力竭性运动对肌肉离心和向心收缩阶段的疲劳损伤

力竭性运动对肌肉离心和向心收缩阶段的疲劳损伤

在比赛和训练中，“延长和缩短周期”运动最接近比赛的形式是“sc”。SSC运动过程可粗略分为离心收缩(肌肉预拉长)、收缩偶联期和向心收缩(肌肉缩短)3个时期,其能使肌肉在缩短过程中(向心收缩)将肌肉预拉长时期所积蓄的弹性势能更快的表现出来,能募集更多的肌纤维、动员更多的快肌运动单位参与运动,表现为更大的爆发力。也有研究证实,SSC运动对神经、肌肉的协调控制能力有更好的促进作用,也能更有效地刺激肌肉力量的增长;但更易导致肌肉疲劳、损伤和/或延迟性肌肉疼痛。SSC运动虽然包括了肌肉离心和向心运动两个阶段,但其运动过程中运动单位的募集和激活程度不同于纯粹的离心和向心运动。肌肉进行短时大强度SSC运动与单纯的向心、离心运动相比,更易导致肌血乳酸的堆集、肌肉疲劳和延迟性肌肉酸痛。但是力竭性SSC运动中不同收缩阶段对肌肉运动能力、牵张反射、肌肉疲劳损伤特征和机制却不甚明了,故本实验重点考察了这一点。1研究对象和方法1.1调查对象基本情况为11名无训练经历男性的大学生自愿参与本实验。其基本生理情况为(X¯¯¯±SD)(X¯±SD):年龄(22±2.1)岁,身高(176±4.3)cm,体重(64±5.6)kg,查体无疾病,实验过程中有医务监督人员。1.2学习方法1.2.1预延长时间控制本实验运动模型修改自Horita(1996,1999),Nicol(1996)所确定的疲劳运动模型。受试者在坡度为25°左右的下斜板上进行SSC运动,其腰部负体重的15%重量在下斜板上进行连续的双腿负重下蹲动作(图1A),要求受试者下蹲过程中臀部接触到脚跟时,尽可能快的蹲起,整个过程爆发性用力。制动(brakingphase)和蹬离阶段(pushoffphase)间的肌肉预拉长(pre-activity)时间控制在150ms以内,以保证SSC过程爆发性用力特征。预试验时测定每名受试者所能蹲起的最大高度,并以此作为评价运动能力的指标。正式实验时要求受试者每次蹲起需完成最大高度的70%(平均为62cm±6cm)。力竭判断标准:1)口头鼓励不能坚持完成动作;2)负重蹲起时膝关节不能达到90°;3)疲劳后,3次尝试蹲起的高度不能达到最大蹲起高度的40%。蹲起过程由两部分组成:1)下落阶段(DJ,图1A),从预先设置好的70cm高度(能使下肢伸肌肌群在肌肉向心收缩后完全拉伸的距离)向斜下方运动,经制动后转换向上弹起的过程;文献表明,SSC运动离心阶段后即刻肌肉疲劳症状明显,故本实验只在此阶段恢复期20min、2d、4d重复测试。2)蹲起阶段(SJ,图1B),在不预拉长肌肉的情况下保证大腿伸肌完成最大速度向心收缩。在受试者力竭后即刻(0min)、恢复期10min、20min、恢复2d、4d后重复测试。1.2.2数据处理和分析方法在受试者右侧用高速摄像机(NAC,HSV200,Japan)记录SSC每个蹲起过程(100帧/s)。数据采集点设在头部、肩关节、股骨大转子部位、膝关节、踝关节和第五跖骨。各点采得的数据用7Hz的频率进行降噪处理,输入数据分析系统(APAS,ArielDynamicsInc.,Calif.,USA)计算出髋、膝、踝关节的角速度和线速度。此外,整个运动过程中受试者所受到的重力和重力的分力用Winter(1979)提出的公式进行校正。下肢关节(髋、膝、踝关节)运动轨迹采用Aleshinsky(1986)和Horita(1991)等建立的模型处理。在本实验中,头部、躯干、大腿部、小腿部和足部五个部位用电极连接,主要用于记录各点代表的关节在运动中所承受的负荷特征。测试结果用各关节功率曲线表示。1.2.3肌电图和电极位置的测量表面肌电图(EMG):通过微电极法测试每名被试右腿股直肌(vastuslateralis,VL)、股内侧肌(vastusmedialis,VM)、腓肠肌内侧头(medialgastrocnemius,GA)和比目鱼肌(Soleus,SO)来确定,主要记录运动过程中肌肉预拉长阶段、制动阶段和发力蹬离阶段(图1)的肌电图变化。电极纵向贴置于肌腹,电阻设置为2000Ω。精确记录电极放置位置,以确保重复测量时电极位置的一致性和结果的准确性。