Джулиен Гондин, Мари Гуэтте, Ив Баллей, Ален Мартин
Университет Бургундии, Дижон, Франция, 2005 г.
Резюме
Цель данной работы: изучить, какое воздействие оказывает электростимуляция в течение 4 и 8 недель на мышечную ткань и нервные окончания разгибателей колена.
Методы: 20 испытуемых мужского пола разделили на две группы. Основная группа (12 человек) проходила программу изометрической электромиостимуляции, общее число сеансов составило 32, в течение восьми недель. Обе группы проходили тестирование перед началом программы, на четвертой неделе и на восьмой неделе. Для оценки параметров адаптации нервных окончаний использовались данные электромиографии и данные об активации мышц при совершении мышечного сокращения с максимальной силой. Для анализа изменений, происходящих в мышечных волокнах, были изучены вращающий момент и возникающие при электромиографии потенциалы, полученные при выполнении непроизвольных мышечных сокращений под действием электрического тока, а также с помощью ультразвука были зафиксированы анатомическое поперечное сечение мышцы и угол прикрепления мышечных волокон к сухожилию для мышцы vastus lateralis (латеральная широкая мышца бедра).
Результаты: во время недели 8 было зафиксировано существенное (27%, р<0,001) увеличение силы произвольного сокращения разгибателей колена, сопровождавшееся увеличением активации мышц (6%, р<0,001), анатомическим увеличением площади поперечного сечения четырехглавой мышцы (6%, р<0,001) и увеличением угла прикрепления мышечных волокон к сухожилию для мышцы vastus lateralis (14%, р<0,001). Также во время недели 8 было отмечено существенное увеличение электрической активности мышц vastus lateralis и vastus medialis (медиальная широкая мышца бедра) во время сокращения (соответственно 69 и 39%), в то же время увеличение активности rectus femoris (прямая мышца бедра) зафиксировано не было. Было зарегистрировано существенное (5-8%, р<0,001) увеличение поперечного сечения vastus lateralis, vastus medialis и vastus intermedius (промежуточная широкая мышца бедра) на неделе 8, которого не наблюдалось на неделе 4. Изменений в мышце rectus femoris зафиксировано не было.
Выводы: мы пришли к выводу, что увеличение вращающего момента при произвольных сокращениях, наступившее после сеансов ЭМС, объясняется изменениями и в нервной регуляции, и в мышечной ткани. И те, и другие изменения выборочно затрагивали суставные мышцы бедра.
Ключевые слова: увеличение силы, электромиография мышечных сокращений, активация мышц, гипертрофия, разгибатели колена.
Ранее электромиостимуляция (ЭМС) использовалась для проведения силовых тренировок у здоровых людей. Авторы многих работ свидетельствовали о том, что после многочисленных сеансов электромиостимуляции можно наблюдать увеличение силы произвольных мышечных сокращений, особенно четырехглавой мышцы бедра – именно ее стимулировали особенно часто. Однако механизм, лежащий в основе повышения силовых показателей после ЭМС, остается неясным.
Авторы нескольких исследований ЭМС выдвигают гипотезу о том, что увеличение силы при прохождении сеансов ЭМС происходит не в связи с изменениями на мышечном уровне, а из-за изменений функционирования нервных окончаний. Особенно это касается коротких программ (4 недели и меньше). Например, Мафиулетти и др. (16), говорят о том, что увеличение силы произвольных сокращений сгибающей подошву мышцы сопровождалось усилением и нервной активации, и электромиографической активности камбаловидной мышцы после четырех недель сеансов ЭМС. Более того, соотношение доза/ответная реакция между стимуляцией четырехглавой мышцы и активацией некоторых отделов мозга (26), а также передача эффекта на другую конечность, которая не подвергалась ЭМС (11), свидетельствуют о том, что ЭМС позволяет добиться активизации нервной системы. Все эти данные указывают на то, что адаптация нервной регуляции, вероятнее всего, наступает после множественных сеансов непроизвольных сокращений мышц с преодолением сопротивления.
Еще одно недавно проведенное исследование указывает, что резкая и сильная стимуляция электричеством оказывается достаточной для того, чтобы обеспечить изменения на молекулярном уровне. Такие изменения указывают на начало гипертрофических процессов в четырехглавых мышцах как здоровых испытуемых, так и пациентов с травмами спинного мозга. Так что можно ожидать наступления изменений на уровне мышечных волокон после повторяющихся сеансов ЭМС. Тем не менее, научная литература не дает однозначного ответа на вопрос о том, как ЭМС влияет на мышечную гипертрофию, главным образом, в связи с принятой длительностью и параметрами ЭМС. К примеру, два исследования (24, 27) зафиксировали внушительное увеличение размера четырехглавой мышцы после 8-9 недель ЭМС, а другие исследователи (19, 25) не зафиксировали изменений после ЭМС длительностью в четыре недели. Таким образом, можно прийти к предположению, что мышечная гипертрофия может наступить после ЭМС, но только в том случае, если программа продолжается более 4 недель.
