宇宙航空環境医学 Vol. 46, No. 1, 13-18, 2009

原　著

自転車エルゴメーター運動後の仰臥位浸水時の水温の違いが
直腸温および心臓自律神経系調節に及ぼす影響

西村 一樹^1,2，吉岡 哲³，関 和俊³，小野寺 昇¹

1 川崎医療福祉大学
2 広島工業大学
3 川崎医療福祉大学大学院

Effects of Different Water Temperature on Rectal Temperature and Cardiac Autonomic Nervous System during Supine Floating after Exercise with a Cycle Ergometer

Kazuki Nishimura^1,2, Akira Yoshioka³, Kazutoshi Seki³, Sho Onodera¹

1 Kawasaki University of Medical Welfare
2 Hiroshima Institute of Technology
3 Graduate School of Kawasaki University of Medical Welfare

ABSTRACT
　The purpose of this study was to determine the effects of different water temperature on rectal temperature and cardiac parasympathetic reactivation during supine floating after exercise with a cycle ergometer. Six healthy Japanese males volunteered for this study. All subjects signed an informed consent form prior to participation in this study. Subjects performed exercise with cycle ergometer by 50%VO2max for 15 min, and recovered for 30 min at supine floating and supine position on land （Control（C）-condition）. Water temperature set up 25（WT-25）, 30（WT-30） and 35 degrees Celsius （WT-35）. Rectal temperature, heart rate and cardiac autonomic nervous system activity were measured throughout experimental period. Cardiac autonomic nervous system activity was calculated using Maximum Entropy Calculation Methodology （MemCalc） and evaluated by using high frequency （HF;0.15-0.40Hz） in R-R intervals. HF domain was transformed into logarithmic values. We used the slope in regression line calculated by appearance time and peak of HF, as cardiac parasympathetic reactivation. Heart rate increased up to about 160 bpm during exercise period and was not significantly different among these conditions. During the recovery process, delta rectal temperature （point 0-0 is end of exercise） was significantly reduced under the WT-25 and WT-30, as compared to the WT-35. Rectal temperature was reduced by the heat loss such as heat dissipation and increase of the skin blood flow. The heat loss of WT-25 and WT-30 are greater than that of WT-35 and C-condition. The log HF was significantly increased under the WT-25 and WT-30, as compared to the WT-35 and C-condition. The slope in regression lines in the WT-25 and the WT-30 were significantly steeper than the WT-35 and the C-condition. This was caused by cold stimulus in skin. Our data suggest when water temperature is greatly different from increased body temperature with exercise, reduced rectal temperature and reactivation in cardiac parasympathetic nervous system induced by during supine floating after exercise with a cycle ergometer was pronounced.

（Received:19 March, 2009 Accepted:10 August, 2009）

Key words:reactivation in cardiac parasympathetic nervous system, different water temperature, water recovery, rectal temperature

