От чего зависит сила мышц? (физиологические факторы)
Описаны физиологические факторы, определяющие силу скелетных мышц человека: частота импульсации ДЕ, количество активных ДЕ, синхронизация активности ДЕ. Показано, как принцип активации ДЕ (принцип размера или правило Хенеманна) влияет на количество ДЕ, которые активны при выполнении силовых упражнений с различными отягощениями.
От чего зависит сила мышц? (физиологические факторы)
Итак, мы разобрались с анатомическими факторами, определяющими силу мышц. Можно сказать, что это тот морфологический потенциал, который зависит от генетики человека (например, число мышечных волокон), его пола, возраста и функционального состояния, которое определяется его образом жизни (малоподвижный или систематичные тренировки).
Однако вы хорошо понимаете, что каждый человек может сам, произвольно регулировать силу, которую проявляют его мышцы. Это означает, что наша центральная нервная система обладает такими механизмами. Назовем их физиологическими механизмами регуляции силы и скорости сокращения мышц.
Физиологические механизмы регуляции силы и скорости сокращения мышц
Учеными доказано, что управлять уровнем силы и скоростью сокращения мышц мы можем посредством следующих параметров работы центральной нервной системы (ЦНС):
- частоты разрядов двигательной единицы (ДЕ);
- числа активных ДЕ;
- синхронизации работы ДЕ.
Частота разрядов ДЕ
Частота разрядов ДЕ представляет собой не что иное как частоту разрядов мотонейрона, иннервирующего скелетную мышцу. Именно посредством увеличения частоты импульсации мотонейрона мышца получает команду о том, что она должна сокращаться сильнее.
Одиночное сокращение мышцы
Для того, чтобы понять, как влияет частота импульсации мотонейрона на мышечные волокна, ученые стимулировали скелетную мышцу или нерв, идущий к мышце, током различной частоты. Было установлено, (рис.1), что при низкой частоте стимуляции (до трех импульсов в секунду, то есть до 3 Гц мышечные волокна, входящие в ДЕ производят одиночное сокращение. Это означает, что они успевают сократиться и расслабиться. Установлено, что фаза расслабления в 1,5-2 раза более продолжительна, чем фаза сокращения. Сила, которую развивает мышца небольшая (рис.1).
Зубчатый тетанус
При увеличении частоты импульсации мотонейрона, например, до 10 имп./с (10 Гц) мышечные волокна сократившись, не успевают до конца расслабиться, потому что приходит новый импульс, заставляющий их снова сократиться. Сила мышцы возрастает. При этом график изменения силы во времени имеет «зубцы». Поэтому эта форма сокращения мышечных волокон называется зубчатым тетанусом.
Гладкий тетанус
При частоте импульсации 20-30 имп./с (30 Гц) каждый последующий импульс, поступающий от мотонейрона попадает на фазу сокращения мышечных волокон. Возникает их сильное сокращение. Сила, развиваемая мышцей достигает 30-60 % от максимальной. Это называется гладким тетанусом.
Было установлено, что зависимость силы мышцы от частоты стимуляции нелинейная. Вначале при частотах от 5 до 30 Гц сила мышцы резко возрастает до 90% от максимальной. Дальнейшее повышение частоты стимуляции (до 60 Гц), дает прибавку силы мышцы в только 10%.
Число активных ДЕ
Теперь рассмотрим второй фактор, позволяющий увеличить силу сокращения мышцы – количество активных ДЕ. Количество ДЕ в скелетных мышцах человека может доходить до 2000. Так, например, в медиальной головке икроножной мышцы количество ДЕ составляет 1934. Но при выполнении физических упражнений не все ДЕ проявляют активность. Установлен порядок, согласно которому ДЕ активируются на основе принципа размера или «правила Хенеманна».
Вначале рекрутируются ДЕ S типа, иннервируемые мотонейронами, имеющими небольшой диаметр аксона. В состав этих ДЕ входят самые медленные мышечные волокна типа I. Мышца развивает небольшую силу.
Затем активируются ДЕ типа FR, содержащие быстрые неутомляемые волокна типа IIА . Увеличение количества активных ДЕ приводит к росту силы мышцы.
Последними рекрутируются ДЕ типа FF, в состав которых входят быстрые, быстроутомляемые волокна типа IIВ. Эти волокна иннервируют мотонейроны, имеющие самый большой диаметр аксона. Сила, которую может развить мышца при произвольном сокращении достигает максимума.
Считается, что принцип размера позволяет осуществлять тонкую градацию силы мышцы во всем физиологическом диапазоне.
Принцип размера объясняет почему, используя небольшие отягощения, невозможно эффективно наращивать силу мышц. Это связано с тем, что при применении небольших отягощений, рекрутируются только ДЕ типа S, в состав которых входят медленные мышечные волокна. То есть активны только медленные мышечные волокна. Те мышечные волокна, которые активны, те и тренируются. Если мышце необходимо развить большую силу, в сокращение вовлекаются все типы ДЕ, в состав которых входят мышечные волокна всех типов. Это вызывает процессы адаптации в мышце (мышечные волокна повреждаются, а потом восстанавливаются). В результате возрастает поперечное сечение мышцы и она способна развивать большую силу.
Синхронизация активности ДЕ
Установлено, что при длительной, но не очень интенсивной работе, отдельные ДЕ сокращаются попеременно (асинхронно). Такой тип активности имеет место, например, при беге на длинные дистанции или марафонском беге (А.С. Солодков, Е.Б. Сологуб, 2005). Утомление в этом случае развивается медленно, так как работая по очереди, ДЕ в промежутках между активацией успевают восстанавливаться.
Однако, если мышце требуется развить мощное, кратковременное усилие (например, выполнить жим лежа штанги большой массы), требуется синхронизация активности отдельных ДЕ. Естественно одновременная синхронная работа большого количества ДЕ приводит к значительному увеличению силы мышцы.
Ю. Хартман и Х. Тюннеманн (1988) показали, что новичок одновременно может задействовать до 60% ДЕ, в то время как спортсмен высокой квалификации может обеспечить синхронную активность до 85% ДЕ. Из этого следует, что тренировка силовой направленности повышает степень синхронной активности ДЕ.
Литература
- Мак-Комас А. Дж. Скелетные мышцы (Строение и функции). – Киев: Олимпийская литература, 2001.– 408 с.
- Солодков А.С., Сологуб Е.С. Физиология человека. Общая. Спортивная. Возрастная: Учебник. М.: Олимпия Пресс, 2005.– 528 с.
- Хартманн Ю. Тюннеманн Х. Современная силовая тренировка. Берлин: Шпортферлаг. 1988. 335 с.
С уважением, А.В. Самсонова