20240219: 筋の成長率・非同期的・足底屈筋群

骨格筋の体積は、その機能的能力を決定する重要な要素です (Gans & Bock, 1965 ; Lieber & Fridén, 2000 )。具体的には、筋肉の体積によって、筋肉が生成できる最大パワーが決まります (Barrett & Harrison, 2002 ; O'Brien et al., 2009 )。筋線維組成（Lievens et al., 2020）、構造（Thom et al., 2007）、神経筋調整などの他の要因も筋力を決定します（Reid & Fielding, 2012）。

筋肉量は乳児期から成人期にかけて成長とともに大幅に増加します。根本的な疑問は、筋肉の成長が同期的であるかどうかに関するものです。つまり、成長のどの期間においても、すべての筋肉が同じ相対的に筋肉量の増加を経験するかどうかです。定型発達の子どもの成長率に関する知識は、たとえば脳性麻痺などの神経障害のある子どもの成長障害の理解に影響を与える可能性があります。現時点では、小児期の筋肉の成長に関する研究のほとんどが 1 つの筋肉のみを調査しているため、成長速度が筋肉間で異なるかどうかはほとんど不明です (Bell et al., 2021 ; Benard et al., 2011 ; Binzoni et al., 2001 ; De Beukelaer et al., 2023 ; D'Souza et al., 2019 ; Herskind et al., 2016 ; Morse et al., 2008 ; Walhain et al., 2023 ; Weide et al., 2015 , 2020）またはいくつかの筋肉（ Böl et al., 2017 ; Handsfield et al., 2022 ; Modlesky & Zhang, 2020 ; Mogi & Wakahara, 2022 ; O'Brien et al., 2010 ; Peeters et al., 2023 ; Siebert et al., 2017 ; Williamsら、 2022 ;柳沢ら、 2014）。オブライエンら ( 2010 ) は、大腿四頭筋の 4 つの構成要素が小児期から成人期にかけて体積が同様に相対的に増加することを報告しました。同様に、柳沢ら。 ( 2014 ) は、この期間中に回旋筋腱板の筋の 4 つの構成要素の体積が同様に相対的に増加することを発見しました。これら 2 つの研究は、太ももと肩の筋肉が同時に成長することを示唆しています。対照的に、ウサギの脚の筋肉は質量の相対的な増加が異なることが判明しました（Böl et al., 2017 ; Siebert et al., 2017）。私たちの知る限り、誕生から成人までの期間にわたる人間の下肢の筋肉の成長の同時性に関するデータはありません。
人間の筋肉量のほとんどの in vivo 測定は、3 次元超音波イメージングを使用して行われています (Bell et al., 2021 ; Peeters et al., 2023 ; Walhain et al., 2020 ; Weide et al., 2020 ; Williams et al., 2020 、 2021）しかし、超音波イメージングは​​深部の筋肉ではより困難であるため、筋肉の成長の研究への応用は主に表層の筋肉に限定されてきました。一部の研究では磁気共鳴画像法が使用されています（MRI; Bell et al., 2021 ; D'Souza et al., 2019 ; Handsfield et al., 2014 ; Handsfield et al., 2016 ; Handsfield et al., 2017 ; Morse et al. ., 2008 ; Noble et al., 2014 ; Noble et al., 2017 ; O'Brien et al., 2010 ; Oberhofer et al., 2010 ; Pitcher et al., 2018 ; Vanmechelen et al., 2018 ;柳沢らal., 2014 ) により、すべての筋肉の体積を測定できるようになります。それでも、1 人の参加者から多くの筋肉を手動でセグメント化するプロセス、または大規模なコホートから 1 つまたは 2 つの筋肉だけを手動でセグメント化するプロセスは非常に時間がかかるため、ほとんどの MRI 研究では少数の筋肉のみが分析されています (Domroes et al., 2021年）。人工知能の一種である畳み込みニューラル ネットワークの深層学習を使用した自動筋肉セグメンテーションの堅牢な方法の開発により、大規模なコホートから多数の筋肉をセグメント化することがより実現可能になりました (Ding et al., 2020 ; Isensee et al., 2021 ; Ni et al., 2019 ; Zhu et al., 2021 )。

