力竭性運(yùn)動(dòng)對(duì)肌肉離心和向心收縮階段的疲勞損傷

力竭性運(yùn)動(dòng)對(duì)肌肉離心和向心收縮階段的疲勞損傷

在比賽和訓(xùn)練中，“延長(zhǎng)和縮短周期”運(yùn)動(dòng)最接近比賽的形式是“sc”。SSC運(yùn)動(dòng)過(guò)程可粗略分為離心收縮(肌肉預(yù)拉長(zhǎng))、收縮偶聯(lián)期和向心收縮(肌肉縮短)3個(gè)時(shí)期,其能使肌肉在縮短過(guò)程中(向心收縮)將肌肉預(yù)拉長(zhǎng)時(shí)期所積蓄的彈性勢(shì)能更快的表現(xiàn)出來(lái),能募集更多的肌纖維、動(dòng)員更多的快肌運(yùn)動(dòng)單位參與運(yùn)動(dòng),表現(xiàn)為更大的爆發(fā)力。也有研究證實(shí),SSC運(yùn)動(dòng)對(duì)神經(jīng)、肌肉的協(xié)調(diào)控制能力有更好的促進(jìn)作用,也能更有效地刺激肌肉力量的增長(zhǎng);但更易導(dǎo)致肌肉疲勞、損傷和/或延遲性肌肉疼痛。SSC運(yùn)動(dòng)雖然包括了肌肉離心和向心運(yùn)動(dòng)兩個(gè)階段,但其運(yùn)動(dòng)過(guò)程中運(yùn)動(dòng)單位的募集和激活程度不同于純粹的離心和向心運(yùn)動(dòng)。肌肉進(jìn)行短時(shí)大強(qiáng)度SSC運(yùn)動(dòng)與單純的向心、離心運(yùn)動(dòng)相比,更易導(dǎo)致肌血乳酸的堆集、肌肉疲勞和延遲性肌肉酸痛。但是力竭性SSC運(yùn)動(dòng)中不同收縮階段對(duì)肌肉運(yùn)動(dòng)能力、牽張反射、肌肉疲勞損傷特征和機(jī)制卻不甚明了,故本實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)考察了這一點(diǎn)。1研究對(duì)象和方法1.1調(diào)查對(duì)象基本情況為11名無(wú)訓(xùn)練經(jīng)歷男性的大學(xué)生自愿參與本實(shí)驗(yàn)。其基本生理情況為(Xˉˉˉ±SD)(Xˉ±SD):年齡(22±2.1)歲,身高(176±4.3)cm,體重(64±5.6)kg,查體無(wú)疾病,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中有醫(yī)務(wù)監(jiān)督人員。1.2學(xué)習(xí)方法1.2.1預(yù)延長(zhǎng)時(shí)間控制本實(shí)驗(yàn)運(yùn)動(dòng)模型修改自Horita(1996,1999),Nicol(1996)所確定的疲勞運(yùn)動(dòng)模型。受試者在坡度為25°左右的下斜板上進(jìn)行SSC運(yùn)動(dòng),其腰部負(fù)體重的15%重量在下斜板上進(jìn)行連續(xù)的雙腿負(fù)重下蹲動(dòng)作(圖1A),要求受試者下蹲過(guò)程中臀部接觸到腳跟時(shí),盡可能快的蹲起,整個(gè)過(guò)程爆發(fā)性用力。制動(dòng)(brakingphase)和蹬離階段(pushoffphase)間的肌肉預(yù)拉長(zhǎng)(pre-activity)時(shí)間控制在150ms以內(nèi),以保證SSC過(guò)程爆發(fā)性用力特征。預(yù)試驗(yàn)時(shí)測(cè)定每名受試者所能蹲起的最大高度,并以此作為評(píng)價(jià)運(yùn)動(dòng)能力的指標(biāo)。正式實(shí)驗(yàn)時(shí)要求受試者每次蹲起需完成最大高度的70%(平均為62cm±6cm)。力竭判斷標(biāo)準(zhǔn):1)口頭鼓勵(lì)不能堅(jiān)持完成動(dòng)作;2)負(fù)重蹲起時(shí)膝關(guān)節(jié)不能達(dá)到90°;3)疲勞后,3次嘗試蹲起的高度不能達(dá)到最大蹲起高度的40%。蹲起過(guò)程由兩部分組成:1)下落階段(DJ,圖1A),從預(yù)先設(shè)置好的70cm高度(能使下肢伸肌肌群在肌肉向心收縮后完全拉伸的距離)向斜下方運(yùn)動(dòng),經(jīng)制動(dòng)后轉(zhuǎn)換向上彈起的過(guò)程;文獻(xiàn)表明,SSC運(yùn)動(dòng)離心階段后即刻肌肉疲勞癥狀明顯,故本實(shí)驗(yàn)只在此階段恢復(fù)期20min、2d、4d重復(fù)測(cè)試。