王樂軍， 陸愛云， 鄭樊慧， 龔銘新

(1．同濟(jì)大學(xué)體育部，上海200092;2．上海體育學(xué)院 運(yùn)動(dòng)科學(xué)學(xué)院，上海200438;3．上海體育科學(xué)研究所，上海200030)

人體屈肘動(dòng)作是完成眾多運(yùn)動(dòng)任務(wù)的重要基本動(dòng)作。在屈肘運(yùn)動(dòng)過程中，肱二頭肌(bicepsbrachii，BB)和肱橈肌(brachioradialis，BR)作為屈肘關(guān)節(jié)最重要的主動(dòng)肌，是運(yùn)動(dòng)任務(wù)得以完成的最重要?jiǎng)恿碓?。在長時(shí)間屈肘運(yùn)動(dòng)過程中，肱二頭肌和肱橈肌外周肌肉與中樞神經(jīng)系統(tǒng)會(huì)發(fā)生一系列的變化，并通過神經(jīng)肌肉調(diào)控的前饋系統(tǒng)和反饋系統(tǒng)作用［1－2］，引起屈肘肌運(yùn)動(dòng)性肌肉疲勞的發(fā)生。在屈肘肌運(yùn)動(dòng)性肌肉疲勞發(fā)生發(fā)展的過程中，作為協(xié)同肌的肱二頭肌與肱橈肌，其協(xié)同收縮特征及中樞神經(jīng)系統(tǒng)對其的支配也必然會(huì)發(fā)生一定的變化。對運(yùn)動(dòng)性肌肉疲勞發(fā)生發(fā)展過程中中樞神經(jīng)系統(tǒng)對協(xié)同肌支配變化規(guī)律的研究，是目前生理學(xué)研究者關(guān)注的熱點(diǎn)問題。

在研究中樞神經(jīng)系統(tǒng)對協(xié)同收縮肌肉運(yùn)動(dòng)控制的多種手段中，通過記錄負(fù)荷運(yùn)動(dòng)任務(wù)過程中協(xié)同肌表面肌電信號(sEMG)，并對記錄的sEMG進(jìn)行相干性分析，是研究中樞神經(jīng)系統(tǒng)對協(xié)同肌同步控制的有效方法［3－5］。對完成負(fù)荷任務(wù)過程中協(xié)同收縮肌肉的肌電信號進(jìn)行相干性分析，為研究中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)對協(xié)同收縮肌肉共神經(jīng)輸入(common neural inputs)同步支配提供了有效的手段［3］。已有研究結(jié)果顯示，通過相干性分析觀察兩信號在不同頻段內(nèi)的頻率一致性可以了解中樞神經(jīng)系統(tǒng)支配的有關(guān)信息［3］。

圍繞運(yùn)動(dòng)性肌肉疲勞誘發(fā)協(xié)同肌sEMG相干性變化特征及潛在機(jī)制等問題，目前國內(nèi)外已有相關(guān)的研究成果發(fā)表［3－5］。由于不同關(guān)節(jié)周圍肌肉、不同負(fù)荷運(yùn)動(dòng)任務(wù)情況下所誘發(fā)運(yùn)動(dòng)性肌肉疲勞機(jī)制的復(fù)雜性及差異性，兩協(xié)同肌sEMG相干函數(shù)值的變化會(huì)受到關(guān)節(jié)位置、運(yùn)動(dòng)負(fù)荷任務(wù)等諸多因素的影響［3，6－7］。低 負(fù) 荷 (低 于 30% Maximal Voluntary Contraction，MVC)靜態(tài)收縮是人們?nèi)粘；顒?dòng)中常見的肌肉運(yùn)動(dòng)方式。低負(fù)荷靜態(tài)收縮誘發(fā)的運(yùn)動(dòng)性肌肉疲勞在引起中樞與外周變化方面與肌肉在較高負(fù)荷收縮所誘發(fā)運(yùn)動(dòng)性肌肉疲勞存在一定的差異性［8－10］。對低負(fù)荷靜態(tài)收縮誘發(fā)運(yùn)動(dòng)性肌肉疲勞的研究在前期并未引起研究者的關(guān)注與重視。目前尚未有研究對低負(fù)荷靜態(tài)收縮誘發(fā)屈肘肌疲勞引起肱二頭肌與肱橈肌相干性變化規(guī)律及潛在機(jī)制問題進(jìn)行過分析與探討。

