Способ повышения устойчивости к утомлению мышц человека при сохранении максимальной произвольной силы

Изобретение относится к медицине, более точно к спортивной медицине, может быть использовано для повышения работоспособности мышц человека. Осуществляют длительную низкочастотную электростимуляцию мышц. Электростимуляцию осуществляют при одновременном растяжении этих мышц. Электростимуляцию мышц проводят прямоугольными биполярными импульсами частотой 15 Гц и длительностью 500 мкс. Способ позволяет увеличить устойчивость мышц к утомлению в изокинетическом режиме при отсутствии значимого снижения максимальной произвольной силы стимулируемых мышц.

 

Изобретение относится к медицине, более точно к спортивной медицине, и может быть использовано для повышения работоспособности мышц человека.

Проблема повышения работоспособности (т.е. устойчивости к утомлению) мышц человека чрезвычайно актуальна в различных разделах медицины. Так, эта задача постоянно решается при реабилитации и тренировке космонавтов. Повышение работоспособности мышц актуально при реабилитации в посттравматическом периоде, а также в спортивной медицине.

Традиционно для повышения силы мышц человека используют электростимуляцию мышц высокочастотным переменным током с частотной модуляцией [Коц Я.М., Хвилон В.А. Тренировка мышечной силы с помощью электрической стимуляции. Теория и практика физической культуры, 1971, Т.3, С.67].

Повышение окислительных возможностей (и, соответственно, устойчивости к утомлению) мышц (для больных сердечной недостаточностью, в условиях стационара и в опытах на животных) обычно достигается применением низкочастотной хронической стимуляции [Pette D, Vrbova G. Adaptation of mammalian skeletal muscle fibers to chronic electrical stimulation. Rev. Physiol. Biochem. Pharmacol. 1992 120:116-202].

Однако эта электростимуляция имеет ряд существенных недостатков, к числу которых следует отнести снижение размеров мышечных волокон и соответственно силы мышечных сокращений.

Нами было обнаружено, что указанных недостатков можно избежать при использовании низкочастотной электростимуляции, проводимой в определенном режиме - с одновременным растяжением стимулированных мышц.

Техническим результатом заявленного изобретения является

- увеличение устойчивости мышц к утомлению в изокинетическом режиме,

- отсутствие значимого снижения максимальной произвольной силы стимулируемых мышц.

Этот технический результат обеспечивался следующим техническим эффектом.

При использовании предлагаемого нами режима электростимуляции имеет место повышение окислительного потенциала, доли волокон медленного типа и площади поперечного сечения мышечных волокон.

Исследователи пришли к выводу, что в основе повышения устойчивости мышц к утомлению после низкочастотной электромиостимуляционной тренировки лежит целый комплекс структурно-метаболических изменений мышечных волокон, выражающихся в изменении их сократительных характеристик (силы, скорости сокращения, работоспособности, площади поперечного сечения волокон, структурных характеристик миофибрилл, системы электромеханического сопряжения), соотношения быстрых и медленных изоформ миозина и соответственно быстрых и медленных волокон, показателей капилляризации и энергетики мышц. Однако повышение устойчивости к утомлению при использовании стандартных режимов низкочастотной электростимуляции обычно приводило к уменьшению размеров мышечных волокон и снижению максимальной силы.

Тем не менее, несмотря на явно недостаточную изученность эффектов хронической низкочастотной электростимуляции мышц человека, данные литературы и собственных исследований позволили нам ожидать получение благоприятных результатов при использовании этого метода для повышения устойчивости к утомлению стимулируемой мышечной группы без сопутствующего снижения максимальной произвольной силы мышц.

Технический результат достигается тем, что в известном способе повышения работоспособности мышц человека, включающем длительную низкочастотную электростимуляцию мышц, электростимуляцию осуществляют при одновременном растяжении этих мышц.

При этом электростимуляцию мышц можно проводить при величине раздражающего тока, достаточной, чтобы вызвать выраженное безболезненное мышечное сокращение, не превышающее 20% от максимальной произвольной силы.

Электростимуляцию мышц можно проводить прямоугольными биполярными импульсами частотой 15 Гц и длительностью 500 мкс. Электростимуляцию мышц можно проводить в течение 4,5 недель по 6 часов в день с 15 минутным отдыхом через 3 часа.

В течение 45 мин каждого часа электростимуляции стимулируемые мышцы подвергаются пассивному статическому растяжению с помощью изменения угла в суставе.

Способ осуществляют следующим образом.

Мышцы, например, передней поверхности бедра (разгибатели коленного сустава) обеих ног подвергают хронической низкочастотной электростимуляции. Для этого можно использовать четырехканальный электростимулятор "Stiwell". Сокращения мышц вызывают прямоугольными биполярными импульсами частотой 15 Гц и длительностью 500 мкс. Пластинчатые электроды размером 8×13 см располагают на передне-латеральной поверхности бедра в его нижней и верхней трети. Испытуемый сидит в кресле, сохраняя прямой угол в коленном суставе. Амплитуда электростимуляционного сигнала подбирается индивидуально для каждого испытуемого и варьируется от тренировки к тренировке с учетом субъективной переносимости. Критерием оптимальной величины раздражающего сигнала служило выраженное мышечное сокращение, не вызывающее у испытуемых болезненных ощущений. Величина сокращения не превышала 20% от максимальной произвольной силы.