Цель данной работы – исследовать влияние 4-недельной и 8-недельной ЭМС на нервную регуляцию и мышечную архитектуру мышц-разгибателей колена, уделяя особое внимание срокам наступления наблюдаемых изменений. Насколько нам известно, данное исследование – первое, включающее комбинированный анализ мышечных и нервных факторов после множественных сеансов ЭМС. Электромиографическая активность и активация мышц, измеренная при произвольных мышечных сокращениях разгибателей колена максимальной силы, послужили основой для оценки изменений нервной регуляции. Для изучения изменений, происходящих в мышечных волокнах, были исследованы вращающий момент и возникающие при электромиографии потенциалы, полученные при выполнении непроизвольных мышечных сокращений под действием электрического тока, а также с помощью ультразвука были зафиксированы анатомическое поперечное сечение мышцы и угол прикрепления мышечных волокон к сухожилию для мышцы vastus lateralis.
Методы. Подход к проблеме и протокол эксперимента
Данный эксперимент был проведен для того, чтобы изучить какое воздействие оказывает электростимуляция в течение 4 и 8 недель на мышечную ткань и нервные окончания разгибателей колена. Для оценки параметров адаптации нервных окончаний использовались данные электромиографии и данные об активации мышц при совершении мышечного сокращения с максимальной силой. Для анализа изменений, происходящих в мышечных волокнах, были изучены вращающий момент и возникающие при электромиографии потенциалы, полученные при выполнении непроизвольных мышечных сокращений под действием электрического тока, а также с помощью ультразвука были зафиксированы анатомическое поперечное сечение мышцы и угол прикрепления мышечных волокон к сухожилию для мышцы vastus lateralis (латеральная широкая мышца бедра). Эти показатели проверялись у двух групп испытуемых, одна из которых проходила сеансы электромиостимуляции, а другая, контрольная, не тренировалась никак. Всего было проведено 32 изометрических (двусторонних) сеанса ЭМС по 18 минут каждый в течение восьми недель – по четыре сеанса в неделю. Все испытуемые проходили тестирование четыре раза: за две недели до начала сеансов, непосредственно перед началом сеансов (чтобы оценить достоверность данных), на четвертой неделе (в конце недели 4), и на восьмой неделе. От 16-го (неделя 4) и 32-го (неделя 8) сеансов до тестирования проходило три-четыре дня. Члены контрольной группы также проходили тестирование на четвертой и восьмой неделе своей обычной жизнедеятельности. Все замеры делались на правой ноге. Независимые переменные – сроки проведения тестирования (неделя 4 и неделя 8) и группа испытуемых (основная и контрольная). Зависимые переменные – сила произвольного мышечного сокращения, электромиографическая активность и активация мышц, полученные при произвольном сокращении максимальной силы, вынужденные сокращения (единичный и двойственный разряды) и связанная с ними максимальная М-волна, ширина поперечного сечения четырехглавой мышцы и отдельных мышц, а также угол прикрепления мышечных волокон к сухожилию.
Испытуемые
Двадцать студентов мужского пола подписали информированное согласие на участие в данном исследовании. Их случайным образом поделили на основную и контрольную группу. Основная группа состояла из 12 участников (возраст 23,5 ±5,0 лет, рост 178,4± 8,9 см, вес 73,7±9,4 кг). Контрольная группа состояла из 8 участников (возраст 24,3 ± 1,6 года, рост 176,4 ± 4,7 см, вес 69,3 ± 7,4 кг). Никто из испытуемых не занимался силовыми тренировками и не проходил сеансов ЭМС в течение 12 месяцев, предшествовавших проведению эксперимента, но некоторые заполняли свой досуг спортивными занятиями. Проект был утвержден Комитетом исследований возможностей человека Бургундского университета. Все процедуры в рамках проведения данного исследования соответствуют требованиям Хельсинской декларации.
