Специфические изменения скоростно-силовых возможностей скелетных мышц под влиянием тренировки в изотоническом и изокинетическом режимах мышечного сокращения и при гипокинезии

Размещено на http://www.allbest.ru

На правах рукописи

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ СКОРОСТНО-СИЛОВЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ СКЕЛЕТНЫХ МЫШЦ ПОД ВЛИЯНИЕМ ТРЕНИРОВКИ В ИЗОТОНИЧЕСКОМ И ИЗОКИНЕТИЧЕСКОМ РЕЖИМАХ МЫШЕЧНОГО СОКРАЩЕНИЯ И ПРИ ГИПОКИНЕЗИИ

03.00.13. - физиология

Нетреба Алексей Иванович

Москва 2007

Работа выполнена в Государственном научном центре Российской Федерации - Институте медико-биологических проблем Российской Академии Наук

Научный руководитель:

доктор биологических наук, профессор ВИНОГРАДОВА Ольга Леонидовна

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, профессор СОНЬКИН Валентин Дмитриевич

доктор биологических наук, профессор ГОРОДНИЧЕВ Руслан Михайлович

Ведущая организация:

Всероссийский научно-исследовательский институт физической культуры.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНЦ РФ - ИМБП РАН

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат биологических наук Пономарева Ирина Павловна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Специфические изменения, происходящие в двигательной системе человека в результате воздействия различных режимов и типов физической тренировки - одна из наиболее интересных проблем физиологии мышечной деятельности. Исследователи пытаются ответить на вопрос: проявляется ли тренировочный эффект лишь в том режиме мышечной деятельности, в котором осуществлялась тренировка, или же этот эффект можно наблюдать и при использовании режимов тестирования, отличающихся от тренировочного. При изучении эффектов тренировки с использованием некоторых режимов мышечного сокращения установлена достаточно четкая и воспроизводимая специфичность тренировочных эффектов. Например, при тренировке с постоянной скоростью сокращения (изокинетический режим) максимальный прирост силы проявляется в основном на тех тренировочных скоростях, на которых производилась тренировка (Moffroid et al., 1970; Adeyanju et al.,1983; Бравая 1985; Petersen et al., 1989; Behm et al.,1991; Bell et al.,1992). Тренировка в эксцентрическом режиме мышечного сокращения приводит к большему приросту силы при тестировании именно в эксцентрическом режиме, то же справедливо и для тренировки в концентрическом режиме (Komi et al.,1972; Hater et al., 1991; Collander et al., 1992). Хорошо изучена специфичность тренировочных эффектов при тренировке в изометрическом режиме мышечного сокращения при различных значениях угла в суставе (Graves et al., 1989; Lindh et al., 1989; Bandy et al.,1993). Приведенные данные свидетельствуют о том, что максимальный прирост скоростно-силовых возможностей мышц регистрируется в том режиме тестирования, в котором осуществлялась тренировка. Данный феномен получил название «специфичность тренировочных воздействий».

Режимы мышечного сокращения, изучаемые в цитируемых работах, объединяет одно общее свойство - переменной (измеряемой) величиной является сила мышечного сокращения. Однако существуют условия, в которых нагрузка или сила, противодействующая мышечной тяге, остается постоянной, а переменной (измеряемой) величиной является скорость сокращения. Таким режимом мышечного сокращения является изотонический режим. При сравнении эффектов тренировки, в различающихся по измеряемому параметру режимах (изотонический и изокинетический), возникает проблема корректного сопоставления полученных приростов, поскольку приходится сравнивать различные двигательные качества: силу и скорость мышечного сокращения.

Таким образом, назрела необходимость разработки адекватного способа сопоставления скоростно-силовых возможностей мышц, регистрируемых в изотоническом и изокинетическом режимах сокращения. Использование данного способа оценки позволит существенно расширить возможности анализа скоростно-силовых возможностей мышц в широком диапазоне изменений двигательной активности: от резко ограниченного (гипокинезия в условиях моделируемой гравитационной разгрузки) до значительно повышенного (многолетняя физическая тренировка).

Цель работы. Выявление специфических особенностей скоростно-силовых проявлений скелетных мышц человека в результате силовой тренировки в изотоническом и изокинетическом режимах мышечного сокращения и при гипокинезии в условиях гравитационной разгрузки.

Задачи исследования:

1. Разработка обоснованного способа сопоставления скоростно-силовых возможностей скелетных мышц, регистрируемых в изотоническом и изокинетическом режимах мышечного сокращения (индекс межрежимной разности - МРР).

2. Анализ индекса МРР при нормальном уровне двигательной активности (физически активные нетренированные люди).

3. Анализ индекса МРР при повышенном уровне двигательной активности у высокотренированных спортсменов, тренирующихся с использованием преимущественно изотонического (конькобежный спорт), или изокинетического (академическая гребля) режимов мышечного сокращения.

4. Выявление ведущего звена нервно-мышечной системы, ответственного за специфические изменения скоростно-силовых возможностей мышц, развивающиеся в результате использования различных режимов тренировки.

5. Сравнительный анализ изменений сократительных возможностей мышц, регистрируемых в изотоническом и в изокинетическом режимах сокращения, при пониженном уровне двигательной активности (моделируемая гравитационная разгрузка).

Научная новизна

1. Предложен адекватный способ сопоставления результатов скоростно-силового тестирования в изотоническом и изокинетическом режимах мышечного сокращения, основанный на анализе зависимостей «сила-скорость».

2. Выявлены различия в приросте скоростно-силовых возможностей мышц при тренировке в изотоническом и изокинетическом режимах мышечного сокращения. Наблюдается ярко выраженная специфичность тренировочных эффектов.

3. Установлена связь выраженности наблюдаемых различий с длительностью тренировки.

