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こんにちは！
陣内です。
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それでは内容に入っていきましょう‼
はじめに：動けないときでも筋肉を守る方法があるかもしれない
私たちの体を支える骨格筋は、日々の活動によってその機能を維持しています。
しかし、手術後の安静期間や怪我による固定、あるいは加齢に伴う活動量の低下など、さまざまな理由で筋肉を十分に動かせない時期があります。そのようなとき、筋肉は驚くほど速やかに萎縮し、筋力も低下してしまいます。
ここで注目されているのが、神経筋電気刺激、英語ではNeuromuscular Electrical Stimulation、略してNMESと呼ばれる技術です。
これは皮膚の上から電気を流すことで、意志とは関係なく筋肉を収縮させる方法です。古くからリハビリテーションの現場で使われてきた技術ですが、近年、その効果を分子レベルで解明しようとする研究が進んでいます。
2024年に発表されたFlodinらの研究は、健康な成人30名を対象に、たった1回のNMESセッションが筋肉内の遺伝子発現にどのような影響を与えるかを、RNAシークエンシングという網羅的な解析手法を用いて詳細に調べました。この研究から見えてきたNMESの可能性について、他の関連研究の知見も交えながら、専門家の皆様にお伝えしたいと思います。
NMESとは何か：基本原理のおさらい
NMESは、皮膚に貼り付けた電極から電気を流し、その刺激によって筋肉を収縮させる技術です。通常、私たちが体を動かすときは、脳から脊髄を経由して運動神経に信号が送られ、それによって筋繊維が収縮します。NMESでは、この信号経路の末梢部分を直接刺激することで、脳からの指令がなくても筋収縮を引き起こすことができます。
この技術の歴史は意外と古く、18世紀にガルバーニが電流によって筋肉が収縮することを発見したことに遡ります[1]。現代では、リハビリテーション医療において、筋力低下の予防や改善、運動機能の再教育などに広く応用されています。
刺激のパラメータとしては、周波数、パルス幅、強度などが重要な要素となります。一般的に、周波数30〜50Hz、パルス幅400〜600μsあたりが、効果的な筋動員と過度の疲労回避のバランスが取れた設定とされています[1]。
Flodinらの研究：何がわかったのか
研究デザインの概要
この研究では、健康な成人30名の大腿四頭筋に対して、30分間のNMESセッションを実施しました。使用されたのは、電極が組み込まれた特殊なパンツ型のデバイスで、各参加者の最大随意収縮力の20%に相当する力が出るように刺激強度が設定されました。
比較対象として、従来型のレジスタンス運動、具体的には1回反復最大重量の80%でのニーエクステンションも行われました。そして、運動前と運動後3時間の時点で外側広筋から筋生検を行い、遺伝子発現の変化を網羅的に解析しました。
驚きの結果：4,000以上の遺伝子が変化
NMESによって発現が変化した遺伝子、いわゆる差次的発現遺伝子（DEGs）の数は4,448個に上りました。これは、従来型レジスタンス運動による2,571個を大きく上回る数値です。
さらに興味深いことに、NMESで変化した遺伝子の約80%が、レジスタンス運動で変化した遺伝子と重複していました。つまり、NMESは随意運動と非常によく似た分子応答を筋肉内で引き起こしているということになります。
両者で逆方向に変化した遺伝子はわずか8個しかなく、これはNMESと随意運動の分子シグネチャーが本質的に類似していることを示唆しています。
遺伝子セット濃縮解析からみた経路の特徴
遺伝子セット濃縮解析（GSEA）の結果、NMESとレジスタンス運動の両方で活性化される経路と、それぞれに特有の経路が明らかになりました。
共通して活性化された経路には、筋タンパク質代謝や筋肥大に関わるものが含まれていました。一方で、NMESに特有の経路や、レジスタンス運動に特有の経路も存在し、両者の刺激様式の違いを反映しているものと考えられます。
不快感は許容範囲内：ウェアラブルデバイスの可能性
NMESの臨床応用において大きな課題となってきたのが、患者さんのコンプライアンス、つまり治療を継続してもらえるかどうかという問題です。従来の粘着ゲル電極は、正確な位置への貼付が難しく、また皮膚刺激や不快感の原因にもなっていました。
