科学するHIIT

高強度インターバルトレーニング（HIIT）における強度設定の科学：生理学的指標、研究手法、そして適応への影響

はじめに：HIITの強度設定が研究の鍵を握る

高強度インターバルトレーニング（HIIT）は、その効果の高さから運動生理学や応用科学の分野で集中的に研究が行われています。しかし、HIITという言葉が含むプロトコルは非常に多様であり、運動強度、運動時間、休憩時間、セット数、反復回数など、様々な要素によって構成されています。これらの構成要素の中でも、運動強度はトレーニング効果を決定づける最も重要な因子の一つと考えられています。

強度設定の不均一性は、HIITに関する研究結果の比較や統合を困難にしています。例えば、同じ「HIIT」と称される研究であっても、ある研究ではピーク酸素摂取量（VO2peak）の100%で行われるスプリントインターバルトレーニング（SIT）に分類されるような超高強度プロトコルを用いている一方で、別の研究ではVO2maxの80-90%といった比較的中強度のインターバルを用いている場合があります。このようなプロトコルの違いは、得られる生理的な適応の種類や程度に影響を与えることが、複数の研究によって示唆されています。

本記事では、HIIT研究において強度設定がどのように行われているのか、主要な生理学的指標とその科学的意義、研究手法における課題、そして異なる強度設定が生理的適応にどのように影響するのかについて、最新の研究知見に基づき深く掘り下げて解説いたします。読者の皆様が自身の研究テーマにおけるHIITプロトコルの設計や、先行研究の評価を行う上での一助となることを目指します。

HIITにおける強度設定に用いられる主要な生理学的指標とその科学的意義

HIITの運動強度を設定するために、様々な生理学的指標が用いられています。これらの指標は、運動中の身体応答を客観的に捉えるためのツールであり、それぞれに利点と限界があります。

1. 最大酸素摂取量（VO2max）またはピーク酸素摂取量（VO2peak）に基づく強度設定

• 概念: VO2max（またはVO2peak）は、身体が単位時間あたりに取り込み、利用できる酸素の最大量を示し、全身持久力の指標として広く用いられます。HIITにおける強度は、このVO2maxに対する割合（例：%VO2max）として設定されることが一般的です。
• 測定方法: VO2maxは、漸増負荷試験（incremental exercise test）を実施し、呼気ガス分析装置を用いて測定されます。負荷を徐々に増加させ、酸素摂取量がそれ以上増加しなくなるか、あるいはその他のVO2max到達基準（例：呼吸交換比 > 1.15、最大心拍数への到達、主観的運動強度RPEの高値など）を満たした際の最大値をもってVO2maxとします。研究では、トレッドミルや自転車エルゴメーターを用いたプロトコルが頻繁に用いられます。
• HIITでの活用: インターバル中の強度を、例えばVO2maxの90%、100%、あるいは120%といった割合で設定します。これは、特定の生理的閾値（例：乳酸閾値や換気閾値）を超えた、高強度の領域を保証するための指標となります。
• 科学的意義と課題: %VO2maxに基づく設定は、個人の持久力レベルを考慮した相対的な強度設定が可能であり、異なる個人のトレーニング効果を比較する上で有効です。しかし、同じ%VO2maxでも、運動様式（ランニング vs サイクリング）、個人の運動効率、あるいはインターバルの継続時間によって実際の生理的負荷は変動する可能性があります。また、測定には高価な装置と専門知識が必要です。

2. 最大心拍数（HRmax）に基づく強度設定

• 概念: HRmaxは、心臓が拍動できる1分あたりの最大回数です。運動強度と心拍数には比較的線形の関係があるため、HRmaxに対する割合（%HRmax）も強度設定の一般的な指標です。心拍数予備量（HRR = HRmax - 安静時心拍数）に対する割合（%HRR）を用いる方法もあり、安静時心拍数を考慮するため、より生理的な負荷を反映すると考えられています。
• 測定方法: HRmaxは、漸増負荷試験や最大運動中の直接測定によって得られます。予測式（例：220 - 年齢）も用いられますが、個人差が大きいため研究では推奨されません。心拍数は心電図や心拍モニターを用いて容易に測定できます。
• HIITでの活用: インターバル中の目標心拍数を、例えばHRmaxの85-95%といった範囲で設定します。
• 科学的意義と課題: 心拍数測定は簡便であり、リアルタイムでの強度モニタリングが可能です。しかし、心拍数は脱水、温度、睡眠不足、精神状態など、運動以外の要因にも影響を受けやすく、また運動開始から目標心拍数に達するまでにタイムラグがある（特に短いインターバル）という限界があります。%HRmaxと%VO2maxは必ずしも一致しないことが知られており、特に高強度域では乖離が見られることがあります。

