膝关节伸肌最大等速向心和离心收缩运动前后神经肌肉疲劳的研究

陈 万，李换平，王海宁，张 懿，王 颖，杨 峰

神经肌肉疲劳问题是当前国内外运动科学和运动医学领域研究的热点之一。历经100多年的研究探索，神经-肌肉疲劳被定义为由运动引起的最大随意收缩力量的下降，或是肌肉没有能力维持在需要的水平[1-2]。根据疲劳产生的部位将神经-肌肉疲劳分为中枢疲劳和外周疲劳[3-5]。中枢疲劳主要表现为运动引起的自主激活水平或神经发放冲动的能力下降[6]。外周疲劳主要发生在神经肌肉节点或神经肌肉节点的远端，包括肌纤维膜的兴奋性、肌纤维收缩特性、兴奋收缩耦联和肌肉损伤等程序[7-8]。目前，研究神经肌肉疲劳的主要方法为电刺激与随意收缩叠加法，该方法是一种无创测试方法，广泛用于评价肌肉的随意动员能力和鉴别疲劳的特性[9-10]。最大随意等长收缩（maximal voluntary isometric contraction，MVC）可以反映肌肉力量的大小，用于评价肌肉综合疲劳程度。叠加电刺激的方法被广泛应用于中枢疲劳的评定，主要方法为在肌肉放松状态和受试者进行MVC的过程中叠加电刺激，2次电刺激引发收缩力矩的比值来计算肌肉的中枢激活水平，在运动前后中枢激活水平若发生明显的下降，提示肌肉疲劳中产生了中枢疲劳[1，6]。外周疲劳的评定可以通过在放松的肌肉上发放电刺激引起的搐颤收缩的力学特征进行评定[11]。

不同肌肉收缩形式的运动中，神经-肌肉疲劳的类型及发展程度不同，向心收缩和离心收缩运动是肌肉工作的2种重要形式，其运动后神经肌肉疲劳变化对研究不同收缩形式肌肉疲劳的产生机制具有重要作用[12-14]。本研究采用膝关节伸肌分别进行5组，每组10次最大等速向心、离心收缩运动的方案，使用电刺激检测技术对运动前后的膝关节伸肌群进行神经肌肉功能检测，探索不同收缩形式运动后神经肌肉疲劳是否有差异。

1 研究对象与方法

1.1 试验对象

本研究随机选取15名山东体育学院在校健康大学生作为试验对象，年龄（23±1.5）岁，身高（173.4±3.4）cm，体重（66.3±1.1）kg，BMI指数（22.05±2.5）kg/m2。所有受试者经PAQ问卷及体格检查均无心血管、神经肌肉障碍、关节肌肉损伤等疾病，并自愿参加该测试；试验前主试人员向受试者详细讲解试验流程，告知电刺激可能带来的不适感，并邀请受试者签署知情同意书。试验要求：为避免运动和药物对本研究的影响，规定试验前24 h内受试者不得进行大强度运动，不得饮酒、咖啡以及服用其他药物。

1.2 研究方法

1.2.1 试验仪器 本研究在山东体育学院等速肌力与神经控制实验室进行。采用的试验仪器主要有：IsoMed 2 000等速肌力测试系统、恒流电刺激发放器（Digitimer DS7A，UK）、电刺激参数控制器（DG2A）、电刺激电极片（13 cm×7.5 cm，椭圆形）、75%酒精、棉球、细砂纸、剃须刀等。

1.2.2 试验步骤 本研究中采用的运动方案为膝关节伸肌分别进行5组，每组10次的最大向心收缩和离心收缩，运动角速度为60（°）/s，关节运动范围为10°～90°（0°为膝关节全伸）。所有运动均在IsoMed 2 000等速肌力测试仪器上完成。向心收缩采用“M1向心，M2向心”模式：M1为屈膝动作，该动作受试者膝关节不主动发力，由等速设备带动完成运动范围内的屈膝动作。M2伸膝动作时，膝关节发最大力量完成运动范围内的伸膝动作；离心收缩采用“M1离心，M2向心”模式：动作M1膝关节主动发最大力量对抗等速设备完成屈膝动作，M2伸膝动作膝关节不主动发力，由等速设备带动完成运动范围内的伸膝动作。