2)蹲起階段(SJ,圖1B),在不預(yù)拉長(zhǎng)肌肉的情況下保證大腿伸肌完成最大速度向心收縮。在受試者力竭后即刻(0min)、恢復(fù)期10min、20min、恢復(fù)2d、4d后重復(fù)測(cè)試。1.2.2數(shù)據(jù)處理和分析方法在受試者右側(cè)用高速攝像機(jī)(NAC,HSV200,Japan)記錄SSC每個(gè)蹲起過(guò)程(100幀/s)。數(shù)據(jù)采集點(diǎn)設(shè)在頭部、肩關(guān)節(jié)、股骨大轉(zhuǎn)子部位、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)和第五跖骨。各點(diǎn)采得的數(shù)據(jù)用7Hz的頻率進(jìn)行降噪處理,輸入數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)(APAS,ArielDynamicsInc.,Calif.,USA)計(jì)算出髖、膝、踝關(guān)節(jié)的角速度和線速度。此外,整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受試者所受到的重力和重力的分力用Winter(1979)提出的公式進(jìn)行校正。下肢關(guān)節(jié)(髖、膝、踝關(guān)節(jié))運(yùn)動(dòng)軌跡采用Aleshinsky(1986)和Horita(1991)等建立的模型處理。在本實(shí)驗(yàn)中,頭部、軀干、大腿部、小腿部和足部五個(gè)部位用電極連接,主要用于記錄各點(diǎn)代表的關(guān)節(jié)在運(yùn)動(dòng)中所承受的負(fù)荷特征。測(cè)試結(jié)果用各關(guān)節(jié)功率曲線表示。1.2.3肌電圖和電極位置的測(cè)量表面肌電圖(EMG):通過(guò)微電極法測(cè)試每名被試右腿股直肌(vastuslateralis,VL)、股內(nèi)側(cè)肌(vastusmedialis,VM)、腓腸肌內(nèi)側(cè)頭(medialgastrocnemius,GA)和比目魚(yú)肌(Soleus,SO)來(lái)確定,主要記錄運(yùn)動(dòng)過(guò)程中肌肉預(yù)拉長(zhǎng)階段、制動(dòng)階段和發(fā)力蹬離階段(圖1)的肌電圖變化。電極縱向貼置于肌腹,電阻設(shè)置為2000Ω。精確記錄電極放置位置,以確保重復(fù)測(cè)量時(shí)電極位置的一致性和結(jié)果的準(zhǔn)確性。收集到的肌電信號(hào)通過(guò)一個(gè)采樣頻率為12位的A/D轉(zhuǎn)換器(頻率設(shè)置為1000Hz)輸入計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)(Codas,DataqInstrumentsInc.,USA)分析。1.2.4血乳酸濃度測(cè)試安靜時(shí)、力竭性SSC運(yùn)動(dòng)后即刻、恢復(fù)期3、5和30min血乳酸濃度(YSI1500,USA)。測(cè)試安靜時(shí)、恢復(fù)期30min、恢復(fù)2d和4d后的CK濃度(Rayto1904,USA)。1.3雙因素方差分析采用STATISTICAv6.0(StatSoft,Okla.,USA)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理,數(shù)據(jù)用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(Xˉˉˉ±SD)(Xˉ±SD)表示。雙因素方差分析(MANOVA,重復(fù)測(cè)量次數(shù)×SSC中DJ、SJ兩個(gè)階段)用于分析運(yùn)動(dòng)前后的肌肉疲勞變化和各關(guān)節(jié)用力特征等指標(biāo),多重比較(post-hoc)用LSD法。因DJ階段0min和10min未測(cè)量,所以對(duì)運(yùn)動(dòng)前、運(yùn)動(dòng)后20min、2d和4d4個(gè)水平的值進(jìn)行多重比較。血乳酸和CK不同時(shí)間取值的比較,采用單因素方差分析(one-wayANOVA),顯著性差異α水平皆置為P≤0.05。