3. 主観的運動強度（RPE：Ratings of Perceived Exertion）

• 概念: RPEは、運動中の身体的感覚（疲労度、呼吸困難感など）を数値化した主観的な指標です。一般的に、6から20までのBorgスケールや、0から10までのCR-10スケールが用いられます。
• 測定方法: 被験者にスケールを示し、運動中の自身のきつさを評価させます。事前にスケールとその意味について十分に説明する必要があります。
• HIITでの活用: インターバル中の目標RPEを、例えば「非常にきつい」に相当する15-17（Borgスケール）や7-8（CR-10スケール）といった値で設定します。
• 科学的意義と課題: RPEは特別な機器が不要で、運動様式や環境に左右されにくいという利点があります。個人の総合的な運動負荷感覚を反映するため、生理的指標と組み合わせて用いられることも多いです。しかし、主観的な評価であるため、個人差や慣れによる影響を受けやすく、再現性が生理的指標に比べて低い可能性があります。研究においては、被験者がスケールの使用に慣れているかどうかが重要です。

4. ピークパワー出力（PPO）またはピークランニング速度（PS）に基づく強度設定

• 概念: PPO（自転車エルゴメーター）やPS（トレッドミルやトラックランニング）は、漸増負荷試験において達成された最大の出力または速度です。HIITの強度は、このPPOやPSに対する割合として設定されることがあります。
• 測定方法: 漸増負荷試験において、被験者が継続できなくなった時点での最大の出力または速度を記録します。
• HIITでの活用: インターバル中の強度を、例えばPPOの100%、120%といった割合で設定します。これは特にSITプロトコルでよく用いられます。
• 科学的意義と課題: PPOやPSに基づく設定は、運動の「外的な仕事量」を直接的に示す指標として、超高強度運動の強度を客観的に設定するのに適しています。特に自転車エルゴメーターでは負荷の制御が容易です。しかし、これは運動様式に特化した指標であり、また個人の運動効率によって同じ PPO/PS でも生理的負荷（VO2やHR）は異なり得ます。

強度と生理的適応の関連：異なる強度設定がもたらす効果

HIITのプロトコルの多様性は、それが誘導する生理的適応にも影響を与えることが示唆されています。特に、VO2maxレベルをわずかに上回る程度の「ハイインテンシティ」インターバルと、VO2maxを大きく上回る「スーパーハイインテンシティ」インターバル（しばしばSITに分類される）では、異なる生理的経路への刺激が報告されています。

• ハイインテンシティ（例：%VO2max 85-100%相当）: この強度は、持続的に高い有酸素性代謝を要求し、VO2maxの向上に効果的であることが多くの研究で示されています。心拍出量の増加や末梢における酸素利用能力（ミトコンドリア機能など）の改善に寄与すると考えられています。複数のメタアナリシスが、この強度のHIITがVO2maxを有意に向上させることを報告しています。
• スーパーハイインテンシティ（例：%VO2max > 100%相当、SIT）: この強度は、非常に短い時間で最大の無酸素性能力と神経筋動員を要求します。クレアチンリン酸系の利用が優位であり、筋における糖分解系も強く活性化されます。ミトコンドリア生合成のシグナル経路（例：PGC-1α）も強く活性化されることが示されており、短い時間でもミトコンドリア容積や機能の改善をもたらす可能性が指摘されています。また、最大酸素借（maximal accumulated oxygen deficit, MAOD）や無酸素性パワーの向上に寄与することが示唆されています。

図Xに示すように、異なる強度設定は、筋繊維タイプ動員、エネルギー代謝経路、そして最終的な生理的適応プロファイルに影響を与えると考えられます。研究では、特定の生理的適応（例：ミトコンドリア機能、血管内皮機能、インスリン感受性）をターゲットとする場合、どのような強度設定が最も効果的であるかを検討することが重要です。

研究手法における強度設定の課題と標準化への試み

HIITに関する研究論文をレビューする際、強度設定の方法論が多様であることに気づきます。ある研究では%VO2max、別の研究では%HRmax、また別の研究ではRPEやPPOといった指標が用いられています。さらに、同じ指標を用いていても、基準となる値（例：どの漸増負荷試験プロトコルで測定されたVO2maxか）や、インターバル中のモニタリング方法、強度調整の有無などが異なります。

