宇宙航空環境医学 Vol. 43, No. 1

原著

自転車エルゴメーター運動後の仰臥位フローティングが直腸温および
心臓副交感神経系活動に及ぼす影響

西村 一樹1,関 和俊2,小野くみ子1,小野寺 昇3

1川崎医療福祉大学大学院医療技術学研究科健康科学専攻
2川崎医療福祉大学大学院医療技術学研究科健康体育学専攻
3川崎医療福祉大学医療技術学部健康体育学科

Effects of the Supine Floating on Rectal Temperature and
Cardiac Parasympathetic Nervous System Activity after Exercise with a Cycle Ergometer

Kazuki Nishimura1, Kazutoshi Seki2, Kumiko Ono1, Sho Onodera 3

1Graduate School of Health Science, Kawasaki University of Medical Welfare
2Graduate School of Health and Sports Science, Kawasaki University of Medical Welfare
3Department of Health and Sports Sciences, Kawasaki University of Medical Welfare


ABSTRACT
 This study was performed to determine the effects of supine floating on rectal temperature and activity of cardiac parasympathetic nervous system after 15 min. high (80%O2 max) and moderate (60% O2 O2 max) intensity exercise with a cycle ergometer. Seven healthy males volunteered for this study. Subjects maintained their supine position for 30 minutes on a bed (C-condition) or on water (floating, W-condition) after exercise. Water temperature was 30℃. Heart rate, blood pressure, rectal temperature, oxygen uptake and cardiac autonomic nervous system activity were measured during the experimental period.
 The autonomic nervous system activity was estimated with a power spectrum analysis of heart rate variability. During high and moderate intensity exercise, rectal temperature increased about 1.2 and 0.8℃ after exercise, respectively. During the recovery process, rectal temperature was significantly reduced (p <0.05) under the W-condition, as compared to the C-condition. Also, logarithms High Frequency (logHF ) was significantly increased (p <0.05) under the W-condition, as compared to the C-condition, during high and moderate intensity exercise. The increase in logHFwas caused by the bradycardia reflex, which increased central venous pressure and the arterial baroreceptor. These data suggest that supine floating after high and moderate intensity exercise with a cycle ergometer could promote the recovery of rectal temperature and increased the activity of cardiac parasympathetic nervous system which was inhibited by exercise.
 
(Received: 9 February, 2006 Accepted: 14 April, 2006)
 
Key words: supine floating, recovery in water, parasympathetic nervous system activity, rectal temperature, exercise with a cycle ergometer

