第十五章 运动性肌肉疲劳

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二、运动性肌肉疲劳的生理机制
早期运动性肌肉疲劳的生理学理论主要围绕外周因素及其作用机制展开，形成了以 Edwards 的“突变模型”（Catastrophe model）为代表的外周疲劳理论体系。 该模 型体系为典型的线性动力学模型，认为运动性肌肉疲劳是由于肌肉能源物质豪杰、代 谢产物累积以及肌肉兴奋性降低等多种外周性因素变化引起的一种能够肌肉收缩功能 改变，是肌肉活动引起的一个被动的和不可避免的生理学现象。
sEMG 应用于局部肌肉疲劳研究的理论基础：信号特征与被检肌肉疲劳程度的外 在数值关联以及内在生理学的因果关联。 运动生理学研究发现，动态和静态运动负荷诱发肌肉疲劳过程中主要运动肌的 平均功率（Mean power frequency, MPF）和中位频率（Median frequency, MF） 均呈单调递减变化，变化率大小取决于运动强度并与肌肉疲劳度或肌肉耐力明显相
2、最大电刺激肌力检测 检测方法：采用电刺激直接作用于支配被检肌肉的传出神经或者肌肉本身，诱 发肌肉收缩所产生的最大抗阻能力。 适用范围：主要用于手部肌肉和部分上下肢肌肉力量的评价。 优点：最大电刺激肌力能够在一定的程度上减小MVC测试过程中的主观努力程 度效应，但是由于个人最大电刺激主观耐受性的差异，仍然无法消除该因素对疲 劳检测结果的影响。 3、表面肌电检测 表面肌电（Surface electromyograph,sEMG）信号：是神经肌肉系统活动时的 生物电变化经表面电极引导、放大、显示和记录所获得的一维电压时间序列信号， 其振幅为0-5000μV，频率30-350Hz。 研究表明：sEMG信号源于大脑运动皮层控制之下的脊髓α运动神经元的生物电 活动，形成于众多外周运动单位在时间和空间上的总和。信号的振幅和频率特征 变化取决于不同肌肉活动水平功能状态下的运动单位活动同步化、肌纤维募集以 及和肌纤维兴奋传导速度下降等相关的生理性因素。 测定意义：在控制良好的条件下，sEMG 信号活动的变化在很大程度上能够定 量反映人体运动的局部肌肉疲劳、肌肉活动水平和肌肉激活模式等肌肉活动特征 的变化规律，能够揭示运动性肌肉疲劳的机理和对肌肉活动进行系统分析。
(一) 中枢机制
1、中枢化学机制 （1）5-羟色胺（5-hydroxytrytamine,5HT） 概述：属吲哚类化合物，是CNS的一种抑制性递质，5-HT神经元主要位于低位脑 干的中线附近，称为“中缝核群”，发出上行、下行和支配低位脑干的投射纤维。 下行纤维下达脊髓灰质的胶质区、侧角和前角，调节身体运动和内脏运动，上行纤 维投射到纹状体、丘脑、下丘脑、边缘前脑和皮层其他区域，与觉醒和睡眠、情绪 反应以及下丘脑神经激素的分泌调节有关。 1963年Barchas 和Freedman 首次发现，大鼠游泳至力竭时，脑中5-HT浓度增高，
运动性肌肉疲劳的发生和发展均伴随全部运动过程，但疲劳发展的速度和程度
与运动负荷强度、运动持续时间和运动训练水平等影响因素有关。
2、运动性肌肉疲劳的分类
（1）中枢性疲劳
主要强调发生在中枢神经系统（Central nervous system,CNS）中的神经生理、 生化过程及其在运动性肌肉疲劳发生发展过程中的作用（中枢机制）。
4、中枢激活检测
中枢激活（Central activation, AV）：中枢神经系统是发动和控制人体肌肉随意运 动的核心机构，它通过对脊髓运动神经元放电频率以及运动单位募集（Motor unit
recruitment，MU）的控制，影响各种条件下的肌肉收缩行为和活动绩效的作用。
中枢激活的间接检测：颤搐叠加技术，分别在非疲劳和疲劳时对MVC状态下的被 检肌肉施加最大电刺激，记录最大电刺激所诱发的肌力，通过公式计算和比较两种 状态下的中枢激活百分比（AV%）来评价中枢疲劳的程度。 AV%=MVC/（MVC+ 电刺激诱发肌力） 适用范围：被广泛用于拇指内收肌、足底屈肌、肱二头肌、肱三头肌、股四头肌、 比目鱼肌、咬肌和肱桡肌等肌肉疲劳问题的研究，已成为在体条件评价中枢疲劳作 用的有效方法。 相关研究：Lepers 等对9名耐力项目运动员在完成长达5h的踏车运动（强度 55%VO2max）的观察中，发现股四头肌MVC下降18%，AV%下降8%。Millet等对9
