Теория центрального регулятора, или Почему мы устаем

Наиболее известная модель, объясняющая возникновение усталости и используемая в спорте на выносливость, называется сердечно-сосудистой/анаэробной. Изначально предложенная пионером спортивной физиологии Арчибальдом Хиллом и соавторами в 1920-х годах прошлого столетия, эта модель была с восторгом принята учеными-физиологами, тренерами и спортсменами во всем мире. Вот уже почти 100 лет она доминирует в спорте на выносливость. Согласно ей, недостаток кислорода в работающих мышцах – это фактор, лимитирующий производительность спортсмена. Приверженцы этой модели знакомы с такими понятиями, как VO2max (он же МПК), лактатный порог, экономичность бега, которые упоминаются при обсуждении методик тренировок или физиологии бега. Все эти термины являются «практическим» отображением модели Арчибальда Хилла. Несмотря на то, что эта модель активно используется и принимается большим количеством бегунов и тренеров, уже с 1970-х годов стали накапливаться данные, ставящие под сомнение ее правильность. Но даже несмотря на это, традиции, логичность и удобство модели Хилла позволяют ей до сих пор удерживать пальму первенства среди любителей спорта на выносливость.

Возможная причина подобной популярности «модели № 1» – то, что долгое время никто попросту не предлагал альтернативного объяснения, почему производительность спортсмена в ходе тренировки или соревнования может ухудшаться.

Однако ситуация изменилась после того, как один из главных оппонентов теории Хилла – южноафриканец Тим Нокс предложил новое объяснение ограничения производительности спортсменов. Он скромно назвал его модель Хилла/Нокса, или модель центрального регулятора (central governor model). На самом деле существование так называемого центрального регулятора было отмечено Арчибальдом Хиллом, однако его идея была не принята или пропущена сторонниками сердечно-сосудистой/анаэробной модели и много лет оставалась в тени. При повторном анализе работ Хилла доктор Нокс был настолько впечатлен его идеей, что провел серию исследований, чтобы доказать или опровергнуть ее. Накопление данных подтвердило правильность изначальной догадки Хилла, а обновление и усовершенствование этой идеи Ноксом привело к появлению альтернативной теории в спорте на выносливость.

Возможно, новая (или альтернативная) модель ответит на ряд вопросов, которые остались без ответа в модели Хилла. Один из таких вопросов: что же такое утомление?

a718864a7c6

Утомление как причина снижения работоспособности бегуна

Что вызывает утомление мышц? Почему зачастую не получается ускориться во время преодоления последнего километра марафона? По какой причине бегуны-любители не могут поддерживать максимальную скорость на стометровке? Почему повышение температуры окружающей среды замедляет бег, опять же, особенно на последних километрах дистанции? Это лишь небольшая часть примеров, говорящих нам о том, что утомляемость мышц, возникающая по ходу дистанции, может здорово нас замедлить. Остается вопрос: что же вызывает усталость? Недостаток кислорода, сдвиг кислотно-основного равновесия, нарушение водно-электролитного баланса или что-то еще? При использовании классической модели Хилла ответ удается дать не всегда. Возможно, новая модель поможет нам ответить на эти вопросы? Для начала попробуем дать определение усталости.

Традиционное определение утомляемости, используемое физиологами, гласит, что это невозможность продолжать выполнение определенной работы или поддерживать прежний уровень работоспособности, несмотря на сильное желание и попытки со стороны человека. Другое определение: «это состояние, возникающее в результате интенсивной или продолжительной работы и сопровождающееся снижением физической работоспособности». Представьте себе, что вы бежите с темпом примерно 80% от МПК – в тот момент, когда вы не сможете больше бежать с заданным темпом, согласно классическому определению, и наступает утомляемость.

Быть может, вопрос о том, как возникает утомляемость, не совсем правильный? Возможно, правильнее понять, где развивается утомляемость!

