FIZJOLOGICZNE MECHANIZMY ZMĘCZENIA

Transkrypt

1 FIZJOLOGICZNE MECHANIZMY ZMĘCZENIA Prof. dr hab. Krystyna Nazar Wojskowy Instytut Medycyny Lotniczej Zmęczenie jest to stan psycho-fizjologiczny rozwijający się w czasie wysiłku i ograniczający tolerancję obciążeń. Zmęczenie zmniejsza zdolność generowania mocy lub siły przez mięśnie, powoduje odczucie zmęczenia, osłabienie chęci kontynuowania pracy oraz zmniejszenie sprawności psychomotorycznej. U ludzi zdrowych tolerancja wysiłków mieści się w pojęciu wydolności fizycznej. Ze względów praktycznych wydolność jest oceniana na podstawie wskaźników fizjologicznych i biochemicznych, takich jak np. maksymalny pobór tlenu (VO 2 max), próg anaerobowy i in., które z pewnym prawdopodobieństwem pozwalają przewidywać zdolność do wysiłków. Jednak we współczesnym sporcie wyczynowym różnica między zwycięzcą i zawodnikiem pokonanym często polega na tym, że jeden z nich jest w stanie lepiej pokonywać zmęczenie i bardziej zbliżyć się do granicy tolerancji wysiłku. Z drugiej strony monitorowanie zmęczenia i zapewnienie właściwego odpoczynku należy do kluczowych elementów racjonalnego treningu. Fizjologiczne mechanizmy zmęczenia nie są w pełni poznane. Wiadomo, że zawiera ono element obwodowy polegający na upośledzeniu działania mięśni i element ośrodkowy, zlokalizowany w ośrodkowym układzie nerwowym, obejmujący zmniejszenie tempa wysyłania impulsów nerwowych pobudzających mięśnie do skurczu oraz kształtowanie odczucia zmęczenia, a także wydłużenie czasu reakcji na bodźce dopływające ze środowiska i zakłócenia funkcji poznawczych mózgu. Udział różnych elementów zmęczenia zależy od rodzaju wysiłku, który je spowodował. Zmęczenie obwodowe Na podstawie badań eksperymentalnych mięśni izolowanych lub drażnionych prądem elektrycznym in situ, wyodrębniono dwie kategorie zmęczenia: zmęczenie towarzyszące wysokiej i niskiej częstotliwości stymulacji mięśni (high and low frequency fatigue). Przy wysokiej częstotliwości stymulacji utrata siły pojawia się nagle i po przerwaniu stymulacji szybko powraca do normy. Mechanizm tego typu zmęczenia może być związany ze zmniejszeniem pobudliwości błony komórkowej komórek mięśniowych w związku z utratą 3

2 jonów potasowych i akumulacją tych jonów w przestrzeni zewnątrzkomórkowej (Allen i wsp. 2008). W warunkach naturalnych zmęczenie wysokiej częstotliwości występuje podczas wysiłków takich jak: wymagające użycia maksymalnej siły podniesienie ciężaru, lub bieg sprinterski na krótkim dystansie. Podczas wysiłków tego typu nie stwierdzono jednak zmian elektromiograficznych wskazujących na zmniejszenie pobudliwości (Tomazin i wsp. 2011) Prawdopodobnie szereg mechanizmów ochronnych działających w organizmie niweluje efekt utraty jonów potasowych. Do mechanizmów tych należy przede wszystkim rekrutacja dodatkowych jednostek motorycznych oraz zmniejszenie tempa wysyłania impulsów nerwowych pobudzających komórki mięśniowe do skurczu. Warto podkreślić, że w warunkach naturalnych, nawet kilkusekundowych, zmęczenie obwodowe praktycznie nie występuje jako zjawisko izolowane - zwykle towarzyszy mu zmęczenie ośrodkowe. Podczas krótkotrwałych wysiłków podobnie jak podczas wysiłków dłużej trwających ważne znaczenie ma gromadzenie się nieorganicznego fosforanu (P i ) w wyniku rozkładu fosfokreatyny. Powoduje ono zmniejszenie wrażliwości aparatu kurczliwego na jony