2結(jié)果2.1運(yùn)動(dòng)情況下的疲勞過(guò)程受試者至力竭完成了(89±26)次SSC運(yùn)動(dòng),平均用時(shí)(2.7±0.9)min。從力量變化曲線可觀察到受試者在力竭SSC運(yùn)動(dòng)中的力量峰值、力量衰減速率和力竭運(yùn)動(dòng)的時(shí)間變化情況,反應(yīng)出受試者本實(shí)驗(yàn)中的疲勞過(guò)程(圖2)。力量峰值和停滯期轉(zhuǎn)向向心收縮期分別從(1585±210)N降到(1308±293)N(P<0.05),從(1344±269)N降到(1095±36)N(P<0.01)。而最后10次蹲起的時(shí)間為(696±97)ms,顯著高于運(yùn)動(dòng)初始時(shí)的10次連續(xù)蹲起時(shí)間(526±85)ms(P<0.05);最初10次蹲起的膝關(guān)節(jié)平均角速度為(54±10)°/s,最后10次平均角速度為(45±7)°/s(P<0.05)。2.2ssc在肌肉離心收縮期上的性能由圖1可知,SSC運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,肌肉離心收縮、向心收縮兩個(gè)階段的力量曲線、所用時(shí)間各不相同,從總的做功量來(lái)看,離心收縮期大于向心收縮期。且由于離心收縮期包括了制動(dòng)轉(zhuǎn)換的階段,所以做功量有一些損失。從蹲起成績(jī)來(lái)看,在SSC運(yùn)動(dòng)后,肌肉向心收縮期的能力迅速降低,但運(yùn)動(dòng)后10min左右恢復(fù),在運(yùn)動(dòng)后2d、4d基本保持在同一水平,而離心階段呈現(xiàn)出延遲性降低的特征。兩個(gè)階段下肢主要關(guān)節(jié)在4d后也呈現(xiàn)出不同的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征(表1)。2.3最大力量和最大速度下肢各關(guān)節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中功率曲線見(jiàn)圖3。在既定運(yùn)動(dòng)模型中,在制動(dòng)和爆發(fā)用力的蹲起階段,膝關(guān)節(jié)承受的負(fù)荷最大。下肢各關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)用力分布特征見(jiàn)表1,最大力量變化見(jiàn)表2。在向心收縮階段,關(guān)節(jié)用力分布在SSC運(yùn)動(dòng)后無(wú)明顯變化,而膝、踝關(guān)節(jié)最大力量顯著降低。但10min和20min后即恢復(fù)到運(yùn)動(dòng)前水平。在離心收縮期,膝關(guān)節(jié)用力分布和最大力量都降低;踝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)在SSC運(yùn)動(dòng)后降低,在恢復(fù)期卻輕微增高;其中踝關(guān)節(jié)主動(dòng)收縮能力和髖關(guān)節(jié)的退讓性力量在恢復(fù)2d、4d后都增強(qiáng)。而膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)在離心收縮和向心收縮后,呈現(xiàn)出不同的恢復(fù)特征(表2)。2.4ssc運(yùn)動(dòng)前后膝關(guān)節(jié)的比較以gaemg為動(dòng)力學(xué)依據(jù)不同時(shí)間測(cè)得的EMG值用占上次測(cè)得值的百分比(Δ%)表示,絕對(duì)值用mV表示。SJ階段EMG并未顯示出明顯差異。雖然腓腸肌(GA)EMG在運(yùn)動(dòng)后即刻平均降低了19%,但由于個(gè)體差異很大,并無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)(圖4)。DJ階段,SSC運(yùn)動(dòng)后2d和4d,膝關(guān)節(jié)伸肌(VL和VM)顯著性降低(P<0.05)。GAEMG在運(yùn)動(dòng)后第4d也顯示出延遲性降低的特征。2.5運(yùn)動(dòng)前后血清ck和lg血乳酸濃度與安靜時(shí)(1.98±0.3mmol/L)相比,運(yùn)動(dòng)后3min為(8.9±1.1)mmol/L(P<0.01),5min時(shí)為(10.1±0.8)mmol/L(P<0.01),在30min時(shí)為(2.4±0.8)mmol/L。