本文以20%MVC靜態(tài)收縮誘發(fā)屈肘肌疲勞，記錄負(fù)荷運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)中屈肘肌、肱橈肌與肱二頭肌的sEMG。通過對比分析疲勞負(fù)荷實(shí)驗(yàn)前半段和后半段所記錄肱橈肌與肱二頭肌sEMG的相干性，探討低負(fù)荷靜態(tài)收縮誘發(fā)屈肘肌疲勞過程中協(xié)同肌、肱橈肌與肱二頭肌sEMG頻率變化的同步特征，進(jìn)而探討低負(fù)荷靜態(tài)收縮誘發(fā)屈肘肌疲勞引起CNS對協(xié)同肌群同步支配的變化情況。

1 研究對象與方法

1．1 研究對象健康青年男性志愿者15名，身高為(172．60 ±5．96)cm，體重為(65．02 ±8．89)kg，年齡為(23．20±2．51)歲。所有受試者在實(shí)驗(yàn)前了解實(shí)驗(yàn)流程并自愿參加本實(shí)驗(yàn)。受試者在實(shí)驗(yàn)前24 h內(nèi)未從事劇烈體力活動(dòng)，無肌肉疲勞現(xiàn)象。

1．2 研究方法

1．2．1 實(shí)驗(yàn)程序

1．2．1．1 實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作姿勢受試者舒適地正坐在座椅上，上身保持直立，分別調(diào)節(jié)座椅高度和人體姿勢，使得髖、膝、踝關(guān)節(jié)保持90°，雙腳平放于地面。右前臂與右上臂保持垂直，右上臂與水平面保持垂直，另一側(cè)手臂自然下垂于體側(cè)。

1．2．1．2 最大隨意收縮力測量在進(jìn)行靜態(tài)疲勞負(fù)荷實(shí)驗(yàn)之前，采用瑞士 CMV AG公司研制的CONTREX等動(dòng)肌力測試系統(tǒng)(型號為PM1/MK2a，b)測量每位受試者右側(cè)肘關(guān)節(jié)屈肌MVC。測量MVC時(shí)受試者保持上述實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作姿勢。每位受試者測量3次，每次間隔5 min，取其中最大值作為個(gè)人的MVC，單位是kg·m。

1．2．1．3 等長運(yùn)動(dòng)疲勞負(fù)荷實(shí)驗(yàn)方案在保持上述實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作姿勢的條件下，通過滑輪引線使得受試者右臂腕部拉住可在肘關(guān)節(jié)處產(chǎn)生20%MVC的重物，在實(shí)驗(yàn)中要求受試者盡力保持標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作姿勢不變。受試者不能堅(jiān)持負(fù)荷運(yùn)動(dòng)任務(wù)時(shí)結(jié)束實(shí)驗(yàn)［11－12］。在實(shí)驗(yàn)過程中記錄受試者右側(cè)肱橈肌和肱二頭肌sEMG。

1．2．1．4 表面肌電信號采集采用 NeuroScan生物電信號采集系統(tǒng)中的2個(gè)雙極導(dǎo)聯(lián)，分別記錄實(shí)驗(yàn)過程中受試者右側(cè)肱橈肌和肱二頭肌sEMG。將2個(gè)雙極導(dǎo)聯(lián)灌入導(dǎo)電膏后分別置于右側(cè)肱二頭肌和肱橈肌的肌腹表面，兩電極間距2 cm。放置電極前對皮膚進(jìn)行減小阻抗的常規(guī)處理(去毛、75%酒精棉球清理皮膚等)。采集肌電信號的采樣頻率設(shè)置為2 000 Hz，帶通濾波頻率設(shè)置為5～500 Hz。

1．2．2 數(shù)據(jù)的處理1)將采集的sEMG按等時(shí)間間隔(2．048 s)進(jìn)行分段。2)計(jì)算每段sEMG的均方根振幅RMS、基于傅里葉功率譜轉(zhuǎn)換計(jì)算中值頻率MF。3)以每位受試者第一段sEMG所計(jì)算指標(biāo)為初始值，對所計(jì)算的RMS和MF值相對于初始值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化［13－14］。4)由于每位受試者負(fù)荷運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)的時(shí)間不同，為了便于橫向計(jì)算及比較分析，采用線性插值的方法將前期按等時(shí)間間隔計(jì)算的各sEMG指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化為20個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)［13］。5)將采集的sEMG按時(shí)間長度平均分為2段，分別記為運(yùn)動(dòng)前半段和運(yùn)動(dòng)后半段［14］。6)對運(yùn)動(dòng)前半段和運(yùn)動(dòng)后半段肱二頭肌和肱橈肌sEMG進(jìn)行相干性分析。相干函數(shù)計(jì)算的參數(shù)參照相關(guān)文獻(xiàn)［14－15］設(shè)置(短時(shí)傅里葉變換窗口類型為Hanning window，分段長度為2 048個(gè)樣本點(diǎn)，重疊為50%)。