wapnia i zmniejszenie uwalniania tych jonów z siateczki endoplazmatycznej. Prowadzi to do zmniejszenia siły skurczu. Natomiast wzrost stężenia w komórkach mięśniowych ADP w wyniku szybkiego tempa rozkładu ATP, prawdopodobnie przyczynia się do zmniejszenia maksymalnej szybkości skurczu (Allen i wsp. 2008). Zmniejszenie siły mięśni przy niskiej częstotliwości stymulacji utrzymuje się długo i przypisywane jest zaburzeniom sprzężenia elektromechanicznego związanym z akumulacją P i, kwasicą, wyczerpaniem zasobów glikogenu w komórkach mięśniowych i działaniem wolnych rodników tlenowych. Od dawna wiązano też zmęczenie z wytwarzaniem mleczanu w procesie glikolizy i obniżeniem ph w komórkach mięśniowych. Dziś wiadomo, że mleczan nie odgrywa istotnej roli w procesie zmęczenia. Co więcej, rola kwasicy wydaje się mniejsza niż dawniej przypuszczano (Allen i wsp. 2008). Tym niemniej czynnik ten przyczynia się do rozwoju zmęczenia, ponieważ jony wodorowe mogą bezpośrednio upośledzać funkcję aparatu kurczliwego. Warto zwrócić jednak uwagę na to, że siła mięśniowa na ogół powraca do normy w okresie wypoczynku szybciej niż ph. Przypuszczalnie jony wodorowe mogą odgrywać rolę ochronną w procesie zmęczenia hamując aktywność pompy wychwytującej jony wapniowe z cytoplazmy i przeciwdziałając zmniejszeniu pobudliwości komórek mięśniowych poprzez hamowanie przewodności kanałów chlorkowych w błonie komórkowej. 4

3 Rola wyczerpania glikogenu w procesie zmęczenia została udowodniona ponad 50 lat temu. Od dawna zalecana jest też dieta wysoko-węglowodanowa w żywieniu sportowców w celu zwiększenie zasobów glikogenu mięśniowego przed wysiłkiem. Mechanizm, za pośrednictwem którego wyczerpanie glikogenu hamuje zdolność do wysiłku, pozostaje niejasny. Przypuszcza się, że ma to związek z funkcjonowaniem sprzężenia elektromechanicznego. Czynnikiem przyśpieszającym rozwój zmęczenia jest też stres oksydacyjny związany z uwalnianiem wolnych rodników tlenowych z mitochondriów w czasie intensywnego utleniania. Powstawaniu wolnych rodników sprzyja dodatkowo wysoka temperatura mięśni. Wolne rodniki przyczyniają się do rozwoju zmęczenia przez uszkodzenie białek aparatu kurczliwego i enzymów. Wyniki badań z zastosowaniem środków usuwających wolne rodniki, nie są jednoznaczne. Wykazano, że zastosowanie środków usuwających wolne rodniki i antyoksydantów spowalnia proces zmęczenia w izolowanych mięśniach drażnionych prądem elektrycznym (Allen i wsp. 2008). W przypadku jednak wysiłków wykonywanych przez ludzi w większości prac, nie udało się wykazać korzystnego działania antyoksydantów (np. witamin C i E). Zmęczenie serca Długotrwałe, intensywne wysiłki mogą prowadzić do zmęczenia serca (Oxborough i wsp. 2010). Zmęczenie serca powoduje przejściowe pogorszenie funkcji serca, które można wykazać w badaniu ultrasonograficznym. Opisano też pojawianie się po wysiłku zaburzeń w zapisie EKG oraz wzrostu stężenia we krwi biomarkerów niewydolności serca (przedsionkowy ANP i mózgowy peptyd natriuretyczny (BNP) oraz jego prekursor NTproBNP), a także troponin sercowych będących markerami martwicy mięśnia sercowego. Zaburzenia funkcji serca na ogół cofają się po upływie kilku dni. W rozwoju zmęczenia serca przypuszczalnie istotną rolę odgrywać mogą cytokiny prozapalne oraz wolne rodniki uwalniane do krwi podczas wysiłku. Kliniczne konsekwencje zmęczenia serca pozostają niejasne. Zmęczenie ośrodkowe Zdaniem wielu Autorów zmęczenie ośrodkowe powstające w mózgu stanowi najważniejszy mechanizm prowadzący do zmniejszenia intensywności pracy i ostatecznie do przerwania wysiłku (Kayser, 2003). Przemawia za tym to, że decyzja o przerwaniu wysiłku jest zwykle świadoma, często też odczucie zmęczenia wyprzedza pojawienie się zmian 5