血清CK與安靜時(shí)(134±37U/L)相比,在運(yùn)動(dòng)后2d和4d明顯升高,分別為(386±81)U/L,P<0.05;(251±79)U/L,P<0.05。3不同向心收縮情況下的肌肉力學(xué)特性從肌肉運(yùn)動(dòng)能力變化和關(guān)節(jié)用力分布特征來(lái)看,力竭性SSC運(yùn)動(dòng)后,肌肉在離心和向心收縮期呈現(xiàn)出不同的疲勞特征。力竭性SSC運(yùn)動(dòng)后:1)肌肉向心收縮力量迅速降低,這與Gollhofer等的研究結(jié)果部分一致,其發(fā)現(xiàn)上肢肌肉力竭性SSC運(yùn)動(dòng)后,短時(shí)間內(nèi)向心收縮能力大幅降低。但本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),運(yùn)動(dòng)后10min左右肌肉向心收縮能力即基本恢復(fù),在運(yùn)動(dòng)后2d、4d基本保持在同一水平。2)離心收縮后,肌肉力量呈現(xiàn)出延遲性降低的特征。運(yùn)動(dòng)后2d、4d仍未恢復(fù)到運(yùn)動(dòng)前水平,同期的CK活性也有相同趨勢(shì)。結(jié)果揭示,力竭性SSC運(yùn)動(dòng)較易導(dǎo)致肌肉急性代謝疲勞和延遲性肌肉酸痛癥狀,其中,肌肉向心收縮能力(克服阻力做功)恢復(fù)較快;肌肉離心收縮能力恢復(fù)較慢且更易造成肌肉損傷。提示力竭性SSC運(yùn)動(dòng)應(yīng)注意肌肉離心收縮的負(fù)荷以及運(yùn)動(dòng)后有針對(duì)性的恢復(fù),在訓(xùn)練中提高相關(guān)肌肉群退讓性力量有利于提高運(yùn)動(dòng)成績(jī)和防止運(yùn)動(dòng)損傷。在蹲起階段(SJ),因受試者靠在下斜板上進(jìn)行同一方向的蹲起運(yùn)動(dòng),所以假設(shè)這個(gè)階段膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)伸肌做的是單純的向心收縮運(yùn)動(dòng)。在下落階段(DJ),肌肉在離心收縮后經(jīng)歷一個(gè)短暫停滯期然后迅速進(jìn)行向心收縮(圖1)。所以快肌運(yùn)動(dòng)單位在DJ階段最大程度的被募集。在每個(gè)SSC周期中,肌肉預(yù)拉長(zhǎng)和制動(dòng)階段對(duì)運(yùn)動(dòng)成績(jī)(跳起高度)非常重要。所以,不同的SSC運(yùn)動(dòng)模型給肌肉造成的疲勞損傷情況是不同的(本實(shí)驗(yàn)設(shè)定的離心→向心階段轉(zhuǎn)換時(shí)間小于150ms)。從下肢各關(guān)節(jié)點(diǎn)最大力量的變化結(jié)果可知,SSC運(yùn)動(dòng)在制動(dòng)和蹬起階段膝關(guān)節(jié)承受負(fù)荷最大;這也是在籃球運(yùn)動(dòng)中滑步、排球運(yùn)動(dòng)中起跳、田徑運(yùn)動(dòng)中的跳深練習(xí)等運(yùn)動(dòng)形式易造成膝關(guān)節(jié)周?chē)∪夂桶朐掳鍝p傷的重要原因。在運(yùn)動(dòng)后2d和4d,肌肉離心收縮時(shí)膝關(guān)節(jié)用力分布和力量都有不同程度的降低(表1、表2)。在運(yùn)動(dòng)后即刻,膝關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角速度較運(yùn)動(dòng)初始階段明顯降低。這說(shuō)明本實(shí)驗(yàn)的采用的運(yùn)動(dòng)模型使膝關(guān)節(jié)承受的運(yùn)動(dòng)負(fù)荷較大,接近于比賽和訓(xùn)練的運(yùn)動(dòng)形式。相比較而言,踝、髖關(guān)節(jié)向心收縮時(shí)的力量在恢復(fù)2d和4d后出現(xiàn)對(duì)膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)能力減弱的補(bǔ)償性增長(zhǎng),這共同協(xié)調(diào)構(gòu)成了下肢在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中完成各種技術(shù)動(dòng)作的調(diào)節(jié)能力。