1．2．3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析采用 Kolmogorov－Smirnov test方法分析數(shù)據(jù)的正態(tài)性。采用Friedman非參數(shù)檢驗(yàn)法對實(shí)驗(yàn)不同時(shí)間段內(nèi)sEMG的RMS、MF指標(biāo)進(jìn)行差異性檢驗(yàn)。采用配對t檢驗(yàn)對疲勞負(fù)荷實(shí)驗(yàn)前、后半段測試肌肉sEMG相干性分析結(jié)果的差異性進(jìn)行檢驗(yàn)，差異的顯著性水平為P＜0．05。運(yùn)用SPSS13．0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 研究結(jié)果

2．1 疲勞實(shí)驗(yàn)過程中肱二頭肌與肱橈肌RMS、MF的變化特征從圖1可以看出，在實(shí)驗(yàn)過程中肱二頭肌和肱橈肌sEMG指標(biāo)RMS均隨運(yùn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間增加逐漸增加，而MF均隨運(yùn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間增加逐漸減小。采用多個(gè)相關(guān)樣本非參數(shù)檢驗(yàn)的Friedman方法，對疲勞負(fù)荷實(shí)驗(yàn)過程中不同時(shí)間階段內(nèi)肱二頭肌與肱橈肌sEMG指標(biāo)RMS和MF(歸一化前的值)的差異性進(jìn)行檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)肱二頭肌和肱橈肌MF和RMS指標(biāo)在不同時(shí)間階段內(nèi)的值具有顯著性差異(肱二頭肌RMS、肱二頭肌 MF、肱橈肌 RMS、肱橈肌 MF均為 P=0．000)。

圖1 疲勞實(shí)驗(yàn)中肱二頭肌與肱橈肌RMS、MF的變化特征Figure 1．Changes of RMSand MF in BB and TB Muscles during Fatiguing Contraction

2．2 協(xié)同肌、肱二頭肌與肱橈肌sEMG相干性 從圖2可以看出，在運(yùn)動(dòng)前半段和運(yùn)動(dòng)后半段肱二頭肌與肱橈肌sEMG相干函數(shù)在10 Hz和35 Hz附近各表現(xiàn)出一個(gè)波峰。運(yùn)動(dòng)后半段肱二頭肌與肱橈肌sEMG在圖示頻率范圍內(nèi)的相干函數(shù)值多數(shù)大于運(yùn)動(dòng)前半段。運(yùn)動(dòng)前半段和運(yùn)動(dòng)后半段肱二頭肌與肱橈肌sEMG相干函數(shù)在不同頻段內(nèi)最大值所處的頻率無顯著性差異(圖3)。

從圖4可以看出，在Beta內(nèi)運(yùn)動(dòng)后半段肱二頭肌與肱橈肌sEMG相干函數(shù)值要明顯大于運(yùn)動(dòng)前半段，在Tremor和Gamma頻段內(nèi)運(yùn)動(dòng)前半段和運(yùn)動(dòng)后半段肱二頭肌與肱橈肌sEMG相干函數(shù)值無顯著性差異。

圖2 協(xié)同肌、肱橈肌與肱二頭肌sEMG相干函數(shù)均值隨頻率的變化曲線Figure 2．Changing of Averaged Coherence Value between BB and BR sEMG with Frequency

圖3 肱二頭肌與肱橈肌sEMG相干函數(shù)在不同頻段內(nèi)最大值所處的頻率Figure 3．Frequency at Which the Maximum Coherence Occurred in Each Frequency Band

圖4 不同運(yùn)動(dòng)階段肱二頭肌與肱橈肌sEMG相干函數(shù)各頻段內(nèi)的值Figure 4．Coherence Value in Each Frequency Band during Different Fatiguing Contraction Phase