Несмотря на логичность этого определения, все-таки оно недостаточно хорошо. Даже если бегун не может преодолевать дистанцию с заданной скоростью, он точно сможет бежать дальше, снизив темп, то есть уменьшив нагрузку. Думаю, что такая ситуация знакома каждому бегуну. Более того, есть мнение, что при снижении темпа бега в силу усталости надо бежать быстрее! Как же так, классическое определение утомляемости говорит о том, что бегун не может бежать даже с прежним темпом, а тут предлагают ускориться. Выходит, классическое определение утомляемости что-то упускает?

Как же все-таки развивается утомляемость?

Быть может, вопрос о том, как возникает утомляемость, не совсем правильный? Возможно, правильнее понять, где развивается утомляемость! Наиболее часто причиной утомления называют мышцы, которые не могут поддерживать одинаковую силу сокращения. Тем не менее, возможно, мышцы не являются тем самым местом, где развивается утомляемость, а ослабление их сокращения – лишь следствие. Может быть, утомляемость одновременно развивается сразу в нескольких местах? Для того, чтобы ответить на эти вопросы, давайте быстро вспомним, почему сокращаются мышцы.

Сокращение мышц при физической активности происходит после того, как они получают сигнал из головного мозга. Если же сигнал не поступает – мышцы не сокращаются. Головной мозг контролирует физическую активность с помощью сигналов, посылаемых мышцам. Если необходима более интенсивная физическая работа, головной мозг посредством изменения сигнала к мышцам активирует большее количество волокон. Если же уровень нагрузки снижается, то и это контролируется головным мозгом с помощью сигнала, активирующего небольшое количество мышечных волокон. Таков процесс мышечного сокращения в сильно упрощенном виде.

Если бы мышцы и мышечные волокна были единственным местом, «ответственным» за развитие утомляемости, то для поддержания заданного уровня работоспособности головному мозгу пришлось бы дать сигнал для активизации дополнительных волокон и мышц и в определенный момент времени было бы активировано 100% мышечных волокон. За счет этой всеобщей мобилизации спортсмен смог бы поддерживать заданный темп. Однако спустя какое-то время утомляемость развилась бы в 100% активированных мышечных волокон и мы бы не могли выполнять работу, несмотря на отчаянные попытки головного мозга нам помочь. Уставшая мышца не может эффективно и быстро сокращаться, что приводит к падению мощности и замедлению темпа. Таким образом, если бы причиной усталости были мышцы, мы бы увидели 100%-ную активацию волокон в ходе преодоления дистанции.

Что вызывает утомляемость мышц? Попытки ответить на этот вопрос длительное время приводили к «открытию» новых причин: ослабление взаимодействия сократительных белков актина и миозина, недостаток кислорода в работающей мышце, повышение кислотности в мышечных волокнах, снижение уровня сахара крови (гипогликемия), повышение температуры внутри волокон, снижающее сократимость… Всё это – а также ряд других, неустановленных причин, – по мнению ученых, было ответственно за развитие усталости в мышце.

Конкурирующая теория усталости гласила, что она развивается в другом месте организма (не в мышцах) и затем вызывает снижение сократимости мышц. Например, если источник усталости находится в центральной нервной системе, то сигналы, посылаемые ею к мышцам, по мере развития утомляемости станут слабыми или замедленными, что приведет к снижению сократимости мышц и падению работоспособности.

