Изменение механических свойств скелетных мышц под влиянием физической нагрузки

УДК 796.012:611.738

ИЗМЕНЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СКЕЛЕТНЫХ МЫШЦ ПОД ВЛИЯНИЕМ ФИЗИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ

Алла Владимировна Самсонова, доктор педагогических наук, профессор, Марина Андреевна Борисевич, доцент, Ирина Эдуардовна Барникова, кандидат педагогических наук, доцент, Национальный государственный университет физической культуры, спорта и здоровья имени П. Ф. Лесгафта, Санкт-Петербург

Аннотация

Изучались результаты воздействия физической нагрузки (ФН) на механические свойства мышц. В эксперименте участвовали 34 студента НГУ им. П.Ф. Лесгафта специализации футбол. Посредством аппаратно-программного комплекса Вибрационный Вискоэластометр (ВВЭМ-05) регистрировались механические характеристики (упругость и вязкость) латеральной широкой мышцы бедра в расслабленном и напряженном состоянии до и после выполнения ФН. ФН заключалась в выполнении 35 прыжков вверх с места с заданием: «Выполнять прыжок в удобном темпе как можно выше». Длительность выполнения ФН составляла 38,8±1,5 с. РЕЗУЛЬТАТЫ: Показано, что после ФН достоверно возрастает (p<0,05) упругость латеральной широкой мышцы бедра (VL) как в расслабленном, так и напряженном состоянии. Вязкость мышцы достоверно увеличивается только в напряженном состоянии (p<0,05). В расслабленном состоянии изменение вязкости мышцы недостоверно (p>0,05). Возможно, это связано с тем, что у ряда спортсменов (15 футболистов) после выполнения ФН вязкость VL в расслабленном состоянии возрастает, а у других спортсменов (8 футболистов) - уменьшается. У 11 футболистов вязкость расслабленной мышцы достоверно не изменялась (p>0,05). На основании полученных данных исследования высказано предположение, что фактором, влияющим на показатели вязкости, может быть различная композиция мышечных волокон исследуемых спортсменов.

Ключевые слова: механические свойства скелетных мышц, вязкоупругие параметры, композиция мышечных волокон.

CHANGES IN MECHANICAL PROPERTIES OF SKELETAL MUSCLES UNDER THE INFLUENCE OF EXERCISE LOAD Alla Vladimirovna Samsonova, the doctor of pedagogical sciences, professor, Marina Andreevna Borisevich, the senior lecturer, Irina Eduardovna Barnikova, the candidate of pedagogical sciences, senior lecturer, The Lesgaft National State University of Physical Education, Sport and Health, St. Petersburg

Annotation

The aim of this research was to examine the influence of exercise stress (ES) on the mechanical properties of muscles. Thirty-four male football players, students of Lesgaft University participated in the current study. Mechanical properties (elasticity and viscosity) of the vastus lateralis (VL) in a relaxed and stress state before and after the ES were registered by a computer-assisted experimental tool - Vibratory Viskoelastometr (VVEM-05). ES consisted of 35 jump up in a place with the task to "Perform a jump as high as possible at a comfortable pace". The duration of the ES was 38.8±1.5 s.

RESULTS: It is shown that elasticity of the vastus lateralis (VL) is significantly increased after ES (p<0.05) both in a relaxed and stress condition. The viscosity of the muscle was significantly increased only in the stressed state (p<0.05). The changes in a viscosity of relaxed muscles are insignificant (p>0.05). Based on the data survey, it was suggested that the difference in viscosity might have been caused by a difference in athlete's muscle fiber composition.

Keywords: mechanical properties of skeletal muscles, viscoelastic characteristics, muscles fiber composition.

ВВЕДЕНИЕ

Эффекты воздействия физической нагрузки (ФН) на механические свойства скелетных мышц человека издавна привлекают внимание исследователей. Одним из первых

полномасштабное изучение этого вопроса осуществил Г.В. Васюков [2]. В дальнейшем эти исследования были продолжены другими учеными.

Было установлено, что напряженная скелетная мышца отличается от расслабленной большими показателями упругости [1, 2, 6, 7] и вязкости [2].

После выполнения спортсменом ФН показатели упругости и вязкости расслабленной мышцы увеличиваются, а напряженной - уменьшаются [2]. Однако К. К. Бондаренко с соавт. [1] показали, что при нарастании утомления в работающей мышце ее упругость возрастает, что противоречит исследованиям Г.В. Васюкова [2].

Рядом авторов было выдвинуто предположение [2, 6] о зависимости показателей вязкости и упругости скелетных мышц от их композиции (содержания быстрых и медленных мышечных волокон). Г.В. Васюков [2] установил, что после ФН вязкость быстрых мышц в расслабленном состоянии возрастает. Е.М. Тиманин и Е.В. Еремин [6] предположили, что изменения вязкости мышцы в процессе поддержания различных уровней изометрического напряжения вызваны тем, что быстрые и медленные мышечные волокна имеют разную вязкость.