I. 緒言
 水中において生体は,水の物理的特性の影響を受け,陸上とは異なる生理学的変化を示すことが明らかになっている。水の物理的特性とは,水温,水圧,浮力および抵抗を示し,これまで,水中安静時および水中運動時の心拍数,酸素摂取量,体温などが測定され,水中環境における生理学的変化が明らかになっている3,9,10,12,13,14,15,17,18,20,21,22)
 Pughら20) は,異なる水温における水泳中の直腸温変化を観察し,21.8℃から24.2℃の水温において直腸温が著しく低下することを報告し,一定時間の冷却割合は,体温と水温の差に比例することを明らかにした。その差が大きい場合,短時間でヒトの体温変化に影響を及ぼすことを示唆している。水圧の上昇に伴う中心血液量の増加14,17),中心静脈圧の上昇14,17),一回拍出量の増加および心拍数の低下14,17) が明らかになっている。また,心臓交感神経系活動の抑制14),心臓副交感神経系活動の亢進14,17) および末梢血管抵抗の減少14) も報告されている。さらに,肺活量21) および機能的残気量の低下3) が報告されている。また,水中では水位の上昇に伴い,相対的な体重(負荷体重)が減少する17)
 仰臥位フローティングは,浮力を利用した水中リラクゼーションとして運動処方に取り入れられている。西村と小野寺14)は,仰臥位フローティング中の心臓自律神経系活動について報告し,仰臥位フローティングは心臓副交感神経系活動を亢進させ,リラクゼーション効果を得る手段として有効であることを示した。また,松井ら10)は,陸上での運動後に水中立位回復と陸上立位回復と比較し,水中立位回復は一回拍出量および心拍出量が有意に増加するが,全身の循環調節の総和である血圧応答には差は無く,増加した心拍出量による血圧への影響は末梢の血管抵抗の有意な減少によって補償されることを明らかにした。このことは,水中回復が,水泳,水中運動および他の陸上種目を行った後のクーリングダウンと同様の効果が期待できることを示唆している。
 先行研究は,高温環境下での運動パフォーマンスの低下が心臓血管系ドリフトに起因するものではなく,体温上昇が関与することを明らかにした7,11)。Gonzalezz-Alonsoら7) は,食道温40℃という高体温がヒトの運動継続の制限因子であることを報告した。高体温に伴い最大随意筋収縮力が制限されることも明らかになっている11)。最大随意筋収縮力を発揮する能力は,活動筋への血液供給が関与しておらず,電気刺激により低下を抑制できることから,高体温に伴い中枢での疲労が引き起こされているものと考えられている8)。高温環境下における運動中に脳波を周波数解析し,α波(8-12 Hz)とβ波(13-30 Hz)の比(α/β)から中枢性疲労を検討したNielsenら11) は,体温の上昇自体が中枢性疲労(central fatigue)を引き起こし,運動パフォーマンスは低下することを報告している。
 これらの先行研究から,運動後の仰臥位フローティングは,運動によって上昇した体温を抑制し,同時に運動時に抑制された心臓副交感神経系活動を亢進させるものと仮説立てした。この研究仮説の検証を本研究の目的とした。
 
II. 方法
i. 被験者

 被験者は,健康成人男性7名とした。被験者の特性は,年齢22.3±1.2歳(mean±SD),身長170.8±5.8 cm,体重62.7±4.9
kg,体脂肪率17.5±2.0%,最大酸素摂取量51.6±5.2 ml/kg/minであった。被験者には,ヘルシンキ宣言の趣旨に沿って,研究の目的,方法,期待される効果,不利益がないこと,危険を排除した環境とすること,個人情報の保護について説明を行い,研究参加の同意を得た。
ii. 測定条件
 陸上仰臥位安静を5分間保った後,15分間の陸上エルゴメーター運動を行った。その直後,仰臥位回復を30分間行った。仰臥位回復には,仰臥位フローティング条件(Water(W)条件)および陸上でのコントロール条件(Control(C)条件)を設定した。W条件は,水槽(縦2,196×横996×高さ655 mm)に頚部にエアー枕,手部および足部にアクアブロック,腰部にフローティングベルトを用いた仰臥位フローティングとした13,14,15,22)(図1)。C条件は,W条件と同様にプールサイドの実験室に設置したベッドでの仰臥位姿勢とした。運動強度は,高強度(80% O2 max)および中強度(60% O2 max)とした。水温は,一般的な温水プールの水温である30℃に設定した。着衣は,競泳用水着とした。実験は,異なる日の午前中の同一時間帯に実施した。なお,実験は高強度,中強度の順で行い,W条件およびC条件はランダムに実施した。各運動強度でのW条件およびC条件のインターバルは,1週間以内とした。被験者には,前日のアルコール摂取不可,22時以降絶食およびカフェイン摂取不可を指示した。室温および湿度は,28.2±1.5℃および82.5±3.2% であった。
iii. 測定項目