收集到的肌电信号通过一个采样频率为12位的A/D转换器(频率设置为1000Hz)输入计算机实时数据传输系统(Codas,DataqInstrumentsInc.,USA)分析。1.2.4血乳酸浓度测试安静时、力竭性SSC运动后即刻、恢复期3、5和30min血乳酸浓度(YSI1500,USA)。测试安静时、恢复期30min、恢复2d和4d后的CK浓度(Rayto1904,USA)。1.3双因素方差分析采用STATISTICAv6.0(StatSoft,Okla.,USA)对数据进行统计处理,数据用均数±标准差(X¯¯¯±SD)(X¯±SD)表示。双因素方差分析(MANOVA,重复测量次数×SSC中DJ、SJ两个阶段)用于分析运动前后的肌肉疲劳变化和各关节用力特征等指标,多重比较(post-hoc)用LSD法。因DJ阶段0min和10min未测量,所以对运动前、运动后20min、2d和4d4个水平的值进行多重比较。血乳酸和CK不同时间取值的比较,采用单因素方差分析(one-wayANOVA),显著性差异α水平皆置为P≤0.05。2结果2.1运动情况下的疲劳过程受试者至力竭完成了(89±26)次SSC运动,平均用时(2.7±0.9)min。从力量变化曲线可观察到受试者在力竭SSC运动中的力量峰值、力量衰减速率和力竭运动的时间变化情况,反应出受试者本实验中的疲劳过程(图2)。力量峰值和停滞期转向向心收缩期分别从(1585±210)N降到(1308±293)N(P<0.05),从(1344±269)N降到(1095±36)N(P<0.01)。而最后10次蹲起的时间为(696±97)ms,显著高于运动初始时的10次连续蹲起时间(526±85)ms(P<0.05);最初10次蹲起的膝关节平均角速度为(54±10)°/s,最后10次平均角速度为(45±7)°/s(P<0.05)。2.2ssc在肌肉离心收缩期上的性能由图1可知,SSC运动过程中,肌肉离心收缩、向心收缩两个阶段的力量曲线、所用时间各不相同,从总的做功量来看,离心收缩期大于向心收缩期。且由于离心收缩期包括了制动转换的阶段,所以做功量有一些损失。从蹲起成绩来看,在SSC运动后,肌肉向心收缩期的能力迅速降低,但运动后10min左右恢复,在运动后2d、4d基本保持在同一水平,而离心阶段呈现出延迟性降低的特征。两个阶段下肢主要关节在4d后也呈现出不同的运动学特征(表1)。2.3最大力量和最大速度下肢各关节点运动过程中功率曲线见图3。在既定运动模型中,在制动和爆发用力的蹲起阶段,膝关节承受的负荷最大。下肢各关节的关节用力分布特征见表1,最大力量变化见表2。在向心收缩阶段,关节用力分布在SSC运动后无明显变化,而膝、踝关节最大力量显著降低。但10min和20min后即恢复到运动前水平。在离心收缩期,膝关节用力分布和最大力量都降低;踝关节和髋关节在SSC运动后降低,在恢复期却轻微增高;其中踝关节主动收缩能力和髋关节的退让性力量在恢复2d、4d后都增强。而膝关节和髋关节在离心收缩和向心收缩后,呈现出不同的恢复特征(表2)。2.4ssc运动前后膝关节的比较以gaemg为动力学依据不同时间测得的EMG值用占上次测得值的百分比(Δ%)表示,绝对值用mV表示。SJ阶段EMG并未显示出明显差异。虽然腓肠肌(GA)EMG在运动后即刻平均降低了19%,但由于个体差异很大,并无统计学意义(P>0.05)(图4)。DJ阶段,SSC运动后2d和4d,膝关节伸肌(VL和VM)显著性降低(P<0.05)。GAEMG在运动后第4d也显示出延迟性降低的特征。2.5运动前后血清ck和lg血乳酸浓度与安静时(1.98±0.3mmol/L)相比,运动后3min为(8.9±1.1)mmol/L(P<0.01),5min时为(10.1±0.8)mmol/L(P<0.01),在30min时为(2.4±0.8)mmol/L。血清CK与安静时(134±37U/L)相比,在运动后2d和4d明显升高,分别为(386±81)U/L,P<0.05;(251±79)U/L,P<0.05。3不同向心收缩情况下的肌肉力学特性从肌肉运动能力变化和关节用力分布特征来看,力竭性SSC运动后,肌肉在离心和向心收缩期呈现出不同的疲劳特征。力竭性SSC运动后:1)肌肉向心收缩力量迅速降低,这与Gollhofer等的研究结果部分一致,其发现上肢肌肉力竭性SSC运动后,短时间内向心收缩能力大幅降低。