4 zmęczeniowych w mięśniach i innych narządach. Mechanizmy zmęczenia ośrodkowego nie są dotychczas w pełni poznane. Dużym zainteresowaniem cieszy się hipoteza centralnego ośrodka zarządzania wysiłkiem (ang central governor ). Hipoteza ta została wysunięta już w latach dwudziestych ubiegłego wieku przez Hilla. Później jednak została zdominowana przez badania poszukujące mechanizmów zmęczenia w zmianach biochemicznych rozwijających się w mięśniach i innych narządach. Koncepcja centralnego ośrodka zarządzania obecnie postulowana przez Noakesa i wsp. (2005) zakłada istnienie w mózgu ośrodka integrującego sygnały docierające do mózgu z obwodu, takie jak nerwowe sygnały czuciowe inicjowane w receptorach mięśni (mechanoreceptory, chemoreceptory, receptory bólowe i in), zmiany temperatury i składu krwi dopływającej do mózgu (np. obniżenie stężenia glukozy we krwi, wzrost stężenia amoniaku, niektórych aminokwasów i in.) oraz informacje z układu krążenia i układu oddechowego. Ośrodek mógłby też integrować sygnały wysyłane z różnych struktur ośrodkowego układu nerwowego związane z czynnikami psychologicznymi takimi jak: motywacja, tolerancja bólu, nastrój itp. I wreszcie informacje o stanie i funkcjonowaniu mózgu zależne od czynników neurobiologicznych, takich jak: metabolizm komórek nerwowych, lokalne zmiany stężenia niektórych neurotransmitterów (np. serotoniny i in.), temperatura mózgu, wzrost stężenia amoniaku, różnego typu cytokin, niektórych aminokwasów i in. Centralny ośrodek zarządzania w oparciu o informacje z różnych źródeł powodowałby ograniczenie intensywności wysiłku (rekrutacji i tempa stymulacji jednostek motorycznych), modyfikację odczucia ciężkości wysiłku i rozwój odczucia zmęczenia. Mechanizm ten ukierunkowany byłby zatem na zapobieganie zagrożeniu uszkodzenia mięśni i innych narządów przez wysiłek. Schemat ilustrujący mechanizm zmęczenia ośrodkowego, uwzględniający centralny ośrodek zarządzania, przedstawiono na ryc. 1. Brak jest przesłanek do spekulowania na temat struktury centralnego ośrodka zarządzania. Wydaje się, że ośrodek ten, jeśli istnieje, ma charakter wyłącznie funkcjonalny i obejmuje neurony zlokalizowane w różnych strukturach mózgu. Hipoteza centralnego ośrodka zarządzania nie jest konieczna do zrozumienia niektórych aspektów zmęczenia ośrodkowego. Cały szereg czynników związanych z wysiłkiem może bezpośrednio modyfikować funkcję ośrodkowego układu nerwowego (Nybo i Secher, 2004). Między innymi jako czynnik limitujący wysiłek, brane pod uwagę jest niedostateczne zaopatrzenie tlenowe mózgu (Nybo i Rasmussen, 2007). Generowanie impulsów ruchowych prowadzi do przyspieszenia tempa metabolizmu i aktywacji struktur mózgowych zaangażowanych w kontroli czynności ruchowych. Przy dużej intensywności wysiłku przepływ krwi i dopływ tlenu może być niewystarczający dla pokrycia wzmożonego zapotrzebowania 6