 測定項目は,心拍数,血圧,直腸温,酸素摂取量および心臓自律神経系活動とした。心拍数は,水中心電図計(FUKUDA電子; AU-1010)を用いた。胸部双極誘導法から得られた心電図を記録し,1分間のR波の数とした。血圧は,アネロイド血圧計(ケンツメディコ株式会社; 501)を用い,左手の上腕にカフ巻き,30秒間で測定した。実験開始から実験終了まで5分毎に測定した。直腸温は,感熱部直腸温計(日機装ワイエスアイ; YSI4000 サーモメータ)を肛門から約10 cm挿入し,実験開始から1分毎に記録した。酸素摂取量は,陸上仰臥位安静5分間,運動時は5分毎の後半1分間,回復期は5分毎の後半2分間ダグラスバック法を用い測定した。測定した呼気ガスの酸素および二酸化炭素濃度の分析は,呼気ガスの偏りを取り除いた後に質量分析器(ウェストン: WASR-1400)を用いて測定した。ガス量およびガス温は,乾式ガスメーター(品川製作所: DC-5)で測定した。水中では浮力の影響を受け,負荷体重が減少する17) ことが明らかとなっていることから,本研究の酸素摂取量は体重で補正せずに絶対値で評価した13)


Fig. 1. View showing a frame format of supine floating.
    

心臓自律神経系活動は,収集された心電図のデータを1,000 Hz/chのサンプリング周波数でA/D変換(ADInstruments; Power Lab)し,パーソナルコンピューター(Apple; PowerBook G4)を用い解析した。高速フーリエ解析(FFT; Fast Fourier Transformation)を用いて心拍変動スペクトル解析(ADInstruments; HRV extension1,1)を行った。先行研究に基づき周波数解析から得られた高周波帯域(0.15-0.40 Hz)のパワーの積分値(High Frequency)を算出した19)。分布に正規性を得るために対数化したlogarithmsHF(logHF )を心臓副交感神経系活動の指標とした5,14)。また,心拍変動スペクトル解析によって求められるパワーは,呼吸数の影響を受けることが報告されている1,6)。したがって,本研究は,呼吸数変化の影響を除外するため,メトロノームを用い呼吸数を4 秒に1回(2秒吸気,2秒呼気)に制御した。
iv. 統計処理
 データは,mean±SDで示した。各パラメーターを,仰臥位フローティング条件およびコントロール条件の差を繰り返しのある二元配置分散分析を用いて検定した。この検定で有意な差が確認された場合には,Post-hoc test (Students-Newman-Keuls法)を用いた。いずれの場合も危険率5% 未満(p <0.05)を有意な差とした。
 
III. 結果
 図2に時間経過に伴う直腸温の変化を絶対値で示した。高強度運動時の直腸温は約1.2℃の上昇(図2a),中強度運動時では約0.8℃の上昇が確認された(図2b)。W条件およびC条件とも30分間の回復期において,低下したが陸上安静の値までは回復しなかった。直腸温の絶対値においては,有意な差は観察されなかった。直腸温の個人差を考慮し,回復期の直腸温の変化を運動終了時からの差で示した(図3)。高強度および中強度運動において,C条件と比較しW条件では,有意に低値(高強度; ANOVA: F =7.56,p <0.05, 中強度; ANOVA: F =9.30,p <0.05)を示した。高強度運動では回復25-26分および28-30分において,中強度運動では回復9-30分にC条件と比較してW条件において有意に低値(p <0.05)を示した。時間経過に伴う心拍数の変化を図4に示した。高強度および中強度運動後の心拍数は,有意な差ではないもののC条件と比較しW条件において低値を示した。
 図5 に心臓副交感神経系活動の指標である log HFの変化を示した。高強度および中強度運動後のlogHF は,C条件と比較しW条件において有意に高値(高強度; ANOVA: F =5.49,p <0.05, 中強度; ANOVA: F =7.70,p <0.05)を示した。
 時間経過に伴う収縮期および拡張期血圧の変化を図6に示した。自転車エルゴメーター運動後の収縮期および拡張期血圧を,W条件およびC条件を比較すると有意な差は観察されなかった。図7に時間経過に伴う酸素摂取量の変化を示した。高強度および中強度運動後の酸素摂取量は,W条件とC条件の間に有意な差は観察されなかった。


IV. 考察

 本研究の結果は,高強度および中強度運動後の仰臥位フローティングが,運動によって上昇した直腸温の回復を促進し,心臓副交感神経系活動を有意に亢進させることを示唆し,研究仮説を支持するものと考えられる。

Fig. 2. Changes in the rectal temperature during the experimental period.
a: high intensity exercise. b: moderate inten sity exercise
Fig. 3. Changes in the rectal temperature during the recovery period.
a: high intensity exercise. b: moderate intensity exercise
*: p <0.05 W-condition VS C-condition.