Электростимуляция проводится в течение 4,5 недель 6 раз в неделю по 6 часов в день с 15 минутным отдыхом через 3 часа.

Пример реализации способа.

Организация и методы исследований.

Исследование проводили в двух группах по шесть человек, состоящих из практически здоровых мужчин 23-29 летнего возраста. Все испытуемые были предупреждены об условиях эксперимента и дали письменное информированное согласие на участие в нем в соответствии с Хельсинкской Декларацией и нормами российского и международного права. Эксперимент был одобрен Физиологической секцией Российской Национальной комиссии по биологической этике.

Первая группа - 6 человек, средний возраст 21,3±2,0, вес 68,1±3,5 кг - стимулируемая (Эст-группа). У испытуемых этой группы мышцы передней поверхности бедра (разгибатели коленного сустава) обеих ног подвергали хронической низкочастотной электростимуляции. Использовали четырехканальный электростимулятор "Stiwell". Сокращения мышц вызывали прямоугольными биполярными импульсами частотой 15 Гц и длительностью 500 мкс. Пластинчатые электроды размером 8×13 см располагали на передне-латеральной поверхности бедра в его нижней и верхней трети. Испытуемый сидел в кресле, сохраняя прямой угол в коленном суставе. Амплитуда электростимуляционного сигнала подбиралась индивидуально для каждого испытуемого и варьировалась от тренировки к тренировке с учетом субъективной переносимости. Критерием оптимальной величины раздражающего сигнала служило выраженное мышечное сокращение, не вызывающее у испытуемых болезненных ощущений. Величина сокращения не превышала 20% от максимальной произвольной силы.

Электростимуляция проводилась в течение 4,5 недель 6 раз в неделю по 6 часов в день с 15 минутным отдыхом через 3 часа.

Вторая группа - 6 человек, средний возраст 23,3±5,33, вес 76,8±4,5 кг - стимулируемая на фоне растяжения (ЭстРаст-группа). Испытуемые этой группы участвовали в электростимуляционной тренировке, режим которой полностью соответствовал тренировке первой группы. Различие состояло в том, что тренируемые мышцы находились в состоянии пассивного растяжения за счет фиксированного притягивания голени к задней поверхности бедра. Острый угол в коленном суставе обеспечивал растяжение мышц передней поверхности бедра у второй группы. В течение каждого часа электростимуляционной тренировки мышцы 45 минут находились в состоянии растяжения.

Тестирование скоростно-силовых характеристик

Скоростно-силовые характеристики мышц-разгибателей коленного сустава определяли в изокинетическом режиме на динамометре Biodex (США).

Измерение силовых вращательных моментов мышц-разгибателей коленного сустава проводили на угловых скоростях от 30 до 300 град./с. Испытуемый по команде трижды выполнял одиночные движения - разгибание коленного сустава на каждой тестируемой скорости. Для расчетов брали максимальные значения пика силового момента из трех попыток. Регистрации силовых моментов предшествовала разминка, состоящая из циклических движений (сгибание и разгибание коленного сустава) на скорости 120 град.с.

Тестирование устойчивости к утомлению

Устойчивость к утомлению оценивали на динамометре Biodex в изокинетическом режиме при угловой скорости 120 град./с. Испытуемые выполняли 45 ритмических разгибаний коленного сустава с максимальным усилием, длительность одного цикла сокращения мышц-разгибателей составляла 1,5 с. Для дополнительной мотивации применялась обратная связь по силе.

На экспериментальных записях определялись границы эпизодов, соответствующих разгибательным движениям. Для каждого из этих эпизодов вычислялся интеграл момента силы по времени, после чего значения, полученные для 45 последовательных движений, суммировались. Суммарный интеграл момент силы - время использовался для характеристики устойчивости к утомлению мышц-разгибателей колена.

Гистохимический и иммуногистохимический анализ мышечной ткани

До и после эксперимента из m.vastus lateralis (под местной анестезией 2% раствором лидокаина) забирали пробы мышечной ткани методом игольчатой биопсии по Бергстрему. Пробы замораживали в жидком азоте.

Серийные срезы толщиной (10 μm) готовили в криостате с помощью микротома при -20°С и монтировали на предметные стекла. Для выявления сукцинатдегидрогеназы (СДГ) срезы окрашивали тетразолиевым методом по технике Nachlas, модифицированной Lojda, 1979 г. После окончания реакции срезы фиксировали в 4% параформальдегиде в фосфатном буфере. Активность СДГ оценивали на плато активности с использованием системы анализа изображений Leica и выражали в единицах оптической плотности. Этот метод биохимически верифицирован Martin с соавторами в 1985 г. и служит эквивалентом методу цитофотометрической кинетики in situ для определения активности ферментов.