Ⅰ. 緒言
　浸水時の生体は，浮力，水圧，水温，粘性，抵抗などの水の持つ物理的な特性の影響を受け陸上とは異なる生理的応答を示す。浸水運動時の心拍数，酸素摂取量，体温などが測定され，水中環境に対応したヒトの運動生理的応答が報告された^{1,6,9,10,11,12,13,15,16）}。異なる水温における水泳中の直腸温変化を観察したPughらは，21.8℃から24.2℃間の水温において直腸温が著しく低下することを報告した^15）。このことは，水の熱伝導率が大気中の約25倍であることに起因し，水温が体温に比べて著しく低い場合，水温が短時間でヒトの体温低下に影響を及ぼすことを示唆する。中立温である水温35℃の仰臥位浸水は，一回拍出量および心拍出量を増加，心拍数を低下，心臓副交感神経系調節を亢進させた^12）。水温28℃以下の水温における仰臥位浸水は，皮膚温の低下，ふるえ（shivering）および非ふるえ（nonshivering）による酸素摂取量および心拍数の増加を引き起こす^13）。水温40℃における浸水時は，温熱刺激に伴う体温上昇，心拍数上昇および心臓副交感神経系調節の抑制が引き起こされる^1）。これらの先行研究の結果は，浸水時の水温の違いが，心臓副交感神経系調節に影響を及ぼすことを示唆する。
　高強度および中強度自転車エルゴメーター運動後の水温30℃における仰臥位浸水は，陸上仰臥位回復と比較して，運動時に上昇した直腸温を有意に低下させ，運動時に抑制された心臓副交感神経系調節を有意に亢進させる^9）。松井らは，中強度自転車エルゴメーター運動後の水温41℃における長座位浸水が，心臓副交感神経系調節の亢進を抑制させることを報告した^6）。しかしながら，運動後回復期の浸水温の違い（25℃，30℃および35℃）が直腸温の低下および心臓副交感神経系の再亢進に及ぼす影響について，検討した論文は見当たらない。運動後回復期の浸水における水温の違いは，運動後回復期の直腸温および心臓副交感神経系調節に影響を及ぼすものと仮説立てした。つまり，運動後回復期における水温と体温の差が大きい場合，運動時に上昇した直腸温の低下および運動に抑制された心臓副交感神経系の再亢進が顕著であるものと予測した。そこで本研究は，運動後の水温25℃，30℃および35℃における仰臥位浸水が直腸温および心臓自律神経系調節に及ぼす影響について明らかにすることを目的とした。

Ⅱ. 方法
　A. 被験者
　被験者は，健康成人男性6名とした。被験者の特性は，年齢21.3±2.1歳（mean±SD），身長169.3±2.9cm，体重66.6±10.1kg，体脂肪率17.1±2.1%，最大酸素摂取量46.0±8.2ml/kg/minであった。被験者には，ヘルシンキ宣言の趣旨に沿い，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。

　B. 測定条件
　陸上仰臥位安静を5分間保った後，15分間の運動を行った。運動終了直後から，仰臥位回復を30分間行った。仰臥位回復は，仰臥位浸水条件（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条件は仰臥位浸水とし，C条件は陸上での仰臥位姿勢とした。W条件は，一般的な温水プールの水温である30℃，不感温度とされる35℃，競泳用のプールの水温である25℃の3条件とした。水温25℃時をWT-25条件，同様にWT-30条件およびWT-35条件とした。W条件は，水槽（縦2,196×横966×高さ655mm）に頚部にエア枕，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，仰臥位浸水とした（図1）^{9,10,11,16）}。C条件は，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。運動課題は，中強度（50%VO₂max）自転車エルゴメーター運動とした。着衣は，競泳用水着（ショートタイプ）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。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，26.5±1.6℃および67.5±7.6%であった。

　C. 測定項目
　測定項目は，直腸温，心拍数および心臓自律神経系調節とした。直腸温は，感熱部直腸温計（日機装ワイエスアイ：YSI4000）を用い，実験開始から1分毎に記録した。心拍数は，胸部双極誘導法から得られた心電図波形の1分間のR波の数とした（GMS:MemCalc/Tawara）。心臓自律神経系調節の測定にMemCalc法（修正型最大エントロピー法）を用いた。解析には，心拍揺らぎリアルタイム解析システムMemCalc/Tawara（諏訪トラスト製）を用いて行った。実験中のR-R間隔変動スペクトル解析は，胸部双極誘導法にて採取・増幅された心電図データをサンプリング周波数250Hzにて12ビットAnalog to Digital変換（CONTEC Crop. Ltd.:AD12-8PM） し，パーソナルコンピュータ （IBM Corporation, Microsoft Windows XP） に取り込み行った。心電図データの波形認識によってR波のピーク位置を同定し，MemCalc法を用い直近30秒間のR-R間隔データの周波数解析を行った。先行研究^14） に基づき周波数解析から得られた高周波帯域 （0.15-0.40Hz） のパワーの積分値 （High Frequency;HF） を算出した。 HF成分の分布に正規性を得るために常用対数変換したlogarithms HF （log HF） を心臓副交感神経系調節の指標とした^4,9,11）。先行研究^2,5）において，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明らかにされている。したがって，呼吸数の影響を除外するため，呼吸数を4秒に1回 （2秒吸気，2秒呼気） に制御した^9,11）。本実験は，陸上安静および回復0-5分，5-10分，15-20分，25-30分に呼吸数を4秒に1回の呼吸調節を行った。さらに，心臓副交感神経系調節の再亢進の指標として，運動後回復期の10分間HFの最高値および最高値の出現時間から傾きを算出した（図2）。

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

Fig. 2 Analysis of cardiac parasympathetic reactivation.