5 energetycznego. Analizując różnicę zawartości tlenu, glukozy i mleczanu pomiędzy krwią tętniczą i krwią odpływającą z mózgu przez żyłę szyjną, wykazano, że stosunek zużycia tlenu do zużycia glukozy i mleczanu ulega w czasie wysiłku obniżeniu. Wskazuje to na niedostateczne zaopatrzenie tlenowe niektórych okolic mózgu. Na uwagę zasługuje to, że po przekroczeniu progu anaerobowego pojawia się hiperwentylacja prowadząca do obniżenia ciśnienia parcjalnego CO 2, co z kolei sprzyja zmniejszeniu przepływu mózgowego. Po przekroczeniu progu anaerobowego zaobserwowano też wydłużenie czasu reakcji różnicowej na bodźce wzrokowe i słuchowe, wskazujące na pogorszenie się sprawności psychomotorycznej (Chmura i wsp. 1994). Co więcej, wykazano korelację między zmianami wysokości progu anaerobowego w trakcie treningu, a wielkością obciążenia, przy którym wydłuża się czas reakcji różnicowej (Chmura i Nazar, 2010). Przykładem wysiłku, podczas którego wyraźnie widoczna jest rola ośrodkowego układu nerwowego jako czynnika odgrywającego pierwszoplanową rolę w ograniczaniu wytrzymałości, jest wysiłek wytrzymałościowy w otoczeniu o wysokiej temperaturze. Zaobserwowano, że w tej sytuacji dochodzi do zwolnienia elektroencefalogramu (EEG). (Nielsen i Nybo, 2003). Okazało się też, że zmniejszenie częstotliwości EEG koreluje z odczuciem zmęczenia i ze zmniejszeniem mózgowego przepływu krwi. Czynnikami bezpośrednio wpływającymi na funkcję ośrodkowego układu nerwowego jest też hipoglikemia i wzrost stężenia amoniaku we krwi towarzyszące długotrwałym wysiłkom (Nybo i Secher, 2004). Istnieją liczne dowody na to, że czynnikiem prowadzącym do rozwoju zmęczenia ośrodkowego w czasie długotrwałych wysiłków jest neurotransmiter serotonina (Newsholme i Blomstrand, 1995) Prekursorem serotoniny syntetyzowanej w mózgu jest dostarczany z krwią do mózgu aminokwas - tryptofan. Podczas długotrwałego wysiłku dostępność tego prekursora rośnie na skutek uwalniania go z połączeń z albuminą, która wykorzystywana jest jako transporter kwasów tłuszczowych do mięśni. Do zwiększenia dostępności tryptofanu dla mózgu w czasie długotrwałej pracy, może przyczyniać się też obniżenie stężenia we krwi aminokwasów o rozgałęzionych łańcuchach, które współzawodniczą z tryptofanem w procesie transportu do mózgu. Obniżenie stężenia tych aminokwasów może być spowodowane ich wychwytem i utlenianiem w mięśniach. Suplementacja aminokwasami o rozgałęzionych łańcuchach (BCAA- branched chain amino acids) powoduje zmniejszenie odczucia ciężkości wysiłku i zmęczenia oraz przyczynia się do poprawy funkcji poznawczych mózgu i sprawności psychomotorycznej (Blomstrand i wsp. 1997, Blomstrand, 2006, Mikulski i wsp. 2002). Stosowana jest ona w sporcie jako dozwolone wspomaganie farmakologiczne. 7

6 Przedstawione wyżej przykłady mechanizmów zmęczenia bynajmniej nie wyczerpują istoty tego zjawiska. Wskazują one natomiast na złożoność tego zjawiska i jednocześnie na możliwość (i ryzyko) wpływu na rozwój zmęczenia. Problematyka ta rodzi pytanie, czy zmęczenie jest naszym wrogiem czy obrońcą. W normalnych warunkach bardzo rzadko dochodzi do rozwoju zmian zmęczeniowych prowadzących do zagrożenia zdrowia lub życia. W sytuacjach ekstremalnych, np. w warunkach stresu psychologicznego, w wysokiej temperaturze otoczenia, w warunkach głodu itp., ciężki wysiłek może przyczynić się do ostrego zaburzenia funkcjonowania ośrodkowego układu nerwowego z utratą świadomości. Zwykłe zmęczenie zmusza nas do ograniczenia intensywności wysiłku