  高強度および中強度自転車エルゴメーター運動時の直腸温は,約1.2℃および0.8℃上昇した。このことは,本研究を多湿環境(82.5±3.2%)であるプールサイドの実験室で行ったことから,運動時の熱産生量増大のみならず,運動時の体温調節機構として重要な役割を果たす汗の蒸散が抑制されたことも,直腸温の著しい上昇に関与しているものと考えられる。また,回復期終了時の直腸温は,陸上安静の値よりも高値であった。回復期における直腸温の相対値(運動終了時からの差)は,C条件と比較しW条件において有意に低値を示した。回復期の直腸温低下は,皮膚血流量の増大,発汗による気化熱等の熱放散量増大によるものであるものと考えられる。W条件では体表面を循環する静脈血の熱放散量が増大し,冷やされた静脈血が中心部に還流したため,直腸温が顕著に低下したと考えられる。

Fig. 4. Changes in heart rate during the experimental period. a: high intensity exercise. b: moderate intensity exercise Fig. 5. Changes in logarithms High Frequency (logHF ) during the recovery period. a: high intensity exercise. b: moderate intensity exercise *: p <0.05 W-condition VS C-condition.


 高強度および中強度自転車エルゴメーター運動後の心拍数は,C条件と比較してW条件において有意ではないものの低値を示す傾向が確認された。先行研究は,安静時浸水において,静脈還流量の増大が,一回拍出量を増大させ,その補償として心拍数を有意に低下させることを明らかにしている14,17)。また,陸上での高強度運動後の回復期における一回拍出量を陸上立位および水中立位で比較した松井ら10) は,水中立位回復は陸上立位回復と比較して,一回拍出量が有意に高値を示すことを報告している。このことは,水の物理的特性が,安静時および運動時のみならず回復時にも影響を及ぼすことを示唆している。しかしながら,本研究では仰臥位姿勢で回復期の測定を行ったことから,立位姿 勢と比較して静脈還流量,体性感覚反射等に差異が生じたと考えられる14)。このことから,回復期の心拍数に有意な差が確認されなかったものと考えられる。

Fig. 6. Changes in blood pressure during the experimental period.
a: high intensity exercise. b: moderate intensity exercise
Fig. 7. Changes in oxygen uptake during the experimental period.
a: high intensity exercise. b: moderate intensity exercise.