　D. 統計処理
　測定値は，平均値±標準偏差値（mean±SD）で示した。直腸温および心拍数は，各条件間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。Log HFは，呼吸調節を行った時間帯の各5分間の平均値を一元配置分散分析用い検定した。HFの再亢進の傾きの検定にも一元配置分散分析を用いた。これら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3に時間経過に伴う直腸温の変化を示した。50%VO₂maxの自転車エルゴメーター運動において，直腸温は，0.5±0.2℃上昇した。運動終了時の直腸温において，4条件間に有意な差は観察されなかった。図4に回復期の直腸温の変化を運動終了時からの差で示した。WT-25条件およびWT-30条件における直腸温は，WT-35条件およびC条件と比較して有意に低値を示した（それぞれANOVA;p<0.05）。WT-30条件の回復期20-30分における相対値直腸温は，WT-35条件およびC条件と比較して有意に低値を示した（それぞれp<0.05）。WT-25条件の回復期28-30分における相対値直腸温は， C条件と比較して有意に低値を示した（それぞれp<0.05）。WT-25条件の回復期30分における相対値直腸温は，WT-35条件およびC条件と比較して有意に低値を示した（p<0.05）。時間経過に伴う心拍数の変化を図5に示した。運動終了時の心拍数は，159.8±3.3拍/分であった。4条件間の運動終了時の心拍数に有意な差は観察されなかった。
　図6に心臓副交感神経系調節の指標であるlog HFの呼吸調節を行った陸上安静時および回復0-5分，回復5-10分，回復15-20分および回復25-30分の変化を示した。呼吸調節を行った場合のWT-25条件およびWT-30条件におけるlog HFは，WT-35条件およびC条件と比較して有意に高値を示した（それぞれANOVA;p<0.05）。WT-35条件およびC条件間におけるlog HFに有意な差は観察されなかった。図7に心臓副交感神経系の再亢進の傾きの比較を示した。WT-25条件における再亢進の傾きは，WT-35条件およびC条件と比較して，有意に高値を示した（p<0.05）。

Fig. 3 Changes in rectal temperature among these conditions.		Fig. 5 Changes in heart rate among these conditions.

Fig. 4 Changes in �� rectal temperature among these conditions. ANOVA;p<0.05 WT-25 condition VS C-condition, WT-25 condition VS WT-35 condition, WT-30 condition VS C-condition, WT-30 condition VS WT-35 condition		Fig. 6 Changes in log HF among these conditions. 0-5, 5-10, 15-20, 25-30min.:ANOVA;p<0.05 WT-25 condition VS C-condition, WT-25 condition VS WT-35 condition, WT-30 condition VS C-condition, WT-30 condition VS WT-35 condition

Fig. 7 Comparison of slope of regression line.ANOVA;p<0.05 WT-25 condition VS C-condition, WT-25 condition VS WT-35 condition