1f9abfdd511

Для того чтобы понять, являются ли мышцы источником усталости, достаточно протестировать, какой процент мышечных волокон вовлечен в работу в ходе высокоинтенсивной тренировки. Очевидно, что, если по мере накопления усталости увеличивается процент вовлеченных в работу мышечных волокон, значит, «классическая» теория верна. Этим нехитрым способом и воспользовались ученые для выяснения, является ли мышца источником усталости. Что же получилось? Согласно результатам проведенных исследований, не было обнаружено вовлечения большого объема мышечной массы в ходе тренировок, а также 100%-ного вовлечения мышечных волокон в работу при высокоинтенсивном тренинге. Более того, количество мышечных волокон, вовлеченных в работу в ходе истощающей тренировки, уменьшалось. Например, группа исследователей изучала мощность и активацию мышечных волокон во время часового велосипедного заезда, в ходе которого предлагалось преодолеть 6 минутных ускорений до отказа. Мощность и активация мышечных волокон равномерно снижались от второго к пятому ускорению, несмотря на попытку велосипедистов поддерживать скорость. Падение активации и мощности мышц может являться следствием снижения центральной регуляции мышечной активности.

Усталость – это проблема центрального восприятия, она фактически сродни ощущению или эмоции и не является прямым физическим явлением.

Интересно, что вразрез с падением мощности и количеством вовлеченных волокон в первых пяти ускорениях в последнем, шестом, ускорении, которое выпадало на последнюю минуту заезда, мощность и активация мышечных волокон значимо повышалась. Знакомая картина для поклонников веломногодневок – финишный спурт. Если бы утомление развивалось в мышцах, велосипедисты не смогли бы сделать этот финишный рывок. Несмотря на то что эти наблюдения уводят нас от ведущей роли мышц в развитии усталости, нельзя полностью отвергать роль мышц в этом феномене, просто мышечное волокно не является здесь главным звеном.

Хорошо, скажете вы, усталость не развивается в мышцах, где же тогда «центр утомляемости», заставляющий нас замедляться? Головной мозг, самый важный орган в нашем теле, взял на себя руководящую роль в развитии усталости. Снижение активности мышц означает, что уменьшился так называемый «центральный драйв», то есть импульсация из головного мозга. Внезапное повышение мощности и силы сокращений мышц в нашем примере с велосипедистами означает, что мы можем (хотя бы отчасти) управлять этим центральным драйвом. Эти наблюдения, взятые из приведенной выше работы, а также ряда других исследований, привели доктора Нокса к формированию нового определения утомляемости. Оно гласит, что «…усталость – это проблема центрального восприятия, она фактически сродни ощущению или эмоции и не является прямым физическим явлением. Этот феномен проистекает из изменения центрального драйва из головного мозга в мышцы на фоне истощения, а не благодаря изменениям, возникающим в самих мышцах».

Тим Нокс предположил, что именно центральная нервная система уменьшает мощность сигнала, посылаемого к мускулатуре. Уменьшение силы сигнала приводит к снижению количества активированных мышечных волокон. Попросту говоря, мозг является причиной (и источником) усталости, и именно главный орган вашего тела дает вам и вашим мышцам понять, что вы устали и надо остановиться или замедлиться.

Модель центрального регулятора

Почему же происходит так, что в один прекрасный момент головной мозг дает мышцам команду остановиться или замедлить движение? Это сам головной мозг устает или какие-то факторы приводят к тому, что в нем развивается усталость? Как он узнает о том, что нужно вовлечь в работу дополнительное количество волокон, поднажать и устроить финальный рывок? Как вообще мозг определяет, что количество активированных мышечных волокон достаточно? Каким образом наш мозг подбирает нужный темп при беге «по ощущениям»? На многие вопросы нет ответа, однако понятен смысл реакции головного мозга, которая приводит к формированию «усталости».

Существуют доказательства того, что мозг дает сигнал остановиться или замедлиться для защиты организма… от нас самих и от тех необратимых повреждений, которые (как думает мозг) мы можем нанести организму. Ежесекундно и в любой ситуации мозг проводит проверку всех органов и систем организма. Он оценивает, какой метаболической ценой мы достигаем, скажем, заданного темпа. Затем, на основании этой информации, он «подстраивает» наш темп так, чтобы он не был губительным для организма. Мозг не знает, осталось ли вам бежать 100 метров или 100 километров, его задача – оставить ваше тело в живых. И если ваши действия наносят непоправимый, с точки зрения мозга, вред организму, то он пытается остановить разогнавшегося бегуна. Альтернативным подходом нашего мозга становится подбор оптимального темпа, который не нанесет вреда организму, – мы замедляемся.

