Меню

Механизмы развития утомления в скелетных мышцах

Локализация и механизмы утомления

Степень участия тех или иных физиологических систем в выполнении упражнений разного характера и мощности неодинакова. В выполнении любого упражнения можно выделить основные, ведущие, наиболее загружаемые системы, функциональные возможности которых определяют способность человека выполнить данное упражнение на требуемом уровне интенсивности и (или) качества. Степень загруженности этих систем по отношению к их максимальным возможностям определяет предельную продолжительность выполнения данного упражнения, т. е. период наступления состояния утомления. Таким образом, функциональные возможности ведущих систем не только определяют, но и лимитируют интенсивность и предельную продолжительность и (или) качество выполнения данного упражнения.

По локализации утомления можно, по существу, рассматривать три основные группы систем, обеспечивающих выполнение любого упражнения:

При выполнении любого упражнения происходят функциональные изменения в состоянии нервных центров, управляющих мышечной деятельностью и регулирующих ее вегетативное обеспечение. При этом наиболее «чувствительными» к утомлению являются корковые нервные центры. Проявлениями центрально-нервного утомления являются нарушения в координации функций (в частности, движений), возникновение чувства усталости. Как писал И. М. Сеченов (1903), «источник ощущения усталости помещается обыкновенно в работающие мышцы; я же помещаю его. исключительно в центральную нервную систему».

Механизмы центрально-нервного утомления остаются еще во многом невыясненными. Согласно теории И. П. Павлова, утомление нервных клеток есть проявление запредельного, охранительного торможения, возникающего вследствие их интенсивной (продолжительной) активности. Предполагается, в частности, что такое торможение возникает во время работы в результате интенсивной проприоцептивной импульсации от рецепторов работающих мышц, суставов связок и капсул движущихся частей тела, достигающей всех уровней центральной нервной системы, вплоть до коры головного, мозга.

Утомление может быть связано с изменениями в деятельности вегетативной нервной системы и желез внутренней секреции. Роль, последних особенно велика при длительных упражнениях (А. А. Виру). Изменения в деятельности этих систем могут вести к нарушениям в регуляции вегетативных функций, энергетического обеспечения мышечной деятельности и т. д.

Три основных механизма мышечного утомления:

1) истощение энергетических ресурсов,

2) засорение или отравление накапливающимися продуктами распада энергетических веществ,

3) задушение в результате недостаточного поступления кислорода. В настоящее время выяснено, что роль этих механизмов в развитии утомления неодинакова при выполнении разных упражнений.

Работоспособность-это социально-биологическое свойства человека, отражающее его возможность выполнять конкретную работу в течение заданного времени с необходимым уровнем эффективности и качества.

· максимальное потребление кислорода, достигнутое при возрастающей интенсивности нагрузки,

· величина физической нагрузки, достигнутая при определенной величине частоты сердечных сокращений: 170, 150 или 130 уд/мин и расчет различных вторичных показателей типа «индекса гарвардского степ-теста» или «индекса Руфье-Диксона»

· показатель интенсивности физической нагрузки, при которой в механизмы энергообеспечения мышечной деятельности вовлекается анаэробный обмен и происходит массивный выброс в кровь молочной кислоты (лактата) («анаэробный порог»).

Данные показатели позволяют оценить реакцию на предлагаемую нагрузку и указывают физиологическую цену выполняемой работы. Именно эти показатели работоспособности в процессе труда начинают снижаться задолго до ухудшения прямых критериев как количественных, так и качественных. Это дает основание использовать различные физиологические методики для прогнозирования работоспособности человека, а также для выяснения механизмов адаптации к конкретной профессиональной деятельности, оценке развития утомления и анализа других функциональных состояний. В то же время, большинство используемых методик носят частный характер, не позволяя охватить весь спектр изменений, как в вегетативных системах, так и в психофизиологических параметрах, возникающих на фоне утомления.

Вся трудовая деятельность протекает по фазам (см рисунок).

Источник

Механизм и условия развития мышечного утомления Локализация утомления Концепции утомления.

Вернемся к нашей задаче – рассмотрим механизмы развития физического утомления. Физическое утомление, которое является частным случаем утомления вообще, но основным видом утомления при занятиях физической культурой и спортом, связано, прежде всего, с развитием функциональных нарушений в ходе непосредственной мышечной деятельности. Внешние проявления, при развития такого утомления, будут связаны с функциональными нарушениями самого двигательного аппарата.