神经肌肉功能测试在IsoMed 2 000等速肌力测试仪器上进行，试验前受试者进入实验室熟悉试验仪器和试验流程并确定电流强度。本研究中采用的电流强度为个人超强电流[1，9，15-16]，电流强度确定步骤如下：（1）试验对象坐在试验椅上，调节等速测试仪器的位置，记录机头高度、力臂旋转角度、座椅长度等位置参数，使受试者在测试过程中保持髋关节90°，膝关节90°，小腿自然下垂状态，在试验中沿用个人等速位置不变。令受试者在IsoMed 2 000等速肌力进行最大等长自主收缩，其中膝关节角度为70°（0°为全伸），直到受试者可以通过视觉反馈掌握在MVC水平维持4 s平台期。（2）确定电刺激强度：确定电刺激电流强度应在肌肉无疲劳状态下进行[15]，调节电刺激器电压为400 V，波宽100 us，电流强度从100 mA开始逐渐增加，每次增加5 mA，直到电流强度增加至受试者主观可忍受最大强度且引起的力矩值连续3次出现平台不再增加，即为个人最大电流强度[15]，经测试15名受试者个人最大电流强度在220～275 mA之间。为保证神经肌肉功能测试过程中电刺激信号充分募集膝关节伸肌参与收缩，测试过程采用个人超强度电流，即在个人最大电流强度的基础上增加15%电流强度[1，9，16]，经计算超强电流强度为（300±25）mA。对受试者在等速肌力测试椅上的位置和电刺激片的位置进行标记，并在之后的测试过程中保持不变。（3）电极片黏贴：电极片黏贴前对膝关节伸肌皮肤表面进行除毛，并用细砂纸打磨去角质后用75%医用酒精清理油脂。电极片阳极置于膝关节近端，覆盖股内外侧肌肌腹，阴极置于膝关节远端[1]，使用记号笔标记电极片位置，并在所有的试验中一直沿用该位置。

正式开始试验前准备：受试者准备活动包括5 min自行车运动，负荷为50 W，保持转速60 r/min。休息1 min后，以50%MVC水平进行2组，每组10次的膝关节伸肌动态热身运动，组间间歇1 min，热身运动的收缩方式与运动方案相同，即向心收缩运动前的热身活动为向心收缩模式，离心运动前的热身活动为离心收缩模式。准备活动完成后，调节受试者座椅位置并给受试者黏贴电极片。

神经肌肉功能测试介绍：神经肌肉功能测试在运动前（热身并休息5 min后）和运动后即刻进行。神经肌肉功能测试在膝关节70°等长收缩模式进行。开始测试：主试下达“开始”指令后，受试者在膝关节70°（等长收缩）快速做最大随意收缩，并保持MVC平台持续4 s，在MVC第3 s时叠加一次100 Hz的双脉冲刺激[17]（双脉冲刺激为2次间隔时间为10 ms的单电刺激[18]），4 s MVC后受试者肌肉放松，肌肉放松1.5 s后，施加1 Hz的单刺激[11]，肌肉放松状态下再间隔1.5 s后施加100 Hz双脉冲刺激[11，19]，最后间隔1.5 s后施加10 Hz双脉冲刺激[20]（见图1）[1，20]。测试过程中，为避免受试者在发力过程中其他关节代偿发力，使用仪器自带设备对受试者腰部、肩部进行固定，发力时双手交叉放于胸前（见图2）。

图1 叠加电刺激技术示例图[1，20]Figure1 Superimposed Electrical Stimulation Test[1，20]