Цель исследования состояла в изучении эффекта воздействия физической нагрузки (ФН) на механические свойства скелетных мышц человека.

МЕТОДЫ И ОРГАНИЗАЦИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

Для оценки механических свойств латеральной широкой мышцы бедра: упругости и вязкости применялся аппаратно-программный комплекс Вибрационный Вискоэласто-метр (ВВЭМ-05) [5] (рисунок 1).

С этой целью вибродатчик удерживался в руке оператора перпендикулярно поверхности мышцы на расстоянии 15 см от центра коленного сустава вдоль линии, соединяющей коленный и тазобедренный суставы в сагиттальной плоскости. Непосредственно перед прижатием датчика (индентера) к мышце производилась его калибровка с целью установки нуля датчика статического давления.

Для повышения точности результатов измерение механических свойств расслабленной и напряженной мышцы до и после ФН проводилось трижды. Для этого выполнялось несколько записей, в ходе каждой из которых выполнялось несколько кратковременных прижатий индентера к скелетной мышце. При обмере записей определялись: эффективные модули упругости (E, кПа) и вязкости (V, Па с) для каждого из отдельных прижатий. После этого все результаты сохранялись в один файл и усреднялись посредством статистического пакета Statgraphics centurion. Выполнение трех записей по три прижатия и их последующее усреднение позволило уменьшить погрешность измерения средних значений механических свойств латеральной широкой мышцы бедра (VL).

В эксперименте приняли участие 34 студента НГУ им. П.Ф. Лесгафта специализации футбол. До выполнения физической нагрузки (ФН) регистрировались механические характеристики VL в расслаб-

Обозначения: 1- пользовательский интерфейс программы; 2-электронный согласующий блок, включающий USB модуль ввода-вывода сигналов; 3 - вибродатчик механических параметров тканей.

Рисунок 1

- Аппаратно-программный комплекс Вибрационный Вискоэластометр

ленном и напряженном состоянии. Затем исследуемые выполняли ФН, которая заключалась в выполнении 35 прыжков вверх с места с заданием: «Выполнять прыжок в удобном темпе как можно выше». Длительность выполнения ФН составляла 38,8±1,5 с. В течение последующих 60 с после выполнения ФН вновь регистрировались механические характеристики латеральной широкой мышцы бедра в расслабленном и напряженном состоянии.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Результаты проведенного исследования представлены в таблицы 1. Они свидетельствуют о следующем. Во-первых, как упругость, так и вязкость УЬ в напряженном состоянии достоверно выше, чем в расслабленном (р<0,001). Во-вторых, после ФН достоверно возрастает упругость латеральной широкой мышцы бедра (р<0,05) как в расслабленном, так и напряженном состоянии, а вязкость мышцы достоверно увеличивается только в напряженном состоянии (р<0,05). В расслабленном состоянии изменение вязкости УЬ недостоверно (р>0,05).

Таблица 1 - Изменение механических свойств латеральной широкой мышцы бедра под воздействием физической нагрузки (п=34)_

Этап эксперимента Эффективный модуль упругости (Е), кПа Эффективный модуль вязкости (У), Па с

Расслабление Напряжение Стат. вывод Расслабление Напряжение Стат. вывод

До ФН 7,0±0,3 17,1±1,4 р<0,001 29,7±1,7 46,9±4,6 р<0,001

После ФН 7,7±0,3 18,7±1,4 р<0,001 30,9±2,0 53,7±6,2 р<0,001

Стат. вывод р<0,05 р<0,05 р>0,05 р<0,05

ОБСУЖДЕНИЕ

Полученные нами данные подтвердили результаты предыдущих исследований [1, 2, 6, 7] о том, что напряженная мышца достоверно превосходит расслабленную по упругости и вязкости (р<0,001) как до, так и после ФН.

Было также установлено, что после ФН упругость расслабленной латеральной широкой мышцы бедра достоверно увеличивается (р<0,05), что согласуется с результатами диссертационного исследования Г.В. Васюкова [2]. Однако в настоящем исследовании установлено, что вязкость расслабленной мышцы после ФН практически не изменяется (р>0,05), что противоречит данным Г.В. Васюкова [2].

По нашему мнению, недостоверные изменения вязкости латеральной широкой мышцы бедра под воздействием ФН могут быть связаны с ее разнонаправленными изменениями у обследуемых спортсменов. Так, например, у 15 футболистов после выполнения ФН вязкость мышцы в расслабленном состоянии достоверно возросла с 31±3 Па с до 37±3 Па с (р<0,001), у 8 спортсменов - достоверно уменьшилась с 32±3 Па с до 26±3 Па с (р<0,05), а у 11 футболистов достоверных изменений вязкости расслабленной мышцы не обнаружено. До ФН значение вязкости расслабленной мышцы у этой группы исследуемых было равно 26,0±1,2 Па с, а после - 26,0±1,5 Па с (р>0,05).

