筋収縮の非線形特性を考慮したニューロマスキュラーシステムのモデリング

2003 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15500336
• Research Institution: Suzuka National College of Technology
• Principal Investigator: 齋藤 正美 鈴鹿工業高等専門学校, 電子情報学科, 教授 (30149934)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 田村 陽次郎 鈴鹿工業高等専門学校, 物理教室, 助教授 (20163701)
• Keywords: 脊椎動物 / 運動制御系 / 筋収縮 / 上腕二頭筋 / モデリング / 等張性収縮試験 / slow release試験 / 非線形特性

Research Abstract

人間を含む脊椎動物の運動学的振舞いの解析と理解を目的として,ヒト運動制御系の筋収縮過程(ニューロマスキュラーシステム)のモデリングを行った。対象とした過程は筋小胞体のCa^<++>濃度変化過程とサルコメア内におけるATP分解-張力発生過程(クロスブリッジサイクリング機構)であり,既提案のサルコメア力学模型(2-Maxwell & 1-Voigt Motor Model)を組み合わせた筋収縮過程モデルを作成した。そして,このモデルの妥当性を検証するため,骨格筋の収縮特性を特徴的に現出し得る各種筋収縮試験の数値シミュレーションを行い,過去の実験データとの比較・検討を行った。対象とした仮想試験は主に等張性収縮試験とslow stretch/release試験である。その結果,筋自身が力のフィードバック機能を備え,クロスブリッジサイクリング機構の平衡係数がコントロールされるという仮説を導入することによって,生体筋が示す重要な非線形特性(荷重-速度関係)を説明できること,およびこの仮説は筋へのエネルギー節減機能の付与と等価であることを示すことができた。slow stretch/release試験においては,「発生張力は筋外部から蒙った"正負の力積"に依存して増大又は低下する」と仮定すると発生張力の負荷履歴依存現象(force enhancement/depression)を説明し得ることができた。
上記の理論研究と並行して,上腕二頭筋に対するslow release試験を行うための筋収縮試験装置の設計・製作を行った。人間の上腕二頭筋を強制的に等速で収縮させ,生きた筋におけるforce depression現象を測定するための装置であり,最終的には上述の「力積」仮説を検証するためのものである。油圧ユニットとシリンダーを用いた収縮速度制御機能を具備している。同装置の設計・製作を完了した。

Research Products

• [Publications] Y.Tamura, M.Saito, R.Nagato: "A new motor model representing the stretch-induced force enhancement and shortening-induced force depression in skeletal muscle"Journal of Biomechanics. (2004)