この研究の目的は、定型発達の子供において人間の下肢の筋肉が同期的に成長するか非同期的に成長するかを判断することでした。私たちは、人間の下肢の筋肉が同時に成長するという仮説を、脚の筋肉全体の体積に占める個々の下肢の筋肉の体積が年齢とともに一定のままであるかどうかを調べることによって検証しました。この研究は、小児期の筋肉の成長に関する大規模で進行中の縦断的研究の一部です（Herbert et al., 2019）。この研究は、定型発達の子供における最初の規範的な参照データセットを提供し、脳性麻痺などの既知の筋成長障害のある子供における証拠基盤の進歩を可能にするでしょう。

性別の分布は年齢とともにそれほど変化しませんでした 。筋肉の絶対量は、年齢と脛骨の長さに応じて非線形に増加しました。筋肉量に対する年齢と脛骨の長さの影響は、男子と女子の間で目立った差はありませんでした 。
ほとんどの筋肉の相対体積は、誕生から 5 歳までの間に大幅に変化し、5 歳を超えると程度は低下します 。アイソメトリーのテストは、下腿の筋肉が同時に成長するという仮説を否定しました (男子p  < 0.001、女子p  < 0.001)。これは、下肢の筋肉が非同期的に成長することを示しています。相対体積が脛骨の長さまたは年齢に対してプロットされたかどうかに関係なく、非同期的な成長が観察されました。

最初の 5 年間で、出生時に最大だった 2 つの筋肉 (ヒラメ筋と内側腓腹筋) が、初期の体積に比べて他の筋肉よりも早く成長しました 。対照的に、前脛骨筋、長趾伸筋/長母趾伸筋/第三腓骨筋(EEP)群、後脛骨筋、長母趾屈筋は、初期体積に比べて他の筋肉よりもゆっくりと成長しました。
感度分析を行って、年長児の成長が同期的であるかどうかを判断しました（つまり、乳児期の成長は除外しました）。分析が 5 歳以上の子供に限定された場合でも、成長は非同期であるという証拠がありました (アイソメトリーの検定; 男の子p  < 0.001; 女の子p  < 0.001)。

小児における非同期的な筋肉成長に関する我々の発見は、多様な年齢層を調査した最近の 2 つの研究と一致しています。ある縦断的研究では、70代の469人の6つの筋肉グループにおいて、5年間にわたって非同期筋萎縮（筋肉断面積の減少）が観察された（Naruse et al., 2023 ）。別の横断研究では、3歳から11歳までの定型発達の子供118人の4つの脚の筋肉に非同期的な成長（筋肉量の増加）が見られた（Peeters et al., 2023 ）。これらの発見を総合すると、小児期の成長であれ、老年の萎縮であれ、加齢に伴う筋肉サイズの変化は、筋肉全体で非同期的に起こることが示唆されます。しかし、我々の発見はオブライエンらの発見とは矛盾しているようです。 ( 2010 ) および柳沢ら。 ( 2014 )。前者は、39 人の子供と成人の大腿四頭筋の 4 つの筋肉の相対サイズに有意差が観察されなかったのに対し、後者は 40 人の子供と成人の 4 つの肩の筋肉の相対サイズに有意差がなかったと報告しました。このような不一致は、ホルモン、遺伝学、毎日の身体活動、トレーニング強度などの他の要因に対する筋肉の反応の違いが原因である可能性があります。これらの違いを調査するために、将来の研究では、縦断的計画、より大きなサンプルサイズ、3D測定、および連続的な年齢範囲を使用して、これらの要因を考慮する可能性があります。