关。
多数研究认为，造成MPF单调递减的原因是运动负荷引起的肌肉代谢性酸中毒， 后者通过对兴奋传导速度和动作电位波形的影响而造成MPF下降。为此，人们常将 MF和MPF的下降斜率作为肌肉疲劳的指数（Muscle fatigue index）来评价局部肌 肉的疲劳程度。 优点：与MVC 和最大电刺激肌力检测相比具有操作简便和局部性良好的优点。
使CNS对外周肌肉收缩力的控制达到最佳化，同时避免过强的肌肉收缩造成自
身损伤。
运动负荷诱发包括肌肉在内的器官、系统和整体生理功能和运动能力的下降。 其中由于肌肉是实现人体运动的动力性器官并对运动成绩发挥首要作用，故研 究和探讨运动性肌肉疲劳的基本规律、产生原因和机制成为运动性疲劳研究的 核心内容。
劳和轻度等级感受的检测与定量评价。
主观用力感觉评价量表
原始PRE表
新量表
自我感觉
非常轻松
等级
6 7 8
自我感觉
等级
没有感觉
非常非常弱 非常弱 弱
0
0.5 1 2
很轻松
尚轻松
9
1ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 11 12
适度
有些强 强 非常强
3
4 5 6 7 8 9
稍累
累
13
14 15 16
很累
精疲力竭
17
18 19 20
非常非常强
目前已经确认与短时间最大随意运动疲劳有关的代谢性因素主要包括：乳酸增加、
Ph值下降以及相关的离子积累，ATP 和CP 耗竭，ADP、AMP和Pi累积，骨骼肌钠/钾 -ATP酶变化以及由横管和肌质网Ca2+介导的功能改变。 在渐进性最大运动负荷诱发的肌肉疲劳过程中，肌肉耗氧量不足，无氧酸中毒和过 量的热量累积与疲劳的发生有关； 在亚极量最大负荷的耐力运动过程中，肌肉和肝脏糖原储备的耗竭被认为与疲劳的 发生有关。
两指标分别代表静态和动态肌肉活动条件下的肌肉最大抗阻能力，是检测和评
价运动性肌肉疲劳的基本生理学指标。 检测方法：①MVC常用的测量工具包括握力计、背力计和各种类型的拉力和压
力传感器等，分别用于握力、背伸肌力以及其他等长肌力的检测。
②最大做功功率通常采用等速肌力测试系统（Isokinetic system）和各种类型的测 功仪（Ergometer）进行。 适用范围：主要适用于四肢肌肉，而对于其他一些力学关系比较复杂部位（如 肩部、腰部）的肌肉疲劳的评价则效度较低。此检测容易受主观努力程度的影响。
一、运动性肌肉疲劳及其检测
（一）运动性肌肉疲劳概述 1、运动性肌肉疲劳的定义 运动性肌肉疲劳（Exercise-induced muscle fatigue）：运动引起的肌肉收缩 产生最大主动收缩力量（Maximal voluntary contraction,MVC）或者最大输出 功率(Maximal power output)暂时性下降的生理现象。 研究发现：无论在持续性还是间断性的最大、亚最大以及中小强度运动中，
发生的主要部位：大脑；外周反馈信息作用；脊髓运动神经元兴奋性；外周分支
的兴奋损失；突触前衰减。
（2）外周性疲劳
侧重研究发生在运动肌本身的神经肌肉信 息传递、兴奋——收缩偶联和能量代谢等生 理生化过程及其诱发运动性疲劳的途径和方 式（外周机制）。 主要部位：突触前衰减；动作电位接头传 递障碍；动作电位传导障碍；兴奋——收缩 耦联；肌质网钙离子释放；钙离子与肌钙蛋
直接的因果关系。相反，有些研究却发现慢性疲劳综合征（Chronic fatigue
syndrome, CFS） 和高体温患者，即使是在安静状态下也会产生明显的疲劳感， 尽管此时患者的肌肉中乳酸等代谢产物并未增加。
中枢疲劳理论：在长时间运动过程中，人体运动输出功率的下降不是由于外周运动 肌中代谢产物的堆积等原因所致，而是中枢运动控制指令减弱的结果。 早期的中枢疲劳理论：中枢疲劳是由运动时与CNS兴奋性有关的中枢神经递质，如