Ⅳ. 考察
　本研究の結果は，運動によって上昇した直腸温の低下および運動時に抑制された心臓副交感神経系の再亢進に水温が関与することを示唆し，研究仮説を支持するものであった。
　回復期における直腸温の低下は，皮膚血流量の増大，発汗による気化熱等の熱放散量の増大によるものである。不感温度よりも低温環境に暴露されれば，体表面を循環する静脈血の熱放散量が増大し，冷却された静脈血が中心部に還流し，直腸温が有意に低下する^13）。不感温度であるWT-35条件およびC条件間の直腸温に有意な差がないことから，WT-25条件およびWT-30条件の直腸温の低下の要因が熱放散量であることを示唆する。体温の上昇は中枢性疲労を引き起こす8）ことから，運動後回復期の仰臥位浸水が体温上昇に伴う中枢性疲労からの早期解放を可能にするものと考えられる。
　運動後回復期の心臓副交感神経系の再亢進は，水温による皮膚からの冷刺激および体温の低下の影響によって顕著に亢進する。今回の事例においても，WT-25条件およびWT-30条件における運動後回復期の心臓副交感神経系の再亢進は水温の影響によって促進したものと考えられる。先行研究は，皮膚からの冷覚情報を脊髄-外側結合腕傍核-視索前野という経路によって伝達することを明らかにした^7）。皮膚からの中枢への冷刺激が自律性体温調節の入力となり，心臓副交感神経系の再亢進を促進させたものと考える。WT-25条件とWT-30条件間の運動後回復期の直腸温の相対値に有意な差は観察されなかったが，心臓副交感神経系の再亢進の傾きはWT-25条件において顕著であった。このことは，皮膚からの冷刺激が運動後回復初期の心臓副交感神経系の再亢進の入力となることを支持するものと考える。一方，不感温度である水温35℃は，水温による皮膚からの温度感覚刺激が小さいことから，C条件と比較して運動後回復期の心臓副交感神経系の再亢進に有意な差が観察されなかったものと考えられる。
　仰臥位回復期5-10分，15-20分および25-30分における心臓副交感神経系調節の亢進は，運動によって上昇した体温の低下によるものであると考える。運動による体温上昇は，発汗，皮膚血流量の増加など熱放散量を増加させ，中心血液量を減少させる。中心血液量の減少は，心臓副交感神経系の抑制を引き起こす。運動後回復期の体温の低下は，血液希釈を引き起こし，中心血液量の増加させる。さらに，浸水も血液希釈を引き起こす。これらのことが，WT-25条件およびWT-30条件における心臓副交感神経系の再亢進を促進させたものと考える。先行研究は，安静時浸水において皮膚温を一定にすることができる温度域は，28-35℃であると報告した^3）。水温25℃における30分間の安静時浸水は，直腸温を低下させ，このことが酸素摂取量を増加させることから^10），水温30℃および35℃と比較して，心臓副交感神経系調節の亢進率が低いものと推測される。運動後回復期の心臓副交感神経系の再亢進がWT-35条件と比較してWT-25条件において有意であったことから，運動による体温上昇が皮膚からの温度感覚のセットポイントを引き下げた可能性が考えられる。安静時浸水時に心臓副交感神経系が亢進する水温35℃において，運動後回復期の心臓副交感神経系の再亢進がC-条件と比較して有意な差が観察されなかった。また，安静時浸水時に心拍数が増加する水温25℃において，運動後回復期の心拍数に有意な差が観察されなかったこと，浸水による寒さやshiveringを申告する被験者がいなかったことなどの安静時浸水時および運動後回復期の応答の差異も運動による体温上昇が皮膚からの温度感覚のセットポイントを引き下げた可能性を支持するものと考える。
　以上のことは，水温が運動後回復期の直腸温の低下および心臓副交感神経系の再亢進の要因であることを示唆する。このことは，皮膚からの冷刺激が運動によって上昇した直腸温の低下および運動時に抑制された心臓副交感神経系の再亢進の入力であることに起因するものであり，運動後の浸水が運動ストレスからの早期解放を可能とすることを示唆する。

Ⅴ. まとめ
　本研究は，健康成人男性6名を対象とし，運動後回復期の浸水時の水温の違いが，直腸温および心臓副交感神経系の再亢進に及ぼす影響について検討し，以下の知見を得た。
　1. 運動によって上昇した直腸温は，水温35℃および陸上と比較して，水温25℃および30℃において有意に低下した。
　2. 運動時に抑制された心臓副交感神経系の再亢進は，水温25℃および30℃において顕著であった。
　これらの知見は，研究仮説を支持するものであり，水温が運動によって上昇した直腸温の低下および運動時に抑制された心臓副交感神経系の再亢進に関与することを示唆する。

謝辞
　本研究を遂行するにあたり，川崎医療福祉大学健康体育学科小野寺ゼミの諸氏に協力を頂きました。ここに記して感謝の意を表します。

文 献

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