但本实验发现,运动后10min左右肌肉向心收缩能力即基本恢复,在运动后2d、4d基本保持在同一水平。2)离心收缩后,肌肉力量呈现出延迟性降低的特征。运动后2d、4d仍未恢复到运动前水平,同期的CK活性也有相同趋势。结果揭示,力竭性SSC运动较易导致肌肉急性代谢疲劳和延迟性肌肉酸痛症状,其中,肌肉向心收缩能力(克服阻力做功)恢复较快;肌肉离心收缩能力恢复较慢且更易造成肌肉损伤。提示力竭性SSC运动应注意肌肉离心收缩的负荷以及运动后有针对性的恢复,在训练中提高相关肌肉群退让性力量有利于提高运动成绩和防止运动损伤。在蹲起阶段(SJ),因受试者靠在下斜板上进行同一方向的蹲起运动,所以假设这个阶段膝关节和踝关节伸肌做的是单纯的向心收缩运动。在下落阶段(DJ),肌肉在离心收缩后经历一个短暂停滞期然后迅速进行向心收缩(图1)。所以快肌运动单位在DJ阶段最大程度的被募集。在每个SSC周期中,肌肉预拉长和制动阶段对运动成绩(跳起高度)非常重要。所以,不同的SSC运动模型给肌肉造成的疲劳损伤情况是不同的(本实验设定的离心→向心阶段转换时间小于150ms)。从下肢各关节点最大力量的变化结果可知,SSC运动在制动和蹬起阶段膝关节承受负荷最大;这也是在篮球运动中滑步、排球运动中起跳、田径运动中的跳深练习等运动形式易造成膝关节周围肌肉和半月板损伤的重要原因。在运动后2d和4d,肌肉离心收缩时膝关节用力分布和力量都有不同程度的降低(表1、表2)。在运动后即刻,膝关节的关节角速度较运动初始阶段明显降低。这说明本实验的采用的运动模型使膝关节承受的运动负荷较大,接近于比赛和训练的运动形式。相比较而言,踝、髋关节向心收缩时的力量在恢复2d和4d后出现对膝关节运动能力减弱的补偿性增长,这共同协调构成了下肢在运动过程中完成各种技术动作的调节能力。综合各关节在既定运动模型中踝、髋关节在离心、向心收缩时的不同用力分布特征及恢复情况,提示SSC运动主要是通过肌肉离心运动阶段施予各关节周围肌群受力,通过改善髋、踝关节和膝关节间的相对力量的平衡来提高运动能力,而向心阶段受到的影响则相对较小。提示在训练和比赛中可根据受试者各项目具体情况制定其各主要运动关节的训练计划和确定相应的康复手段。普遍认为是运动导致的肌原纤维超微结构(myofibrillarstructure)性损伤引发了延迟性肌肉疼痛等症状,但其代谢机制尚不明了。SSC周期中肌肉向心收缩阶段,牵张反射和肌肉收缩能力与运动成绩密切相关,大强度SSC运动造成的肌肉疲劳能明显降低肌肉的敏感性和肌肉弹性,也更容易造成神经—肌肉接头处的疲劳,总的表现为运动能力下降。CK作为肌肉损伤和恢复的间接诊断指标,其活性在运动后2d、4d显著增高,说明力竭性SSC运动对肌肉有较大的刺激性,在运动后4d肌肉仍处于疲劳状态。同时,运动后3min和5min血乳酸水平显著高于运动前,运动后30min基本恢复到安静水平。结合关节受力特征和肌电图,说明肌肉内代谢产物的增加反过来也可能影响到肌肉牵张反射及收缩力量,这也可能是影响到运动能力的一个重要原因。SSC运动造成的肌肉疲劳和/或损伤的机制可能是运动后“神经—肌肉”接头处的敏感性降低,直接或间接地导致了肌肉肌梭和腱梭前突触部位的敏感性下降,致使其接受神经递质的能力降低[5,10,23,24,25,26]。Horita等(1996)在短时大强度SSC运动造成的肌肉疲劳模型中也得出了相似结论。在运动后20min,SJ阶段的腓肠肌EMG出现了明显的延迟性降低。在SSC运动中,GA肌肉是小腿蹬离地面时最主要的发力肌肉,也是腿部重要的双关节肌(起自股骨内、外侧髁,止于跟腱),其中膝关节主要起杠杆作用将肌肉产生的力量在近关节和远关节之间传输,从而在大肌肉群发力和制动缓冲的时候起到重要作用。此外,有研究观测到在快速SSC运动中GA首先被募集用于运动发力。而本实验结果显示,向SJ过程中GAEMG无明显的延迟性改变(图4),所以,可以推断出在SSC周期的离心和向心阶段,GA肌肉是主要的发力和缓冲肌肉,其承受负荷的能力也非常强。离心阶段GA出现延迟性力量降低,说明离心收缩后对肌肉损伤更大,肌肉恢复较慢。4力竭性ssc运动影响肌肉和膝关节的变化在力竭性SSC运动中,肌肉代谢疲劳是造成运动能力下降的主要原因,且能明显地影