Вспомним, что функциональной единицей двигательного аппарата является нейромоторная (двигательная) единица – комплекс из мотонейрона (двигательного нейрона) и группы мышечных волокон, с которыми нейрон связан через синапс, и сокращение которых запускает. Для понимания механизма развития утомления следует выяснить меру участия каждой из этих структур, что можно сделать, поочерёдно исключая элементы двигательных единиц из сократительного процесса. Такими элементами будут: нервный центр, двигательный нейрон, нейромышечный (мионевральный) синапс и мышечные волокна.

Экспериментальным доказательством этого может служить следующий опыт.

Если предложить человеку ритмически производить подъем груза мышцей (регистрируя результат например, на эргографе Моссо, рис.2), то через некоторое время возникает утомление – амплитуда мышечных сокращений начинает заметно снижаться. Однако, электрическое раздражение пороговой силы, приложенное к соответствующему двигательному нерву, на этом фоне, заставит мышцу сокращаться с прежней амплитудой. Это свидетельствует о том, что утомление возникает, прежде всего, в нервных центрах.

Читайте также:  Комплекс упражнений для укрепления мышц спины и ягодиц

Рис 2. Регистрация сокращений на эргографе Моссо.

Следовательно, мышца утомляется в последнюю очередь. При этом, имеет место очень сложный комплекс изменений как в возбудимой системе мышцы, (что находит свое выражение в уменьшении интенсивности токов действия и увеличении их продолжительности, заметном уменьшении скорости распространения возбуждения), так и, в сократительной способности ее двигательных единиц, в миофибриллах и других белковых системах обеспечивающих сокращение, а также в ходе энергетических процессов, обусловливающих активность миофибрилл.

В целостном организме, при нормальном кровоснабжении, утомление в мышце возникает позже, чем в условиях сосудистой изоляции мышц. При нормальном функционировании центральных и периферических аппаратов мышца работает более или менее длительное время без утомления. Субмаксимальные сокращения и сравнительно небольшие (оптимальные) нагрузки, являются теми наиболее благоприятными условиями, при которых мышца может работать длительно, и утомление не наступает в течение многих часов.

В условиях динамической нагрузки, при работе, лежащей ниже предела утомления, во время рабочих движений за счет достаточного времени расслабления мышц макроэргические фосфаты, используемые при сокращении, могут регенерировать, а конечные продукты обмена – удаляться. Время расслабления соответствует необходимому времени восстановления. Так как в этом случае остаточные явления утомления отсутствуют, такая работа называется не утомительной. При динамической работе, лежащей выше предела утомления, возможность непрерывного восстановления отсутствует, так как длительность периодов расслабления меньше, чем время, необходимое для восстановления. Восстановление запасов энергии и удаление молочной кислоты происходят не полностью и возникает накопление остаточного утомления. Мышца использует свои макроэргические субстраты и накапливает конечные продукты метаболизма, причем утомление нарастает. Выраженность мышечного утомления при динамической работе, лежащей выше пределов утомления, может быть определена на основании физиологических показателей (например, времени восстановления, пульсовой суммы восстановления; см. выше).

Утомление при статической работе.В этом случае мышечное утомление вызвано в основном неадекватным кровотоком. Если сила мышечного сокращения превышает 15%изометрического максимума, приток кислорода перестает соответствовать потребности в нем и мышечное утомление прогрессивно нарастает.

Современные концепции утомления складываются из представлений о многоструктурности и неоднозначности функциональных изменений в отдельных системах во время работы. В зависимости от вида работы, ее напряженности, продолжительности ведущая роль в развитии утомления может принадлежать различным физиологическим системам.

Изменения в гуморальной системе регуляции могут стать ведущими факторами утомления при напряженной мышечной работе, связанной с эмоциональным стрессом.

При длительной истощающей работе наряду с предельными затратами энергии продолжение работы может лимитировать и утомление системы гипоталамус – гипофиз – надпочечники.

Нарушения в центральном звене регуляции физиологических функций могут играть существенную роль в развитии утомления при кратковременной мышечной работе скоростного характера. В результате мощного потока проприоцептивных и хеморецептивных импульсов в ЦНС развивается запредельное торможение (первичное утомление). Чрезмерная частота нервных импульсов к исполнительным приборам истощает и генерирующие их нервные клетки. Уже через несколько секунд работы падает лабильность нервных центров, в результате чего снижается и скорость выполнения упражнений.

