基于PAP效应的热身方案在铅球项目训练与比赛中的应用

杨 坤，宦承妤

在竞技体育领域，运动员的赛前准备状态对运动成绩有着重要影响，科学合理的热身方案能够有效帮助运动员将赛前准备状态调整至最佳水平进而有效提高运动表现。近年来，以PAP效应为基础的新型热身方案广泛引起学术界的关注。PAP（post-activation potentiation）即激活后增强效应（也有学者将其译为预激活增强效应），是一种通过预先短时间最大强度或次最大强度抗阻训练（resistance training）使肌肉快速力量或爆发力急剧增加的一种生理现象。推铅球作为一个以力量为基石，出手速度为关键的速度力量型投掷项目，铅球出手的速度、高度、与角度是决定运动成绩的三个基本因素，其中，出手速度作为主导因素主要受到肌肉峰值功率（Peak power）的影响。因此将基于PAP效应主导的热身方案纳入铅球运动员训练与比赛中能够有效提高其运动表现。

20世纪90年代国外就已有针对PAP对肌肉爆发力影响相关研究，并已经将其用于实践训练过程中，如通过肌肉抗阻训练、超等长训练（plyometric training）相结合以提高运动员爆发力表现，将抗阻力量训练赛前热身方案相结合形成PAP热身方案等。目前国内现有投掷项目热身方案类文献研究中鲜有涉及这一“激活—增强”现象，运动训练实践中PAP类热身方案也一直未能得到广泛应用。究其原因，在于PAP研究在我国还是一个新兴研究方向，处于初步探索阶段，且在实践应用时影响因素过多具有一定复杂性。鉴于此，本研究将从实践出发结合前人研究成果，在厘清PAP效应生理机制与影响因素的基础上提出基于PAP效应的科学化热身方案，力求提高铅球运动员在训练与竞赛中的运动表现。

1 PAP的生理机制

自1982年美国生物学家manning通过大鼠跖伸肌实验初次观测到肌肉的“激活—增强”现象以来，学术界就对其背后生理机制不断进行探索，但对于导致肌肉产生这种“增强”状态的原因尚未达成一致，当前最具有代表性的解释主要有3种：（1）肌肉在受到大强度刺激后强化了肌球蛋白调节轻链（Myosin Regulatory Light Chains，MRLC）的磷酸化作用。（2）负荷刺激使运动神经兴奋性增强运动神经元募集运动单位数量增加。（3）负荷刺激使肌纤维羽状角度（Pinnation Angle，PA）发生改变。

1.1 肌球蛋白调节轻链的磷酸化作用

1864年德国生理学家Kuehne发现一组与骨骼肌收缩密切相关的蛋白质，后将其命名为肌球蛋白（Myoson）。肌球蛋白又名肌凝蛋白，是一种分子马达蛋白。其分子结构呈“Y”形，由两条长肽链（重链）和两对短肽链（调节轻链，RLC和必需轻链，ELC）构成。

肌球蛋白轻链激酶（myosin light chain kinase，MLCK）在肌细胞收缩过程中起着关键的调节作用，可由进入肌质的钙离子与钙调节蛋白结合后激活。激活后的MLCK与肌球蛋白调节轻链上的丝氨酸发生磷酸化作用，激活肌球蛋白头部的ATP酶，此酶与ATP发生反应释放能量，使横桥摆动拖引细肌丝向粗肌丝发生滑动，肌细胞收缩。大强度负荷刺激可提高钙调节蛋白与钙离子结合的敏感性，使流入肌质的钙离子浓度增加，使激活的MLCK数量增多，肌球蛋白头部ATP酶的激活能力得到增强，最终使APT能量释放速度加快，跨桥循环率的增加，肌肉收缩速度得到提高。最终使力量—速度曲转向右移动（图1），使机体的快速力量得到提升。

