Факторы, влияющие на механические свойства скелетных мышц человека

Изучались факторы, влияющие на механические свойства скелетных мышц человека в расслабленном и возбужденном состоянии под воздействием физической нагрузки. Факторный анализ показал, что первый фактор связан с процессами возбуждения в мышце, второй — характеризует вязкость, а третий — упругость скелетных мышц.

Самсонова, А.В.  Факторы, влияющие на механические свойства скелетных мышц человека / А.В. Самсонова, М.А. Борисевич, И.Э. Барникова// Культура физическая и здоровье, 2017.- № 1.- С. 59-62

Самсонова А.В., Борисевич М.А., Барникова И.Э.

ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СКЕЛЕТНЫХ МЫШЦ ЧЕЛОВЕКА

Национальный государственный университет физической культуры, спорта и здоровья имени П.Ф. Лесгафта, Санкт-Петербург (НГУ им. П.Ф. Лесгафта, Санкт-Петербург)

Аннотация

Посредством аппаратно-программного комплекса ВВЭМ-05 изучались факторы, влияющие на механические свойства скелетных мышц в расслабленном и возбужденном состоянии под воздействием физической нагрузки (ФН). ФН представляла собой 35 прыжков вверх с места. В эксперименте участвовало 34 студента НГУ им. П.Ф. Лесгафта (специализация футбол). Механические свойства (упругость и вязкость) изучались в напряженном и расслабленном состоянии мышц до и сразу после ФН. Факторный анализ (метод главных компонент) позволил выявить три латентных фактора, объясняющих 92,4 % полной дисперсии выборки. Первый фактор (56,4%) связан с проявлением процессов возбуждения в мышце, и управления мышцей со стороны нервной системы. Второй фактор (23,2%) характеризует вязкость скелетных мышц, а третий фактор (12,7%) – упругость скелетных мышц. На основе полученных данных можно сделать вывод, что оценка механических свойств должна производиться в расслабленном состоянии мышц, чтобы исключить влияние на показатели упругости и вязкости нервной системы.

Ключевые слова: механические свойства скелетных мышц, вязкоупругие параметры, факторный анализ.

Samsonova A.V., Borisevich M.A., Barnikova I.E.

FACTORS AFFECTING THE MECHANICAL PROPERTIES OF HUMAN SKELETAL MUSCLES

Samsonova A.V.

Borisevich M.A., Associate Professor of Biomechanics Department

Barnikova I.E., Candidate of Pedagogical Sciencies, Associate Professor of Biomechanics Department

Lesgaft National State University of Physical Education, Sport and Health, St.-Petersburg, Russia

Abstract

The factors affecting mechanical properties of skeletal muscles in the relaxed and tense state under the influence of the exercise stress (ES) were studied by a computer-assisted experimental tool Vibratory Viskoelastometr (VVEM-05). ES consisted of 35 jump ups in place. 34 students from soccer specialization of NSU of P.F. Lesgaft participated in an experiment. The mechanical properties (elasticity and viscosity) were studied in a tense and relaxed muscle before and immediately after the ES. Factor analysis (principal component analysis) revealed three latent factors that explain 92.4% of the total sample variance. The first factor (56.4%) is bound to implication with the processes of excitation manifestation in the muscle, and with the muscle control by the nervous system. The second factor (23.2%) represents the viscosity of the skeletal muscle, and the third factor (12.7%) — skeletal muscle elasticity. Based on these results, we can conclude that mechanical properties of the evaluation must be made in the muscle relaxed state to eliminate the influence on the elasticity and viscosity indices by the nervous system.

Keywords: mechanical properties of skeletal muscles, viscoelastic characteristics, factor analysis

ВВЕДЕНИЕ

Одним из перспективных направлений исследования механических свойств скелетных мышц, в частности, их упругости и вязкости, является механомиография. Посредством этого метода установлено, что напряженная скелетная мышца отличается от расслабленной большими показателями упругости [9, 7, 1] и вязкости [3]. Одним из исследовательских протоколов этого направления является изучение изменения механических свойств мышцы под воздействием физической нагрузки (ФН).