Г.В. Васюков [2] обратил внимание на тот факт, что после ФН вязкость быстрых мышц в расслабленном состоянии возрастает. Это позволяет предложить новые подходы к неинвазивной оценке композиции скелетных мышц человека, что очень важно для спортивной практики [4]. Можно предположить, что те футболисты, у которых вязкость латеральной широкой мышцы бедра после ФН возросла, имели большее количество быстрых мышечных волокон по сравнению с футболистами, у которых вязкость мышцы уменьшилась или осталась неизменной.

Было показано [1], что изменение механических характеристик скелетной мышцы при ее утомлении может быть связано с накоплением в мышце объемной доли. Известно, что при выполнении интенсивной ФН, длительность которой не превышает 40 с в мышцах спортсменов активно накапливается молочная кислота и другие продукты обмена [3]. При этом в большей степени изменяется объем быстрых мышечных волокон, ресинтез

АТФ которых основан на креатинфосфатном пути и анаэробном гликолизе. Изменение объема мышечных волокон может существенно повысить вязкость скелетной мышцы, то есть трение внутри мышцы. Поэтому мы предполагаем, что те спортсмены, у которых после ФН вязкость VL повысилась, имеют больше быстрых МВ по сравнению с теми футболистами, у которых этот показатель не изменился или уменьшился.

ВЫВОДЫ

1. Напряженная мышца достоверно превосходит расслабленную по упругости и вязкости (p<0,001) как до, так и после ФН.

2. После ФН упругость расслабленной мышцы достоверно увеличивается (p<0,05).

3. После ФН вязкость расслабленной мышцы достоверно не меняется (p>0,05). Возможно, это связано с различной композицией мышечных волокон в латеральной широкой мышце бедра в группе исследуемых спортсменов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бондаренко, К.К. Биомеханическая интерпретация данных миометрии скелетных мышц спортсменов / К.К. Бондаренко, Д.А. Черноус, С.В. Шилько // Российский журнал биомеханики. -2009. - Т. 13. - № 1. - С. 7-17.

2. Васюков, Г.В. Исследование механических свойств скелетных мышц человека : автореф. дис. ... канд. биол. наук / Васюков Г.В. - М., 1967. - 17 с.

3. Михайлов, С.С. Спортивная биохимия : учебник для вузов и колледжей физической культуры / С.С. Михайлов. - М. : Советский спорт, 2009. - 348 с. - ISBN 978-5-9718-0619-6.

4. Методы оценки композиции мышечных волокон в скелетных мышцах человека / А.В. Самсонова, И.Э. Барникова, М.А. Борисевич, А.В. Вахнин // Труды кафедры биомеханики НГУ им. П.Ф. Лесгафта. - 2012. - Вып. 6. - С. 18-27.

5. Тиманин, Е. М. Теоретические и экспериментальные основы виброакустической вискоэластографии мягких биологических тканей : автореф. дис. ... д-ра техн. наук / Тиманин Евгений Михайлович. - Нижний Новгород, 2007. - 28 с.

6. Тиманин, Е. М. Изменения механических и электромиографических характеристик бицепса в процессе изометрического напряжения / Е.М. Тиманин, Е.В. Еремин. - Нижний Новгород : Препринт № 554, 2001. - 21 с.

7. Хайкова, М.И. Изменение механических свойств скелетных мышц человека при развитии ими напряжения : дис. ... канд. биол. наук / Хайкова Маргарита Ивановна. - М., 1984. -176 с.

REFERENCES

1. Bondarenko, K.K., Chernous D.A. and Shilko, S.V. (2009), "Biomechanical interpretation of myometry of sportsmen skeletal muscles", Russian Journal of Biomechanics, Vol. 13, No. 1, pp.7-17

2. Vasyukov, G.V. (1967), The study of the mechanical properties of human skeletal muscle, dissertation, Moscow.

3. Mikhaylov, S.S. (2009), Sport biochemistry: tutorial, Soviet sport, Moscow

4. Samsonova, A.V., Barnikova, I.E., Borisevich, M.A. and Vakhnin, A.V. (2012) "Methods for assessing muscle fiber composition in human skeletal muscle", Trudy kafedry biomekhaniki NGU imeni P.F. Lesgafta, Vol. 6, pp. 18-27.

5. Timanin, E.M. (2007), Theoretical and experimental bases vibroakustic viskoelastography soft biological tissue, dissertation, Nizhny Novgorod.

6. Timanin, E.M. and Eremin, E.V. (2001), Changes in mechanical and electromyographic characteristics of the biceps in the process of isometric tension, preprint No.554, Nizhny Novgorod.

7. Khaykova, M.I. (1984), Changes in mechanical properties of human skeletal muscles in their tension development, dissertation, Moscow.

Контактная информация: alla.samsonova.spb@gmail.com

Статья поступила в редакцию 15.02.2017