4. Раскрыты некоторые механизмы, лежащие в основе наблюдаемых изменений. Установлено, что в результате силовой тренировки на фоне различного метаболического обеспечения мышечной деятельности, несмотря на существенные межгрупповые различия в приросте максимальной произвольной силы (МПС) и размеров мышечных волокон, изменения электромиографической активности (ЭМГ-активность) в группах не различались. При этом изучаемый показатель (индекс МРР) в группах также не различается. Таким образом, изменение индекса МРР, по-видимому, отражает изменения, происходящие в центральном звене нервно-мышечного аппарата (НМА), а не на периферии.

5. Отмечено, что в условиях сухой иммерсии снижение скоростно-силовых возможностей мышц проявляется ярче при регистрации в изотоническом режиме, чем в изокинетическом. Наиболее выраженное снижение наблюдается на низких угловых скоростях в изокинетическом режиме и при высоких нагрузках в изотоническом.

Научно-практическая значимость

Результаты данного исследования значительно расширяют современные представления о специфичности адаптационных реакций нервно-мышечной системы человека в широком диапазоне двигательной активности. Разработанный в результате исследований индекс межрежимной разности позволяет сопоставлять результаты скоростно-силового тестирования в изотоническом и изокинетическом режимах мышечного сокращения. Кроме того, результаты, полученные в ходе проведенных исследований, позволяют обоснованно подходить к выбору тренировочных воздействий, а также корректно оценивать изменения скоростно-силовых возможностей мышц в ответ на эти воздействия.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Имеется возможность адекватного сопоставления результатов скоростно-силового тестирования мышц в изотоническом и изокинетическом режимах сокращения на основании анализа зависимостей «сила-скорость».

2. Использование данного способа оценки позволяет выяснить, что:

- скоростно-силовые проявления в изотоническом и изокинетическом режимах не различаются у нетренированных людей;

- тренировка в изотоническом режиме мышечного сокращения приводит к большим приростам скоростно-силовых возможностей в изотоническом режиме;

- тренировка в изокинетическом режиме мышечного сокращения приводит к большим приростам скоростно-силовых возможностей при тестировании в изокинетическом режиме.

3. Специфические изменения скоростно-силовых возможностей мышц при тренировке в различных режимах тесно связаны с ее длительностью.

4. Параметр, косвенно отражающий различия, происходящие в центральном звене НМА (ЭМГ-активность), а также величина индекса МРР, в группах тренирующихся с одинаковой моторной командой, но с различным обеспечением мышечной деятельности не различаются.

5. Снижение сократительных возможностей мышц-разгибателей коленного сустава, возникающего в результате ограничения уровня двигательной активности, при тестировании в изотоническом режиме проявляется ярче, чем в изокинетическом.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы были представлены на XIX съезде физиологического общества им И.П.Павлова (2004 г., Екатеринбург, Россия), на международном симпозиуме по биологической подвижности (2004 г., Пущино, Московская область), на IX, X, XI конгрессах Европейского колледжа спортивных наук (2004 г., Клермон-Ферра, Франция; 2005 г., Белград., Сербия; 2006 г., Лозанна, Швейцария), на IV, V конференциях по силовой тренировке (2004 г., Серрес, Греция; 2006 г., Оденса, Дания), на 25, 26, 27 конференциях Международного общества гравитационной физиологии (2004 г., Москва, Россия; 2005 г., Кельн, Германия; 2006 г., Осака, Япония),.

По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ.

Диссертация апробирована на заседании секции «Космическая физиология и биология» Ученого совета ГНЦ РФ - ИМБП РАН 30 июня 2006 года. скоростной силовой мышечный двигательный

Структура и объем диссертации

Диссертация изложена на 120 страницах машинописного текста и состоит из введения, литературного обзора, описания методов исследования, 4-х глав собственных исследований, итогового обсуждения результатов исследований, выводов и списка цитируемой литературы. Последний включает 208 источников, 31 из которых опубликованы в отечественных изданиях, 177 - в иностранных. Диссертация иллюстрирована 14 рисунками и 9 таблицами.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Материалы и методы исследования

Экспериментальная часть работы включала следующие этапы:

1. Сопоставление результатов скоростно-силового тестирования мышц-разгибателей коленного сустава, а также ЭМГ-активности m. vastus lateralis в изотоническом и изокинетическом режимах сокращения у нетренированных лиц. В исследовании приняли участие 63 здоровых физически активных молодых мужчин (возраст - 21±9 год; рост - 177±7 см; вес - 78±5 кг). До проведения тестирования участники не имели опыта специальной тренировки ни в изотоническом, ни в изокинетическом режимах мышечного сокращения.

2. Сопоставление результатов скоростно-силового тестирования мышц-разгибателей коленного сустава в изотоническом и изокинетическом режимах работы у высокотренированных спортсменов различных специализаций. Группу спортсменов-гребцов составили 92 человека из сборной команды России по академической гребле (возраст - 21,8±1,3 год; рост - 191,2±5,1 см; вес - 86,5±11,5 кг); квалификация от кандидата в мастера спорта (КМС) до заслуженного мастера спорта (ЗМС). Группу спортсменов-конькобежцев составили 34 человека из сборной команды России по конькобежному спорту аналогичных квалификаций (возраст - 20,8±2,3 лет; рост - 182,2±4,3 см; вес - 79±9,2 кг).

3. Сопоставление результатов скоростно-силового тестирования мышц-разгибателей коленного сустава и ЭМГ-активности m. vastus lateralis в ответ на 10-недельную силовую тренировку в изотоническом режиме. В эксперименте приняли участие 18 молодых физически активных мужчин (возраст 21,4±4,2 год; рост 178,3±8,1 см; вес 79,5±5,2), давших добровольное письменное согласие на участие в эксперименте. Недельный тренировочный цикл включал три тренировки. В каждое тренировочное занятие выполнялось от 3 до 7 рабочих периодов с 10 минутными интервалами отдыха. Тренировочная нагрузка составляла 85% от максимальной произвольной силы (МПС). Половина участников (9 человек - Тр+Кр-группа) принимала моногидрат креатина в количестве 5 г в сутки. Остальные 9 человек (Тр-группа) принимали плацебо.