Головной мозг тоже можно тренировать для того, чтобы он не пугался наших тренировок, давая нам возможность бежать дальше и быстрее.

Вспомните, как вы бежали в жаркое время года и как трудно было поддерживать высокий для вас темп. Всё верно, это мозг посылает сигналы мышцам с требованием снизить темп или вообще остановиться. Иначе быть беде, мозг предсказывает перегрев организма и плохие последствия.

Вывод

Основываясь на теории центрального регулятора, можно сказать, что усталость развивается в головном мозге и этот феномен не является чем-то абсолютным, то есть «уставший» спортсмен может продолжать бег, но с более низким темпом. Мощность сокращения мышечного волокна, количество вовлеченных в бег волокон, темп бега – всё это регулируется головным мозгом. Главная задача нашего верховного главнокомандующего – не дать нам умереть, и ему нет никакого дела до того, что именно в этот день вы решили побить свой рекорд. Однако головной мозг тоже можно тренировать для того, чтобы он не пугался наших тренировок, давая нам возможность бежать дальше и быстрее. И этот аспект тренировочного процесса зачастую остается за кадром. В следующих статьях мы попробуем разобраться, был ли прав доктор Нокс и можно ли (и как) натренировать наш мозг.

Литература:
Kay D, Marino FE, Cannon J, St Clair Gibson A, Lambert MI, Noakes TD. Evidence for neuromuscular fatigue during high-intensity cycling in warm, humid conditions. Eur J Appl Physiol. 2001 Jan-Feb;84(1-2):115-21.
Noakes, T. Lore of Running, 2004, pg 147.
Palmer G, Hawley J, Dennis S, et al. Heart rate responses during a 4-day cycle race. Med Sci Sports Exerc 1994; 26:1278-83.
Rodriguez-Marroyo J, Lopez J, Avila C, et al. Intensity of exercise according to topography in professional cyclists. Med Sci Sports Exerc. 2003; 35:1209-15.

Фото: Jenny Hill, Emma Simpson

Поделитесь с друзьями

Комментарии1

Чтобы принять участие в обсуждении Войдите or Зарегистрируйтесь

  • 1 неделя, 2 дня назад

    Вау ..... как далеко заходит автор. Т.е. я понял из статьи, что потренировав мозг на выносливость в шашечках или домино, я вполне могу жарить ультра-трэйл? Однако у меня неплохое фундаментальное медицинское образования и преподавательский опыт. Я знаю, что сложные аспекты спортивной физиологии нужно излагать доходчивым , понятным языком. Методика изложения автора не достаточно рациональная, вплоть до курьезов ... ".... И если ваши действия наносят непоправимый, с точки зрения мозга, вред организму, то он пытается остановить разогнавшегося бегуна. .... " Это я понимаю, что бегун "отключил" мозг и что работают лишь переферическая нервная система ... ганглии что ли? Мозг работает отдельно от "разухарившегося беглеца"?
    Может стоит сначала объяснить, что мозг содержит различные отделы: нервные центры, отвечающие за биохимический гомеостаз организма, за произвольную двигательную активность, за рефлекторную двигательную активность и т.д. и т.п. Возможно, стоит обратится к теории "функциональных систем", и объяснить людям, что функциональная система дыхания, система поддержания уровня глюкозы и др. ограничивают функциональную систему произвольного движения (движение спортсмена - бег, вело и тп.). Тогда станет более понятно, что тренируются не только "мышцы", или "мозг", а весь организм целиком. Устают и нервные центры и мышцы. Вероятно, "устаревшая теория функциональных систем в физиологии" сможет более доходчиво объяснить возникновение усталости?

    Ответить