Введение

Сначала нормальная, затем снижающаяся способность мышцы генерировать силу. Мышечная усталость – это состояние, при котором мышцы, изначально генерирующие нормальное количество силы, впоследствии испытывают снижение способности к ее выработке. Она может быть следствием интенсивных физических нагрузок, однако аномальная усталость может быть вызвана препятствиями или нарушениями на различных этапах мышечного сокращения. Существуют две основные причины мышечной усталости: ограничение способности нерва генерировать устойчивый сигнал (нейромышечная усталость) и снижение способности мышечных волокон к сокращению (метаболическая усталость). Мышечная усталость отличается от мышечной слабости, хотя слабость может быть одним из начальных симптомов. Несмотря на то, что в начале активности генерируется нормальное количество силы, после наступления и прогрессирования мышечной усталости, при продолжении упражнений человек может потерять силу хвата, стать неспособным поднимать или толкать конечностями, или не сможет удерживать изометрическую позу (например, планку). Другие симптомы могут включать миалгию (мышечную боль), одышку, фасцикуляции (мышечные подергивания), миокимию (мышечное треморение) и мышечные судороги во время физической активности; после нагрузки может возникнуть болезненность мышц. Может наблюдаться неадекватный, учащенный сердечный отклик на физическую нагрузку, например, при метаболической миопатии болезни МакАрдля (GSD V), когда сердце пытается компенсировать дефицит АТФ в клетках скелетных мышц (метаболическая усталость) путем увеличения частоты сердечных сокращений для максимальной доставки кислорода и питательных веществ, переносимых кровью, к мышцам для окислительного фосфорилирования. Сочетание неадекватного учащенного сердечного отклика на физическую нагрузку с затрудненным или учащенным дыханием известно как преувеличенная кардиореспираторная реакция на физическую нагрузку. Из-за путаницы между мышечной усталостью и мышечной слабостью, случаи аномальной мышечной усталости иногда описывались как мышечная слабость, вызванная физическими упражнениями.

Сокращение мышц

Мышечные клетки работают, улавливая поток электрических импульсов от мозга, который подает сигнал к сокращению посредством высвобождения кальция из саркоплазматического ретикулума. Утомление (снижение способности генерировать силу) может возникать как на уровне нерва, так и внутри самих мышечных клеток.

Нейронная усталость

Нервы отвечают за контроль сокращения мышц, определяя количество, последовательность и силу мышечных сокращений. Для большинства движений требуется сила, значительно меньшая, чем потенциально может развить мышца, и нервная усталость редко представляет собой проблему. Однако, при чрезвычайно мощных сокращениях, близких к пределу возможностей мышцы генерировать силу, нервная усталость (энервация) – ослабление нервного сигнала – может стать ограничивающим фактором для нетренированных людей. У начинающих силовых атлетов способность мышцы генерировать силу в наибольшей степени ограничена способностью нервов поддерживать высокочастотный сигнал. После периода максимального сокращения частота нервного сигнала снижается, и сила сокращения уменьшается. При этом не возникает ощущения боли или дискомфорта, мышца как будто просто «перестает реагировать» и постепенно прекращает сокращаться, часто уступая нагрузке. Зачастую, напряжения мышц и сухожилий недостаточно для возникновения отсроченной мышечной боли после тренировки. Частью процесса силовых тренировок является повышение способности нерва генерировать устойчивый высокочастотный сигнал, позволяющий мышце сокращаться с максимальной силой. Эта нейромышечная тренировка может привести к нескольким неделям быстрого прироста силы, который стабилизируется, когда нерв достигает максимальной частоты сокращений, а мышца – своего физиологического предела. После этого тренировочный эффект увеличивает мышечную силу за счет миофибриллярной или саркоплазматической гипертрофии, а метаболическая усталость становится ограничивающим фактором сократительной силы.

Субстраты

Субстраты внутри мышцы служат источником энергии для мышечных сокращений. К ним относятся такие молекулы, как аденозинтрифосфат (АТФ), гликоген и креатинфосфат. АТФ связывается с головкой миозина и вызывает "шагообразное" движение, приводящее к сокращению в соответствии со скользящей нитевидной моделью. Креатинфосфат запасает энергию, позволяя АТФ быстро регенерироваться в мышечных клетках из аденозиндифосфата (АДФ) и неорганических фосфатных ионов, обеспечивая мощные и продолжительные сокращения в течение 5–7 секунд. Гликоген – это внутримышечная форма хранения глюкозы, используемая для быстрого получения энергии, когда запасы внутримышечного креатинфосфата истощаются, в результате чего образуется молочная кислота как побочный продукт метаболизма. Недостаток субстратов является одной из причин метаболической усталости. Субстраты истощаются во время физических упражнений или не могут быть метаболизированы (например, при метаболических миопатиях), что приводит к нехватке внутриклеточных источников энергии для обеспечения сокращений. По сути, мышца перестает сокращаться из-за недостатка энергии.