Установлено, что под влиянием физической нагрузки (ФН) механические свойства мышц изменяются. Исследование этого вопроса наиболее полно осуществил Г.В. Васюков [3]. В дальнейшем изучение этой проблемы были продолжены другими учеными, однако были получены противоречивые результаты.

Остаются неясными вопросы: в каком состоянии мышцы необходимо производить сравнение результатов – расслабленном или возбужденном, а также какие латентные (скрытые) факторы влияют на механические свойства мышц в расслабленном и возбужденном состоянии?

Г.В. Васюков [3] установил, что после ФН вязкость быстрых мышц в расслабленном состоянии возрастает. Е.М. Тиманин и Е.В. Еремин [7] предположили, что изменения эффективной вязкости мышцы в процессе поддержания различных уровней изометрического напряжения вызваны тем, что быстрые и медленные двигательные единицы имеют разную вязкость. Проведенные нами исследования [6] показали, что недостоверные изменения вязкости расслабленной мышцы до и после ФН могут быть связаны с различной композицией мышечных волокон.

ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ состояла в выявлении факторов, влияющих на механические свойства скелетных мышц в расслабленном и возбужденном состоянии под влиянием ФН.

МЕТОДЫ И ОРГАНИЗАЦИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

В эксперименте приняли участие 34 студента НГУ им. П.Ф. Лесгафта. В качестве ФН исследуемые выполняли 35 прыжков вверх с места с заданием: «Выполнять прыжок в удобном темпе как можно выше». Длительность выполнения ФН составляла 38,8±1,5 с. До и после выполнения ФН (в течение 1 минуты) регистрировались механические характеристики латеральной широкой мышцы бедра в расслабленном и напряженном состоянии.

Для оценки механических свойств латеральной широкой мышцы бедра: упругости и вязкости применялся аппаратно-программный комплекс Вибрационный Вискоэластометр (ВВЭМ-05) [8]. Вибродатчик удерживался в руке оператора перпендикулярно поверхности мышцы на расстоянии 15 см от центра коленного сустава вдоль линии, соединяющей коленный и тазобедренный суставы в сагиттальной плоскости. Непосредственно перед прижатием вибродатчика к мышце производилась его калибровка с целью установки нуля статического давления.

Для повышения точности результатов измерение механических свойств расслабленной и напряженной мышцы до и после ФН проводилось трижды. При обработке полученных результатов определялись: эффективные модули упругости (E, кПа) и вязкости (V, Па с) для каждого из отдельных прижатий. После этого посредством статистического пакета STATGRAPHICS Centurion рассчитывались средние значения механических характеристик для расслабленной и напряженной мышцы до и после ФН, а также осуществлялся факторный анализ методом главных компонент. Количество факторов определялось посредством критерия Кайзера-Гутмана. Вращение матрицы факторных нагрузок осуществлялось на основе варимакс-критерия [2, 5].

РЕЗУЛЬТАТЫ

В таблице 1 представлены результаты проведения первого этапа факторного анализа.

Таблица 1 Результаты проведения первого этапа факторного анализа

Согласно критерию Кайзера-Гутмана, для последующего анализа было отобрано три фактора, собственные числа которых были не меньше единицы. Первый фактор (собственное число 4,51) объясняет 56,4% полной дисперсии выборки; второй фактор (собственное число 1,86) – 23,2% полной дисперсии выборки. Третий фактор (собственное число 1,02) объясняет 12,7 % полной дисперсии выборки. Все три фактора объясняют 92,4 % полной дисперсии выборки, что является хорошим показателем для выполнения последующих этапов факторного анализа.