この不均一性は、異なる研究結果を厳密に比較することを困難にしています。例えば、ある介入研究で効果が見られなかった場合、それがHIITそのものの効果がないのか、あるいは単に用いられた強度設定が適切でなかったためなのかを判断するのが難しい場合があります。

研究の再現性と比較可能性を高めるためには、強度設定の方法論をより明確に記載し、可能であれば標準化を図る必要があります。

• 標準化に向けた提案:
  • 使用した強度指標（%VO2max, %HRmax, RPE, PPOなど）を明確に記載する。
  • 基準値（VO2max, HRmax, PPOなど）をどのように測定したか（使用したプロトコル、機器など）を詳細に記載する。
  • インターバル中の実際の運動強度（例：平均心拍数、平均パワー出力）を記録し、報告する。
  • 被験者が目標強度を達成できたか、あるいはその目標からの乖離があったかを記載する。
  • 必要に応じて、複数の強度指標を組み合わせて用いる（例：目標%HRmaxを定めつつ、RPEも記録する）。
  • より生理的な負荷を反映する指標（例：Critical Power/Speedや、最大乳酸定常状態（MLSS）などに基づく相対強度）を用いる検討も行われています。Critical Powerは、ある時間継続できる最大のパワー出力として定義され、持久性運動能力の重要な指標です。HIITの強度をCritical Powerに対する割合として設定することで、運動様式によらない強度比較が可能になる可能性が示唆されています。

表Yは、異なる研究における強度設定の記載例と、それぞれの利点・欠点をまとめたものです。このような情報整理は、先行研究の比較検討に役立ちます。

考察と今後の研究への示唆

HIITにおける強度設定の科学は、単に運動負荷を定めるという技術的な問題に留まらず、生理的応答や適応のメカニズムを深く理解するための学術的に重要な課題です。

• 個別化の重要性: 同じ強度設定プロトコルを用いても、個人の遺伝的背景、トレーニング歴、健康状態などによって応答は異なります。研究では、個人の特性を考慮した強度設定の「個別化」が、トレーニング効果や安全性を最大化する上でどのように影響するかを検討する必要があります。応答者・非応答者問題における強度設定の影響も重要な研究テーマです。
• 異なる強度指標間の関係: %VO2maxと%HRmax、RPEといった異なる指標間の対応関係は、集団平均としては知られていますが、個人レベルでのばらつきが大きいことが問題となります。これらの指標が運動様式やインターバル構造（時間、回復期）によってどのように変化するかを詳細に解析する研究は、より精密な強度設定に貢献するでしょう。
• 慢性適応における強度設定の影響: 短期的な応答だけでなく、数週間、数ヶ月といった長期のトレーニング介入において、異なる強度設定がどのような慢性的な生理的適応（例：心血管構造、ミトコンドリア機能、筋繊維タイプ構成の変化）をもたらすかを比較検討する研究が必要です。特定の疾患や状態（例：肥満、糖尿病、高齢）における最適な強度設定プロトコルを明らかにする研究も重要です。
• 新しい強度指標の探求: Critical Power/Speedのような生理学的な閾値に基づいた指標や、乳酸濃度、筋酸素飽和度などの他の生理的パラメータをリアルタイムでモニタリングし、強度設定に活用する研究も進められています。

研究者の皆様には、自身の研究デザインにおいて強度設定の根拠を明確にし、使用する指標の利点と限界を理解すること、そして先行研究を評価する際に強度設定の方法論を注意深く検討することをお勧めします。強度設定に関する知見の蓄積と標準化は、HIIT研究全体の信頼性と進展に不可欠です。

結論

高強度インターバルトレーニング（HIIT）の科学的効果を深く理解し、研究を進める上で、運動強度の設定は極めて重要です。VO2max、HRmax、RPE、PPOといった様々な生理学的指標が強度設定に用いられていますが、それぞれに特徴と限界があり、異なる指標に基づく研究結果の比較は慎重に行う必要があります。

強度設定の科学的根拠を明確にし、研究間のプロトコル比較を可能にするためには、使用する指標とその測定方法を詳細に記載し、可能な限り標準化を進めることが求められます。また、異なる強度設定がもたらす生理的適応の違いを詳細に解析し、個人の特性や研究目的に合わせた最適な強度設定プロトコルを探索することは、今後のHIIT研究における重要な課題です。

本記事が、読者の皆様の研究活動におけるHIITの強度設定に関する理解を深め、新たな研究アイデアの創出に繋がることを願っております。強度設定の科学的な探求は、HIITのポテンシャルを最大限に引き出し、様々な分野への応用可能性を広げる上で不可欠なステップと言えるでしょう。