ЭМС
Сеансы. За неделю до начала программы участники основной группы приняли участие в ознакомительном сеансе с целью изучения параметров стимуляции. Программа состояла из 32 изометрических (двусторонних) сеансов ЭМС по 18 минут каждый в течение восьми недель – по четыре сеанса в неделю. В ходе каждого сеанса выполнялись 40 изометрических сокращений. Во время сеанса спортсмены сидели на машине (Multiform, производство Франции) используемой для силовой тренировки четырехглавых мышц бедра, причем коленный сустав был зафиксирован под углом 60º (0º соответствует полностью выпрямленной ноге). Для минимизации движений бедер и таза во время сокращений таз был зафиксирован ремнями. Три самоклеющихся электрода толщиной в 2 мм были прикреплены к каждому бедру. Положительные электроды, площадью 25 см ² (5 см х 5 см), с функцией деполяризации мембраны, были размещены максимально близко к точкам вхождения двигательного нерва в мыщцы vastus lateralis и vastus medialis и возле мест крепления этих мышц. Отрицательный электрод, площадью 50 см ² (10 см х 5 см), был размещен возле бедренного треугольника, на 5-7 см ниже паховой (пупартовой) связки. По окончании четырех недель электроды для каждого из участников были заменены. Использовался портативный стимулятор, работающий от аккумулятора (Compex 2, Medicompex SA, Экубленц, Швейцария). Характеристики электростимуляции: ток прямоугольной волны (75 Герц) продолжительностью 400 µs. В течение 1,5 сек ток возрастал, потом в течение 4 секунд происходила постоянная тетаническая стимуляция, снижающаяся в течение 0,75 сек. Таким образом, суммарная длительность сокращения составляла 6,25 сек. Каждое сокращение 3 секунды сменялось 20-секундной паузой (рабочий цикл – 24%). Интенсивность отслеживалась в режиме реального времени, плавно увеличивалась во время сеанса до максимально переносимых величин, которые оказались в районе от 30 до 120 мА, в зависимости от индивидуального болевого порога участников. Никто из испытуемых не испытывал существенного дискомфорта при данных условиях. Вначале сеанса проводилась пятиминутная подготовка по стандартной процедуре, в ходе которой проходила субмаксимальная ЭМС с произвольно выбранной интенсивностью (5 герц, импульсы длительностью 200 µs). Вышеприведенные параметры стимуляции были избраны на основе рекомендаций нескольких авторов (9,14). Такой протокол ЭМС был успешно использован в нашей лаборатории для увеличения силы разгибателей колена (15, 17).
Замеры силы вынужденных сокращений при ЭМС. Индивидуальный уровень изометрической силы, полученный в результате ЭМС, измерялся изокинетическим динамометром один раз в случайно определенный день во время четвертой недели стимуляции и еще один раз во время последней недели. Поза испытуемых описана в следующем разделе (Замеры вращающего момента). Сначала проводилась подготовительная стимуляция, процедура описана выше, а потом испытуемые делали два произвольных сокращения разгибателей колена с максимальной силой, между ними двухминутный отдых. После этого испытуемые проходили полный сеанс ЭМС, сила вынужденных сокращений фиксировалась специальным коммерческим программным обеспечением (Tida, Heka Elektronik, Германия) и позже анализировалась.
Сила вынужденных сокращений, с шестого по десятое, была приведена к среднему значению и после этого разделена на силу произвольного сокращения, зафиксированную перед сеансом. Выяснилось, что сила, произведенная ЭМС, колебалась от 47 до 93% силы максимального произвольного сокращения (среднее значение 68 ± 13%).
Замеры
Замеры вращающего момента. Мгновенный изометрический вращающий момент на коленном суставе был зафиксирован при помощи изокинетического динамометра Biodex. Испытуемые сидели, угол между туловищем и бедрами составлял 90°, колено было согнуто под углом 60° (0º соответствует полностью выпрямленному колену) – эта поза здесь и далее будет определяться как тренировочная поза. Каждый испытуемый был зафиксирован ремнями на уровне таза и плечей. Ось динамометра была сопоставлена с анатомической осью коленного сустава, и плечо рычага было прикреплено ремнями на 2-3 см выше наружной лодыжки. Чтобы произвести электромиографию двуглавой мышцы бедра, под испытуемого клали доску (толщиной 3 см) с отверстием в том месте, где были размещены электроды – чтобы избежать сдавливания между поверхностным электродом и проводом на сиденье. Испытуемых просили скрестить руки во время прохождения процедуры замеров. Делалась также поправка на влияние силы тяжести – в зависимости от веса конечности.
Электрическая стимуляция. Стимуляция бедренного нерва происходила при помощи прикатодного шарикового электрода (диаметр 0,5 см), приложенного и удерживаемого одним и тем же экспериментатором внутри бедренного треугольника, на 3-5 см ниже паховой (пупартовой) связки. Анод – крупный электрод (10 х 5 см, производства Швейцарии), располагающийся в ягодичной складке. Применялись прямоугольные импульсы длительностью в 1 мс, максимальное напряжение – 400 В (Digitimer DS7, Великобритания). Индивидуальная интенсивность стимуляции постепенно увеличивалась. Увеличение прекращалось тогда, когда пиковая сила вращающего момента рывка больше не росла (то есть при наибольшей величине вращающего момента рывка), так же, как и сопутствующая амплитуда М-волны. Эта интенсивность впоследствии была увеличена еще на 20% (супрамаксимальная интенсивность), и потом сохранена для одиночных и парных импульсов (интервал между пиками составлял 10 мс). Супрамаксимальная интенсивность у разных испытуемых колебалась от 45 до 100 мА.