4. Оценка изменений сократительных способностей мышц-разгибателей коленного сустава в изотоническом и изокинетическом режимах мышечного сокращения у испытателей, перенесших сухую иммерсию различной длительности. Метод «сухой иммерсии» (Шульженко и др., 1975) был выбран как наиболее эффективная модель, воспроизводящая эффекты гравитационной разгрузки (резкое снижение уровня двигательной активности). Эксперимент проводился отделом сенсомоторной физиологии под руководством член-корр. РАН И.Б. Козловской. В 3-х суточной иммерсии приняли участие 9 человек (возраст - 23±1 год; рост - 175±7 см; вес - 79±5 кг). В 7-ми суточной иммерсии приняли участие 10 человек (возраст - 22±5 год; рост - 176±9 см; вес - 74±5 кг).

Всего в экспериментах приняли участие 208 человек.

Оценка скоростно-силовых возможностей мышц-разгибателей коленного сустава осуществлялась с использованием силоизмерительного комплекса BIODEX System Pro (США). Тестирование осуществлялось: в изометрическом режиме мышечного сокращения при оптимальном значении угла в коленном суставе (100-110 град.); в изотоническом режиме мышечного сокращения в диапазоне нагрузок 100-220 Нм; в изокинетическом режиме мышечного сокращения в диапазоне угловых скоростей 0,5-6,3 рад/с.

Запись параметров ЭМГ-активности m.vastus lateralis производили с использованием электромиографа Medicor (Венгрия). Биопотенциалы снимались с помощью хлорсеребряных электродов при межэлектродном расстоянии 20 мм. С помощью аналого-цифрового преобразователя усиленный сигнал поступал в компьютер для дальнейшей обработки. Сигнал программно интегрировался с использованием метода скользящего среднего по 40 мс. Анализировали максимальную амплитуду интегрированной ЭМГ-активности и площадь под кривой интегрированной ЭМГ-активности в тех попытках, где был проявлен максимальный уровень скоростно-силовых возможностей.

Статистическую обработку полученных результатов проводили с использованием однофакторного дисперсионного анализа (ANOVA one way), а также корреляционного анализа Пирсона.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Разработка способа сопоставления результатов скоростно-силового тестирования в изотоническом и изокинетическом режимах мышечного сокращения

Традиционная оценка эффективности силовой тренировки подразумевает измерение уровня силовых возможностей до и после определенного тренировочного воздействия. Как отмечалось выше, при сопоставлении результатов тестирования сократительных возможностей мышц в изотоническом и изокинетическом режимах сокращения приходится сравнивать различные двигательные качества, имеющие различные единицы измерения: силу (изокинетический режим) и скорость (изотонический режим) мышечного сокращения. Данное обстоятельство накладывает существенные ограничения на сравнение эффектов тренировки в изотоническом и изокинетическом режимах работы мышц. Ограничения связаны с тем, что относительные (и тем более, абсолютные) значения прироста силы и скорости далеко не равнозначны. Иногда используют оценку только в одном режиме (с одной измеряемой величиной), и на основании данных результатов делают выводы об эффективности того или иного метода развития силы. Однако это также некорректно, поскольку нарушается принцип соответствия тестовых и тренировочных режимов мышечного сокращения. Очевидно, что для решения данной проблемы необходимо располагать более обоснованным способом сопоставления приростов скоростно-силовых возможностей, зарегистрированных в изотоническом и изокинетическом режимах сокращения мышц.

Предложенный нами способ оценки основан на сравнительном анализе зависимостей «сила-скорость». Принимая во внимание принцип специфичности, подтверждаемый для многих режимов тренировки, можно предположить, что тренировка в изотоническом режиме приведет к большему смещению изотонической кривой, а изокинетическая тренировка - изокинетической. При отсутствии специфических тренировочных эффектов данные кривые должны совпадать. Изучение взаимного перемещения зависимостей «сила-скорость» в едином координатном поле, регистрируемых в изотоническом и изокинетическом режимах мышечного сокращения, под влиянием различных воздействий и является предметом наших исследований.

Взаиморасположение данных кривых, которое, согласно рабочей гипотезе, должно отражать специфические особенности скоростно-силовых проявлений тренируемых мышц, можно оценивать различными способами, каждый из которых имеет свои достоинства и недостатки. Наиболее предпочтительным, на наш взгляд, является способ оценки, представленный на рисунке 1.

Рис. 1. Схема расчета индекса межрежимной разности (МРР).

Согласно данной схеме, индекс межрежимной разности (МРР) отражает относительные различия во взаимном расположении кривых «сила-скорость», зарегистрированных в изотоническом и изокинетическом режимах мышечного сокращения в определенном (выбранном) диапазоне угловых скоростей. Положительные значения индекса указывают на то, что реализация скоростно-силовых возможностей в изокинетическом режиме более успешна, чем в изотоническом. Отрицательные значения индекса свидетельствуют об обратном. Значение индекса равное нулю указывает на отсутствие специфических проявлений скоростно-силовых возможностей при тестировании в двух режимах.

Таким образом, одной из гипотез данного исследования является предположение об отсутствии различий скоростно-силовых проявлений, оцениваемых по индексу МРР, у лиц, не имеющих предшествующего опыта тренировки. Графически это должно проявляться в совпадении кривых «сила-скорость», построенных на единой координатной плоскости, для двух режимов измерения (при условии сохранения одинаковых биомеханических условий и мотивации к выполнению задания), а аналитически - в низких значениях индекса МРР в диапазоне, где данные кривые перекрываются.

