高等動物に代表される生命システムは進化や様々な環境への適応を通じて、動物特有の高度な運動生理機能を獲得してきたと考えられています。運動の遂行に必要不可欠なシステムである呼吸調節系と循環調節系は、動的フィードバックシステムを形成しており、運動の開始とともに急激に生じる代謝量の増大に対して、速やかに血液ガス（O2, CO2, pH）や血圧の恒常性を維持すべく合目的にその機能を発揮していると考えられています。

最近の我々の研究成果に基づく解釈では、心不全患者において運動時発現する呼吸異常や、スポーツ選手にみられる運動時の換気抑制は、呼吸調節系の動的制御機能の安定性や速応性機能が病態によって損なわれたり、逆に、長期トレーニング適応によってその機能が増強されるメカニズムが、それぞれ関与していると考えています。

現在、私の研究室では、システム生理学的アプローチ、すなわち工学系の分野で広く用いられている線形システム解析を用いた研究手法を導入し、以下の研究テーマに取り組んでいます。

①生体の統合的呼吸・循環調節機構の解明

②運動時の呼吸・循環系ダイナミクスのメカニズム解明

③呼吸・循環系の動的フィードバック制御機能定量評価法の開発

④長期運動トレーニングによる生体システム適応機構の解明と運動種目別最適トレーニング法の開発

⑤運動performanceの決定に関わる主要な生理学的メカニズムの解明

⑥生体調節系の異常にもとづく疾患の病態解明と、重症度評価法の開発および治療戦略の構築

これらの研究を段階的に実施、継続することで、複雑な生命現象の本質に迫りたいと考えています。最終的には、呼吸と循環調節の相互連関の動的制御の仕組みや、心不全の病態において生じる呼吸異常の発生メカニズム、運動時の呼吸循環反応の動作原理および長期トレーニングによる運動適応現象のメカニズムを探り、臨床やスポーツの現場に成果を還元したいと考えています。

2002年、「ヒトゲノムプロジェクト」の完了宣言が報じられました。今後は「遺伝子から個体へ」あるいは「分子からヒトへ」の視点に立って生体機能とメカニズムを解明するという、「システムバイオロジー」としての生理学研究の流れがポストゲノム研究の潮流になると考えています。その中において、私は運動に対する呼吸循環系の動的で複雑な反応をシステム的に理解し研究することの重要性や魅力をアピールし続けたいと考えています。

ヒトの呼吸循環器系、その秘めたるパワー

ヒトの呼吸循環器系、その秘めたるパワー

運動生理学

運動生理学の医療現場での活用は、まだこれからという状況です。「運動」というとどうしても体育会系のイメージが強くなるせいで、運動について正しく深い知識を持ち、臨床に応用している現場は多くはありません。患者さんに対してきちんとした効果的な運動療法ができれば、投薬を減らすことにもつながり、患者さんの負担が軽減できます。

運動の医療への効用を広く認識してもらうために、若い力が求められています。まだまだ研究しなければならないことがたくさんあります。

ヒトの呼吸循環器系は「省エネ優等生」

運動をすると心臓の鼓動が速くなり、息が上がります。普段より血液が多く送り出され、呼吸循環器がフルに働きます。この状態からわかることは、ヒトは普段、呼吸循環器の能力をセーブして使っているということです。そもそも呼吸循環器は運動時を前提に能力設計されていて、安静時には最大能力の約5～15％しか使っていません。いわば省エネ運転しているようなものなのです。

運動によって心肺機能は強化される

ヒトの呼吸循環器系が機械と違うのは、より強い運動に適応していくところです。運動すると、ヒトの身体には瞬間的に急激な負荷がかかります。そのため身体は運動に対し、最大限の準備をして態勢を整えます。特に自律神経系は瞬時に反応し、心肺機能や筋肉の代謝機能を運動負荷に応じて制御します。長期的に運動を続け、それを繰り返すことで、心肺機能や筋肉が強化されていきます。アスリートの身体や身体機能がどんどん変化し、記録更新がなされるのはこういう理由です。

パフォーマンスの数値化が医療現場でも役立つ

しかし、どのような運動をどの程度の時間をかけて行えば、呼吸循環器系のはたらきが変化していくのか、理論的にははっきりしていません。今までは経験則を元に指導やトレーニングが行われてきました。運動生理学の研究でこれらの数値を体系化できれば、アスリートにとってはトレーニングの最適化につながり、また一般の人たちの健康を保つための運動指導にも役立ちます。さらに呼吸循環器系の疾患のある患者さんにも、運動を一つの検査手法や療法として用いることができるようになります。安静時に検査してもわからなかったことが、運動負荷を与えたときに明らかになることもあるでしょう。

運動生理学というとスポーツのイメージが強くありますが、医療の現場で役立つ可能性も高いのです。医療現場での運動に対する理解を深め、高い知識を持つ指導者を育てていくことが運動生理学の今後の大きな課題と言えます。

一問一答

――先生の専門分野は何ですか？

運動生理学です。その中でも、運動に対して呼吸循環系がどのように反応しているか、というメカニズムの解明に取り組んでいます。

――呼吸循環系のメカニズムとは、分かりやすく言えばどういうことですか？

たとえば、走ったり自転車をこいだりといった運動負荷が掛かると、体から一気に酸素が抜き取られ、体内が酸性化して体が危機的な状況に陥ります。運動時に呼吸や心拍が上がるのはそのような危機から体を守るためですが、その際の呼吸や循環の調節はまるで職人技のように秒単位で正確です。それがどんなメカニズムで行われているかを明らかにしたいと思っています。

――どのような方法で明らかにするのですか？

体の中の複雑な仕組みを明らかにするために、私はシステム生物学のアプローチを用いた研究を行っています。これは、たとえば飛行機の自動操縦のように何かをコントロールする仕組みを考える「制御工学」の手法を、生体のシステムを解明する際に応用したもので、比較的新しい学問領域といえます。

――具体的には、今どんな研究をしているのですか？

小動物の呼吸と循環をそれぞれ独立して人工的にコントロールできるような実験システムを開発しているところです。呼吸と循環の調節をつかさどる場所は脳内の少し離れた場所にあるとされており、両者がどんな仕組みで相互にリンクしているかは分かっていません。この実験システムができれば、呼吸と循環の一方を外部から操作し、他方がどのように変化するかを調べることができ、両者の連携の仕組みについて検証できると考えています。

――呼吸循環のメカニズムを解明できれば、どんなことに応用できますか？

スポーツ分野では、アスリートに最も効率のよいトレーニングを提案したり、医療分野では、呼吸器や循環器に疾患のある人が運動する際のしんどさを軽減する方法を見つけたりすることができると考えています。

――医療人を目指す学生に、運動生理学をどのように活かしていってほしいですか？

以前は、内科系疾患の患者さんに運動をさせることは禁忌でした。しかし、ここ10～20年はそうした患者さんにも運動療法が奨励されるようになってきました。運動療法は今後の医療に欠かせないものになると思いますし、今の学生たちが運動への理解を深め、正しい指導ができるようになって、これからの医療を担っていってほしいと思います。

知性について

１. ダイバーシティー 多様。世界の捉え方 視覚 聴覚、触覚、抽象的な捉え方、動きでもっての捉え方。様々

2. ダイナミック、インターラクティブ 創造性とは独創的で価値あるアイデアを構築するプロセスのこと。創造力は様々な分野や価値観の相互作用によって生まれる。

３. 比類なきもの