Снижение скорости ресинтеза АТФ вследствие накопления продуктов промежуточного обмена может рассматриваться как главный фактор, ограничивающий продолжительность интенсивной работы. В скелетных мышцах поддерживается относительно постоянная концентрация АТФ, расходование ее инициирует компенсаторные процессы: повышается активность окислительных ферментов. Углеводы, свободные жирные кислоты и аминокислоты окисляются в митохондриях. При этом освобождается энергия, которая идет на ресинтез АТФ или запасается в макроэргических связях креатинфосфата (КрФ). При работе в анаэробных условиях ресинтез АТФ идет с накоплением молочной кислоты.

Переключение на анаэробные источники энергии при работе определяется не только ее интенсивностью, но и уровнем тренированности спортсмена. Чем ниже этот уровень, тем быстрее совершается переход на менее экономичный способ получения энергии, тем быстрее развивается некомпенсируемое утомление. Избыток молочной кислоты в мышцах может приводить к разобщению процессов образования энергии в окислительном цикле и накоплению ее в фосфагенах – АТФ и КрФ. Поэтому спортсмен с невысоким уровнем тренированности отказывается от работы значительно раньше, чем истощаются энергетические ресурсы. Молочная кислота служит источником водородных ионов. Их избыток в сократительном аппарате мышц препятствует образованию актомиозиновых мостиков, само сокращение мышцы затрудняется.

Подключение гликолиза к энергообеспечению происходит при высокой мощности работы через 20-30с после ее начала. Накапливающиеся при этом продукты обмена угнетают лилолитические процессы, тормозят окислительное фосфорилирование. Накопление лактата вмышцах является, по-видимому, главным фактором развития утомления при работе субмаксимальной мощности,

При работе большой мощности главной причиной развития утомления является относительная гипоксия ткани, а также постепенное накопление продуктов гликолиза и их угнетающее действие на аэробный обмен в мышцах, на процессы нервной регуляции двигательной функции. Парадоксальное на первый взгляд развитие гипоксии в условиях предельного потребления кислорода и переход на использование энергии гликолиза объясняется тем, что потребность в кислороде при работе большой мощности намного выше максимально возможного его потребления. Часть энергии организм вынужден черпать из анаэробного расщепления глюкозы – гликолиза. Отсюда избыток молочной кислоты.

Читайте также:  После отжиманий мышцы болят только на одной руке

При работе умеренной мощности на первое место в развитии утомления выходит истощение энергетических ресурсов – главным образом гликогена в печени и в работающих мышцах. Нарушения в регуляторных влияниях ЦНС являются, вероятно, вторичными.

Сдвиги в химизме внутренней среды в результате накопления продуктов промежуточного обмена отражаются в первую очередь на состоянии функций высших корковых и подкорковых регуляторов физиологических функций. Образуется порочный круг нарушения регуляторных механизмов. Первичные метаболические расстройства усугубляются нарушением регуляторных влияний со стороны ЦНС.

Строгая количественная оценка значимости отдельных факторов в развитии утомления при конкретных видах мышечной работы является одним из важных элементов управления тренировочным процессом. Выделение ведущего фактора возможно при правильном подборе тестирующих проб и методик исследования.

Утомление у детей школьного возраста развивается быстрее, чем у взрослых, вследствие ряда особенностей деятельности ЦНС. У детей быстрее нарушаются процессы внутреннего торможения, в особенности дифференцировочного и запаздывающего. При этом ухудшается внимание, появляется двигательное беспокойство, сменяющееся резким спадом активности в результате развития охранительного торможения и понижения возбудимости корковых клеток, Дети отказываются от работы задолго до развития критического состояния, связанного с накоплением продуктов промежуточного распада и тем более истощением энергетических источников.

В занятия с детьми не следует включать однообразную, монотонную работу. Необходимо чередовать различные виды работы, облегчающие восстановление по механизму активного отдыха. Учитывая, что работоспособность у детей падает от первого урока к последнему, от понедельника ксубботе, в режиме дня следует предусмотреть соответствующее содержание физических и умственных нагрузок, а также средства и методы их активизации.

Источник

Утомление при физических нагрузках

Утомление – это временное снижение работоспособности, вызванное глубокими биохимическими, функциональными, структурными сдвигами, возникающими в ходе выполнения физической работы, которое проявляется в субъективном ощущении усталости. В состоянии утомления человек не способен поддерживать требуемый уровень интенсивности и (или) качества (техники выполнения) работы или вынужден отказаться от ее продолжения.