图2 受试者正在进行试验Figure2 Subject in the Experiment

运动前完成神经肌肉功能测试（前测）后，令受试者在等速肌力测试系统上完成疲劳性运动方案，即受试者随机进行5组（10次/组）最大向心或离心运动，组间间歇时间1 min[14，21-23]。运动完成后即刻再次进行神经肌肉功能测试（后测），向心收缩和离心收缩运动时间间隔1周。在疲劳性运动之后重复神经肌肉功能测试。1.2.3 测试指标 运动过程中，实时记录每次向心收缩和离心收缩的最大等动力矩和做功，取每组10次受试者的最大力矩和做功的平均值用于后续对比。取电刺激前MVC平台1 s内的平均值为个人MVC[1，20]；计算最大等长随意收缩力量上升斜率（rate of force development of MVC，RFD-MVC）：IsoMed 2 000等速肌力测试系统采样频率为200 Hz，计算力量上升过程中每20 ms的斜率，并取其最大值作为个人最大RFD-MVC。MVC、RFD-MVC主要用于评价运动前后神经肌肉疲劳的综合疲劳程度，其值的下降涉及中枢疲劳和外周疲劳[1]。肌肉放松状态下电刺激引发肌肉收缩力矩的力学特性变化包括：最大颤搐张力（Peak twitch tension，Pt）、最大张力上升速率（rate of force development of Pt，RFD-Pt）、张力半舒张下降速率（rate of half force relaxation of Pt，RHR-Pt）等指标，记录1 Hz电刺激引发力矩上升的力矩值Pt，直线斜率RFD-Pt和RHR-Pt。Pt可以反映出肌肉收缩能力的变化：1 Hz电刺激下Pt的下降综合反应了肌肉外周疲劳程度，与肌纤维类型无关[11]；RFD-Pt下降反应肌肉收缩的速度下降，RHR-Pt出现明显下降则表明肌肉舒张的速度减慢，肌肉收缩和舒张速度减慢意味着肌纤维神经肌肉节点远端、兴奋收缩耦联、以及肌纤维收缩特性等发生了疲劳或损伤，是肌肉外周疲劳评价的应用指标[10，19，23]。

Pt10、Pt100为放松状态下的肌肉分别在10、100 Hz电刺激时引发的力矩值，研究表明不同肌纤维类型对电刺激的反应不同，在高频率电刺激100 Hz下，肌肉中的快肌纤维更多的被动员；在低频电刺激10 Hz下，肌肉中的慢肌纤维更多的被动员，因此疲劳运动后不同频率电刺激下肌肉被动收缩力矩下降幅度用来评价肌肉的疲劳类型，研究中通常用Pt10/Pt100（%）指标的变化来评价肌肉是否发生低频疲劳[24]，低频疲劳的显著特征为肌肉在低频电刺激下力量下降更明显，有研究表明低频疲劳在持续的等长收缩或离心收缩运动后更明显[20，25]。

城市水系统水—能关系研究是近年才兴起的一个研究方向。2000—2008年陆续出现了一系列关于城市水系统水—能关系的研究专著和报告，其后两年更多组织开始关注和研究这一热点问题。

运动前后中枢激活水平（Voluntary activation，Va）计算公式Va/%=[1-（superimposed double twitch/double twitch at rest）]×100[1，9，18，23，26]。公式中 superimposed double twitch 是指在做 MVC时给予100 Hz双脉冲电刺激所诱发的额外的力矩值，double twitch at rest指完成MVC后，肌肉放松时给予100 Hz双脉冲电刺激所诱发的力矩幅值。中枢疲劳评价基本原理是：当肌肉疲劳是由中枢激活水平下降（中枢疲劳）引起时，此时给予一个替代中枢神经冲动的电信号，肌肉力量会出现较大幅度的增长；若肌肉疲劳是由于肌肉本身引起的（即外周疲劳），在理想状态下此时叠加电刺激也不会引起肌肉产生额外的收缩，由于肌肉本身的收缩特性在电刺激下一定会引起额外的收缩力矩，但在肌肉发生明显的外周疲劳时，相同电刺激引发的额外力矩增长幅度会有较大的降低[27]。叠加电刺激技术评价肌肉疲劳的中枢疲劳程度目前在国外被广泛应用在体育科学研究中。各指标下降率（%）的计算公式：（前测－后测）/前测×100%。所有测试指标取受试者的平均值用于后续的统计检验。

1.2.4 数理统计 试验结果采用平均值±标准差表示；使用SPSS20.0对测试数据进行统计处理，对第1～5组运动过程中，同一组别向心收缩和离心收缩运动中的平均力矩和做功采用独立样本T检验；对向心收缩和离心收缩运动过程中，第1～5组的平均等动力矩和做功进行单样本T检验，检验标准为第1组平均值；神经肌肉功能前后测试指标采用配对T检验进行统计学分析；所有检验显著性差异水平设置为0.05，若P＜0.05则组间有显著性差异，P＞0.05组间不具有显著性差异。