Для проверки данной гипотезы был организован эксперимент, в котором приняли участие 63 здоровых, физически активных молодых мужчин. До проведения тестирования участники не имели опыта специальной тренировки ни в изотоническом, ни в изокинетическом режимах мышечного сокращения. Тестирование скоростно-силовых возможностей четырехглавой мышцы бедра проводилось в изотоническом и в изокинетическом режимах в широком диапазоне угловых скоростей и внешних нагрузок. Одновременно с механической активностью и угловой скоростью регистрировалась ЭМГ-активность m.vastus lateralis.

При графическом сопоставлении кривых «сила-скорость» (рисунок 2) обнаруживается, что их положение в единой системе координат («сила-скорость») практически совпадет; индекс МРР не превышает 3%.

Полученные результаты согласуются с гипотезой, согласно которой отсутствие предшествующего тренировочного опыта в обоих изучаемых режимах должно графически отразиться в наложении одной на другую кривых «сила-скорость», измеряемых в двух режимах и построенных в единой системе координат. Другими словами, у нетренированного человека скоростно-силовые возможности нервно-мышечного аппарата реализуются примерно одинаково в изотоническом и в изокинетическом режимах мышечного сокращения.

Рис. 2. Усредненные зависимости «сила-скорость», зарегистрированные в изокинетическом и изотоническом режимах мышечного сокращения у нетренированных лиц (n=63).

Для корректного сопоставления уровня ЭМГ-активности работающих мышц при максимальных мышечных сокращениях в различных режимах следует уравнять анализируемые попытки по какому-либо параметру. Для этих целей обычно используют: длительность сокращения, работу (площадь под кривой механограммы), либо мощность мышечного сокращения (произведение силы и скорости сокращения). Последний из параметров является предпочтительным, поскольку в нем учтены оба предыдущих. В нашем эксперименте для сравнительного анализа уровня ЭМГ-активности при изотонических и изокинетических сокращениях подбирались пары попыток, в которых уровень мощности сокращения отличался не более чем на 1%. Из всех попыток было выявлено 98 таких пар. Анализ ЭМГ-активности при максимальных мышечных сокращениях, осуществляемых в изотоническом и изокинетическом режимах, выявил существенные межрежимные различия. Так, амплитуда интегрированной электромиограммы (иЭМГ) при изотонических сокращениях оказалась достоверно выше, чем при изокинетических. Напротив, площадь под кривой иЭМГ-активности оказалась достоверно большей при изокинетических сокращениях (рисунок 3). Данные различия являются прямым доказательством того, что организация моторной команды при изотоническом и изокинетическом сокращении существенно различается. Исходя из современных представлений, амплитуда иЭМГ-активности отражает уровень суммарной активности двигательных единиц, синхронизированной во времени (Hakkinen et al., 1987-1992; Aaggard et al., 1990-2006), т.е. чем больше амплитуда иЭМГ-активности, тем выше эффективность управления работой мышц со стороны центральной нервной системы. Величина площади под кривой иЭМГ-активности, т.е. суммарная электрическая активность многих двигательных единиц, отражает величину общей работы, произведенной мышечными волокнами. Большую величину амплитуды иЭМГ-активности в изотоническом режиме можно объяснить следующим.

Рис. 3. Характеристики ЭМГ-активности в попытках, уравненных по мощности мышечного сокращения

В начале максимального мышечного напряжения в этом режиме в работу вовлекаются все двигательные единицы, доступные при максимальной произвольной активации. В изокинетическом режиме максимальное напряжение возникает лишь в момент достижения заданной угловой скорости, т.е. с запаздыванием. В результате, основная нагрузка приходится на быстрые двигательные единицы, способные сокращаться с высокой скоростью. Вклад медленных единиц при этом не так велик, что проявляется в гораздо меньшей амплитуде иЭМГ-активности. Большую, по сравнению с изотоническим режимом, площадь под кривой иЭМГ-активности при изокинетическом сокращении можно объяснить следующим. При сопоставимой мощности максимального мышечного сокращения время сокращения в изотоническом режиме меньше, чем в изокинетическом. Таким образом, меньшие величины площади под кривой иЭМГ-активности, наблюдаемые в изотоническом режиме, по-видимому, связаны с меньшей мышечной работой.

Специфические особенности скоростно-силовых возможностей мышц-разгибателей коленного сустава у высокотренированных спортсменов различных специализаций

Для выявления специфических изменений скоростно-силовых возможностей под влиянием тренировки в определенном режиме мышечного сокращения с использованием индекса МРР были выбраны те спортивные специализации, в которых тренировка происходит преимущественно в одном из изучаемых режимов мышечной деятельности. Такими специализациями явились: конькобежный спорт (преимущественно изотонический режим) и академическая гребля (преимущественно изокинетический режим). Строго говоря, речь идет не о точном воспроизведении режима мышечного сокращения, чего можно добиться лишь в лабораторных условиях, а о некотором приближении. Различия режимов мышечной деятельности в представленных спортивных специализациях весьма существенные. Основное отличие заключается в максимальной величине углового ускорения при разгибании коленного сустава. Это означает, что для реализации данных движений требуются принципиально различные моторные команды. Исходя из предположения, что тренированность в определенном режиме мышечной деятельности (согласно принципу специфичности) должна характерным образом проявляться при воспроизведении скоростно-силовых возможностей мышц в каждом из этих режимов, следует ожидать определенных изменений в индексе МРР.

Для проверки данной гипотезы были протестированы 92 гребца и 34 конькобежца, представителей национальных сборных команд в данных видах спорта (рисунок 4). Полученные результаты свидетельствуют о ярко выраженной специфичности тренировочных эффектов. В группе конькобежцев кривая, характеризующая зависимость «сила-скорость», зарегистрированная в изотоническом режиме, располагается выше «изокинетической», что указывает на более успешную реализацию скоростно-силовых возможностей конькобежцев именно в изотоническом режиме. В группе гребцов отмечается противоположная картина.

