機能と密接に関わる神経です。例えば、呼吸や消化などの運動は、本人の意思とは無関係でおこなわれるものであるため、自律神経が関わっています。
運動生理学における筋肉の作用
人間の身体の半分は筋肉でできています。そのため、運動生理学を学ぶうえで筋肉の構造などを理解しておく事はとても大切です。筋組織の分類や骨格筋の構造について押さえておき、トレーニング時に役立てましょう。
筋組織の分類
筋組織は筋細胞で構成されており「骨格筋」「心筋」「平滑筋」の3つに分類されます。
・骨格筋
骨格に沿って存在しているもので、骨格を動かす事ができる筋肉です。一般的に「筋肉」と呼ばれるものは、骨格筋を指している場合がほとんどです。
・心筋
心臓壁を作っている筋組織であり、心筋細胞で構成されています。心臓の収縮は一定のリズムでおこなわれる、特殊心筋によるものといえます。
・平滑筋
心臓や血管を除く臓器の壁を作っている筋組織です。この筋肉は自分の意思で動かせない事から不随意筋（意識して動かすことができない筋肉のこと。心筋や内臓の壁の筋肉など）に分類されます。
骨格筋の構造
人間の身体にはおよそ600を超える骨格筋があり、脳からの指示に従って収縮・弛緩をして骨格を動かしています。
骨格筋とは、筋線維が円柱状に集まった組織の事です。筋線維とは筋原線維の集合体で、骨格筋を構成しているもののなかでも最小単位とされています。筋線維の太さは直径10～100µm、長さは10～100mmといわれており、筋原線維はそれよりももっと細い事が分かっています。
複数の筋線維は筋内膜で束ねられている事から「筋束」（筋繊維群）と呼ばれています。筋束はさらに筋周膜でまとめられ、複数の筋周膜を外筋膜で包む事で骨格筋となります。これらの事から分かるように一見大きな塊に見える骨格筋は、最小の組織が寄り集まって形成されているのです。
運動生理学における関節や骨の作用
運動生理学では、関節や骨についても学んでいきます。ここからは、関節や骨の動き方・構造などについて紹介します。
関節の動き方の種類
すべての関節は同一の動きをしているわけではありません。関節は大きく分けて4つの動き方をします。具体的に「屈曲・伸展運動」「内転・外転運動」「内旋・外旋運動」「回内・回外運動」の動き方があるので、それぞれの違いを見ていきましょう。
・屈曲・伸展運動
例えば膝や肘のように、関節をなす2つの骨の角度が小さくなる動きは「屈曲」、反対に角度が大きくなるような動きは「伸展」と呼ばれています。
・内転・外転運動
身体の中心は「正中面」と呼ばれており、正中面に近付ける運動を「内転」、正中面から遠ざける運動は「外転」といわれています。例えば、手首の関節を動かした場合、正中面に近付くと「内転」で、反対に正中面から離れると「外転」となります。
・内旋・外旋運動
大腿や上腕などの部位を捻るような動きは「回旋」と呼ばれています。ただし、これらの部位を正中面に向かって近付ける運動は「内旋」、正中面から遠ざける運動は「外旋」といいます。
・回内・回外運動
前腕を前方に出し、掌を上に向けた位置をとった場合は「回外」、掌を伏せて下方に向ける運動は「回内」と呼ばれています。
骨の構造と成長
骨はパイプのような構造になっており、そのなかには造血組織である骨髄が詰まっています。骨髄で作られた血液は骨を通って全身に送られていきます。骨は絶えず分解・再生を繰り返しているため、3～5年周期で新しい骨に生まれ変わるという点も特徴の一つといえるでしょう。
運動生理学における心臓への影響
運動をすると、心臓が激しく鼓動します。ここからは、運動生理学における心臓への影響を見ていきましょう。
心拍数