i ostatecznie przerwania pracy zanim dojdzie do takich katastrofalnych skutków. Tak więc, zmęczenie chroni nas przed przeciążeniem. Przy zachowaniu normalnego cyklu wysiłek odpoczynek, zmęczenie praktycznie nie pozostawia utrzymujących się dłużej niż kilka dni negatywnych skutków. Co więcej, zmiany zmęczeniowe stymulują rozwój zmian adaptacyjnych. Podejmowanie jednak kolejnych ciężkich wysiłków przy braku właściwego odpoczynku, może być przyczyną rozwoju zmęczenia przewlekłego. Obejmuje ono: zmniejszenie zdolności do wysiłku, zmiany psychologiczne, takie jak zaburzenia nastroju, depresja, niepokój, zaburzenia snu, urazy z przeciążenia (głównie tkanki miękkie: ścięgna, więzadła i in.), upośledzenie funkcji serca, zmiany hormonalne (wzrost wydzielania kortyzolu, zmniejszenie wydzielania testosteronu), wzrost stężenia cytokin prozapalnych, utratę apetytu, ujemny bilans energetyczny, utratę masy ciała, i wreszcie upośledzenie funkcji układu immunologicznego prowadzące do zwiększenia zapadalności na choroby infekcyjne. W sporcie zmęczenie przewlekłe odpowiada stanowi przetrenowania. Piśmiennictwo Allen, D.G., Lamb, G.D. Westerblad, H. Skeletal muscle fatigue: cellular mechanisms. Physiol. Rev. 2008, 88: Blomstrand, E. A role for branched-chain amino acids in reducing central fatigue. Journal of Nutrition 2006, 136: (1 suppl.) 544S-547S Blomstrand, E., Hassmen, P., Ek, S., Ekblom, B., and Newsholme, E.A.. Influence of ingesting a solution of branched-chain amino acids on perceived exertion during exercise. Acta Physiol. Scand. 1997,159:

7 Chmura, J., and Nazar, K Parallel changes in the onset of blood lactate accumulation (OBLA) and threshold of psychomotor performance deterioration during incremental exercise after training in athletes. Int. J. Psychophysiol. 2010, 63: Chmura, J., Nazar, K., Kaciuba-Uściłko, H., Choice reaction time during graded exercise in relation to blood lactate and plasma catecholamine threshold. Int. J. Sports Med , Kayser B. Exercise starts and ends in the brain. Eur. J. Appl. Physiol.2003, 90: Mikulski, T., Ziemba, A., Chmura, J., Wiśnik, P., Kurek, Z., Kaciuba-Uściłko, H. & Nazar, K. The effects of supplementation with branched chain amino acids (BCAA) on psychomotor performance during graded exercise in human subjects. Biology of Sport 2002, 19: Newsholme, E.A, and Blomstrand, E.. Tryptophan, 5-hydroxytryptamine and a possible explanation for central fatigue. Adv. Exp. Med. Biol. 1995, 384: Nielsen B, Nybo L, Cerebral changes during exercise in the heat. Sports Med. 2003, 33: Noakes, T. D., St Clair Gibson, A., Lambert, E.V. From catastrophe to complexity: a novel model integrative central neural regulation of effort and fatigue during exercise in humans: summary and conclusions. Br. J. Sports Med. 2005, 39: Nybo L, Rasmussen P.. Inadequate cerebral oxygen delivery and central fatigue during strenuous exercise. Exerc Sport Sci Rev.2007, 35: Nybo, L. & Secher, N.H. Cerebral perturbations provoked by prolonged exercise. Progress in Neurobiology 2004, 72: Oxborough D, Birch K, Shave R, George K.: "Exercise-induced cardiac fatigue"--a review of the echocardiographic literature. Echocardiography. 2010, 27: Tomazin K, Morin JB, Strojnik V, Podpecan A, Millet GY. Fatigue after short (100-m), medium (200-m) and long (400-m) treadmill sprints. Eur J Appl Physiol Jul 7. [Epub ahead of print] 9