Процедура эксперимента. Процедура тестирования и фиксации результатов началась с четырех единичных импульсов с перерывами между ними в 8 секунд, и трех парных импульсов, с перерывами между ними в 6 секунд. Во время перерывов испытуемых просили расслабить мышцы. Потом испытуемым предложили выполнить два произвольных сокращения разгибателей колена. Парные импульсы подавались 3 с после достижения изометрического плато (парный импульс наложения) и 3 с после сокращения (парный импульс усиления), чтобы оценить активацию мышц по методике конвульсивной интерполяции. В заключение испытуемые два раза выполнили максимальные произвольные сокращения сгибателей колена. Общая продолжительность этих усилий составила примерно 5 с. Если разница между максимальной силой двух произвольных сокращений сгибателей и/или разгибателей колена составила более 5%, испытуемого просили выполнить третье сокращение. Между ЭМС и произвольными сокращениями испытуемым давалась возможность отдохнуть в течение 3 минут для того, чтобы усталость не ухудшила их последующие показатели.
Записи электромиографии. Во время произвольных и вынужденных сокращений при помощи хлорсеребряных электродов диаметром 20 мм (записывающим диаметром 10 мм) биполярно фиксировалась поверхностная электромиографическая активность мышц vastus lateralis, vastus medialis, rectus femoris и biceps femoris (двуглавой мышцы бедра). Электроды прикреплялись по длине над серединой брюшка мышцы, расстояние между электродами (от центра до центра) составляло 20 мм. Такое местоположение было определено во время предварительного тестирования, именно в нем при заданной интенсивности можно получить максимальную амплитуду М-волны для каждой мышцы при стимуляции бедренного нерва. Эта процедура выполнялась для того, чтобы избежать зону иннервации, и, таким образом, получить оптимальную амплитуду электромиографической реакции. Электрод сравнения был размещен на коленной чашечке противоположной ноги. Расположение каждого электрода было отмечено на коже несмываемыми чернилами, так, чтобы оно оставалось неизменным при всех сеансах. Низкое сопротивление (< 5 Ом) между двумя электродами достигалось обработкой кожи абразивным материалом (наждачной бумагой) и очисткой спиртом. Сигналы электромиографии усиливались при помощи частот от 15 герц до 5 кГц (коэффициент подавления синфазной помехи= 90дБ, полное сопротивление – 100 МОм, выдача=1000).
Анализ данных. Механические данные и данные электромиографии были оцифрованы (частота считывания данных 2 кГц) и сохранены специальным коммерческим программным обеспечением (Tida, Heka Elektronik, Германия). При анализе рассматривались только наибольшие значения силы максимального произвольного сокращения разгибателей и сгибателей колена.
Были проанализированы вращающий момент произвольных сокращений и электромиография за период 500 мс, наступающий после того, как вращающий момент достигал плато, и до того, как подавались импульсы наложения.
Было подсчитано и впоследствии нормализировано до амплитуды максимальной М-волны среднеквадратическое значение электромиографии мышц vastus lateralis, vastus medialis и rectus femoris для каждой мышцы в отдельности. Активация мышц (в процентах) рассчитывалась по такой формуле: (1 - парный импульс наложения /парный импульс усиления) х 100. Уровень совместной активации подсчитывался путем нормализации среднеквадратического значения электромиографии biceps femoris, когда эта мышца выступала в качестве антагониста к среднеквадратическому значению, полученному при функционировании этой мышцы в роли протагониста, то есть, во время сгибания колена, и выражался в процентах. Что касается вынужденных сокращений, электромиография и механические сигналы были приведены к среднему показателю, и были измерены амплитуда и длительность максимальной М-волны vastus lateralis, vastus medialis и rectus femoris. Были проанализированы следующие параметры конвульсивных сокращений: 1) пиковая величина конвульсивного вращающего момента, 2) время до наступления пика, рассчитанное от возникновения механического сигнала, 3) время полурасслабления – время, нужное для того, чтобы максимальный вращающий момент ослаб наполовину. В случае с парными импульсами измерялся только пиковый вращающий момент.
Измерение поперечного сечения мышц. Для измерения поперечного сечения мышц использовался ультразвуковой аппарат В-режима (Esaote Biomedica, AU5, Флоренция, Италия) с 50-мм линейным датчиком 7,5 мГц. В результате были получены изображения осевой плоскости четырехглавой мышцы, на основе методов, которые применялись ранее (21, 22) для мышцы vastus lateralis. Все замеры происходили после того, как испытуемые не менее 20 минут лежали на спине, чтобы избыток жидкости мог покинуть ткани (3). Во время проведения замеров испытуемых просили расслабить мышцы ног. Изображения были сделаны на осевой плоскости на уровне 50%-ного расстояния от верхней границы коленной чашечки до большого вертела бедренной кости. Это положение было отмечено на коже несмываемыми чернилами. Ориентированный в осевой плоскости, датчик был расположен строго перпендикулярно латеральной стороне мышцы vastus lateralis, и передвигался через предварительно помеченный участок по эхопоглощающим внешним маркерам, прикрепленным к коже с латерального по медиальное положение.