2 试验结果

2.1 向心和离心收缩运动过程中平均等动力矩和做功的动态变化

在离心收缩运动过程中各组平均等动力矩和平均做功非常显著高于向心收缩运动（P＜0.01）；在向心收缩运动过程中，膝关节平均等动力矩和平均做功随着运动的持续呈下降趋势，但各组与第1组的差异不明显（P＞0.05）；在离心收缩运动过程中膝关节伸肌平均等动力矩随着运动的持续略有增加，但各组与第1组没有显著差异性（P＞0.05）；离心收缩运动过程中做功的变化与力矩的变化相似。从试验结果可以看出离心收缩运动过程中肌肉有较大的做功输出，且较于向心收缩更耐疲劳（见表1）。

表1 运动过程中力矩和功的动态变化结果（n=15）Table1 The Results of Dynamic Changes of Torque and Work During Exercise（n=15）

2.2 向心收缩和离心收缩运动前后神经-肌肉疲劳变化

向心收缩运动后，MVC由运动前（277.05±54.21）Nm下降到（231.14±48.49）Nm（P＜0.01）；离心收缩运动后，MVC由运动前（276.14±43.21）Nm下降到（252.85±31.45）Nm（P＜0.05）；向心收缩和离心收缩相比较，MVC下降率分别为（14.57±4.56）%和（8.07±3.23）%（P＜0.05）。向心收缩运动后，RFD-MVC由运动前（1 415.00±201.12）Nm/s下降至（1 265.00±130.23）Nm/s（P＞0.05）；离心收缩运动后，RFD-MVC由运动前（1 393.00±223.11）Nm/s下降至（1 151.67±129.98）Nm/s（P＜0.01）；向心收缩和离心收缩相比较，RFD-MVC下降率分别为（8.42±10.98）% 和（19.54±8.91）%（P＜0.05）（见表2）。

表2 向心收缩和离心收缩运动后神经肌肉疲劳变化（n=15）Table2 Changes of Neuromuscular Fatigue after Concentric and Eccentric Contraction Exercises（n=15）

从试验结果可以看出：向心收缩运动后肌力下降幅度高于离心收缩运动后肌力的下降；然而RFD-MVC在向心收缩运动后没有显著性变化，在离心收缩运动后显著下降，推测可能是由于离心运动后发生了较多的中枢疲劳，以至于在最大自主收缩时中枢神经系统发放冲动频率降低。

2.3 向心收缩和离心收缩运动后电刺激引发力矩力学特征变化

在向心收缩运动后Pt由运动前（58.23±9.25）Nm下降到（46.07±9.32）Nm（P＜0.01），离心收缩运动后Pt由运动前（58.52±10.01）Nm略上升为（59.07±4.57）Nm，二者没有显著差异性（P＞0.05），向心收缩Pt下降率为（23.16±5.52）%，非常显著高于离心收缩运动中Pt下降率（-1.93±2.82）%（P＜0.01）（见表3）。

表3 向心收缩和离心收缩运动后电刺激引发力学参数变化（n=15）Table3 Changes of Mechanics Parameters Produced by Electrical Stimulation after Concentric and Eccentric Contraction Exercises（n=15）

向心收缩运动后RFD-Pt由（938.46±21.44）Nm/s下降到（722.89±123.02）Nm/s（P＜0.01），离心收缩运动后RFD-Pt略有下降，但无显著性差异（P＞0.05），RFD-Pt下降率为（22.97±5.41）%非常显著高于离心收缩运动RFD-Pt的下降率；向心收缩运动后RHR-Pt由（408.61±69.81）Nm/s下降为（305.56±78.55）Nm/s（P＜0.01），离心收缩运动后RHR-Pt由（412.00±61.33）Nm/s上升为（439.46±65.23）Nm/s（P＜0.01），向心收缩RHR-Pt下降率显著高于离心收缩RHR-Pt的变化率；向心收缩运动后Pt10/Pt100无显著性变化，离心运动后Pt10/Pt100由运动前106.10±8.47下降为91.81±3.8（P＜0.01），Pt10/Pt100下降率为（13.47±2.76）%，显著高于向心运动Pt10/Pt100下降率（P＜0.01）。