В группе гребцов индекс МРР при угловой скорости, близкой к тренировочной (4,7 рад/с), оказался значительно выше, чем в группе конькобежцев. Одним из объяснений данных различий может являться следующее. Хорошо известно, что помимо специфичности тренировочных эффектов, наблюдаемых при тренировке в изотоническом и изокинетическом режимах мышечного сокращения (предмет настоящего раздела исследований), наблюдается специфичность тренировочных эффектов при тренировке с определенной скоростью сокращения (Behm DG and Sale DG., 1993). Это проявляется в том, что максимальный прирост силовых возможностей в результате тренировки при определенной скорости ярче всего проявляется именно на тренировочных скоростях. В наших исследованиях межгрупповые различия скоростного режима движения в представленных специализациях весьма ощутимы. В случае академической гребли мы имеем дело с вполне определенной (постоянной) скоростью сокращения мышц ? 5 рад/с, в то время как в случае конькобежного спорта специфическая тренировочная скорость изменяется в широком диапазоне (0-14 рад/с). Можно предположить, что в группе гребцов произошла «суммация тренировочных эффектов»: прироста в результате тренировки в специфическом режиме мышечного сокращения и прироста в результате тренировки в специфическом скоростном режиме (4-5 рад/с). Это отразилось на величине индекса МРР, который в данной группе оказался статистически значимым.

Рис. 4. Скоростно-силовые возможности мышц-разгибателей коленного сустава у гребцов (а) и конькобежцев (б)

Следующим этапом исследования явилось изучение взаимосвязи индекса МРР с рядом морфофункциональных параметров в группе гребцов (поскольку эта группа была более многочисленной). Анализ был проведен с целью ответить на вопрос, изменяется ли индекс МРР с увеличением времени тренировки в определенном режиме работы мышц или же он зависит от иных факторов, например, от уровня аэробных возможностей организма. Действительно, спортсмены представленных специализаций отличаются не только опытом тренировки в специфическом режиме мышечной деятельности, но и многими другими (морфологическими и функциональными) параметрами. Ответ на поставленный вопрос является весьма важным как в теоретическом, так и в практическом отношении. Было проведено сопоставление величины МРР при специфической скорости сокращения с 14-ю различными показателями. Достоверная взаимосвязь величины МРР была обнаружена лишь с общим стажем занятий и стажем квалификации (время после присвоения звания КМС). Полученные результаты ясно указывают на долговременную природу происходящих изменений: чем длительнее процесс тренировки в специфическом режиме мышечной деятельности, тем ярче различия скоростно-силовых проявлений, регистрируемых в изотоническом и в изокинетическом режимах (величина индекса МРР).

Анализ вклада центрального и периферического звеньев нервно-мышечного аппарата в изменения, наблюдаемые при силовой тренировке с различным метаболическим обеспечением мышечной деятельности: механизмы

Известно, что сила сокращения мышц является интегральным показателем, зависящим от способности мышечных волокон генерировать силу (периферическое звено) и эффективности работы механизмов управления движением (центральное звено). Очевидно, что вклад этих звеньев при проявлении силы в различных режимах мышечного сокращения неодинаков.

Попытки разобраться в причинах изменений, происходящих в ответ на то или иное тренировочное воздействие, предпринимались неоднократно (Komi et al., 1972; Jones et al., 1987; Duncan et al., 1989). Логика рассуждений этих исследователей была следующей: если после силовой тренировки с использованием различных режимов мышечного сокращения наблюдаются различия скоростно-силовых проявлений в специфических режимах и при этом нет различий в гипертрофии мышц, то изменения происходят главным образом в нервной системе (механизмы управления).

Данный подход имеет два существенных недостатка. Во-первых, из поля рассмотрения исключаются изменения, происходящие в нервной системе. Такие изменения можно оценить, регистрируя ЭМГ-активность работающих мышц. Во-вторых, уравнивание тренировочных групп по какому-либо параметру физического воздействия чрезвычайно трудно, поскольку тренировка в различных режимах мышечного сокращения может резко различаться по скорости сокращения, тренировочной нагрузке, распределению нагрузки во времени и т.д. При попытке уравнивания тренировочной нагрузки по одному из этих параметров, неизбежно будет возникать ситуация, при которой другие параметры будут значительно различаться. Например, при попытке уравнять тренировочные группы по выполняемой механической работе (произведение нагрузки и расстояния) будут наблюдаться существенные различия в мощности мышечного сокращения (произведение силы и скорости), времени напряжения и т.д.

Для локализации наблюдаемых изменений, происходящих в результате силовой тренировки, нами использован иной подход. Мы попытались уравнять группы, тренирующиеся в различных режимах, не по выполненной работе или ее эквиваленту - метаболическим затратам, а, наоборот, тренировать группы в одном и том же режиме мышечной деятельности, с одной и той же моторной командой и мотивацией, однако изменив метаболическое обеспечение мышц. При этом вклады центрального и периферического звеньев оценивались путем анализа приростов скоростно-силовых возможностей (суммарное действие обеих звеньев) и величины амплитуды ЭМГ-активности работающих мышц (изменения, происходящие в нервной системе - центральное звено).

Различия в метаболическом обеспечении мышц достигались с помощью использования препаратов креатина. Показано, что положительные эффекты, наблюдаемые в результате длительного приема креатина, преимущественно проявляются на уровне мышечных волокон (Balsom et al., 1993; Trump et al., 1996). В другой работе показано, что прием креатина не влияет на изменения, происходящие в нервной системе (Meyer et al., 1989).