綜合各關(guān)節(jié)在既定運(yùn)動(dòng)模型中踝、髖關(guān)節(jié)在離心、向心收縮時(shí)的不同用力分布特征及恢復(fù)情況,提示SSC運(yùn)動(dòng)主要是通過(guò)肌肉離心運(yùn)動(dòng)階段施予各關(guān)節(jié)周?chē)∪菏芰?通過(guò)改善髖、踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)間的相對(duì)力量的平衡來(lái)提高運(yùn)動(dòng)能力,而向心階段受到的影響則相對(duì)較小。提示在訓(xùn)練和比賽中可根據(jù)受試者各項(xiàng)目具體情況制定其各主要運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的訓(xùn)練計(jì)劃和確定相應(yīng)的康復(fù)手段。普遍認(rèn)為是運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的肌原纖維超微結(jié)構(gòu)(myofibrillarstructure)性損傷引發(fā)了延遲性肌肉疼痛等癥狀,但其代謝機(jī)制尚不明了。SSC周期中肌肉向心收縮階段,牽張反射和肌肉收縮能力與運(yùn)動(dòng)成績(jī)密切相關(guān),大強(qiáng)度SSC運(yùn)動(dòng)造成的肌肉疲勞能明顯降低肌肉的敏感性和肌肉彈性,也更容易造成神經(jīng)—肌肉接頭處的疲勞,總的表現(xiàn)為運(yùn)動(dòng)能力下降。CK作為肌肉損傷和恢復(fù)的間接診斷指標(biāo),其活性在運(yùn)動(dòng)后2d、4d顯著增高,說(shuō)明力竭性SSC運(yùn)動(dòng)對(duì)肌肉有較大的刺激性,在運(yùn)動(dòng)后4d肌肉仍處于疲勞狀態(tài)。同時(shí),運(yùn)動(dòng)后3min和5min血乳酸水平顯著高于運(yùn)動(dòng)前,運(yùn)動(dòng)后30min基本恢復(fù)到安靜水平。結(jié)合關(guān)節(jié)受力特征和肌電圖,說(shuō)明肌肉內(nèi)代謝產(chǎn)物的增加反過(guò)來(lái)也可能影響到肌肉牽張反射及收縮力量,這也可能是影響到運(yùn)動(dòng)能力的一個(gè)重要原因。SSC運(yùn)動(dòng)造成的肌肉疲勞和/或損傷的機(jī)制可能是運(yùn)動(dòng)后“神經(jīng)—肌肉”接頭處的敏感性降低,直接或間接地導(dǎo)致了肌肉肌梭和腱梭前突觸部位的敏感性下降,致使其接受神經(jīng)遞質(zhì)的能力降低[5,10,23,24,25,26]。Horita等(1996)在短時(shí)大強(qiáng)度SSC運(yùn)動(dòng)造成的肌肉疲勞模型中也得出了相似結(jié)論。在運(yùn)動(dòng)后20min,SJ階段的腓腸肌EMG出現(xiàn)了明顯的延遲性降低。在SSC運(yùn)動(dòng)中,GA肌肉是小腿蹬離地面時(shí)最主要的發(fā)力肌肉,也是腿部重要的雙關(guān)節(jié)肌(起自股骨內(nèi)、外側(cè)髁,止于跟腱),其中膝關(guān)節(jié)主要起杠桿作用將肌肉產(chǎn)生的力量在近關(guān)節(jié)和遠(yuǎn)關(guān)節(jié)之間傳輸,從而在大肌肉群發(fā)力和制動(dòng)緩沖的時(shí)候起到重要作用。此外,有研究觀測(cè)到在快速SSC運(yùn)動(dòng)中GA首先被募集用于運(yùn)動(dòng)發(fā)力。而本實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,向SJ過(guò)程中GAEMG無(wú)明顯的延遲性改變(圖4),所以,可以推斷出在SSC周期的離心和向心階段,GA肌肉是主要的發(fā)力和緩沖肌肉,其承受負(fù)荷的能力也非常強(qiáng)。離心階段GA出現(xiàn)延遲性力量降低,說(shuō)明離心收縮后對(duì)肌肉損傷更大,肌肉恢復(fù)較慢。4力竭性ssc運(yùn)動(dòng)影響肌肉和膝關(guān)節(jié)的變化在力竭性SSC運(yùn)動(dòng)中,肌肉代謝疲勞是造成運(yùn)動(dòng)能力下降的主要原因,且能明顯地影