Потом датчик покрыли водорастворимым гелем, передающим сигналы, для обеспечения акустического контакта. Особое внимание уделялось тому, чтобы во время сканирования всегда осуществлялось минимальное давление, чтобы не допустить сжатия находящихся под датчиком тканей. Данные УЗИ фиксировались на видеопленку SVHS и потом обрабатывались при помощи программного обеспечения, позволяющего покадровый импорт (Adobe Premier Version 5.1). Для дальнейшего анализа были отобраны отдельные изображения. Используя линии от внешних маркеров как точку отсчета, изображения были обработаны программой сопоставления контуров. Четыре отдельные мышцы (vastus lateralis, vastus medialis, rectus femoris и biceps femoris) анализировались отдельно при использовании программы анализа изображений (NIH Image version 1.61). Для вычисления поперечного сечения всех четырех мышц использовались средние величины пяти последовательных морфометрических анализов каждого изображения. После этого, суммировав значения поперечного сечения четырех мышц, получилось среднее поперечное сечение четырехглавой мышцы, из них состоящей. Эта работа проводилась одним специалистом, который не знал, кому принадлежат те или иные данные.
Измерение мышечной архитектуры
Для измерения in vivo угла прикрепления мышечных волокон к сухожилию в перистой мышце vastus lateralis использовался ультразвуковой аппарат В-режима (Esaote Biomedica, AU5, Флоренция, Италия) с 50-мм линейным датчиком 7,5 мГц, тот же, что описан в предыдущем разделе. Ширина vastus lateralis была замерена на 50% длины бедренной кости, и середина ширины была отмечена на коже несмываемыми чернилами. В этом положении датчик УЗИ был расположен перпендикулярно к поверхности кожи над мышцей vastus lateralis и сориентирован вдоль медианной плоскости мышцы. Датчик был покрыт водорастворимым гелем, передающим сигналы, для обеспечения акустического контакта без сжатия находящихся под датчиком тканей. Угол прикрепления мышечных волокон к сухожилию определяется как угол между пучком мышечных и нервных волокон и глубоким апоневрозом мышцы vastus lateralis. Для каждого испытуемого было получено четыре изображения в состоянии покоя в один день. Анализ данных проводился на том же программном обеспечении, что и анализ результатов измерений поперечного сечения мышц. Было вычислено среднее из трех значений угла прикрепления мышечных волокон на каждом ультразвуковом снимке, и таким образом вычислено среднее из 12 углов прикрепления мышечных волокон к сухожилию.
Статистический анализ
Чтобы оценить изменчивость полученных данных как в один день (например, поперечное сечение мышцы и угол крепления мышечных волокон к сухожилию), так и в разные дни (например, замеры перед началом программы и замеры, сделанные в ходе второй недели), для каждого испытуемого были вычислены коэффициенты вариативности. Воспроизводимость переменных параметров, полученных как в один день, так и в разные дни, выражалась количественно при помощи коэффициентов взаимной корреляции, основанных на дисперсионном анализе с сеансом замеров в качестве независимой переменной и альфы Кронбаха.
Нормальность данных была проверена и подтверждена тестом Холмогорова-Смирнова, тестом Тукей, дисперсионным анализом и анализом линейной регрессии.
Уровень значимости был задан как р ≤ 0,05 для всех процедур. Статистический анализ выполнялся на программном обеспечении Statistica от Microsoft Windows.
Результаты
Надежность методов измерения. В таблице 2 показана однодневная воспроизводимость и вариабельность всех зависимых переменных. Однодневная воспроизводимость и вариабельность колебалась от 0,799 до 0,964 и от 0,9% до 14,83%, соответственно, за исключением уровня перекрестной активации (там однодневная воспроизводимость составила 0,680 и вариабельность – 19,7%). Однодневная воспроизводимость для поперечного сечения мышцы составила от 0,995 до 0,999 и от 0,900 до 0,911 для угла прикрепления мышечных волокон к сухожилию. Вариабельность составила 0,53-0,95% для поперечного сечения и 3,32-3,88 для угла прикрепления мышечных волокон. Существенных базовых расхождений по измеряемым переменным между двумя группами зафиксировано не было.
Произвольное сокращение максимальной силы, электромиография и уровень активации
В основной группе сила произвольных сокращений разгибателей колена в начале программы и после недели 4 значительно выросла (+15% ± 11%, Р<0,001), также она выросла на неделе 8 по сравнению с неделей 4 (+11% ± 11%, Р<0,001), и суммарно с начала программы до недели 8 (+27% ± 15%, Р<0,001). В контрольной группе особых изменений не произошло 238 ± 49, 233 ± 44, 244 ± 46 – в начале, после недели 4 и недели 8).