3 討論

在靜態(tài)屈肘運(yùn)動(dòng)過程中，隨運(yùn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間的延長，反映sEMG振幅的RMS逐漸增加，而基于傅里葉變換計(jì)算的中值頻率MF逐漸減小。在運(yùn)動(dòng)前半段和運(yùn)動(dòng)后半段，肱二頭肌與肱橈肌sEMG相干函數(shù)在10 Hz和35 Hz附近各表現(xiàn)出一個(gè)波峰。在0～70 Hz的大部分頻率范圍內(nèi)，運(yùn)動(dòng)后半段的相干函數(shù)值較運(yùn)動(dòng)前半段均有所增大。在不同頻段內(nèi)，運(yùn)動(dòng)前半段和運(yùn)動(dòng)后半段相干函數(shù)最大值所處的頻率并無顯著性的差異。在Beta內(nèi)，運(yùn)動(dòng)后半段肱二頭肌與肱橈肌sEMG相干函數(shù)值明顯大于運(yùn)動(dòng)前半段。其中，RMS隨運(yùn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間的逐漸增加和MF隨運(yùn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間的逐漸減小是肌肉在次最大負(fù)荷靜態(tài)收縮誘發(fā)局部肌肉疲勞的典型特征。MF的下降主要是由于肌纖維動(dòng)作電位傳導(dǎo)速度下降、運(yùn)動(dòng)單位的放電頻率下降等因素引起，而RMS指標(biāo)的增加表明在疲勞條件下為維持既定的負(fù)荷水平神經(jīng)系統(tǒng)募集運(yùn)動(dòng)單位的數(shù)量和激活頻率增加等因素有關(guān)［16－18］。本研究中RMS和MF隨運(yùn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間的變化情況一方面反映了疲勞負(fù)荷實(shí)驗(yàn)過程中受試者疲勞的發(fā)生發(fā)展情況，另一方面也為了解肌肉中樞與外周的某些變化提供了有價(jià)值的信息。

在運(yùn)動(dòng)性肌肉疲勞誘發(fā)協(xié)同收縮肌肉相干性變化的研究方面，A．Danna－Dos Santos等［7］和 S．Kattla 等［3］分別對手部肌肉40%MVC負(fù)荷靜態(tài)收縮和第一骨間背側(cè)肌、指淺屈肌靜態(tài)負(fù)荷收縮誘發(fā)肌肉疲勞后引起協(xié)同肌相干性的變化進(jìn)行了研究與探討，結(jié)果發(fā)現(xiàn)疲勞引起不同頻段范圍內(nèi)相關(guān)函數(shù)值的增加，其中，S．Kattla等［3］的研究發(fā)現(xiàn)疲勞引起相干函數(shù)在 Beta gamma頻段內(nèi)的值均增加，而 A．Danna－Dos Santos等［7］的研究發(fā)現(xiàn)在所研究的大部分肌肉中，sEMG相干函數(shù)只在0～35 Hz頻段內(nèi)出現(xiàn)增加現(xiàn)象。此外，王樂軍等［14］對靜態(tài)收縮誘發(fā)運(yùn)動(dòng)性肌肉疲勞誘發(fā)主動(dòng)肌與拮抗肌sEMG相干性分析的研究結(jié)果顯示，運(yùn)動(dòng)性肌肉疲勞引起主動(dòng)肌與拮抗肌sEMG相干函數(shù)在Beta和Gamma頻段內(nèi)的值降低。

前期研究結(jié)果顯示，不同頻段內(nèi)相干函數(shù)值的大小可以反映神經(jīng)肌肉系統(tǒng)調(diào)控的相關(guān)信息。其中，15～30 Hz的beta頻段被認(rèn)為是研究中樞神經(jīng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制的重要頻段，相干函數(shù)值在該頻段內(nèi)的活動(dòng)是與大腦運(yùn)動(dòng)皮層驅(qū)動(dòng)相關(guān)的。通過觀察和分析兩肌肉在收縮過程中的肌電信號在beta頻段內(nèi)相干函數(shù)值，可以了解運(yùn)動(dòng)皮層和脊髓運(yùn)動(dòng)中樞對協(xié)同收縮肌肉同步支配水平的改變情況［19－21］。Gamma頻段內(nèi)相干函數(shù)值的大小似乎也跟運(yùn)動(dòng)皮層的控制有關(guān)［3］。Tremor頻段內(nèi)的相干函數(shù)值似乎受到中樞支配及外周環(huán)境改變等多種因素的影響［14］。