图1 力量—速度曲线

1.2 运动神经元募集运动单位数量增加

神经系统的调控能力是影响肌肉收缩力量与收缩速度的重要因素。运动神经发出神经冲动募集脊髓前角α运动神经元所支配的骨骼肌纤维引起肌肉收缩。这种募集方式遵循“大小”和“顺序”两个原则，即运动强度低时小的α运动神经元控制的少量肌纤维先被募集，随着肌肉力量的增加，大的α运动神经元支配的大量的肌纤维再被募集。热身活动可以在中枢神经系统上留下兴奋性提高的痕迹，并使肌肉活性增强，运动神经元募集能力提升。如朱雨等人通过肌电数据监控低氧、常氧条件下抗阻练习对短跑 运动员下肢肌肉运动单位募集发现低氧条件下抗阻训练可有效促进运动单位的募集从而提高爆发力。现有投掷类等爆发力运动项目中热身活动普遍负荷强度较低，高层次运动单位未被募集，热身效果并未达到最大化。

此外，预先进行大强度负荷刺激可引发突触前易化（presynaptic facilitation）效果，在之后的活动中使神经肌肉接点突触释放递质质量、数量增加，引起突触后电位幅值加大，突触后神经元兴奋性提高，对高阶运动单位募集能力提高。此时，肌肉力量得到增强，这一过程可维持数分钟。

1.3 肌纤维羽状角度发生改变

羽状肌肌腱轴线与肌纤维线之间会形成一定的夹角θ，现代解剖学中把这个夹角称之为“羽状角”。大部分羽状肌夹角都在0到30°之间。肌肉的总拉力约等于单位横断面积肌纤维拉力*cosθ（图2），肌肉羽状角减小时，肌肉向肌腱和骨的力量传导效率会提高，肌肉总拉力提高。肌纤维处于牵拉状态时还会受到周围肌纤维的相互挤压，这种挤压产生的侧向拉力会降低其正向应力，此时肌纤维表现为更具抗拉。此外，单位横断面积肌肉羽状肌肌纤维的数目也总是多于梭形肌等肌肉。Mahlfeld等人实验发现股外侧肌肉在经过3S最大强度负荷刺激3～6分钟后，羽状角从收缩前的16.2度减少至14.4度（P＜0.05），这一角度变化使肌腱力量传输效率增加了约0.9%，作者认为羽状角度的改变对PAP作出了贡献。Fukunaga等人利用超声波扫描仪对志愿者的股外侧肌束进行扫描成像，分析计算得出羽状角的变化对力的影响约为4%～7%。

图2 羽状角度与肌纤维

2 影响PAP的变量

PAP具有高度个性化，运动员的个人特点、训练水平、训练的类型强度都对PAP的效果产生重要影响。教练员需保持清醒的头脑，准确把握影响PAP的各种因素，才能将其成功应用于比赛与训练中。

2.1 个体因素

2.1.1 运动水平

高水平运动员在训练与比赛中抗负荷能力、恢复能力、神经肌肉系统的协调工作能力等大都优于低水平运动员，这些因素正是影响PAP效应产生的关键，因此高水平运动员更易通过诱导产生PAP现象。

如Seitz等人对从事爆发力项目的高水平运动员和业余运动员分别进行5组90%1RM杠铃深蹲的PAP诱导实验，结果显示高水平组运动员垂平均直跳跃高度增加了2%～3.2%，业余组下降约2%～4.2%。Chiu等人对一组至少有六个月抗阻训练经历的志愿者进行90%1RM的PAP诱导训练，利用带有传感器的平台对其弹跳功率进行评估，一组未经过抗阻训练的普通组执行对照测试。实验发现有训练经验的志愿者组平均跳跃下蹲峰值功率均有所提高（P＜0.05），普通组未见明显提高（P＞0.05）。

2.1.2 力量水平

运动员的力量水平也是影响PAP的一个重要因素。梁美富等人针对两组力量水平不同的运动员进行负荷量为一组三次90%1RM杠铃静态半蹲跳（static squat jump）的PAP诱导实验，发现优势组运动员半蹲跳高度峰值变化（11.44%）高于普通组（7.98%），且峰值出现时间（6min）比普通组（3min）晚，结果具有显著差异性（P＜0.05）。Duthie等人研究发现，在3组3个1RM半蹲训练后，体格强壮组受试者跳跃下蹲时的峰值力量和峰值功率都有所提高。体格较弱组受试者在峰值力量和峰值功率方面表现出温和的下降。