本构思特征，将中枢疲劳视为抑制性中枢神经递质作用的结果，是一个被动的生理学 过程，这与Ｈｉｌｌ就乳酸对肌肉所所功能影响提出的心血管／无氧代谢模型的建模 思路是类似的。 新的中枢疲劳模型：由南非开普敦大学的ＮａｏｋｅｓT.D.等提出，该模型认为中 枢疲劳不是抑制性中枢神经递质作用的结果，而是主动性的运动单位神经控制活动的 表现，其目的在于保持机体内环境为太，防止疲劳的进一步发展和保护机体器官免受 损害。
白结合；横桥形成；横桥循环；肌质网钙离
子摄取。 人体从事不同运动强度的各种形式运
动所引发的肌肉疲劳的中枢机制和外周机制
既难以区分，也不尽相同。它们是共同构成 运动性肌肉疲劳的两个重要因素。
（二）运动性肌肉疲劳检测方法
运动性肌肉疲劳的检测通常分为直接检测法和间接检测法，前者直接检测运 动肌最大运动抗阻能力，后者则主要依据肌肉疲劳过程中其他相关的生理生化指 标变化来评价疲劳的程度，此外，人体主观疲劳感也是常用的评价指标。 1、MVC和最大做功功率检测
应用突变模型解释运动性肌肉疲劳尚缺乏足够的试验证据： ①能源物质的耗竭或者代谢产物堆积只发生在离体肌肉中或者人为刺激完整肌 肉收缩的条件下，而在有完整的中枢神经系统存在的在体条件下，无论是静态
还是动态运动，以上代谢物均不被认为能够直接引起肌肉疲劳
②该理论模型认为运动时的主观疲劳感是肌肉代谢产物的函数，然而，迄今为 止仍没有足够的试验证据表明任何单一代谢产物作用与主观疲劳感之间存在着
第十五章 运动性肌肉疲劳
本章提要：
运动性肌肉疲劳，即运动引起的肌肉收缩产生最大收缩力量或者最大输出功 率暂时性下降的生理现象，是运动生理学研究重要的基础理论问题和竞技体育的
重要实际应用问题。
重要名词： 运动性肌肉疲劳（Exercise-induced muscle fatigue）：运动引起的肌肉收缩产 生最大收缩力量或者最大输出功率暂时性下降的生理现象。 表面肌电信号（Surface electromyography） ：神经肌肉系统活动时的生物电 变化经表面电极引导，放大、显示和记录所获得的一维电压时间序列信号，信号 源于大脑运动皮层控制之下的脊髓α运动神经元的生物电活动，是众多外周运动 单位在时间和空间上的总和。 中枢激活作用（Central activation）：中枢神经系统通过对脊髓运动神经元放 电频率以及运动单位募集的控制，发动并影响肌肉收缩及其整体运动表现的作用。
5-HT、氨和细胞因子等含量增加所引起，这些中枢神经递质对于有关神经细胞的活
动而言是具有“毒性”的副产物，它们可以降低CNS募集运动单位的能力和影响大 脑的运动控制功能，从而在大脑发动随意运动时无法动员相应数量的运动单位参加活
动和控制相关肌肉的协调活动，进而造成肌肉疲劳。该模型沿袭了传统线性模型的基
突变模型（Catastrophe model）：该模型认为运动性肌肉疲劳是肌肉能源物
质耗竭、代谢产物积累以及肌肉兴奋性降低等多种外周性因素变化引起的一种肌 肉收缩功能改变，是肌肉活动引起的一个被动的和不可避免的生理学现象。
中枢控制器模型（Central governor model）：该模型认为运动过程中肌肉做
名长跑选手在完成65km超常马拉松比赛后进行股四头肌测试，发现MVC和AV%分
别下降了30.2%和27.7%。
5、主观疲劳感检测
主观疲劳感：大脑对机体疲劳程度的主管心理感受，同时伴有痛苦等某些特殊情 绪反应。
分类：通常根据诱发疲劳的原因不同分为心理性、病理性和体力性疲劳等。
主观用力感觉量表（RPE）：是运动生理学研究人体整体运动疲劳感受常用的测 评工具，该量表是由瑞典学者Guenzel Borg 建立的，后于1982年修订，用于运动疲
功能力的变化不是由肌肉自身代谢因素决定的，而是中枢神经系统（CNS）不 断根据对来自心脏、肌肉、呼吸和代谢等各种外周以及脑自身感觉传入信息的中
枢整合作用，主动调整其肌肉运动单位活动控制指令的结果。
肌肉智慧假说（Muscle wisdom hypothesis）：该学说认为肌肉疲劳过程中运 动单位放电频率下降是CNS适应外周肌细胞收缩行为变化的结果。其目的在于