2.4 向心收缩和离心收缩运动后中枢激活水平变化

向心收缩运动后Va由运动前（80.92±5.31）%下降至（78.78±1.41）%（P＜0.05），离心收缩运动后Va由运动前（81.10±3.54）%下降至（75.62±1.01）%（P＜0.01），离心收缩Va下降率为（6.90±0.98）%，显著高于向心收缩运动后Va下降率（2.66±0.63）%（P＜0.05）。由试验结果可知在50次向心收缩和离心收缩运动后肌肉均发生了一定的中枢疲劳，而离心收缩运动后中枢疲劳程度高于向心收缩运动后中枢疲劳程度（见表4）。

表4 向心收缩和离心收缩运动后中枢激活水平变化/%（n=15）Table4 Changes of Voluntary Activation（Va）after Concentric and Eccentric Contraction Exercises/%（n=15）

3 讨论与分析

由本研究可知，在离心收缩运动和向心收缩运动过程中，离心收缩肌肉做功高于向心收缩，且离心收缩力矩高于向心收缩力矩，表明离心收缩运动后即刻疲劳程度更低，这可能是由于离心收缩运动中肌肉收缩的特殊机制导致的。D.KAY等[13]研究发现在维持100 s的膝关节向心运动和离心运动过程中，向心收缩力矩呈下降趋势，而离心收缩力矩在运动后期高于运动初期。该研究认为在离心运动中肌肉和结蹄组织等弹性结构在运动过程中对力量的产生具有特殊的贡献，而这种贡献削弱了重复性离心运动中的离心力矩的下降，导致肌肉疲劳程度较低。认为离心收缩时肌肉可能会被进一步激活，而这种激活程度远远超过在向心收缩过程中意识控制下对肌肉的激活程度。F.MOLINARI等[14]研究发现在膝关节进行30次最大向心和离心运动过程中，尽管股外侧肌、股直肌和股内侧肌等肌肉在离心运动时产生了更多的机械做功，然而膝关节伸肌在向心收缩运动时肌肉疲劳特征更显著。研究认为离心收缩运动中运动单位的激活处于较低的水平，且离心运动中氧消耗和物质代谢也处于较低的水平，M.E.HOROBETI等[12]研究发现向心运动和离心运动在相同的心率下，离心运动时的摄氧量更低。

在本试验中发现，向心收缩运动后MVC下降率为（14.57±4.56）%，显著高于离心收缩运动后MVC下降率（8.07±3.23）%，而RFD-MVC在向心收缩运动后仅仅下降了（8.42±10.98）%，显著低于离心运动后RFD-MVC的下降率（19.54±8.91）%。MVC的下降与RFD-MVC的下降不一致并不惊奇，G.BOCCIA等[1]研究认为RFD-MVC总体上与MVC的相关性较弱，RFD-MVC的下降是由于大量中枢疲劳而导致，也有可能是因为物质代谢的影响而导致，RFD-MVC的下降并不影响MVC。本研究中离心运动后RFD-MVC显著下降与前人研究结果相一致。J.FARUP等[28]研究发现在150次离心收缩运动后最大随意等长收缩的力量上升斜率RFD-MVC显著下降。M.J.HUBAL等[21]研究发现在5组，每组10次最大离心收缩运动后最大随意收缩时最大上升斜率显著下降，其疲劳机制反映了中枢疲劳和外周疲劳。

由研究结果可知，向心收缩运动后Pt非常显著下降，而Va下降程度较低，表明50次向心收缩运动后肌肉出现显著的外周疲劳，而中枢疲劳程度较低。N.BABAULT等[18]研究了向心收缩运动过程中的神经肌肉功能变化，发现在3组，每组30次60（°）/s向心收缩运动过程中，第1组运动后Pt显著下降，第2组、第3组Pt下降水平与第1组没有显著性差异，而Va在第1组下降水平较低，在第3组有非常显著性下降，因此得出结论在向心收缩运动过程中肌肉疲劳先发生外周疲劳，继而发生中枢疲劳。在本研究中采用5组，每组10次的等速向心收缩，运动负荷水平与第1组水平相当，此时肌肉疲劳的主要根源是外周疲劳，而中枢疲劳程度较低。胡敏等[16]研究了膝关节伸肌在50次向心收缩运动后神经肌肉功能变化，同样发现运动后外周疲劳程度高于中枢疲劳程度。C.FORYD等[20]研究中采用训练有素的受试者以60（°）/s角速度进行60次膝关节向心收缩运动，运动后MVC显著下降，Pt等外周疲劳指标也显著下降，而中枢激活水平Va并未发生显著性变化。虽然由于运动方案、受试者运动水平等因素导致研究结果并不一致，但均能反映出向心收缩运动过程中肌肉先出现大量外周疲劳这一特征，与本研究结果相一致。

