理学療法士の大塚です。今回は、理学療法士・作業療法士の皆様向けに、筋力発揮の要素である「モーターユニット」と「発火頻度」について、臨床での活用に焦点を当てて解説します。日々の治療プログラムやリハビリテーションでどのように活かせるのか、実践的なポイントと手順をまとめました。ぜひ、日々の臨床でご活用ください。
はじめに
リハビリテーションやトレーニングの場面で重要なのは、「なぜ筋肉は大きな力を発揮できるのか？」「なぜ微妙な力加減が可能なのか？」という疑問に答える「筋力発揮の仕組み」を理解することです。筋の力は、主にモーターユニットと発火頻度という2つの要素によってコントロールされます。本記事では、筋力発揮の基礎となるこれらのメカニズムを分かりやすく整理し、臨床的にどのように応用できるかを解説します。特に理学療法士・作業療法士が患者さんの筋力改善を目指す上で、モーターユニットの動員や発火頻度の調整を考慮することは、効果的かつ安全なリハビリテーションを行うための重要なポイントとなります。
6.1 モーターユニット (Motor Unit)
モーターユニットの定義と特徴
モーターユニットとは、1個のα運動ニューロン（運動神経細胞）と、それが支配する筋線維群からなる機能単位のことです。筋収縮の最小単位とも呼ばれ、「運動ニューロン1個」とは、脊髄前角細胞や脳幹の運動核に存在するα運動ニューロンを指します。この運動ニューロンの軸索は末梢へ伸びて筋に到達し、さらに多数に分岐して、複数の筋線維と神経筋接合部（NMJ）を形成します。
全か無かの法則
同じモーターユニットに含まれる筋線維は、運動ニューロンが発火すると一斉に収縮し、発火しなければ全く収縮しません。これは「全か無かの法則」と呼ばれ、運動ニューロンの活動電位が閾値に達した場合、支配下の筋線維がすべて同時に動員されるという仕組みです。同タイプ線維による構成
1つのモーターユニットを構成する筋線維は、基本的に同じタイプ（例：速筋線維タイプIIaのみ、遅筋線維タイプIのみなど）です。これにより、運動ニューロンの発射様式や代謝特性が似通った筋線維が同時に動員され、協調して力を発揮します。支配比と精密運動
1つのモーターユニットが支配する筋線維数（支配比）は、筋の機能によって大きく異なります。微細な運動を要する手指などでは、1モーターユニットあたりの筋線維数が極めて少なく（数本〜十数本）、きめ細かな動きが可能です。一方、大腿四頭筋など大きな力が必要な筋では、1モーターユニットあたり数百〜数千の筋線維を支配しており、精度よりも強力な出力を重視した構造になっています。
ミニコラム：眼球運動とモーターユニット
例えば、眼球運動を制御する外眼筋では、1つの運動ニューロンが支配する筋線維数が非常に少なく、運動ニューロンがわずかな発火を行うだけでも、目の位置を繊細に調節できます。私たちが日常的に、極めて高速・高精度の視線移動を行える背景には、こうした小さなモーターユニットが数多く存在することが挙げられます。
6.2 筋力調整のメカニズム
筋が発揮する力（トルク）は、動員されるモーターユニットの数と、各モーターユニットの発火頻度の2つの要素によって調整されます。以下では、それぞれの仕組みを詳しく説明します。
1. 動員単位数
筋がわずかな力しか必要としない時は、小型のモーターユニット（遅筋線維中心）だけが活動し、力が必要になるにつれて大型のモーターユニット（速筋線維中心）が追加で動員されます。これを「Hennemanのサイズ原理」と呼びます。具体的には次のような流れです。
小さなモーターユニットから順に動員
最初は、閾値が低い、小さな細胞体を持つ運動ニューロン（タイプI遅筋線維を支配）が活動を始めます。これらのユニットは疲労耐性が高く、弱い力を持続的に生み出すのに適しています。出力が必要になれば大型モーターユニットまで総動員
より大きな力が必要な場面では、次第に閾値の高い大型の運動ニューロンが活動を開始し、パワー型の速筋線維（タイプIIxなど）を動員します。最終的に最大筋力が必要な時には、すべてのモーターユニットが総動員されます。
このように、小さな力から大きな力まで段階的にモーターユニットを追加していくことで、私たちは細やかな力加減から最大努力までスムーズに対応できるのです。
臨床的意義：トレーニング負荷とサイズ原理
リハビリテーションやトレーニングでは、どの程度の負荷をかけるかによって、動員されるモーターユニットが異なります。例えば、低負荷・高回数の運動では、主に遅筋線維が動員され、持久力の向上に役立ちます。逆に、高負荷のトレーニングでは、速筋線維（IIxなど）が動員されやすく、筋力やパワーの向上に効果的です。