После процедуры вращения матрица факторных нагрузок имела следующий вид (табл. 2)

Таблица 2 — Матрица факторных нагрузок после процедуры вращения

Анализ матрицы факторных нагрузок после процедуры вращения позволил выявить структурный состав каждого из факторов. Так, в первом факторе высокие значения имеют факторные нагрузки на переменные: эффективный модуль упругости в напряженном состоянии до ФН (0,898982); эффективный модуль вязкости в напряженном состоянии до ФН (0,914175); эффективный модуль упругости в напряженном состоянии после ФН (0,924603); эффективный модуль вязкости в напряженном состоянии после ФН (0,863576). По-видимому, посредством этих переменных проявляется влияние латентного фактора – нервной системы, вызывающей возбуждение мышцы.

Во втором факторе высокие значения факторных нагрузок показали переменные: эффективный модуль вязкости в расслабленном состоянии до ФН (0,963244) и эффективный модуль вязкости в расслабленном состоянии после ФН (0,938951), которые характеризуют собственно вязкость скелетных мышц. В третьем факторе высокие значения факторных нагрузок у переменных: эффективный модуль упругости в расслабленном состоянии до ФН (0,976717); эффективный модуль упругости в расслабленном состоянии после ФН (0,671173). Этот фактор, по всей видимости, характеризует собственно упругость скелетных мышц.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

ФН, используемая в настоящем исследовании, относится к зоне субмаксимальной мощности. Ее длительность составляет приблизительно 40 с. В течение этого времени в мышечных волокнах (особенно быстрых) практически исчерпываются запасы креатинфосфата [4]. На основе этих идей А.В. Шишкиной [10] предложено использовать этот вид ФН для оценки композиции мышечных волокон в скелетных мышцах человека и разработан специальный тест.

Данный вид ФН характеризуется также тем, что в мышечных волокнах значительно возрастает содержание молочной кислоты (лактата), что приводит к набуханию мышечных волокон и изменению их объема. При этом в большей степени возрастает объем быстрых мышечных волокон, ресинтез АТФ которых основан на креатинфосфатном пути и анаэробном гликолизе. Изменение объема мышечных волокон может существенно повысить упругость и вязкость (внутреннее трение) скелетной мышцы. В связи с этим оценка изменения механических свойств мышц под воздействием ФН, позволит уточнить результаты, полученные посредством теста, предложенного А.В. Шишкиной [10].

Чтобы избежать возбуждающего влияния нервной системы на механические свойства мышц их оценку необходимо проводить в расслабленном состоянии.

ВЫВОДЫ:

По результатам эксперимента и проведенного факторного анализа можно сделать следующие выводы:

1. Выявлены три фактора, объясняющих 92,4 % полной дисперсии выборки, что является высоким показателем для данного вида исследования.
2. Первый фактор (56,4% полной дисперсии выборки) связан с проявлением процессов возбуждения в мышце и управления мышцей со стороны нервной системы.
3. Второй фактор (23,2% полной дисперсии выборки) характеризует собственно вязкость скелетных мышц.
4. Третий фактор (12,7 % полной дисперсии выборки) характеризует упругость скелетных мышц.
5. Оценка механических свойств мышц до и после ФН должна производиться в их расслабленном состоянии, чтобы исключить влияние нервной системы на показатели упругости и вязкости.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бондаренко, К.К. Биомеханическая интерпретация данных миометрии скелетных мышц спортсменов / К.К. Бондаренко, Д.А. Черноус, С.В. Шилько // Российский журнал биомеханики, 2009. – Т.13. – № 1. – С. 7–17.
2. Бююль, А. SPSS: Искусство обработки информации. Анализ статистических данных и восстановление скрытых закономерностей / А. Бююль, П. Цефель. – СПб: Диасофт. – СПб, 2005. – 608 с.
3. Васюков, Г.В. Исследование механических свойств скелетных мышц человека / Г.В. Васюков: Автореф. дис… канд. биол. наук. – М., 1967. – 16 с.
4. Михайлов С.С. Спортивная биохимия: учебник для вузов и колледжей физической культуры /С.С. Михайлов. – М.: Советский спорт, 2009. – 348 с.
5. Самсонова, А.В. Факторный анализ в педагогических исследованиях в области физической культуры и спорта: учеб. пособие / А.В. Самсонова, И.Э. Барникова Национальный государственный университет физической культуры, спорта и здоровья имени П.Ф. Лесгафта, Санкт–Петербург – СПб., 2013 – 90с.)
6. Самсонова, А.В. Влияние физической нагрузки на механические свойства скелетных мышц человека / А.В. Самсонова, М.А. Борисевич, И.Э. Барникова // Олимпийский спорт и спорт для всех: ХХ Международный научный конгресс. 16–18 декабря 2016 г., Санкт–Петербург, Россия: Материалы конгресса. – Ч. 2. – СПб., 2016. – С. 476–479.
7. Тиманин, Е.М. Изменения механических и электромиографических характеристик бицепса в процессе изометрического напряжения / Е.М. Тиманин, Е.В. Еремин. – Нижний Новгород, 2001. – Препринт № 554. – 21 с.
8. Тиманин, Е.М. Теоретические и экспериментальные основы виброакустической вискоэластографии мягких биологических тканей / Е.М. Тиманин: автореф. дис. докт. техн. наук. – Нижний Новгород, 2007. – 28 с.
9. Хайкова, М.А. Изменение механических свойств скелетных мышц человека при развитии ими напряжения / М.А. Хайкова: Дис… канд. биол. наук. – М. 1984. – 176 с.
10. Шишкина, А.В. Биодинамическая оценка мышечной композиции // Ученые записки университета имени П.Ф. Лесгафта, 2008. – № 11.– С. 108–111.