在本研究中，運(yùn)動(dòng)后半段相干函數(shù)在Beta頻段內(nèi)的值明顯大于運(yùn)動(dòng)前半段，這與S．Kattla和A．Danna－Dos Santos的研究結(jié)果是相一致的，表明以20%MVC靜態(tài)負(fù)荷屈肘運(yùn)動(dòng)致肌肉疲勞過程中皮層神經(jīng)元與運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元池之間的同步耦合性的增加［3］，提示隨著運(yùn)動(dòng)性肌肉疲勞的發(fā)生發(fā)展，運(yùn)動(dòng)皮層對肱二頭肌與肱橈肌采取了相同的調(diào)節(jié)方式，由此造成中樞神經(jīng)系統(tǒng)對肱二頭肌與肱橈肌共神經(jīng)輸入同步支配的增加。與S．Kattla研究結(jié)果不同的是，在本研究中運(yùn)動(dòng)前半段肱二頭肌與肱橈肌sEMG在Gamma頻段內(nèi)的相干函數(shù)值并無顯著的差異性。通過Karen S?gaard等［8］和J．L．Smith等［9］的研究可以推斷，在 20%MVC 負(fù)荷靜態(tài)屈肘誘發(fā)的屈肘肌疲勞是外周與中樞共同作用的結(jié)果，其中中樞所起作用在整個(gè)屈肘肌疲勞中占有相當(dāng)高的比例。以20%MVC靜態(tài)負(fù)荷收縮誘發(fā)的屈肘肌疲勞與肌肉在較高負(fù)荷收縮所誘發(fā)運(yùn)動(dòng)性肌肉疲勞在疲勞產(chǎn)生機(jī)理方面存在一定的差異性。本研究對低負(fù)荷收縮誘發(fā)屈肘肌疲勞引起相干性變化與之前研究的差異性，或許和低負(fù)荷靜態(tài)收縮誘發(fā)疲勞機(jī)理的特異性有關(guān)，但是對于其機(jī)制及中樞調(diào)控策略等問題尚需進(jìn)一步的研究。

C．J．De Luca 等［22］的研究結(jié)果顯示，在人體運(yùn)動(dòng)中，CNS控制協(xié)同工作的肌肉以一個(gè)共同的功能單位參與收縮。其中，“共驅(qū)動(dòng)”控制策略作為CNS控制協(xié)同工作肌肉的重要方式之一，其不僅僅被用于單一維度關(guān)節(jié)周圍主動(dòng)肌與拮抗肌協(xié)同收縮的中樞控制策略，在單一維度關(guān)節(jié)周圍的協(xié)同肌控制中也被采用。在運(yùn)動(dòng)性肌肉疲勞發(fā)生、發(fā)展的過程中，隨著肌肉收縮能力下降、神經(jīng)肌肉系統(tǒng)感知運(yùn)動(dòng)的本體感覺能力下降等因素作用，中樞神經(jīng)系統(tǒng)對協(xié)同工作肌肉的控制方式會(huì)發(fā)生一定的改變以更好地適應(yīng)運(yùn)動(dòng)負(fù)荷任務(wù)的需要［2］。王樂軍等［14］的研究發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)性肌肉疲勞引起主動(dòng)肌與拮抗肌sEMG相干函數(shù)在Beta和Gamma頻段內(nèi)的值降低，而本研究發(fā)現(xiàn)低負(fù)荷靜態(tài)收縮誘發(fā)屈肘肌疲勞后引起協(xié)同肌、肱橈肌與肱二頭肌相干函數(shù)值在Beta頻段內(nèi)的增加，這一研究結(jié)果也從一定層面揭示了協(xié)同肌與拮抗肌各自的功能特點(diǎn)及疲勞后中樞神經(jīng)系統(tǒng)對不同協(xié)同工作肌肉采取的不同調(diào)控方式。在運(yùn)動(dòng)性肌肉疲勞過程中，脊髓運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元興奮性及運(yùn)動(dòng)皮層對脊髓運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元激活能力下降。疲勞引起CNS對協(xié)同肌共神經(jīng)輸入同步支配的增加可以補(bǔ)償由皮層－脊髓對肌肉支配能力的下降［3］。此外，在肌肉產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)性肌肉疲勞過程中，為更有效地維持既定的收縮力水平，中樞神經(jīng)系統(tǒng)或許對肱二頭肌與肱橈肌運(yùn)動(dòng)單位的激活采取更加同步的方式。

4 結(jié)論

在20%MVC靜態(tài)負(fù)荷屈肘運(yùn)動(dòng)致肌肉疲勞過程中，運(yùn)動(dòng)后半段肱二頭肌與肱橈肌sEMG在Beta頻段內(nèi)相干函數(shù)值明顯大于運(yùn)動(dòng)前半段，提示疲勞過程中肱二頭肌與肱橈肌共神經(jīng)輸入同步支配的增加。這或許是為補(bǔ)償疲勞引起的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元興奮性下降，大腦運(yùn)動(dòng)皮層控制協(xié)同肌以更加同步的方式活動(dòng)，在肌肉收縮能力下降的情況下繼續(xù)維持既定的負(fù)荷運(yùn)動(dòng)任務(wù)。

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