Flodinらの研究では、最大随意収縮力の20%という比較的低い強度設定において、視覚的アナログスケール（VAS）で4未満の不快感スコアが得られています。これは「軽度の不快感」に相当し、多くの人にとって許容可能なレベルと考えられます。
また、この研究では電極が組み込まれたパンツ型デバイスが使用されましたが、別の研究グループによれば、このようなテキスタイル電極を用いたウェアラブルデバイスは、電極の位置決めを容易にし、自宅でのケアを促進し、治療への遵守を改善する可能性があることが示されています[2]。
興味深いことに、最近の研究ではテキスタイル電極とハイドロゲル電極を比較し、快適性、一貫性、効率性において有意差がなかったと報告されています[3]。洗濯可能で再利用できるテキスタイル電極は、使い捨てのハイドロゲル電極に代わる有望な選択肢となりうるでしょう。
筋萎縮予防への応用：固定期間中の筋量維持
NMESの最も確立された応用分野の一つが、固定期間中の筋萎縮予防です。Dirksらの研究では、健康な若年男性24名を対象に、5日間の片脚固定中にNMESを行った群と行わなかった群を比較しました[4]。
その結果、対照群では大腿四頭筋の断面積が3.5%減少したのに対し、NMES群では有意な筋量減少は認められませんでした。分子レベルでは、筋萎縮に関わるMAFbxやMuRF1といった遺伝子の発現が、対照群では増加したのに対し、NMES群では減少または変化なしでした。
ただし、筋力については両群とも低下が認められ、NMESは筋量の維持には有効でも、筋力の完全な維持には至らない可能性が示唆されています。これは、筋力が筋量だけでなく神経系の要因にも大きく依存していることを反映しているのかもしれません。
集中治療室（ICU）の患者さんを対象とした研究でも、NMESは筋萎縮の進行を軽減することが報告されています[5]。重症患者では意識障害や人工呼吸器管理、薬剤の影響などにより筋タンパク質の分解が促進されますが、NMESはそのような状況でも一定の保護効果を発揮する可能性があります。
高齢者とサルコペニア：加齢に伴う筋肉減少への対策
サルコペニアとは、加齢に伴う骨格筋量と筋力の進行性低下を指す言葉です。30代後半から筋肉量は徐々に減少し始め、60歳を過ぎると減少速度が加速するとされています[6]。サルコペニアは転倒リスクの増加、日常生活動作の低下、さらには死亡率の上昇とも関連しています。
高齢者、特に身体活動が制限されている方々にとって、NMESは運動の代替手段となる可能性があります。従来の運動プログラムへの参加が困難な高齢者でも、NMESであれば座位や臥位のまま筋活動を誘発することができます。
高齢者を対象とした研究では、NMESによって筋タンパク質の代謝回転、肥大、炎症、筋成長に関わる遺伝子が上方制御される一方、ミトコンドリア機能や細胞シグナル伝達に関わる遺伝子は下方制御されることが報告されています[7]。
興味深いことに、NMESトレーニングによる適応は、レジスタンストレーニングと持久性トレーニングの両方の特徴を併せ持つという報告もあります[8]。具体的には、筋力増強と肥大というレジスタンストレーニング的効果と、ミオシン重鎖アイソフォームの速筋から遅筋へのシフトおよび代謝プロファイルの解糖系から酸化系へのシフトという持久性トレーニング的効果が観察されています。
マイオカインの分泌：筋肉は内分泌器官である
近年、骨格筋は単なる運動器官ではなく、さまざまな生理活性物質を分泌する内分泌器官でもあることが明らかになっています。筋収縮に応じて分泌されるこれらの物質は「マイオカイン」と呼ばれ、全身の代謝調節に重要な役割を果たしています[9]。
マイオカインの代表例がインターロイキン6（IL-6）です。IL-6は炎症性サイトカインとしても知られていますが、筋収縮に伴って分泌されるIL-6は、むしろ抗炎症作用や代謝調節作用を持つことが示されています。運動時には血中IL-6濃度が最大100倍にも上昇することがあり、この上昇は筋損傷を伴わない動的運動中にも起こります[10]。
NMESもまた、マイオカイン分泌を誘導する能力があることが示唆されています[9]。電気刺激による筋収縮は、随意的な筋収縮と同様に、さまざまなシグナル伝達経路を活性化し、マイオカインの産生と放出を促進する可能性があります。
