振动训练对大鼠腓肠肌生物力学性能的影响

古福明，蒋 丽

(成都体育学院运动医学系，四川 成都 610041)

肌肉力量是绝大多数运动项目的基础，肌肉力量训练是竞技体育训练中的一项重要内容。近年来，作为一种新兴的肌肉力量训练方法，振动训练受到越来越多的关注。振动刺激对肌肉力量训练效果的大量实验研究发现，振动训练可显著提高肌肉的最大力量和爆发力［1－8］。在影响因素方面，所做的实验研究发现，振动波的振幅、频率、方向等基本要素对肌力训练效果产生影响［9－11］。但是，关于振动训练在提高肌肉力量的机制研究方面，还存在着不足。目前，大多数研究从肌肉的生理学角度来解释实验结果的作用机制，认为提高肌肉力量的原因是振动刺激增加了外界对肌肉本体感受器的刺激量，同时激活了不同兴奋阈值的运动单位，导致运动单位的募集量增加［10－14］。而缺少对振动训练作用目标的多学科多角度细化研究，很少考虑机械振动产生交变应力的力学特点和肌肉自身的生物力学特性，如粘弹性体、对机械波的传递效应等［15］。本文旨在通过动物实验研究振动训练对肌肉生物力学性能的影响，从运动生物力学角度探索振动训练的主要作用目标，这有助于更全面、更深入认识振动训练的作用机制，丰富振动训练的理论，更好地指导振动训练实践，促进振动训练效果的提高。

1 材料与方法

1.1 实验动物及饲养方法

用四川大学华西医学实验动物中心培育的3月龄健康雄性SD大鼠60只，体重为180－210g。采用架式笼养，每笼5只，运动与饲养环境温度维持在18℃－24℃，相对湿度为45% －55%，自然光照。国家标准啮齿类动物颗粒饲料饲养，自由摄食和饮水。

1.2 动物分组与训练方案

大鼠适应性饲养1周后，随机分成4组，即安静对照组(C)、25Hz频率振动训练组(L，25Hz)、35Hz频率振动训练组(M，35Hz)和45Hz频率振动训练组(H，45Hz)，每组15只。采用美国Power Plate振动训练台对各训练组大鼠进行振动训练，训练时将同一振动频率实验组的15只大鼠同时放置在振动台上，每只大鼠分别放置在自制的有机玻璃器皿中，该器皿能限制大鼠直立姿势，保证大鼠下肢在抗自身重力的状态下接受振动刺激，如图1所示。每天振动训练2次，每次训练时间为15min，两次训练间歇时间为5min。各组的振幅均为3mm，纵向振动。每周训练5天，休息2天，共8周。

图1 振动训练中的大鼠

1.3 动物取材

各组大鼠在最后一次振动训练后24小时内进行取材。采用10%的水合氯醛溶液(3ml/kg)腹腔注射麻醉大鼠，取大鼠右侧腓肠肌，清除周围多余组织，保留两端肌腱。所取材料用浸泡过生理盐水的纱布包裹后，立即置于液氮预冷的冻存管，然后放至在－80℃冰箱冷冻待测。

1.4 力学指标检测

在四川大学生物力学省重点实验室，将解冻的待测腓肠肌夹于夹具中，采用日本岛津公司的AGISMS型电子万能试验机，在恒温恒湿的实验室中进行腓肠肌生物力学性能测试。正式测试前进行试件的预调处理，预调次数为10次循环拉伸，循环拉伸时的载荷范围为0－3N，加载速率为3mm/min。预调实验之后立即进行正式测试，以3mm/min加载速率进行拉伸破坏试验，以受试材料不在夹具处断裂为实验成功的标准，并记录其载荷－变形曲线。测试期间用注满生理盐水的针头不间断地滴浴保湿。之后，使用AGISMS型电子万能试验机自带的TRAPEZIUM2软件处理数据，并输出最大载荷和到最大载荷时的能量吸收等结构力学参数，以及弹性模量、最大应力、到最大载荷时的应变等材料力学参数。

1.5 统计学处理

使用SPSS19.0统计软件处理实验数据，数据采用平均数和标准差(¯X±SD)表示，采用单因素方差分析和差异显著性检验对不同组别的数据进行比较，显著水平为P＜0.05，非常显著水平为P＜0.01。

2 实验结果

2.1 大鼠腓肠肌的结构力学性能

表1显示，与C组大鼠相比，25Hz组大鼠腓肠肌的最大载荷、到最大载荷时的能量吸收有非常显著的增加(P＜0.01);35Hz组大鼠腓肠肌的最大载荷、到最大载荷时的能量吸收均有所增加，但无统计学意义的差异(P＞0.05);45Hz组大鼠腓肠肌的最大载荷、到最大载荷时的能量吸收显著增加(P＜0.05)。

表1 腓肠肌结构力学参数

2.2 大鼠腓肠肌的材料力学性能

表2显示，与C组大鼠相比，25Hz组大鼠腓肠肌的弹性模量、最大应力均有非常显著的增加(P＜0.01)，到最大载荷时的应变有显著的减小(P＜0.05);35Hz组大鼠腓肠肌的弹性模量、最大应力有所增加，到最大载荷时的应变有所减小，但均无统计学意义的差异(P＞0.05);45Hz组大鼠腓肠肌的弹性模量、最大应力有显著增加(P＜0.05)，但是，到最大载荷时的应变无显著性的减小(P＞0.05)。