В основной группе мышечная активация в начале программы и после недели 4 значительно выросла (+5 ± 6%, Р<0,05), также она выросла с начала программы до недели 8 (+6% ± 6%, Р<0,001). В контрольной группе особых изменений не произошло 88 ± 8%, 87 ± 7%, 89 ± 6%– в начале, после недели 4 и недели 8).
Свойства сокращений и М-волны. В ходе данного исследования не получено данных, подтверждающих зависимость свойств мышечных сокращений и М-волны от прохождения сеансов ЭМС.
Размер мышц
В основной группе поперечное сечение мышц после недели 4 и после недели 8 значительно увеличилось (+4 ± 2%, Р<0,001), также она выросла на неделе 8 по сравнению с состоянием до начала сеансов (+6% ± 11%, Р<0,001), в то время как тенденция к существенному увеличению отмечалась в течение первых четырех недель (+2 ± 2%, Р<0,06). Что касается отдельных мышц, из которых состоит четырехглавая мышца, изменения были отмечены в VL, VM, VI, но не в rectus femoris. В контрольной группе особых изменений не произошло.
Архитектура мышц
В основной группе заметно возрос угол прикрепления мышечных волокон к сухожилию. В контрольной группе существенных изменений этого параметра не было зафиксировано.
Следует отметить, что все 12 испытуемых показали улучшение основных параметров в конце недели 8 по сравнению с состоянием до начала программы. В основные параметры входят максимальная сила произвольного сокращения (от 9% до 57%), мышечная активация (от 1% до 18%) и поперечное сечение четырехглавой мышцы (от 3% до 10%).
Обсуждение
Хотя ЭМС часто применяется для силовых тренировок, до сих пор механизмы, позволяющие увеличить силу мышц при помощи ЭМС не были полностью исследованы. Данная работа показывает, что при использовании ЭМС в течение 8 недель было достигнуто существенное увеличение силы четырехглавой мышцы бедра, сопровождавшееся 1) мышечной активацией, 2) нормализованная электромиографическая активность мышц vastus lateralis и vastus medialis, но не rectus femoris, 3) увеличением поперечного сечения четырехглавой мышцы, 4) рост угла прикрепления мышечных волокон vastus lateralis. Данные исследования также указывают на то, что 1) адаптация нервной регуляции происходит главным образом в первые четыре недели ЭМС, а изменения мышечной массы и архитектуры происходят, в основном, во время последних четырех недель, и 2) и нервная, и мышечная адаптация охватывает только суставные мышцы бедра, но не двусуставную мышцу rectus femoris.
Вариабельность
Переменные, изучаемые в рамках данной работы, продемонстрировали высокую воспроизводимость (от 0,799 до 0,964) и низкую вариабельность (менее 15 %) при тестировании на разных этапах программы (например, во время недели 2 и до начала программы). Согласно Стоуксу (28), вариабельность ниже или равная 15% допустима в биологических системах. Более того, аналогичная воспроизводимость и вариабельность отмечалась в литературе, описывающей произвольные сокращения максимальной силы (29), мышечную активацию (1, 29), поперечное сечение мышц (21,22) и угол прикрепления мышечных волокон vastus lateralis (8).
Максимальная сила мышц
После 8 недель ЭМС было зафиксировано увеличение силы разгибателей колена в среднем на 27%. Аналогичные результаты получили и другие экспериментаторы, занимавшиеся электростимуляцией четырехглавой мышцы бедра у здоровых испытуемых (15, 17, 23). Еще одно интересное наблюдение, сделанное в рамках данного исследования – взаимозависимость между начальным уровнем активации мышц и увеличением силы после ЭМС. Получается, что активация мышц может служить индикатором тренировочного статуса, когда чем ниже начальная величина активации мышц, тем больше будет увеличение силы максимального произвольного сокращения после тренировочной программы. По крайней мере, это касается программы электромиостимуляции.
Сроки наступления изменений нервной регуляции и мышечных изменений.