 心臓副交感神経系活動の指標であるlogHF は,高強度および中強度自転車エルゴメーター運動後のW条件での仰臥位回復において,C条件と比較して,有意に高値を示した。
 このことは,先行研究12) によって明らかにされている安静時浸水と同様に,中心静脈圧の増加に伴う心房伸展受容器反射や一回拍出量増加に伴う動脈圧受容器によって引き起こされた徐脈反射に起因するものと考えられる。陸上運動後の回復期における心臓副交感神経系活動を陸上立位と水中立位で比較した松井ら10) は,陸上立位回復と比較して水中立位回復においてlogHF が有意に高値を示したことを報告している。本研究の結果は,松井らの報告を支持するものである。西村と小野寺15)は,陸上仰臥位安静と比較して,水温 30℃および35℃条件における仰臥位フローティングの心臓副交感神経系活動が有意に亢進することを明らかにした。このことから,本研究の水温設定におけるlogHF の亢進は,水温による影響より浸水による影響が深く寄与している可能性が推測される。
 高強度および中強度運動後の収縮期および拡張期血圧は,W条件およびC条件において有意な差がなく推移した。この結果は,前述の松井らの結果と同様である。浸水時の血圧変化についての報告は,収縮期および拡張期血圧ともに低下する2),変化しない9),収縮期が上昇する16) 等さまざまである。その要因として,年齢,皮脂厚,浸水している体表面積等が考えられる。今後は,これらの要因についてさらに検討する必要がある。 高強度および中強度運動後の酸素摂取量は,W条件およびC条件において有意な差がなく推移した。先行研究において,安静時浸水の酸素摂取量の増加は,骨格筋の不随意的収縮であるふるえ(shivering)や交感神経および甲状腺ホルモン活動に起因する非ふるえ(nonshivering)が関与していることが報告されている18)。水温30℃は,Harrisonら4) が報告した浸水中に皮膚温を一定に保つことができる水温域(28-35℃)であり,熱損失量が少ないため,それを補うshiveringおよびnonshivering熱産生量も少なかったと考えられる。このことから,高強度およ び中強度運動後の酸素摂取量は,W条件とC条件に有意な差がなく推移したと考えられる。
これらのことから,高強度および中強度自転車エルゴメーター運動後の仰臥位フローティングは,運動によって上昇した直腸温の低下を有意に促進させ,同時に心臓副交感神経系活動を有意に亢進させることが明らかになった。
 高強度と中強度運動を比較すると,C条件における回復期の直腸温変化は,中強度運動と比較して高強度運動において顕著な低下を示した。これは,高強度運動では,熱産生量が増大し,直腸温の上昇が著しいことから,発汗による気化熱および皮膚血流量増大による熱放散量の増大を示唆している。このことから,高強度運動におけるC条件の直腸温の低下(約0.5℃)は,中強度運動(約0.2℃)と比較して,顕著であったものと考えられる。また,回復期における心拍数のW条件およびC条件の差を高強度および中強度運動で比較すると,中強度運動において差が顕著であった。松井ら8) は,高強度運動後は中強度運動後と比較して一回拍出量が定常状態に至るのに要する時間が有意に長いことを報告している。つまり,高強度運動後の静脈還流量の増大は,水圧による静脈還流量の増大の影響と比較して大きいことが推測される。このことから,回復期における心拍数のW条件およびC条件の差を高強度および中強度運動で比較すると,中強度運動において差が顕著であったと考えられる。これらの結果から,中強度運動後の仰臥位フローティングは,高強度運動と比較し,水の物理的特性の影響を受けやすい可能性が示唆された。
 
V. まとめ
 高強度および中強度自転車エルゴメーター運動後の仰臥位フローティングは,運動によって上昇した直腸温の低下を有意に促進させ,同時に心臓副交感神経系活動を有意に亢進させることが明らかになった。このことは,高強度および中強度自転車エルゴメーター運動後の仰臥位フローティングが,体温上昇に伴う中枢性疲労の回復を促進させ,同時に運動によって抑制された心臓副交感神経系活動を亢進させることを示唆する。また,高強度運動と比較して中強度運動後の仰臥位フローティングは,水の物理的特性の影響を受けやすい可能性が示唆された。
 
謝辞

 本研究を遂行するにあたり,川崎医療福祉大学大学院河野寛氏,西岡大輔氏,岡本武志氏に多大なる協力を頂きました。ここに記して感謝の意を表します。
 また,ご助言をいただきました吉備国際大学山口英峰先生に深く感謝致します。