В результате 10-недельной силовой тренировки уровень максимальной произвольной силы, измеряемый в изометрическом режиме при оптимальном угле коленном суставе, у группы, принимавшей креатин (Тр+Кр-группа), оказался гораздо выше, чем у группы, тренирующейся без применения креатина (Тр-группе) (рисунок 5).

Уровень ЭМГ-активности m.vastus lateralis достоверно прирос в обеих группах, однако межгрупповых различий обнаружено не было (рисунок 5). Одним из возможных объяснений равнозначных приростов ЭМГ-активности может являться то, что обе группы тренировались в одном и том же режиме мышечного сокращения со сходной моторной командой. В тоже время на периферии (на уровне мышечных волокон) метаболические условия во время тренировки и восстановления существенно различались. Так сотрудниками Института биохимии им. А.Н.Баха (В.П.Хотченков и др., 2005 г.) было показано, что Тр+Кр-группа тренировалась на фоне повышенной концентрации креатина в крови и в мышечной ткани. В результате, площадь поперечного сечения (ППС) мышечных волокон обоих типов в m.vastus lateralis у испытуемых Тр+Кр-группы увеличилась значительно больше, чем в Тр+группе (данные Б.С. Шенкмана и сотр., 2006 г. - рисунок 5), что согласуется с ранее полученными данными (Balsom et al., 1993; Trump et al., 1996).

Перед началом тренировочного цикла реализация скоростно-силовых возможностей мышц-разгибателей коленного сустава одинаково проявлялась при тестировании в изотоническом и изокинетическом режимах. 10-недельная силовая тренировка в изотоническом режиме в обеих группах привела к большему смещению «изотонической» кривой, чем «изокинетической». Это проявилось в изменении индекса МРР в отрицательную сторону в среднем на 8%, причем значимых различий между группами зарегистрировано не было.

Рис. 5. Относительные приросты МПС, ЭМГ-активности и ППС мышечных волокон медленного (МВ I) и быстрого (МВ II) типов после 10-недельной силовой тренировки

Полученные результаты свидетельствуют о том, что силовая тренировка в изотоническом режиме приводит к изменениям как в центральном (судя по повышению уровня ЭМГ-активности), так и периферическом (судя по увеличению ППС мышечных волокон) звеньях нервно-мышечной системы. Однако больший прирост МПС у испытуемых, тренирующихся с применением креатина, объясняется, главным образом, различиями в периферическом звене. Действительно, в нашем исследовании не обнаружено межгрупповых различий в приросте показателя, косвенно отражающего изменения, происходящие в центральном звене НМА (прирост ЭМГ-активности). Различий в изменении индекса МРР также не наблюдалось, тогда как при тренировке в различных режимах мышечного сокращения (тренировка с различной моторной командой - рисунок 3) значения данного индекса различаются существенно (рисунок 4). Можно заключить, что основной системой, в которой накапливаются изменения, наблюдаемые при тренировке в одном и том же режиме, но при различном метаболическом обеспечении мышечной деятельности, является периферическое звено, а при тренировке в различных режимах - центральное звено.

Таким образом, при повышенном уровне двигательной активности (в результате систематической тренировки в изотоническом или изокинетическом режимах сокращения) происходят специфические изменения скоростно-силовых возможностей мышц. В этой связи представляется интересным исследовать противоположные эффекты - изменения, наблюдаемые при вынужденном снижении мышечной активности.

Изменения скоростно-силовых возможностей мышц-разгибателей коленного сустава в условиях сниженного уровня двигательной активности

Существуют различные экспериментальные модели, обеспечивающие снижение двигательной активности организма: от постельного режима до пребывания человека в космосе, где отсутствие силы тяжести и опоры приводит к драматическим последствиям, проявляющиеся в снижении скоростно-силовых и выносливостных возможностей мышц наряду с развитием процессов атонии и атрофии (Панов и др., 1969; Thomson et al., 1974; Гуровский и др.,1975; Козловская и др., 1984). Одной из наиболее удачных наземных моделей гравитационной разгрузки, с большой степенью точности воспроизводящей неблагоприятные последствия микрогравитации, является метод сухой иммерсии (Шульженко и др.,1975).

Исследованию изменений скоростно-силовых возможностей скелетных мышц в результате пребывания человека в условиях сухой иммерсии посвящено немало работ (Овсянников и др., 1972; Козловская и др., 1983). Все исследователи отмечают заметное снижение сократительных свойств скелетных мышц, при этом в большей степени страдает антигравитационная мускулатура.

Малоизученным аспектом исследований, посвященных влиянию реальной и моделируемой микрогравитации на скоростно-силовые возможности скелетных мышц, является адекватный выбор тестовых процедур, в частности, режима мышечного сокращения. Проблема связана с тем, что эпоха массовых исследований физиологического состояния человека в условиях реальной и моделируемой микрогравитации пришлась на время существенных усовершенствований методологии тестирования скоростно-силовых возможностей скелетных мышц. В 1965 году был создан первый изокинетический динамометр, использование которого прочно вошло в практику исследований мышечной функции человека ввиду его удобства и травмобезопасности. Особенно актуально проблема травмобезопасности стояла при проведении послеполетных исследований. Таким образом, данный режим традиционно закрепился как единственно используемый. Единичные исключения составляют исследования силы мышц в изометрическом (Григорьева и др., 1983; Bachl et al., 1993; Коряк и др., 1995) и эксцентрическом режимах (Bachl et al., 1993), причем в последнем случае регистрация скоростно-силовых возможностей также осуществляется на устройствах с контролируемой скоростью движения (эксцентрические сокращения в изокинетических условиях). Из поля зрения исследователей, занимающихся оценкой изменений сократительных свойств скелетных мышц в результате воздействия реальной и моделируемой микрогравитации, выпал изотонический режим, что, на наш взгляд, является большим упущением. Как было показано в первой части работы, реализация скоростно-силовых возможностей в каждом из этих режимов может иметь существенные особенности.