Эта работа – первая, отмечающая сроки наступления изменений нервной регуляции и мышечных волокон после множественных сеансов непроизвольных мышечных сокращений (электромиостимуляции). Увеличение максимальных показателей произвольных мышечных сокращений, зафиксированное по окончании ЭМС в рамках данной программы, объясняется изменениями как нервной регуляции, так и мышечных волокон. После первых 4 недель стимуляции было отмечено значительное увеличение мышечной активации, а также тенденция к увеличению как поперечного сечения мышц, так и угла прикрепления мышечных волокон к сухожилию. Эти результаты согласуются с выводами, сделанными Мафиулетти и др. (16), о том, что увеличение силы произвольных сокращений сгибающей подошву мышцы сопровождалось усилением и нервной активации, и электромиографической активности камбаловидной мышцы после четырех недель сеансов ЭМС. В то же время Мартин и др. (19) не отметили изменений мышечной массы при выполнении той же самой программы. Более того, наши результаты также показывают, что после 8 недель ЭМС изменения мышечной массы и архитектуры стали существенными, а мышечная активация была все еще выше, чем до начала реализации программы. Насколько мы знаем, мало кто из исследователей (24, 27) выбирали длительность программы ЭМС свыше 8 недель при работе со здоровыми добровольцами, и они отметили внушительную гипертрофию четырехглавой мышцы бедра, что согласуется с выводами данной работы. Таким образом, проанализировав мышечные и нервные параметры после недели 4 и недели 8 выполнения программы ЭМС, мы можем уверенно констатировать, что нервные изменения отвечают за первоначальное увеличение силы произвольных сокращений, в то время как мышечные изменения участвуют в дальнейшем повышении силовых показателей.
Изменения нервной регуляции
В ходе данного исследования применялись два метода оценки изменений в динамике нервной регуляции мышц-разгибателей колена. Активация мышц оценивалась при помощи метода конвульсивной интерполяции, который показал существенное увеличение активации после сеансов, что означает усиление общей активности четырехглавой мышцы бедра после ЭМС. Эти результаты согласуются с теми, что получены Мафиулетти и др. (16) при стимуляции сгибателей стопы в течение 4 недель. Такого рода увеличения активации могут быть отнесены к изменениям на супраспинальном, а также на спинальном уровне. В самом деле, ЭМС вызывает потенциал как в интрамышечных нервных окончаниях (12), так и в кожных рецепторах, таким образом, индуцируя усилие напрямую активацией моторных аксонов и косвенно, задействуя рефлекс спинальных моторных нейронов (5). Тем не менее, предыдущее исследование, проводившееся в нашей лаборатории (16), не обнаружило изменений амплитуды Н-рефлекса камбаловидной мышцы в состоянии покоя после четырех недель ЭМС, что, возможно, означает, что в повышении показателей силы играет роль увеличение волевого усилия при содействии супраспинальных центров.
Это последнее предположение подтверждается работой Смита и др. (26), которые утверждают, что электромиостимуляция четырехглавой мышцы бедра активизирует конкретные нервные участки таким образом, который отражает взаимосвязь доза – реакция. Тем не менее, для более точного определения нервных механизмов, отвечающих за увеличение показателей силы произвольных сокращений, необходимо проведение дополнительных исследований.
Хотя величины мышечной активации, полученные в ходе этого исследования, соответствуют тем, что были опубликованы ранее (2), метод конвульсивной интерполяции не позволяет исследовать активацию отдельных мышц, и, таким образом, отследить селективное воздействие ЭМС на моносуставные мышцы и отсутствие воздействия на двусуставную (rectus femoris). Среднеквадратические данные электромиографии, полученные при выполнении произвольных сокращений максимальной силы, были нормализованы до соответствующей М-волны, что позволило лучше охарактеризовать нервную активацию каждой из мышц, входящих в состав четырехглавой мышцы бедра. После 8 недель электромиостимуляции были зафиксировано существенное увеличение электромиографической активности мышц vastus lateralis и vastus medialis, но не rectus femoris. Аналогично результатам данного исследовательского проекта, при исследовании камбаловидной мышцы также было обнаружено, что электромиографическая активность увеличилась после четырех недель ЭМС (16). С другой стороны, неудивительно, что электромиографическая активность rectus femoris не сильно повысилась после «односуставной» программы ЭМС, потому что эта мышца не подвергалась прямой стимуляции электродами во время сеансов. Несмотря на сравнительно высокий коэффициент вариабельности в соотношениях среднекватратическая/средняя величина (12%), и ограничения извлечения сигнала электромиографии (7), наши результаты подтверждаются тем фактом, что все 12 испытуемых продемонстрировали увеличение мышечной активации в конце тренировочной программы.
Мышечные изменения
В ходе данного исследования было продемонстрировано, что электромиостимуляция четырехглавой мышцы бедра у здоровых людей позволяет существенно увеличить поперечное сечение этой мышцы. Абсолютные величины до начала стимуляции (80-85 см2) совпадают с теми, что указаны в других источниках (20). Поскольку измерение площади поперечного сечения при помощи ультразвука и последующая обработка данных трудоемки и требуют времени, площадь поперечного сечения замерялась только один раз в средней части мышцы, что, вероятно, привело к переоценке увеличения поперечного сечения (22). В то же время, этот метод зарекомендовал себя как надежный и корректный при фиксации изменений размера мышц (21, 22).