文 献
1) Brown TE, Beightol LA, Koh J, Eckberg DL: Important influence of respiration on human R-R interval power spectra is largely ignored. J. Appl. Physiol., 75(5), 2310-2317, 1993.
2) Craig AB, Dvorak M: Comparison of exercise in air and water of different temperatures. Med. Sci. Sports, 1, 124-130, 1969.
3) Farhi LE, Linnarsson D: Cardiopulmonary readjustments during graded immersion in water at 35 degrees C. Recpir. Physiol., 30, 35-50, 1977.
4) Harrison MH, Edwards RJ, Cochrane LA, Graveney MJ: Blood volume and protein responses to skin heating and cooling in resting subjects. J. Appl. Physiol., 54, 515-523, 1983.
5) 橋本信行,亀谷 学,加茂 力,佐々木俊雄,三須一彦: 陳旧性心筋梗塞患者における神経性循環調節の日内変動に関する研究.自律神経,33(6), 521-531, 1996.
6) Hayano J, Mukai S, Sakakibara M, Okada A, Takata K, Fujinami T: Effects of respiratory interval on vagal modulation of heart rate. Am. J. Physiol., 267, 33-40, 1994.
7) Jose Gonzalez-Alonso, Christina Teller, Signe L. Anderson, Frank B. Jensen, Tino Hyldig, Bodil Nielsen: Influence of body temperature on the development of fatigue during prolonged exercise in the heat. J. Appl. Physiol., 86(3), 1032-1039, 1999.
8) 近藤徳彦,西保 岳: 体温上昇と運動パフォーマンス.体育の科学,54(10), 781-787, 2004.
9) 真崎玲子,金谷庄蔵,守田修一,右田孝志,堀田 昇,大柿哲郎,藤島和孝,丸山 徹,加治良一,藤野武彦: 健常成人における温水プール入水時の血行動態に及ぼす影響−心エコー図法による検討−.J. Health Sci., 17, 109-114, 1995.
10) 松井 健,宮地元彦,星島葉子,高橋康輝,山元健太,吉岡 哲,小野寺昇: 陸上定常負荷運動後の水中浸漬が全身循環の回復過程に及ぼす影響.体力科学,51(3), 265-274, 2002.
11) Nielsen B, Nybo L: Cerebral changes during exercise in the heat. Sports Med., 33, 1-11, 2003.
12) 永浜明子,王 文耀,松田光生: 25度・30度水中浸漬が左心機能・左心容積および自律神経系に及ぼす影響.いばらき健康・スポーツ科学,11, 11-17, 1994.
13) 西村一樹,山口英峰,中西洋平,小野寺昇: 水温の違いが仰臥位フローティング中の直腸温および酸素摂取量に及ぼす影響.水泳水中運動科学,7, 17-22, 2004.
14) 西村正広,小野寺昇: 仰臥位フローティングが心拍数,血圧および心臓自律神経系活動に及ぼす影響.宇宙航空環境医学,37(3), 49-56, 2000.
15) 西村正広,小野寺昇: 異なる水温下における仰臥位フローティングが心臓自律神経系調節に及ぼす影響.体力科学,50(6), 948, 2001.
16) 岡田暁宣,早野順一郎,向井誠司,秋田佑枝,坂田誠一郎,松原充隆,竹島伸生,高田和之,藤浪隆夫: Water immersionに対する循環調節系の反応の加齢による変化.自律神経,33(4), 371-376, 1996.
17) 小野寺昇,宮地元彦: 水中運動の臨床応用: フィットネス,健康の維持・増進.臨床スポーツ医学,20(3), 289-295, 2003.
18) 朴 晟鎭,日高一郎,武藤芳照: 人体に及ぼす水温の影響.体育の科学,46(7), 534-539, 1996.
19) Pomeranz B, Macaulay RJ, Caudill MA, Kutz I, Adam D, Gordon D, Kilborn KM, Barger AC, Shannon DC, Cohen RJ, Benson H: Assessment of autonomic function in humans by heart rate spectral analysis. Am. J. Physiol., 248, 151-153, 1985.
20) Pugh LGC, Edholm OG : The physiology of channel swimmers. Lancet, 2, 761-768, 1955.
21) Risch WD, Koubenec HJ, Beckman U, Lange S, Gauer OH : The effect of graded immersion on heart volume, central venous pressure, pulmonary blood distribution, and heart rate in man. Pflugers Arch, 374, 115-118, 1978.
22) Weiss M, Hack F, Stehle R, Pollert R, Weicker H : Effects of temperature and water immersion on plasma catecholamines and circulation. Int. J. Sports Med., 9, 113-117, 1988.


連絡先: 西村 一樹
〒701-0193
岡山県倉敷市松島288
川崎医療福祉大学大学院医療技術学研究科健康科学専攻
TEL: 086-462-1111 (内線54531)
FAX: 086-464-1109
E-mail: w6303010@mw.kawasaki-m.ac.jp