2. 発火頻度
もう1つの要素は、「同じモーターユニットが1秒間に何回活動電位を発射するか」という発火頻度（Rate Coding）です。1回の活動電位に対して筋線維は「単収縮（ツイッチ）」と呼ばれる短い収縮を起こしますが、発火頻度が上がると各単収縮が重なり合って足し合わさり（サマレーション）、筋力がさらに増大します。ある閾値を超えた高頻度では、筋線維は持続的な強縮（テタヌス収縮）に至り、最大レベルの張力を保ち続けることができます。
- 低頻度刺激: 単収縮が独立して起こるため、筋力の立ち上がりが小さく、時間的な「ピクつき」が明確
- 中〜高頻度刺激: 単収縮が部分的に加算され（不完全強縮）、連続した大きな筋力を発揮
- 非常に高頻度刺激: テタヌス収縮を形成し、モーターユニットの最大張力を発現
臨床的意義：テタヌス収縮と筋力維持
例えば、患者さんが重い物を持ち上げ続ける場面を想定すると、高頻度の発火で強縮状態が維持されることで、ある程度の時間、筋力の発揮が継続します。電気刺激療法（NMES）においても、周波数を30〜50Hz程度に設定すると、強縮に近い収縮を得やすく、筋力増強やポンプ作用による血流改善に活用できます。
臨床応用
筋力発揮を規定する要素を知ることで、リハビリテーションやトレーニングの内容を科学的に設計・評価することができます。ここでは、主に初期の筋力向上メカニズム（神経適応）と、電気刺激療法（NMES）を中心に、モーターユニット動員と発火頻度の観点から臨床応用例を紹介します。
初期の筋力向上と神経適応
レジスタンストレーニングを始めたばかりの段階で、筋断面積がほとんど変わらないのに筋力が著しく向上することがよく知られています。これは神経適応と呼ばれ、筋肥大が起こる前に、モーターユニットの動員効率や発火頻度が向上する結果と考えられています。具体的には、
- これまで十分に使われていなかった高閾値のモーターユニットが活性化されやすくなる
- 運動ニューロン間のシナプス伝達効率が上がり、より同期した発火が起こりやすくなる
- 拮抗筋の不要な活動が抑制され、主動筋の出力が増大する
こうした神経学的な改善により、数週間の短期間で筋力が向上します。理学療法士・作業療法士がトレーニングプログラムを提案する際、初期段階は筋肥大がまだ見られなくても、神経適応によってADLや動作が改善し得ることを患者さんに説明すると、モチベーション維持にもつながります。
電気刺激療法（NMES）
NMESの基本
電気刺激療法（NMES）は、外部から電極を用いて運動ニューロンを直接興奮させる技術です。神経が保たれていれば、患者さんが自分で力を入れられない状態（術後の疼痛や重度麻痺など）でも、NMESによって強制的に筋収縮を誘発できます。周波数（刺激頻度）を設定して発火頻度を制御し、電流強度を調整して動員されるモーターユニットの数を変化させることで、目的に応じた収縮様式を得ることが可能です。
周波数とテタヌス収縮
NMESでは、おおよそ30〜50Hz程度の中程度の周波数設定で、連続的な収縮（強縮）を誘発しやすくなります。低すぎる周波数ではピクつき（単収縮）になりやすく、高すぎる周波数（70Hz以上）では疲労や痛みが大きくなるため、患者さんの耐えられる範囲や目的に応じて最適化が必要です。強縮収縮を連続的に繰り返すことで、筋力増強だけでなく、筋ポンプ効果による血流改善・浮腫軽減にも効果があります。
動員順序の違い
生理的な随意収縮の場合、サイズの原理に従い小型のモーターユニットから順に動員されますが、NMES下では電極に近い大径のニューロンが先に興奮しやすく、必ずしも自然の順序に従いません。また、NMESで誘発された収縮では、短時間に速筋線維が優先的に動員され、疲労しやすいという特徴があります。そのため、NMESセッションではインターバルを十分に取り、筋疲労を避ける工夫が重要です。
麻痺筋への応用
脳卒中など中枢神経疾患で自発運動が難しい患者さんにも、NMESを適用することで患側筋に収縮刺激を与えられます。これは廃用性の萎縮を防ぐだけでなく、中枢神経の可塑性を促す可能性も指摘されており、随意収縮との併用やバイオフィードバックとの組み合わせが研究・臨床で行われています。
まとめ
本記事のポイントを整理します。
| 項目 | 内容 |
|---|---|
| モーターユニット (Motor Unit) |
|
| 筋力調整のメカニズム |
|
| 臨床応用 |
|
多くの受講生が選ぶ療活一番人気のセミナー 6日で学ぶ”信頼される療法士”の土台を作る
リハビリで悩む療法士のためのオンラインコミュニティ「リハコヤ」