Таким образом, наблюдаемые нами изменения в площади поперечного сечения мышцы можно, по крайней мере частично, приписать изменениям на мышечном уровне, что согласуется с выводами Бикель и др. (4). Эти ученые недавно указали, что резкая и сильная стимуляция электричеством оказывается достаточной для того, чтобы обеспечить изменения на молекулярном уровне. Такие изменения указывают на начало гипертрофических процессов в четырехглавых мышцах здоровых испытуемых. Тем не менее, среднее увеличение площади поперечного сечения мышц, зафиксированное в нашей работе, ниже (6%, а не 10%) величин, ранее опубликованных другими исследователями (24, 27). Эти два исследования проводили стимуляцию четырехглавой мышцы как во время удлинения, так и во время укорачивания, в то время как наш протокол ЭМС подразумевал изометрические сокращения. Несмотря на эти расхождения, наши результаты подтверждают, что множественные сеансы ЭМС вызывают мышечную гипертрофию четырехглавой мышцы бедра.
Ультразвук в В-режиме позволяет получить изображение, достаточно качественное для того, чтобы очертить отдельные мышцы (21), так что в ходе данного исследования площадь поперечного сечения четырех отдельных мышц, входящих в состав четырехглавой мышцы бедра, измерялась по отдельности. Полученные данные сходны с теми, которые опубликованы в научной литературе, описывающей сканирование тех же областей (20). Поперечное сечение трех мышц VI, VL и VM, но не RF, значительно увеличилось (5-8%) после 8 недель ЭМС. Протокол ЭМС подразумевал изометрические сокращения при сгибе коленного сустава под углом в 60°. Герцог и другие (10) продемонстрировали (проводили оценку соотношения силы и длины у человеческих трупов), что индивидуальная сила, производимая тремя вышеуказанными мышцами, достигает максимальных величин при углах, рассмотренных в нашей работе, в то время как от RF можно получить только небольшое усилие. Так что стимуляция четырехглавой мышцы, возможно, обеспечила высокое напряжение односуставных мышц, но не двусуставной RF, что в результате дает селективную гипертрофию. Результаты данной работы заставляют прийти к выводу, что как нервные, так и мышечные изменения в основном касаются односуставных мышц, указывая, что преференциальная гипертрофия отдельных мышц может зависеть от селективного усиления подачи нервных сигналов к этим мышцам. Хотя статистически величины увеличения мощности как четырехглавой мышцы, так и ее отдельных мышц (VI, VL, VM и RF) недостаточно высоки, все же площадь поперечного сечения мышц увеличилась у каждого из 12 членов основной группы после 8-недельной программы ЭМС.
Угол прикрепления мышечных волокон к сухожилию мышцы VL был оценен до начала сеансов. Он совпал с данными Фукунага и др. (8), полученными в аналогичных условиях (то есть 19-20°). Наше исследование – первое, указывающее на то, что ЭМС обеспечивает заметное (14%) увеличение угла прикрепления мышечных волокон к сухожилию. Такое увеличение позволяет обеспечить концентрацию большого числа сокращающих элементов вдоль сухожилия (13). Более крутой угол прикрепления мышечных волокон, вероятно, и вызывает увеличение площади поперечного сечения мышцы, и, таким образом, играет роль в увеличении силы, зафиксированном после завершения ЭМС.
Анализ механических и электрических (то есть М-волна) параметров конвульсии, вызванной в состоянии покоя одиночной и парной супрамаксимальной электрической стимуляцией, дают указание на изменение в способе конвертации электрического стимула в механическое движение. В результате ЭМС ни одно из этих свойств не претерпело изменений в рамках данного исследования. Тот факт, что 8 недель ЭМС не привели к изменению способа конвертации электрического стимула в мышечное движение, соответствует выводам других исследователей, работавших с трицепсом голени (16) и с приводящей мышцей большого пальца (6) после 4-6 недель ЭМС.
Практическое применение ЭМС
Результаты настоящего исследования ясно указывают, что при применении у здоровых людей электромиостимуляция приводит к изменениям и в нервной регуляции, и в мышечной ткани. Это позволяет использовать ЭМС при планировании реабилитационных программ для минимизации потерь функциональности четырехглавой мышцы бедра при, во время и после периода вынужденной иммобилизации. Более того, принимая во внимание линейную связь между начальными величинами мышечной активации и повышением показателей силы после использования ЭМС, активация мышц может давать полезные указания об увеличении силы, по крайней мере, в целостной системе.
В завершение – данное исследование продемонстрировало, что увеличение вращающего момента произвольных сокращений максимальной силы достигается после восьми недель сеансов ЭМС благодаря изменениям и нервной регуляции, и мышечных волокон. Изменения нервной регуляции обеспечивают начальное прирастание силы, в то время как мышечные изменения дают последующее увеличение силы. И нервные, и мышечные изменения в основном затрагивают моносуставные мышцы, а не двусуставные (rectus femoris), возможно в связи со специфичностью задействования мышц в таких условиях.