2.1.3 项目类型

PAP效应在由快速力量、爆发性力量等作为主导的运动项目中作用较为显著。有观点认为其作用原理可能主要与肌肉中肌纤维类型及其占比等原因有关。一般来说，肌肉中II型肌纤维的含量越多，占比越高，通过激活产生的PAP效应越明显。Hamada等人在其研究中证实了这种观点，实验通过对20名青年男性的膝关节伸肌进行10s的最大自主等长收缩（MVC）训练来诱发PAP。并分别对四名PAP最高与最低的受试者进行股外侧肌针刺活检，以确定肌纤维类型的分布，结果显示，与PAP最低的四个受试者相比，PAP最大的四个受试者的II型纤维比例更高，肌肉收缩时间更短。Moore等人的实验结果也支持了Hamada的观点。

2.1.4 性别年龄

性别年龄会对机体中枢神经系统的调控能力、肌纤维类型比例、细胞分子水平活性等因素产生重要影响。这些因素是影响PAP的关键。多个研究表明PAP与年龄呈倒“U”型关系，即PAP效果会随年龄的增长而增加，当到达一定阶段会转而下降。由于男女之间在肌纤维类型含量，肌肉体积等方面存在的差异，一般男性PAP效果高于女性。男女在不同年龄阶段身体与力量发育也有不同，年龄效应在女性中表现要弱于男性。

2.2 影响PAP效果的训练学因素

2.2.1 激活方法手段

与后续运动项目相似的运动模式的激活训练是引起PAP强大生理效应的重要因素之一。不同运动项目运动员在执行运动程序时所需肌群与运动单位募集程度和肌肉放电顺序等均不相同，选择与运动员技术动作相似的诱导训练模式能使PAP得到高效激活。

肌肉的收缩形式也会对PAP效果产生影响。Rixon等人认为采用等长收缩形式（MVC）比等动收缩（DS）诱导PAP效果更好，且等长收缩代谢成本更低，产生的疲劳更少。Joseph等人对10名男子橄榄球运动员进行不同肌肉收缩形式的卧推实验，并用肌电仪对运动员三角肌、胸大肌等肌电信息进行检测记录。实验结果显示，采用等长收缩形式的卧推组运动员PAP效果大于其他收缩形式组。因此，肌肉的等长收缩形式可作为PAP激活的首选方案。

2.2.2 激活负荷量度

一般力量水平、运动能力等越高的运动员所能承受的负荷强度越多，激活所需的负荷强度越大［9］，值得注意的是负荷强度过高时会使肌肉产生疲劳或损伤。Fukutani等人实验发现45%～90%1RM负荷训练都能激发肌肉产生增强效应，增强效率会随负荷强度的增加而增加。Wilson等人对32个研究结果进行META分析后评估发现，中等强度即60%～84%1RM抗阻训练产生的PAP效果最为理学，这一强度范围能既能有效激活PAP又能避免肌肉因过高强度刺激产生疲劳或损伤。

在负荷数量上，中等强度刺激下多次重复抗阻训练产生的PAP效果要大于单次大强度抗阻训练［28］。一般情况下，当诱导强度为60%～84%1RM可以重复4～5次抗阻训练，诱导强度为86%～93%1RM时，重复次数可降低至1～3次［27］。

2.2.3 激活休息时间

PAP效果经常被称为“Goldilocks”原则，国内学者将其译为“机会窗口”，这主要是由PAP效果的持续时间和机体由疲劳恢复到正常状态所需的时间决定的。PAP在激活后立刻达到峰值，在1min中内迅速下降，随后缓慢下降。由于疲劳始终存在于之前的负荷刺激过程中，当休息时间过少时，机体尚处在疲劳状态，运动表现会降低。休息时间过长时，PAP效果减弱，同样不能促使运动表现得到提升。这种状态可用适应—疲劳模型来表示（图3），负荷刺激后疲劳占据主导地位使运动表现下降，经过休息过后机体恢复，PAP占据优势，机会窗口出现，运动表现得到提高。

图3 适应—疲劳模型

在未经训练、受过训练和运动员等不同群体中经过负荷刺激后PAP效果最大化所需的休息时间不同，Wilson等人研究分析多个实验结果在激活训练后的立刻（＜2min）、短时间（3～7min）、中等时间（7～10min）、长时间（＞10min）休息后对PAP的影响（图4）。结果显示采用中等休息时长（7～10min）PAP效果最为理想。