在本试验中，离心收缩运动后Pt、RFD-Pt、RHR-Pt并没有发生显著的变化，而Pt10/Pt100的显著下降表明肌肉发生了低频疲劳，低频疲劳是离心收缩后的显著特征。低频疲劳预示着兴奋收缩耦联机制受到损伤，离心运动导致的肌肉损伤的原因有以下几个方面：肌浆网钙离子释放下降导致自由的钙离子浓度下降；钙离子敏感性下降；收缩能力下降。钙离子浓度或敏感性下降会导致肌肉在低频电刺激下肌肉产生力量下降，而肌肉收缩能力下降会导致在所有频率的电刺激下收缩力矩下降。A.SKURVYDAS等[19]研究发现在120次离心收缩运动后出现Pt下降、收缩和舒张速度上升、显著低频疲劳等现象，证实肌肉收缩、舒张速度的升高与肌肉温度有关。G.Y.MILLET等[29]研究发现在半程马拉松运动后Pt增加19%，认为马拉松运动后肌球蛋白磷酸化导致了力量产生速率和钙离子敏感性的增加。本研究中50次离心运动后电刺激引发的肌肉收缩力矩特征的相关机制有待进一步进行研究。

本研究中离心收缩运动后中枢激活水平显著下降6.9%，且显著高于向心收缩运动后中枢激活水平下降率，表明50次膝关节离心收缩运动导致肌肉疲劳的起源有较高程度的中枢疲劳。这与之前研究的结果相一致，大量相关研究表明于离心运动后发生不同程度的中枢疲劳。如，C.J.MCNEIL等[22]研究发现踝关节100次60（°）/s离心运动后胫骨前肌中枢激活水平下降约为12%，显著高于本研究中离心收缩运动后中枢激活水平的下降程度，这可能是由于收缩次数比本研究中多1倍，同时股四头肌比胫骨前肌耐疲劳程度高等因素有关。A.SKURVYDAS等[30]研究发现未经训练的受试者在进行膝关节100次60（°）/s离心收缩运动后，MVC下降约32%，中枢激活水平下降约12%。A.MICHAUT等[23]研究发现肘关节在50次离心运动后MVC下降约20%，中枢激活水平下降约13%左右，E.GAUCHE等[26]研究发现肘关节在高强度离心运动后MVC下降20%，中枢激活水平下降22%。然而，关于离心收缩运动后中枢疲劳的机制却并不明朗，MICHAUT等认为是离心收缩运动引起的疼痛和虚弱导致大脑皮质驱动肌肉收缩的能力发生改变，V.MARTIN等[31]认为离心运动后的中枢疲劳机制可能来源于脊髓上水平的疲劳或肌肉III、IV类传入纤维因受到积累的代谢物质的影响从而反馈调节中枢神经系统对肌肉的控制，也有可能是由于肌肉受到损伤降低了Ia神经元传入运动单位的冲动。

4 结论

综上所述，膝关节伸肌50次最大等速向心、离心收缩运动过程中，离心收缩肌肉做功高于向心收缩，且离心收缩力矩高于向心收缩力矩，表明离心收缩可能比向心收缩更耐疲劳；向心、离心运动后肌肉产生明显的神经肌肉疲劳，且向心收缩运动后疲劳程度高于离心收缩运动；向心收缩运动肌肉后外周疲劳高于离心运动，而离心收缩运动后肌肉出现了明显的低频疲劳，可能与肌浆网钙离子释放下降以及自由的钙离子浓度下降有关；钙离子敏感性下降。离心收缩运动后中枢疲劳程度更大。本研究仅探讨了膝关节伸肌50次最大等速向心、离心收缩运动前后神经肌肉功能的变化，而对于收缩过程中和运动后恢复期的神经肌肉功能变化未给予探究，为更好的探究不同收缩模式对肌肉疲劳程度及疲劳产生部位的影响，可从这2个角度对不同收缩形式对神经肌肉功能的影响进行更加深入的研究。

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