Таким образом, целью настоящего раздела исследований явилось изучение эффектов резкого снижения двигательной активности (пребывания человека в условиях сухой иммерсии разной длительности) на сократительные возможности мышц-разгибателей коленного сустава, регистрируемые в изотоническом и изокинетическом режимах мышечного сокращения. Исследование включало две серии экспериментов: с 3-х (9 человек) и 7-суточной (10 человек) сухой иммерсией.

Выраженность снижения скоростно-силовых возможностей мышц-разгибателей коленного сустава под влиянием сухой иммерсии была тем ярче, чем большим было время экспозиции. Тенденция к снижению сократительных способностей разгибателей наблюдалась уже после 3-х суток пребывания в иммерсии. После 7-ми суток экспозиции зарегистрировано достоверное снижение скоростно-силовых возможностей мышц.

Амплитуда ЭМГ-активности тестируемых мышц при максимальных мышечных напряжениях после пребывания в 3-х суточной иммерсии увеличилась как в изотоническом, так в изокинетическом режимах сокращениях. Максимальный прирост отмечался в изотоническом режиме при сокращении с высоким внешним сопротивлением.

Анализ изменений сократительных возможностей мышц-разгибателей коленного сустава под воздействием 7-ми суточной иммерсии выявил существенные различия в уровне их снижения при использовании двух режимов мышечного сокращения (изокинетического и изотонического) (рисунок 6). Так, при тестировании в изокинетическом режиме мышечного сокращения снижение сократительных способностей мышц оказалось гораздо меньшим, чем при тестировании в изотоническом режиме (наибольше снижение составило 7% и 17% соответственно). Максимальное снижение как в изокинетическом, так и в изотоническом режимах мышечного сокращения наблюдалось на более низких угловых скоростях (для изотонического режима - это большие нагрузки). К объяснению полученных результатов можно привлечь рассуждения, приведенные выше (стр. 12). При изокинетическом сокращении основная нагрузка приходится на быстрые мышечные волокна, которые, как показано в ряде работ, менее подвержены влиянию гипокинезии (Козловская и др., 1982-1984). В изотоническом режиме в работу вовлекаются все двигательные единицы, доступные при произвольной активации (Heneman, 1965; Desmedt et al., 1977). Поскольку убедительно доказано, что под воздействием реальной и моделируемой невесомости в первую очередь страдают медленные (тонические) двигательные единицы (Козловская и др., 1982-1984), гораздо большего снижения силовых показателей следует ожидать именно при тех сокращениях, в которых данный тип двигательных единиц вносит значительный вклад: при изотонических сокращениях по сравнению с изокинетическими, а также при низких угловых скоростях в изокинетическом и при больших внешних нагрузках в изотоническом режиме.



Рис. 6. Относительные изменения момента силы в изокинетическом (а) и скорости сокращения в изотоническом (б) режимах мышечного сокращения в результате воздействия 7-суточной сухой иммерсии.

Обращает на себя внимание тот факт, что после пребывания в 3-суточной иммерсии достоверное увеличение амплитуды ЭМГ-активности также найдено в изотоническом режиме при самой высокой из используемых нагрузок. Факт значительного повышения ЭМГ-активности, наблюдаемый в результате пребывания в условиях моделируемой микрогравитации, и, как следствие, увеличение электромиографической стоимости мышечной работы объясняется подавляющим большинством исследователей как компенсаторное повышение нисходящего нервного драйва в ответ на снижение сократительных способностей мышечных волокон (Козловская и др., 1982-1984 г). Опираясь на эти рассуждения, можно предположить, что наиболее выраженное увеличение ЭМГ-активности должно проявляться в тех тестовых условиях, в которых регистрируется максимальное снижение сократительных способностей мышц, что и наблюдается в наших экспериментах.

Таким образом, оценка скоростно-силовых возможностей мышц-разгибателей коленного сустава с использованием изотонического режима мышечного сокращения оказалась более «чувствительной» к снижению сократительных возможностей мышц, наблюдаемому в результате резкого снижения двигательной активности, чем оценка с использованием изокинетического режима. Примечательно, что до настоящего времени данный способ оценки в исследованиях, направленных на изучение изменений сократительных возможностей мышц в результате реальной и моделируемой микрогравитации и гипокинезии, практически не применялся.

ВЫВОДЫ

1. Предложенный способ графического сопоставления скоростно-силовых возможностей мышц, проявляемых в изотоническом и изокинетическом режимах мышечного сокращения (индекс МРР), позволяет объективно оценивать, в каком из этих режимов нервно-мышечный аппарат человека способен более успешно реализовывать свои скоростно-силовые возможности.

2. При анализе скоростно-силовых возможностей мышц у нетренированных лиц с использованием предложенного метода различий во взаимном расположении кривых «сила-скорость», зарегистрированных в изотоническом и изокинетическом режимах мышечного сокращения, не обнаружено. При этом обнаружены существенные различия в организации моторной команды в изучаемых режимах. Анализ параметров ЭМГ-активности при максимальных мышечных сокращениях в изотоническом и изокинетическом режимах работы одинаковой мощности показал, что амплитуда интегрированной ЭМГ выше при изотонических сокращениях, а площадь под кривой интегрированной ЭМГ больше при изокинетических.

3. Тренировка в определенном режиме мышечной деятельности приводит к специфическим изменениям скоростно-силовых возможностей. Так, при сопоставлении зависимостей «сила-скорость» у высококвалифицированных гребцов (использующих в своей тренировочной деятельности режим сокращения мышц, близкий к изокинетическому) кривая, построенная в изокинетическом режиме, в диапазоне тренировочных скоростей, располагается выше кривой, построенной в изотоническом. У высококвалифицированных конькобежцев (тренировка в изотоническом режиме работы) наблюдается обратное расположение кривых. Отмеченные различия становятся более выраженными с увеличением спортивного стажа, т.е. длительности тренировки.