图4 休息时长与PAP

国内也有学者得出相似的结论，如郭文霞等对不同力量水平的田径运动员进行90%1RM三次杠铃半蹲PAP诱导实验，间隔15s，3min、6min、9和12 min测试其纵跳高度，实验发现负荷后3、6、9min时结果具有显著差异性（P＜0.05），6min时表现为峰值高度。

3 基于PAP效应的热身方案

PAP类热身方案在国内并未得到广泛应用，如何在比赛中成功应用PAP是当前研究亟需解决的问题。由于PAP本身特有的“机会窗口”与激活形式等使得PAP激活手段只能放准备活动的最后一个环节。因此，我们可以将PAP诱导措施与传统的赛前热身策略进行融合，形成基于PAP效应的“4+”式热身方案。即采用“+有氧练习（Aerobic exercises）+动态拉伸（dynamic stretching）+专项热身（special warm-up）+PAP激活练习（PAP activation exercises）”的形式。在制定激活处方时需要教练员对负荷量、休息时间、运动员的状态等进行精准把控。

3.1 激活方式

目前国内外顶级铅球运动员在比赛中普遍使用背向滑步推铅球和旋转式推铅球两种技术。铅球项目世界纪录正是由旋转式推铅球技术所创造的（1990.5；兰迪·巴恩斯；23m12）。

要选择理想的激活手段，首先要对两种技术发力阶段的肌肉活动特征进行分析。韩岳洋等人采用高速摄像机与遥测机电仪对不同级别铅球运动员（健将、一级、二级）背向滑步推铅球技术最后发力阶段进行测试，实验结果显示在最后用力阶段，运动员优势侧的竖脊肌（564 uvs）、肱三头肌（405uvs）、胸大肌（393 uvs）和腹直肌（377 uvs）的电位值较大，为主要发力肌。张海龙等人利用便携式肌电仪对4名健将级运动员1名一级运动员在背向滑步推铅球最后用力阶段的肌电特征进行分析，实验发现5名运动员的右三角肌肌电信号值最高、其次为右胸大肌和右斜方肌。孙威等人采用表面肌电（sEMG）监测技术对山东省田径队铅球高水平运动员16块肌肉行肌电监测，分析运动员在旋转式推铅球最后用力阶段各肌肉肌电贡献率。实验结果显示最后用力阶段主要发力肌为右腹外斜肌、左右股直肌、左右腓肠肌、三角肌和胸大肌。这与尹华跟等人的研究结果相似。

由此我们可以看出两种推铅球技术中的最后用力阶段，三角肌、胸大肌表现最为兴奋，是帮助肩关节积极外展、伸肘发力的主要原动肌，这在生物力学特征上与卧推杠铃时肌肉特征相似。因此在激活手段的选择上，可采用最大MVC刺激形式的杠铃卧推方案作为诱导。下肢肌群虽也有参与，但主要功能还是以维持躯体平衡为主，故不必进行PAP激活。

3.2 负荷量度

从先前的分析中我们已经参考了数个关于PAP的经典研究案例，在进行激活时可以采用4～5次60～84%1RM或1～3次86%～93%1RM的杠铃卧推作为诱导手段。教练员也要根据运动员的个人特点和当天的运动状态等进行适时调整，运动水平高的运动员可进行较大负荷多次刺激，运动水平低的运动员可对负荷质量与数量进行适当减少。运动员比赛当日状态好时可适量增加，状态低时则相反。

3.3 休息时间

根据现有研究结果显示一般采用7分钟～10分钟的中等休息时长产生的PAP效果最好，既能使疲劳消退运动员机体得到恢复，又能使PAP效果占据主导地位，运动表现得到提升。但并非一成不变的，教练员在实际训练中可以采用以下量表作为参考（表1）。

表1 休息时长参考量表

4 结语

尽管学术界已经对PAP进行了大量研究。但PAP作为一种高度个性化的方案，总是会受到运动员的个人特点、身体状态和心理状态等因素的影响，在使用时并不容易掌控。在先前的研究中我们已经知道了PAP应用时的最佳负荷量度、休息时长和影响因素等，倘若想使PAP达到最佳理想效果，还需教练员在日常训练过程中针对每一位运动员进行大量测试寻找最佳刺激负荷与休息时长，量身制作最佳的个性化PAP方案，积累PAP应用技巧与经验。这可能会浪费一些时间与精力，但对于人类在竞技运动中越来越逼近人体运动能力极限的今天而言，我想是值得的。