培養筋管を用いた実験では、1時間の電気刺激によってIL-6の分泌が増加することが報告されています[11]。この分泌は、筋細胞の機械的な動きよりも、細胞内カルシウム動態によって制御されていることが示唆されています。
これらの知見は、NMESが局所的な筋効果だけでなく、マイオカイン分泌を介した全身的な代謝効果をもたらす可能性を示唆しています。
慢性疾患患者への応用：心不全とCOPD
心不全や慢性閉塞性肺疾患（COPD）の患者さんでは、息切れや疲労感のために従来の運動療法が困難なことがしばしばあります。このような患者さんにとって、NMESは過度の心肺負荷をかけずに筋力を改善できる代替手段となりうります。
Cochrane Reviewのシステマティックレビューでは、COPD、慢性心不全、がんなどの進行性疾患を持つ成人において、NMESが筋力弱化を改善する有効な手段であると結論づけています[12]。具体的には、大腿四頭筋筋力の標準化平均差が0.9（約25ニュートンメートル相当）という改善が得られています。
また、6分間歩行テストでは40メートル、漸増シャトルウォークテストでは69メートル、持久シャトルウォークテストでは160メートルの改善が報告されています[12]。
心不全患者を対象とした研究では、NMESによる機能的能力（VO2peakで測定）の改善が、従来の有酸素トレーニングと同程度であったことが報告されています[9]。特に、運動能力が低い患者さんほど大きな改善が得られる傾向があるようです。
COPDの患者さんにおいては、高周波NMES（75Hz）と低周波NMES（15Hz）の両方で、酸素消費量、分時換気量、症状知覚が許容範囲内であることが示されています[13]。これは、重度の呼吸困難を持つ患者さんでもNMESが適用可能であることを示唆しています。
血糖コントロールへの効果：代謝疾患への可能性
骨格筋は体内最大のグルコース取り込み組織であり、インスリン感受性の主要な決定因子です。したがって、筋収縮を誘発するNMESが血糖コントロールに影響を与える可能性は十分に考えられます。
実際、NMESが血糖代謝に良い影響を与えることを示唆する研究が蓄積されています。あるシステマティックレビューでは、NMESが全身の炭水化物利用を増加させることが報告されています[14]。また、刺激強度と血糖値の間には有意な相関があり、収縮強度が急性のグルコース代謝に大きく寄与していることが示されています。
座りがちな過体重・肥満のヒスパニック系住民を対象とした研究では、4週間のNMESトレーニング（週3回、30分/セッション）により、耐糖能が改善することが報告されています[15]。この改善は、NMES中の血中乳酸値の上昇と関連しており、グルコース利用の増加を反映していると考えられます。
2型糖尿病患者を対象とした研究では、低周波NMES（8Hz）によって、刺激60分後および120分後の血漿グルコース濃度が対照条件と比較して有意に低下したことが報告されています[16]。
さらに、脳卒中後の片麻痺を伴う2型糖尿病患者において、12週間のNMES介入がHbA1c、総コレステロール、LDLコレステロールを有意に低下させたという報告もあります[17]。運動が困難な患者さんにとって、NMESは血糖管理の補助手段となる可能性があります。
静脈血流の改善：血栓予防への期待
固定や安静臥床に伴う合併症の一つに、深部静脈血栓症があります。下肢の筋ポンプ作用が失われることで静脈還流が低下し、血栓形成リスクが高まります。
NMESによる筋収縮は、この筋ポンプ作用を代替し、静脈血流を改善する可能性があります。Flodinらの別の研究では、テキスタイル電極を組み込んだパンツ型デバイスによる大腿四頭筋NMESが、大腿静脈のピーク静脈血流速度を最大173%増加させることが示されています[2]。
膝関節置換術や大手術を受ける患者において、抗凝固薬とNMESを併用することで血栓リスクが低下したという報告もあります[1]。NMESを血栓予防の単独治療として使用できるかどうかについてはさらなる研究が必要ですが、補助的手段としての有用性は示唆されています。
技術の進歩：スマートテキスタイルの可能性
NMESの普及における大きな障壁は、電極の配置や装着の煩雑さでした。従来のハイドロゲル電極は、正確な位置への貼付が必要で、乾燥による導電性低下や皮膚刺激などの問題がありました。