С биологической точки зрения утомление – это защитная реакция, предупреждающая нарастание физиологических изменений в организме, которые могут стать опасными для здоровья или жизни.

Механизмы развития утомления многообразны и зависят в первую очередь от характера выполняемой работы, ее интенсивности и продолжительности, а также от уровня подготовленности спортсмена. Но в каждом конкретном случае могут выделяться ведущие механизмы утомления, приводящие к снижению работоспособности.

При выполнении разных упражнений причины утомления неодинаковы. Рассмотрение основных причин утомления связано с двумя основными понятиями:

Три основные системы где локализуется утомление

Механизмы утомления

Развитие охранительного (запредельного) торможения

При возникновении в организме во время мышечной работы биохимических и функциональных сдвигов с различных рецепторов (хеморецепторов, осморецепторов, проприорецепторов и др.) в ЦНС по афферентным (чувствительным) нервам поступают соответствующие сигналы. При достижении значительной глубины этих сдвигов в головном мозге формируется охранительное торможение, распространяющееся на двигательные центры, иннервирующие скелетные мышцы. В результате в мотонейронах уменьшается выработка двигательных импульсов, что в итоге приводит к снижению физической работоспособности.

Субъективно охранительное торможение воспринимается как чувство усталости. Усталость снижается за счет эмоций, действия кофеина или природных адаптогенов. При действии седативных средств, в том числе препаратов брома охранительное торможение возникает раньше, что приводит к ограничению работоспособности.

Нарушение функции вегетативных и регуляторных систем

Утомление может быть связано с изменениями в деятельности вегетативной нервной системы и желез внутренней секреции. Роль, последних особенно велика при длительных упражнениях (А. А. Виру). Изменения в деятельности этих систем могут вести к нарушениям в регуляции вегетативных функций, энергетического обеспечения мышечной деятельности и т. д.

При выполнении особенно продолжительной физической работы, возможно снижение функции надпочечников. В результате уменьшается выделение в кровь таких гормонов как адреналина, кортикостероидов, вызавающих в организме сдвиги благоприятные для функционирования мышц.

Рис. 1. Гормоны в крови при нагрузке 65% от МПК

Снижение функциональной активности печени также способствует развитию утомления, поскольку во время мышечной работы в печени протекают такие важные процессы как гликогенез, бета–окисление жирных кислот, кетогенез, глюконеогенез, которые направлены на обеспечение мышц важнейшими источниками энергии: глюкозой и кетоновыми телами. Поэтому для спортивной практики используют гепатопротекторы для улучшение обменных процессов в печени.

Таблица 1. Внешние признаки утомления при физических напряжениях

Признаки Небольшое физическое утомление Значительное утомление (острое переутомление I степени) Резкое переутомление (острое переутомление II степени)
Дыхание Учащенное (до 22-26/мин на равнине и до 3-6/мин на подъеме) Учащенное (38-46/мин), поверхностное Резкое (более 50-60/мин), учащенное, через рот, пере­ходящее в отдельные вдохи, сменяющееся беспорядоч­ным дыханием
Движение Бодрая походка Неуверенный шаг, легкое покачива­ние, отставание на марше Резкие покачивания, появ­ление некоординированных движений, отказ от дальней­шего движения
Общий вид, ощущения Обычный Усталое выражение лица, нарушение осанки (сутулость, опущенные плечи), снижение интереса к окружающему Изможденное выражение лица, резкое нарушение осанки («вот-вот упадет»), апатия, жалобы на резкую слабость (до прострации), сильное сердцебиение, головная боль, жжение в груди, тошнота, рвота
Мимика Спокойная Напряженная Искаженная
Внимание Хорошее, безошибочное выполнение указаний Неточное вы­полнение команд, ошибки при пере­мене направления Замедленное, неправильное выполнение команд; воспринимается только громкая команда
Пульс 110—150 уд/мин 160—180 уд/мин 180-200 уд/мин и более
Читайте также:  Логопедия упражнения для лицевых мышц

Исчерпание энергетических резервов и потеря жидкости

Рис. 2. Динамика АТФ, АДФ и креатинфосфата при работе

Рис. 3. Схема изменения содержания глюкозы в крови и гликогена в печени и скелетных мышцах во время длительной работы

Рис. 4. Расход гликогена в мышце при длительной нагрузке и субъективное ощущение тяжести нагрузки

Рис. 5. Энергетическая емкость различных источников

Исчерпание энергетических субстратов, ведет к снижению выработки АТФ и снижению баланса АТФ/АДФ. Снижение этого показателя в нервной системе приводит к нарушению формирования и передачи нервных импульсов, в.т.ч. управляющих скелетной мускулатурой. Такое нарушение в функционировании НС является одним из механизмов развития охранительного торможения.