4. Силовая тренировка, осуществляемая в одном и том же режиме мышечного сокращения (с одинаковой моторной командой) при различном метаболическом обеспечении мышечной деятельности, не приводит к различиям в изменениях индекса МРР и ЭМГ-активности. Различия в приросте силы при такой тренировке обусловлены в основном периферическими факторами (гипертрофией мышечных волокон).

5. В условиях сухой иммерсии снижение скоростно-силовых возможностей мышц-разгибателей коленного сустава проявляется ярче в изотоническом режиме сокращения, чем в изокинетическом. Наиболее выраженное снижение наблюдается на низких угловых скоростях в изокинетическом режиме и при высоких нагрузках в изотоническом, что хорошо согласуется с данными о преимущественном воздействии условий сухой иммерсии на медленные мышечные волокна.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Креатин как метаболический модулятор структуры и функции скелетных мышц при силовой тренировке у человека. Эргогенные и метаболические эффекты. Российский Физиологический журнал им. И.М. Сеченова. 2006. Т.92. №1. с.100-112 (соавт. Шенкман Б.С., Попов Д.В., Хотченков В.П., Виноградова О.Л., и др.)

2. Физиологические эффекты использования низкоинтенсивной силовой тренировки без расслабления в односуставном и многосуставном движениях. Российский Физиологический журнал им. И.М. Сеченова. 2007. Т.93. №1. с.27-38 (соавт. Попов Д.В., Любаева Е.В., Виноградова О.Л., и др.)

3. Увеличение мышечной массы и силы при низкоинтенсивной силовой тренировке без расслабления связано с гормональной адаптацией. Физиология человека. 2006. Т.32. №5. с.121-127 (соавт. Попов Д.В., Цвиркун Д.В., Тарасова О.С., Виноградова О.Л., и др.)

4. Креатин как метаболический модулятор структуры и функции скелетных мышц при силовой тренировке у человека. Клеточные механизмы. Российский Физиологический журнал им. И.М. Сеченова. 2006. Т.92. №1. с.113-122 (соавт. Шенкман Б.С., Литвинова К.С., Гасникова Н.М., Виноградова О.Л., и др.)

5. Хронические эффекты низкочастотной электромиостимуляции разгибателей коленного сустава на фоне их статического пассивного растяжения у человека Физиология человека. 2006. Т.32. № 1. с.84-92 (соавт. Шенкман Б.С., Любаева Е.В., Попов Д.В., Тарасова О.С., Виноградова О.Л., и др.)

6. Креатин как метаболический модулятор структуры и функции мышц при силовой тренировке у человека. Медико-биологические технологии повышения работоспособности человека в условиях напряженных физических нагрузок, Выпуск 1. Москва: ФОН. 2004. с.102-115 (соавт. Шенкман Б.С., Литвинова К.С., Хотченков Виноградова О.Л., и др.)

7. Физиологические эффекты низкоинтенсивной силовой тренировки без расслабления. Медико-биологические технологии повышения работоспособности человека в условиях напряженных физических нагрузок, Выпуск 1. Москва: ФОН. 2004. с.117-125 (соавт. Шенкман Б.С., Попов Д.В., Виноградова О.Л., и др.)

8. Мышечная гипертрофия, увеличение силы и гормональная адаптация при низкоинтенсивной силовой тренировке без расслабления. Медико-биологические технологии повышения работоспособности человека в условиях напряженных физических нагрузок, Выпуск 2. Москва: ФОН. 2005. c.168-174 (соавт. Попов Д.В., Цвиркун Д.В., Ларина И.М., и др.)

9. PPARalpha gene variation and physical performance in Russian athletes. Eur J Appl Physiol. 2006. V.97(1). p.103-108 (et Ahmetov II, Montgomery HE, Rogozkin VA., et al.)

10. Chronic effects of low-frequency low-intensity electrical stimulation of stretched human muscle. Implications for countermeasure usage. Acta Astronautica. 2007. V.60. p.505-511 (et Shenkman B.S., Lyubaeva E.V., Popov D.V., Vinogradova O.L., et al.)

11. Effect of dry immersion in combination with stimulation of foot support zones upon muscle force-velocity characteristics. Journal of Gravitational Physiology. 2004. V.11. p.129-130 (et Khusnutdinova D.R., Vinogradova O.L., Kozlovskaya I.B.)

12. Mechanic stimulation of the soles support zones as a countermeasure of the contractile properties decline under microgravity conditions. Journal of Gravitational Physiology. 2004. V.11. p. 141-142 (et Khusnutdinova D.R., Vinogradova O.L., Kozlovskaya I.B.)

13. Effect of 7-days dry immersion in combination with mechanical stimulation of foot support zones upon resistance to fatigue of knee extensors and flexors. J. Gravitational. Physiology. 2005. V.12. p.137-138 (et Khusnutdinova D.R., Vinogradova O.L., Kozlovskaya I.B.)

14. Dynamics of changes of thin and hip muscles contractile properties under dry immersion condition. J. Gravitational. Physiology. 2005. V.12. p.143-144 (et Khusnutdinova D.R., Vinogradova O.L., Kozlovskaya I.B.)

15. Effects of dry immersion of various durations in combination with artificial stimulation of foot support zones upon force-velocity characteristics of knee extensors. J. Gravitational. Physiology. 2006. V.13. p.121-122 (et Khusnutdinova D.R., Vinogradova O.L., Kozlovskaya I.B.)

БЛАГОДАРНОСТЬ

Выражаю искреннюю и глубокую благодарность своему наставнику и учителю, заведующему кафедрой физиологии Российской Государственной Академии Физической Культуры ВИТАЛИЮ ИВАНОВИЧУ ТХОРЕВСКОМУ

Размещено на Allbest.ru

...