ランニングやストレッチなど、何らかの運動に取り組むと心拍数が上がります。運動をした際の心拍数は、自律神経活動の影響を大きく受けるといわれています。中等度の運動に取り組んだ場合は、迷走神経によって心拍数が抑制されるのが一般的です。
しかし、負荷が大きい運動をすると、交感神経緊張の関与によって心拍数は調整されていきます。ただし、運動時の心拍数に関しては、その人が置かれている環境や年齢・筋肉量によっても変わってくるといえるでしょう。
静脈還流
静脈還流とは、心臓ポンプから流れ出た血液が動脈を通り全身に行きわたった後、静脈を通って心臓へと戻ってくる事です。運動をするとき、人間は心臓の収縮だけで血液を効率よく循環させる事はできませんが、その際に呼吸ポンプと筋肉ポンプの2つの働きが加わる事により静脈還流が増大します。しかし、激しい運動をおこなった場合は交感神経の緊張が内臓血管などを収縮させるので、血液量が減少してしまう事も念頭に置いておきましょう。
運動生理学における呼吸の仕組み
呼吸には種類があります。運動生理学における呼吸の仕組みを把握しておき、トレーニングに活かしていきましょう。
呼吸の種類
呼吸には「外呼吸」と「内呼吸」の2つがあります。外呼吸は肺胞と血液の間でおこなわれるガス交換の事で、体内に酸素を取り込んで、二酸化炭素を排出する事を指しています。一方、内呼吸は血液と組織細胞でおこなわれるガス交換の事です。内呼吸の場合は、血液中にある酸素を細胞に渡すとともに、必要のない二酸化炭素は血液に渡され肺まで行き、体外に排出されます。
運動と呼吸の関係
運動をすると呼吸が増加したり、酸素の消費量が増えたりするなどの変化が見られます。呼吸は中枢神経である脳幹の「延髄」（呼吸中枢）と呼ばれる部分でコントロールされています。呼吸中枢には化学受容体があり、呼吸が正常におこなわれているかどうかについて監視しているため、酸素の量や二酸化炭素の量に変化があった場合は、呼吸中枢に報告をします。このように、運動をおこなったときには呼吸中枢にある化学受容体が機能して、呼吸量が適切なものになるように調整しているのです。
運動生理学から見たトレーニングによる身体の変化
運動生理学から見たトレーニングによる身体の変化について、
1.筋肉の変化
2.呼吸の変化
3.心拍の変化
4.疲労の変化
5.代謝の変化
6.筋タンパク質代謝の変化
以上の7つの観点から解説します。
筋肉の変化
トレーニングを行うことで筋肉量が増えます。筋トレによって筋繊維が刺激され収縮や微小損傷を起こし、その回復過程で筋肉が成長します。特に、ウェイトトレーニングや重量挙げのような高強度のエクササイズは、筋肉を大きくする効果が高いです。
また、筋肉が成長することで、筋力も向上します。筋繊維の量が増え、より力強く収縮できるようになるため、日々の活動やスポーツのパフォーマンスが向上します。
加えて、筋肉がエネルギーを効率的に使用するようになることで、持久力が向上します。そのため、長時間のトレーニングや繰り返しの運動を行っても筋肉の疲労が遅れ、より長い時間活動可能です。
呼吸の変化
トレーニングによって、呼吸機能も向上します。呼吸の回数や肺活量が増え、より深い呼吸が可能です。運動による活動量の増加に対応して、呼吸の回数も自然と増加し、酸素の摂取と二酸化炭素の排出もより効率的に行われます。
また、肺活量の増加は、一度に取り込むことができる空気の量を増やします。体内への酸素供給が増え、筋肉や組織への酸素供給が改善されます。
さらに、運動中には身体が必要とする酸素量が増えるため、呼吸が深くなります。深い呼吸によって、より多くの酸素を吸入し、身体全体へ供給します。
心拍の変化
心拍の変化もトレーニングによる身体の変化の1つです。運動生理学では、トレーニングによって、心拍数の増加、回復速度の向上、そして安静時の心拍数が低下すると言われています。