表2 腓肠肌材料力学参数

3 分析讨论

3.1 振动训练对大鼠肌肉力学特性的影响分析

在本研究中，25Hz组和45Hz组大鼠腓肠肌的最大载荷、最大应力显著增加。最大载荷的增加可以提高机体运动时肌肉承受最大负荷的能力，最大应力的增加提高了肌肉的强度。因此，适宜的振动训练可以提高肌肉的最大力量，这与其他动物实验的结果基本一致［8］。同时，肌肉强度的增加又可以提高机体运动时肌肉工作的安全系数，从而降低了机体大强度运动时肌肉损伤的几率。

由表1可知:25Hz组和45Hz组大鼠腓肠肌到最大载荷时的能量吸收显著增加，即腓肠肌储存弹性势能的能力显著增加。由运动生物力学可知，肌肉储存弹性能量及随后的能量释放可以增大肌肉末端的力量，因此大鼠腓肠肌最大能量储存能力的增加，可以增大肌肉力量，提高运动的效率。

由表2可知:25Hz组和45Hz组大鼠腓肠肌的弹性模量显著增加，在最大载荷时的应变有显著的减小，即在一定力的作用下腓肠肌的形变降低，抵抗变形的能力增强。一方面，腓肠肌弹性模量的增加会使得在一定的变形的情况下，腓肠肌弹性力增大，在其他条件相同时腓肠肌末端的肌力增大;另一方面，腓肠肌弹性模量的增加会使得在一定的力的作用下腓肠肌变形减小，即减小了肌节的伸长(缩短)距离，在其他条件相同时，肌节的收缩速率减小，由希尔方程可知，这可增大了肌肉的收缩力。因此，肌肉弹性模量的增加有利于肌肉力量的提高。

振动训练的本质是通过外加机械振动波作用于肌肉，并使肌肉产生响应的过程，因此振动训练的终极作用目标是肌肉。由运动生物力学的肌肉结构力学模型可知，肌肉是由主动收缩元和被动弹性元组成，肌力的构成就是由主动收缩元产生的收缩力(该力由串联弹性元进行传递)和并联弹性元被动拉伸后产生的弹性力二者共同构成。本研究所采用的实验材料是离体腓肠肌，由于肌纤维在离体状态下已经完全没有了主动收缩力，所以本研究测得的力就是离体腓肠肌中弹性成分的弹性力，即振动训练对大鼠腓肠肌力学性能的影响，就是振动训练对大鼠腓肠肌中弹性成分力学性能的影响。因此，结合相关文献［16］和本研究的结果可以认为振动训练的机械波较多的促进了肌肉弹性成分的工作能力提高，即在振动训练中振动波的主要作用是影响肌肉中的弹性成分。

振动波的作用主要是肌肉弹性成分的观点能得到机械波传播理论的支持。因为动物及其组织均是粘弹性体，机械波在动物组织中传播时会受到较大的阻力，粘性越大阻力越大，反之越小，所以动物组织的弹性物质能更好地传播机械波，即振动波能使弹性物质产生较敏感的反应，弹性模量越大反应越敏感，弹性模量越小反应越迟钝。因此，对振动训练的机械波产生响应的应该是机体的弹性成分。

3.2 不同振动频率对大鼠肌肉力学特性的影响分析

振动训练的效果受振动波的振幅、频率、方向和持续时间等因素影响。在振动频率对运动能力影响的报道中，刘北湘［9］的研究表明，在15－45Hz振动频率范围内，随着频率的增加，振动训练的效果有明显增加的趋势。任满迎等［10］对运动员下肢肌群进行同振幅不同频率的振动训练的研究发现，不同振动频率对振动效果产生不同的影响。同振幅下(振幅4mm)，35－50 Hz频率的振动刺激对肌肉最大力量、快速力量、爆发力以及肌肉耐力的训练效果显著高于25 Hz－35 Hz频率的振动刺激。本研究的结果同以上研究结果不完全一致，其原因是上述文献中的研究对象都是人体实验，而本研究是动物实验。

本研究结果显示，25Hz组和45Hz组大鼠腓肠肌的最大载荷、能量吸收、弹性模量、最大应力等力学参数均显著高于安静对照组，而35Hz组大鼠腓肠肌的各项力学与安静对照组无显著性差异。这表明25Hz组和45Hz组的振动训练均能提高大鼠的肌肉力量，而35Hz组的训练效果不明显。其原因可能是35Hz组的振动频率等于或接近于大鼠下肢肌肉的固有频率，由机械波的强度公(式中ρ为介质的密度，u为波速，A为振幅，ω为振动频率)可知，机械波的强度与振幅的平方、频率的平方成正比。当外加的振动频率等于或接近受迫振动系统的固有频率时，受迫振动系统的振幅A会急剧增大，从而造成施加于大鼠的振动负荷量过大，导致机体不适应。这一点可以从各训练组在整个训练期间的生长情况和精神状态得到间接证实:在整个训练期间，35Hz组大鼠的精神状态较差，且有大鼠死亡情况，而其余各组大鼠的精神状态良好、且无死亡现象。

因此，选取的振动训练频率应该避开待训练部位系统的固有频率附近区域，至于该区域的大小，还需进一步的探讨。在此基础上，为了使肌肉获得足够大的刺激能量，达到良好的振动训练效果，可以选择较高的振动频率甚至高于待训练部位系统固有频率的振动频率进行训练。然而，由于机体不同部位的固有频率存在着很大的差异，且大鼠软组织的固有频率缺少相关文献资料，因此振动频率的适宜范围还需要做大量的研究工作。

4 结论

(1)振动训练能显著地改变大鼠腓肠肌的生物力学性能，促进肌肉中弹性成分的工作能力提高，这表明振动训练的主要作用目标是肌肉中的弹性成分。

(2)为了达到良好的振动训练效果，选择的振动频率应避开待训练部位系统的固有频率附近区域，其区域的大小还需进一步的探讨。

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