Изоформы тяжелых цепей миозина выявляли с помощью иммунопероксидазной техники. Применяли антитела против медленных (MHCs) и быстрых (MHCf) цепей миозина (клоны NCL-MHCf (а+в) и NCL-MHCs (Novocastra Laboratories)). В качестве негативного контроля использовали срезы, которые были инкубированы без первичных антител. Для усиления метки антиген-антитело применяли набор Vectrastain ABC kit (Vector Labs, CA). Связанные антитела визуализировали с помощью диаминобензидинпероксидазной реакции.

Распределение волокон выражали как соотношение между числом волокон каждого типа на срезе к общему количеству волокон. При подсчете учитывали все волокна (не менее 400) на каждом срезе. Площадь поперечного сечения (ППС) измеряли не менее чем для 100 волокон каждого типа с помощью системы анализа изображений QUANTIMET-500 (Leica) с цветной цифровой видеокамерой JVC TK-1280E. Разрешение видеокамеры 720×512 пикселей с 8 бит/пиксель. Все сравниваемые срезы окрашивали одновременно реагентами от фирмы Sigma (USA).

РЕЗУЛЬТАТЫ

Скоростно-силовые параметры

У испытуемых 1 группы, (т.е. без растяжения конечностей) после 4,5-недельного электростимуляционного воздействия наблюдали снижение максимальной произвольной силы на всем диапазоне угловых скоростей на 4-15%. Во 2 группе при сочетании стимуляции и растяжения снижение силовых показателей было незначительным.

Устойчивость к утомлению

До начала воздействия различий между группами по интегралу кривой сила-время при выполнении ритмических движений (т.е. выполненная работа) не наблюдалось. За время тренировки средние значения выполненной работы для всех испытуемых, выполнявших электростимуляционную тренировку, демонстрировали увеличение с 244403±11115 до 260662±11157Дж.

Морфометрия мышечных волокон m. Vastus lateralis

Обнаружили, что в группе, к которой применяли электростимуляцию без растяжения мышцы, произошло незначительное снижение площади поперечного сечения медленных волокон на 1,4% и значительное - быстрых волокон на 10,6%. Что касается электростимуляции мышцы на фоне ее растяжения, то у этой группы площадь поперечного сечения мышечных волокон увеличилась. Причем в быстрых мышечных волокнах это увеличение было достоверным (11%), а в медленных не достигало уровня достоверности (13%).

Процент медленных мышечных волокон после электростимуляции увеличился достоверно вне зависимости от того, применялось, или нет при этом растяжение мышцы на фоне электростимуляции.

Ферменты энергетического метаболизма

При цитофотометрическом исследовании активности сукцинатдегидрогеназы (СДГ) - маркера окислительного потенциала - по оптической плотности диформазана в конечной точке реакции в мышечных волокнах быстрого типа выявлено достоверное увеличение активности на 55-57% за время низкочастотной стимуляции, при этом различий между испытуемыми, стимулированными с растяжением и без него, не было обнаружено. В медленных волокнах достоверное увеличение активности СДГ за 4 недели стимуляции в группе с растяжением составило 27%, а в группе без растяжения - 38%. Однако эти отличия между двумя группами не являлись достоверными.

Полученные результаты свидетельствуют о приросте устойчивости стимулированной мышцы к утомлению.

Результаты также свидетельствуют об увеличении окислительного потенциала мышц (выраженного в активности СДГ) и достоверном увеличении доли волокон, содержащих медленные изоформы тяжелых цепей миозина.

Регистрация силовых характеристик при различных угловых скоростях в нашем эксперименте продемонстрировала достоверное снижение изокинетической силы во всем измеренном диапазоне угловых скоростей и площади поперечного сечения волокон в группе, выполнявшей хроническую стимуляцию без растяжения. Такого снижения силы удалось избежать в той группе испытуемых, которая применяла хроническую низкочастотную стимуляцию на фоне растяжения мышцы. Площадь поперечного сечения волокон в этой группе была достоверно увеличена.

Очевидно, решающим фактором для изменения силы и размеров мышечных волокон является наличие или отсутствие растяжения мышц.

Итак, в настоящем исследовании показано, что сочетание хронической низкочастотной электростимуляции и растяжения мышцы уже в течение 4 недель воздействия позволяет добиться:

- повышения окислительного потенциала мышечных волокон;

- трансформации миозинового фенотипа волокон в медленную сторону (показано впервые);

- сохранения силовых характеристик и повышение устойчивости к утомлению;

- увеличения размеров мышечных волокон, что создает более прочную основу для выполнения силовых нагрузок в последующее время.

Способ повышения работоспособности мышц человека, включающий длительную низкочастотную электростимуляцию мышц, отличающийся тем, что электростимуляцию осуществляют при одновременном растяжении этих мышц, причем электростимуляцию мышц проводят прямоугольными биполярными импульсами частотой 15 Гц и длительностью 500 мкс.