この課題を解決する可能性があるのが、導電性繊維を用いたテキスタイル電極です。衣服に電極を組み込むことで、装着が容易になり、電極位置のばらつきも減少します。
複数の研究グループが、パンツやソックスに電極を統合したウェアラブルNMESデバイスを開発しています[2][3][18]。これらのデバイスは、従来のハイドロゲル電極と同等の効果を持ちながら、洗濯可能で再利用でき、自宅でのセルフケアを可能にする点で優れています。
ある研究では、靴下に組み込まれたテキスタイル電極を用いた低強度NMESが、1Hzの周波数で最も快適かつ効率的に足関節の底屈を誘発できることが示されています[18]。
こうした技術革新により、病院を離れた環境でも継続的なNMES治療が可能になり、治療へのアドヒアランス向上と医療コスト削減の両立が期待されます。
随意運動との違い：NMESに特有の筋動員パターン
NMESと随意運動では、筋線維の動員パターンに違いがあることが知られています。随意運動では、サイズの原理に従って小さな運動単位（主に遅筋線維）から順に動員されますが、NMESではこの順序性が必ずしも保たれません。
NMESでは、電極に近い筋線維や閾値の低い運動単位が優先的に活性化される傾向があり、速筋線維が比較的早期から動員される可能性があります。この特性は、速筋線維の萎縮が顕著な条件（例えば長期臥床後など）において、治療的に有利に働く可能性があります。
また、NMESトレーニングによる適応が、レジスタンストレーニングと持久性トレーニングの両方の特徴を持つという報告は、この独特の動員パターンに起因している可能性があります[8]。つまり、NMESは随意運動では得られにくい複合的な適応を引き起こす可能性を秘めています。
現在の限界と今後の課題
NMESの可能性は大きいものの、いくつかの限界点も認識しておく必要があります。
まず、多くの研究で示されているように、NMESは筋量の維持・増加には効果的ですが、筋力の完全な維持については効果が限定的な場合があります[4]。これは、筋力が神経系の適応（運動単位の同期化、皮質興奮性の変化など）にも依存しているためと考えられます。
また、最適な刺激パラメータ（周波数、強度、デューティサイクル、セッション時間、週あたりの頻度など）についてはまだコンセンサスが得られていません。対象者の状態（健常者vs患者、若年者vs高齢者など）によっても最適なプロトコルは異なる可能性があります。
さらに、随意運動と比較した場合の長期的効果については、エビデンスがまだ限られています。Flodinらの研究で示されたような急性期の遺伝子発現変化が、継続的なトレーニングを通じてどのような形態的・機能的適応につながるかは、今後の研究課題です。
NMESの安全性については概ね確立されていますが、心臓ペースメーカー装着者、てんかん患者、妊婦などでは禁忌または注意が必要です。
また、電極配置位置（頸部や胸部への刺激は避けるべき）についても注意が必要です。
おわりに：NMESがもたらす新たな可能性
Flodinらの研究は、たった1回の30分間NMESセッションが4,000以上の遺伝子発現変化を引き起こし、その80%が随意運動と共通していることを明らかにしました。これは、NMESが単なる「筋肉を動かす」以上の、深い分子レベルでの効果を持つことを示唆しています。
NMESは、手術後のリハビリテーション、加齢に伴う筋力低下への対策、心肺疾患患者の運動療法代替、血糖コントロールの補助、静脈血流の改善など、幅広い臨床応用の可能性を持っています。
ウェアラブルテキスタイル技術の進歩により、自宅でも簡便に継続できるNMESデバイスの実用化が進んでいます。こうした技術革新と、分子メカニズムの解明が進むことで、NMESはより多くの人々の健康維持・増進に貢献できるようになるでしょう。
もちろん、すべての人にNMESが適しているわけではありませんし、随意運動が可能な方にとっては、自発的な運動が第一選択であることに変わりはありません。しかし、何らかの理由で十分な運動ができない方々にとって、NMESは貴重な選択肢となりうるでしょう。
今後のさらなる研究の進展により、最適なプロトコルの確立や長期効果の検証が進むことが期待されます。NMESという技術が、すべての人が身体活動の恩恵を受けられる社会の実現に向けた一助となることを願っています。
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