トレーニング中には、心臓がより多くの酸素と栄養を筋肉に供給するために、より多くの血液を送る必要があります。そのため、心臓の拍動数が増加し、効率的に血液を全身に循環させます。
また、トレーニングを行うことによって、心拍数の回復が早まります。これは、運動後に心拍数が急速に安静時の状態に戻ることを意味し、心臓の回復力が向上している証拠です。心拍数の高速な回復によって、酸素の利用や老廃物の排出が効率化され、身体の回復能力の向上につながります。
さらに定期的なトレーニングは、安静時の心拍数の低下にもつながります。これは、心臓が血液をより効率的に送り出す能力が向上し、1回の拍動でより多くの血液を送ることが可能になるからです。安静時の心拍数が低いと、心臓への負荷が減少し、心血管系の健康が保たれる効果があります。
疲労の変化
トレーニングをすると、身体には疲労が蓄積します。疲労とは、運動によって身体に加わるストレスの結果として起こる一時的な反応です。
運動によって起きる疲労には筋肉疲労と中枢神経疲労の2つがあります。トレーニングにより筋肉が疲れる主な原因は、筋繊維のエネルギー源である糖質を使い切ったり、乳酸が溜まったり、神経伝達が低下したりすることです。これにより筋力の衰えや持久力が落ちることがあります。
またトレーニングは、中枢神経系にも影響を与えます。長時間にわたる活動や強度の高いトレーニングは中枢神経系の疲労を引き起こすことがあり、運動のコントロール能力や認知機能の低下につながることがあります。中枢神経の疲労は、反応速度の遅れや集中力の低下といった形で表れることが一般的です。
代謝の変化
トレーニングによって代謝も改善します。代謝とは、身体がエネルギーを生産し、様々な物質の合成や分解を行う一連のプロセスのことです。トレーニングを通じて得られる代謝の変化には、エネルギー消費の増加、エネルギー利用の最適化、そして脂肪の燃焼の加速があります。
トレーニングをすることで、筋肉の活動に必要なエネルギーが増えるため、基礎代謝率も高まり、トレーニング後には通常より多くのカロリーが燃焼され続けます。
さらに、トレーニングは体内のエネルギー生成の効率化にもつながります。特に、エネルギー生成の主役であるミトコンドリアの数が増え、さらに機能も増強され、酸素の使用効率が改善されてエネルギー生産がより効率的に行われます。
有酸素運動や持久力を要するトレーニングは特に、脂肪の燃焼に効果的です。適度な強度で適度な期間トレーニングを行うことで、脂肪をエネルギー源としてより効果的に利用する能力が強化され、体脂肪の減少やダイエットに効果的です。
筋タンパク質代謝の変化
筋肉は絶えず新しい筋タンパク質の合成と既存の筋タンパク質の分解を繰り返しています。2つのプロセスを総称して筋タンパク質の代謝と呼び、このプロセスのバランスが筋肉の大きさを増減させる筋肥大や筋萎縮を引き起こします。
筋力トレーニングは筋肥大によって筋肉の増加を狙うものです。そのため、筋肉量の長期的な変化に気づくことも大切ですが、毎日のトレーニングや食事を通じて筋タンパク質の代謝に影響を与えることが、筋肉を効果的に管理する鍵となります。
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まとめ
トレーナーとして活躍する場合、運動生理学にまつわる知識を持っておく事はとても大切です。筋力トレーニングやランニングなどの運動に取り組むと、私たちは呼吸が上がったり、心臓が激しく動いたりするなどの身体に変化が見られます。
運動生理学で得た知識を応用すると、より効果的なメニューが構築できるなどのメリットにもつながります。運動生理学はトレーナーにとって基礎となる学問であるため、時間をかけてしっかりと身につけておきましょう。