Снижение скорости синтеза АТФ в клетках скелетных мышц и миокарда нарушает сократительную функцию миофибрилл, следствием чего становится снижение мощности выполняемой работы.

Для поддержания энергетических ресурсов при выполнении продолжительной работы (лыжные гонки, марафон и др. шоссейные велогонки) организуется питание на дистанции.

Обильное потоотделение во время длительных спортивных упражнений сопровождается значительной потерей хлоридов и изменением количественного соотношения ионов натрия, калия и кальция, хлора и фосфора в крови и тканях тела, что так же ведет к понижению работоспособности.

Утомление при длительной работе в условиях высокой температуры и высокой влажности окружающей среды может усиливаться в результате перегревания. Это нарушает деятельность центральной нервной системы и может привести к тепловому удару (головная боль, помутнение сознания, а также в тяжелых случаях потеря его).

Фактором, способствующим развитию утомления, является и охлаждение организма.

Образование и накопление в организме лактата

Молочная кислота в наибольших количествах в организме образуется при выполнении нагрузок субмаксимальной мощности, что существенно влияет на функционирование мышечных клеток.

В условиях повышенной кислотности снижается сократительная способность белков, участвующих в мышечной деятельности. Снижается активность белков-ферментов АТФ-азная активность миозина и активность кальциевой АТФ-азы (кальциевый насос). Изменяются свойства мембранных белков, что приводит к повышению проницаемости биологических мембран.

Лактат приводит к набуханию мышечных клеток, вследствие поступления в них воды что снижает сократительные возможности мышц.

Предполагается, что лактат связывает часть ионов Са и тем самым ухудшает управление процессами сокращения и расслабления мышц, что особенно сказывается на скоростных свойствах мышц.

Рис. 6. Динамика лактата в зависимости от продолжительности Nmx

Таблица 2. Подключение различных механизмов энергообеспечения в зависимости от продолжительности нагрузки максимальной мощности

Продолжительность нагрузки Механизмы энергообеспечения Источники энергии Примечания
1-5 с Анаэробный алактатный (фосфатный) АТФ
6-8 с Анаэробный алактатный (фосфатный) АТФ + КрФ
9-45 с Анаэробный алактатный (фосфатный) + анаэробный лактатный (лактатный) АТФ, КрФ + гликоген Большая выработка лактата
45-120 с Анаэробный лактатный (лактатный) Гликоген По мере увеличения продолжительности нагрузки выработка лактата снижается
120-240 с Аэробный (кислородный) + анаэробный лактатный (лактатный) Гликоген
240-600 с Аэробный Гликоген + жирные кислоты Чем больше доля участия жирных кислот в энергообеспечении нагрузки, тем больше ее продолжительность

Микроповреждение мышц

Периферическое утомление может быть обусловлено не только метаболическими факторами, но и микроповреждениями мышечных волокон вследствие частых сильных сокращений.

Важно. Полагают, что такие микроповреждения приводят к послетренировочной миалгии — «крипатуре».

Эксцентрические мышечные сокращения приводят к более выраженным микроповреждениям чем концентрические или изометрические.

Определенный вклад в микроповреждении мышц при длительной эксцентрической нагрузке (например бег на длинные дистанции) могут вносить другие факторы:

Незначительная часть О2, поступающего в организм из воздуха, превращается в активные формы, называемые свободными радикалами. Свободные радикалы, обладая высокой химической активностью, вызывают окисление белков, липидов и нуклеиновых кислот.

Чаще всего окислению подвергается, липидный слой биологических мембран. Такое окисление называется перекисным окислением липидов (ПОЛ). Предполагают, что к повышению скорости свободно-радикального окисления приводит ацидоз и стрессорные гормоны. Чрезмерная активация ПОЛ негативно влияет на мышечную деятельность.

Так повышаемая проницаемость мембран нервных волокон и саркоплазматического ретикулума миоцитов затрудняет передачу двигательных нервных импульсов и снижает сократительные способности мышцы. Повреждение клеточных цистерн, содержащих ионы кальция, приводит к нарушению функции кальциевого насоса и ухудшения расслабляющих свойств мышц. При повреждении митохондральных мембран снижается эффективность тканевого дыхания.

Источник

Adblock
detector