私たちの発見は、ウサギの脚の筋肉について実施された一連の重要な動物研究の結果とより密接に一致しています（Böl et al., 2017 ; Siebert et al., 2017）。これらの研究では、外側腓腹筋、内側腓腹筋、前脛骨筋は生後18日から108日までの成長過程で同様の相対的な質量増加を示したが、ヒラメ筋と長趾屈筋はその約半分の速度で成長したことが判明した。人間の筋肉に関する私たちの研究では、筋肉が異なる相対速度で成長することも示しました。外側腓腹筋、長趾屈筋、前脛骨筋は、ヒラメ筋や内側腓腹筋よりも比較的ゆっくりと成長しました。もちろん、動物の筋肉は人間の筋肉の不完全な代替物です (Binder-Markey et al., 2023 )。特定の筋肉の相対的な成長率における種間の違いは、筋肉の使用方法の違いを反映している可能性があります。たとえば、人間のヒラメ筋と内側腓腹筋の比較的高い成長率は、二足歩行におけるこれらの筋肉の大きな役割を反映している可能性があります。筋肉が非同期的に成長することを理解することは、病的な筋肉の発達を理解することにも影響を与える可能性があります。たとえば、ハンズフィールドら。脳性麻痺の小児では、下肢の筋肉はすべて定型発達の小児よりも小さいが、ヒラメ筋が特に小さいことが判明した（Handsfield et al., 2016）。

8 人の乳児からのデータを含めることで、筋肉の成長の同時性について貴重な洞察が得られました。私たちのデータは、分析で乳児のデータが除外された場合、5 年後も非同期的な成長が明らかである一方、相対体積の最も大きな違いは 5 歳未満の子供で発生することを明確に示しています。具体的には、5歳未満の小児では、大きなヒラメ筋と内側腓腹筋が、小さな前脛骨筋、EEP群、後脛骨筋、長趾屈筋よりも相対的に早く増大する傾向があります。研究に参加した乳児の数が比較的少なかったにもかかわらず、この発見は非常に明白でした。私たちは、大きな底屈筋の急速な成長が体重負荷と歩行の開始に関連している可能性があると推測しています。ただし、上記のロジスティック上の理由により、生後 3 か月から 5 歳までの小児をスキャンすることができなかったため、体重負荷と歩行の開始時の筋肉の相対的な成長は不明です。結果として、この年齢層での発見は慎重に解釈されるべきであり、このデータのギャップを埋めてこれらの発見を確認するにはさらなる研究が必要です。 3D 超音波イメージング (De Beukelaer et al., 2023 ; Herskind et al., 2016 )などの代替測定方法を 使用する必要がある場合があります。

成長期の体を推進するために必要な力を生み出すために、筋肉量は小児期の成長中に大幅に増加する必要があります。小児期の筋肉の成長に関する未解決だが根本的な問題の 1 つは、筋肉が同じ速度で成長するかどうかです。つまり、筋肉が互いに同期して成長する場合です。この研究では、磁気共鳴画像法 (MRI) と人工知能手法の進歩 (ディープラーニング) を医療画像のセグメンテーションに使用して、人間の下肢の筋肉が同期して成長するかどうかを調査しました。 208 人の定型発達児（生後 3 か月未満の乳児 8 人、5 ～ 15 歳の小児 200 人）の下肢 10 個の筋肉の筋肉量を測定しました。私たちは、人間の下肢の筋肉が同時に成長するという仮説を、下肢の筋肉全体の体積に対する個々の下肢の筋肉の体積の割合として表され、年齢とともに一定のままであるかどうかを調査することによって検証しました。男の子と女の子の両方において、ほとんどの筋肉の相対体積には、加齢に伴う実質的な変化が見られました ( p  < 0.001)。これは誕生から 5 歳までの間で最も顕著でしたが、5 年後でも依然として顕著でした。乳児期の最大の筋肉である内側腓腹筋とヒラメ筋は、最初の5年間で他の筋肉よりも早く成長しました。この研究結果は、人間の下肢の筋肉が非同期的に成長することを示しています。この発見は、異常な成長の早期発見に役立ち、特に脳性麻痺などの神経運動障害を持つ子供にとって、標的を絞った筋肉特異的な介入により生活の質を改善できる可能性があります。

人間の下肢の筋肉が非同期的に成長することを示しており、成長率が筋肉に特有であることを示唆しています。これらのデータは、異常な成長の早期発見に役立ち、筋肉に特化したトレーニングやリハビリテーション介入を可能にし、特に脳性麻痺などの神経運動障害を持つ子どもの生活の質の向上をもたらす可能性があります。