BIBLIOGRAPHY

1. Bondarenko, K.K. Biomechanical interpretation of myometry of sportsmen skeletal muscles /K.K. Bondarenko, D.A Chernous, S.V. Shilko // Russian Journal of Biomechanics. –2009. –13. – No.1. – pp. 7–17
2. Bühl A. SPSS. Version 10. Einführung in die moderne Datenanalyse unter Windows / A. Bühl, P. Zö – München: Addison Wesley Verlag, 2000. – 608 p.
3. Vasyukov, G.V. The study of the mechanical properties of human skeletal muscle: extended abstract of cand. sci. dissertation /V. Vasyukov. – Moscow, 1967. – 16 p.
4. Mikhaylov, S.S. Sport biochemistry: tutorial for high schools and colleges of physical training / S.S. – Moscow: Soviet sport, 2009. – 348 p.
5. Samsonova, A.V. Factor analysis in educational research in the field of physical culture and sports /A.V. Samsonova, I.E. Barnikova/ –Petersburg: Lesgaft National State University of Physical Education, Sport and Health, St.Petersburg, 2013. –
   90 p.
6. Samsonova, A.V. Influence of physical load on mechanical properties of skeletal muscles of human / A.V. Samsonova, M.A. Borisevich,, I.E. Barnikova // Olympic sport and sport for all: XX International Scientific Congress. – St. Petersburg, Russia, 16–18 December, 2016. – Vol.2, pp. 476-479
7. Timanin, E.M.(2001), Changes in mechanical and electromyographic characteristics of the biceps in the process of isometric tension / E.M. Timanin, E.V. Eremin E.V. – Nizhny Novgorod, 2001. – Preprint No.554. – 21 p.
8. Timanin, E.M. Theoretical and experimental bases vibroakusticheskoj viskoelastography soft biological tissue: extended abstract of a doctor’s degree in Engineering Sci. / E.M. Timanin. – Nizhny Novgorod, 2007. – 28 p.
9. Khaykova, M.A. (1984) Changes in mechanical properties of human skeletal muscles in their tension development: dissertation / M.A. Khaykova. – Moscow, 1984/ – 176 p.
10. Shishkina, A.V. Biodynamical estimation of human muscle composition/A.V. Shishkina // Uchenye zapiski universiteta imeni P.F. Lesgafta. – 2008. – No.11 (45), pp. 108–111

Авторы выражают благодарность инженерам кафедры биомеханики А.В. Лозянко и С.Н. Забавному в проведении экспериментов.