筋肉の仕組み
本記事はアドベントカレンダーhttps://adventar.org/calendars/4560 の記事です
はじめに
みなさんこんにちは、こんばんわ。
9日目担当のがきおです。
普段生活をするなかで、歩いたり、走ったり、ご飯を食べたりといろんなところで体を動かしていると思います。
体を動かすという行為を担っているのが筋肉です。
みなさんは普段から何気なく使っている筋肉がどのような構造になっていて、どのように動いているか知っていますか？
実生活にはあまり役に立たないと思いますが、本記事では筋肉の仕組みについてざっくりとお話しをしようかなと思います。
(日本語力が皆無なので、読みにくい文章だと思いますがご了承ください…)
目次
筋肉を動かす指令
筋肉の構造
筋肉の制御
筋肉と人間の動き
おまけ：「筋肉がつく」とは
まとめ
筋肉を動かす指令
ここでは例として、腕を曲げて力こぶをつくるという動作を考えてみます。
力こぶをつくる動作をしようとすると、まず脳から上腕二頭筋に「筋を収縮させろ」という指令が出ます。
この指令、実は電気信号で体の中には電気が流れています。
理科の教科書で、カエルに電気を流すとカエルが動くという実験を見たことがある人もいるのではないでしょうか。
あの実験はカエルに流れた電気により筋肉が反応して収縮するため動いているのです。
脳から発生した電気信号は神経を通じて、α運動ニューロンに届きます。α運動ニューロンには筋肉の細胞が繋がっていて、脳からきた電気信号に基づいて筋肉の制御を行います。
(ただし、熱いお湯等を触った時にさっと手を引く「反射」など、脳が指令を出さなくても筋肉が反応する場合もある)
また余談ですが、運動が得意な人をよく運動神経が良いといいますが、運動神経という言葉は実在しており、体や内蔵の筋肉の動きを指令するための神経の総称のことを言うみたいです。
筋肉の構造
筋肉は筋線維と呼ばれる細い線がたくさん束になった構造になっています。よくある筋肉のイメージ、真ん中が太くて両端が細いやつは、細い線状の筋線維がたくさん束になったものと考えてください。
筋肉の制御
先ほど、α運動ニューロンには筋肉の細胞が繋がっていて、脳からの指令に基づいて筋肉を制御するとお話ししましたが、α運動ニューロンひとつにたくさんある筋線維全てがつながっているのではなく、実際に繋がっているのは複数個の筋線維です(筋肉の種類によってその個数も異なります)。
ひとつのα運動ニューロンとそこに繋がっている複数個の筋線維を運動単位といい、複数個の運動単位で筋肉全体を制御しています。例えば上腕二頭筋に100個の運動単位があるとして、100%の力で力こぶをつくる場合は100個の運動単位が活動し、30%くらいの力なら30個の運動単位が活動するみたいなイメージで、力の大きさによって活動する運動単位の数が変化します。
また、疲労によっても活動する運動単位の数が変化し、30%の力でも活動する運動単位の数は、30個→50個→…→100個と疲労の度合によって増えていきます。
α運動ニューロンが筋肉をどのように制御しているのかという詳しい説明は、長くなってしまうので今回割愛させていただきます。気になる方は調べてみてください！
また、制御工学的に筋肉の運動理論を知りたい人はFeldmanのλ-modelとか仮想軌道制御仮説とかで検索してみるといいかもしれません。
筋肉と人間の動き
α運動ニューロンが活動すると、筋肉は収縮を始めるというお話をしました。しかし、筋肉は収縮することしかできません。ではどのようにして収縮だけで人間の様々な動きを実現させているのでしょう。
人間の動きは関節を曲げることで実現しています。大体の筋肉は、1つの関節に対して2つついており、片方の筋肉が縮むともう片方の筋肉が伸びるというように綱引きをすることで関節を駆動させています。
例えば上腕二頭筋の場合、ペアとなっているのが上腕三頭筋(二の腕の筋肉)です。上腕二頭筋が縮むと上腕三頭筋が伸びて上肢(肘から先)が曲がり、上腕三頭筋が縮むと上腕二頭筋が伸びて上肢が伸びます。
このように、2つの筋肉が互いに伸びたり縮んだりすることで関節を駆動させ、人間の様々な動きを実現させているのです。
おまけ：「筋肉がつく」とは
よく筋トレ等の運動をすると「筋肉がつく」といいますが、筋肉が増えているわけではありません。実は筋肉の数(筋線維)は生まれたときから決まっています。実際には1本1本の筋線維が太くなることを「筋肉がつく」といいます。
筋線維は非常に細くできていて、すぐに切れてしまいます。切れた筋線維はタンパク質などによって補修されるのですが、この切れて補修するというはたらきを繰り返すことで、切れにくくなります。そしてさらにそれを繰り返すと筋線維が太くなり「筋肉がつく」ということになります。
運動した次の日に筋肉痛になることがあると思いますが、これは筋線維が損傷したことによる炎症です。つまり、筋肉がついている証拠ということになります。
まとめ
筋肉は脳からの電気信号によって収縮する。
筋肉はたくさんの筋線維が束になった構造になっている。
1つのα運動ニューロンとそこに繋がる複数の筋線維を運動単位という。
複数の運動単位で筋肉全体を制御している。
力の大きさによって活動する運動単位の数が変わる。
筋肉は2つで1組。お互いに綱引きをしている。