Метаболиты

Метаболиты – это вещества (как правило, продукты распада), образующиеся в результате мышечного сокращения. К ним относятся хлорид, калий, молочная кислота, АДФ, магний (Mg2+), активные формы кислорода и неорганические фосфаты. Накопление метаболитов может напрямую или косвенно приводить к развитию метаболической усталости в мышечных волокнах, нарушая высвобождение кальция (Ca2+) из саркоплазматического ретикулума или снижая чувствительность к кальцию сократительных белков актина и миозина.

Хлорид

Внутриклеточный хлорид частично ингибирует сокращение мышц. В частности, он предотвращает сокращения мышц, вызванные "ложными срабатываниями" – небольшими стимулами, которые могут спровоцировать их сокращение (аналогично миоклонусу).

Калий

Высокая концентрация калия (K+) также снижает эффективность мышечных клеток, вызывая судороги и усталость. Калий накапливается в системе Т-трубочек и вокруг мышечных волокон вследствие потенциалов действия. Изменение концентрации K+ меняет мембранный потенциал вокруг мышечного волокна. Это изменение мембранного потенциала приводит к уменьшению высвобождения кальция (Ca2+) из саркоплазматического ретикулума.

Молочная кислота

Когда-то считалось, что накопление молочной кислоты является причиной мышечной усталости. Предполагалось, что молочная кислота оказывает "маринованный" эффект на мышцы, подавляя их способность к сокращению. Хотя влияние молочной кислоты на работоспособность сейчас неясно, она может как способствовать, так и препятствовать мышечной усталости. Образуясь как побочный продукт ферментации, молочная кислота может повышать внутриклеточную кислотность мышц. Это может снизить чувствительность сократительного аппарата к Ca2+, но также увеличивает цитоплазматическую концентрацию Ca2+ за счет ингибирования химического насоса, который активно транспортирует кальций из клетки. Это противодействует ингибирующему действию калия на мышечные потенциалы действия. Молочная кислота также оказывает смягчающее воздействие на хлоридные ионы в мышцах, уменьшая их ингибирование сокращения и оставляя ионы калия единственным фактором, ограничивающим мышечные сокращения, хотя эффект калия значительно меньше, чем если бы не было молочной кислоты, удаляющей хлоридные ионы. В конечном итоге, неясно, снижает ли молочная кислота усталость за счет повышения внутриклеточного кальция или увеличивает ее за счет снижения чувствительности сократительных белков к Ca2+. В настоящее время молочная кислота используется для оценки эффективности тренировок на выносливость и VO2 max.

Патология

Мышечная усталость может быть вызвана проблемами с нервным снабжением, нейромышечными заболеваниями (такими как миастения гравис), врожденными нарушениями обмена веществ (такими как метаболические миопатии) или проблемами с самой мышцей. К последней категории относятся полимиозит и другие заболевания мышц.

Молекулярные механизмы

Мышечная усталость может быть вызвана точными молекулярными изменениями, происходящими in vivo при продолжительной физической нагрузке. Обнаружено, что рианодиновый рецептор, находящийся в скелетных мышцах, претерпевает конформационные изменения во время физических упражнений, что приводит к образованию "негерметичных" каналов с дефицитом высвобождения кальция. Эти "негерметичные" каналы могут способствовать развитию мышечной усталости и снижению работоспособности.

Влияние на производительность

Утомление оказывает значительное влияние на ограничение работоспособности практически у каждого человека в любом виде спорта. В ходе исследований было установлено, что у участников снижается произвольная выработка силы в утомленных мышцах (измеряемая при концентрических, эксцентрических и изометрических сокращениях), уменьшается высота вертикального прыжка, показатели других полевых тестов, оценивающих силу нижней части тела, снижается скорость броска, мощность и скорость ударов ногами, ухудшается точность в метании и стрельбе, а также выносливость, анаэробная способность и мощность, умственная концентрация и многие другие показатели эффективности при выполнении спортивных навыков.

Электромиография

Электромиография — это исследовательский метод, позволяющий изучать активацию мышц в различных условиях путем количественной оценки электрических сигналов, передаваемых к мышечным волокнам через мотонейроны. Как правило, протоколы, направленные на вызов утомления, показывают увеличение данных ЭМГ в течение всего протокола, но снижение активации мышечных волокон при тестировании мощности у утомленных испытуемых. В большинстве исследований это увеличение активации во время упражнений коррелировало со снижением производительности (что ожидаемо при утомлении). Медианная частота мощности часто используется для отслеживания утомления с помощью ЭМГ. Используя медианную частоту мощности, исходные данные ЭМГ фильтруются для уменьшения шума, а затем соответствующие временные окна подвергаются преобразованию Фурье. Например, при утомлении при изометрическом сокращении продолжительностью 30 секунд, первое окно может охватывать первую секунду, второе – 15-ю секунду, а третье – последнюю секунду сокращения (30-ю секунду). Каждое окно данных анализируется, и определяется медианная частота мощности. Как правило, медианная частота мощности снижается со временем, что свидетельствует об утомлении. Причины возникновения утомления могут быть связаны с тем, что потенциалы действия двигательных единиц имеют схожий паттерн реполяризации, быстрые двигательные единицы активируются и быстро деактивируются, в то время как более медленные двигательные единицы остаются активными, а также со снижением скорости проведения нервного импульса со временем.