Книга: Физиология силы

Глава 9 Проявление мышечной силы в некоторых видах спорта по данным ЭМГ

Глава 9

Проявление мышечной силы в некоторых видах спорта по данным ЭМГ

Среди методов регистрации мышечных усилий во время выполнения спортивных движений можно выделить механический и электрический, каждый из которых отражает различные стороны одного и того же сократительного процесса и может быть использован с некоторыми допущениями в качестве критерия для оценки развиваемых мышцами усилий. Анализ силы скелетных мышц на основе изучения внутренних процессов, обеспечивающих их сокращение, является большой теоретической проблемой, решаемой специалистами разного профиля. Из этой большой проблемы в нашем экспериментальном исследовании сделана попытка изучить возможность оценки проявления силовых способностей мышц по характеристикам их электрической активности, зарегистрированной в процессе выполнения различных физическх упражнений (двигательных действий).

Как указывалось в главе 6, измерение усилий «рабочих» мышц в естественных условиях тренировочной и соревновательной деятельности представляет сложную в методическом отношении задачу. В ряде публикаций приведены сведения о горизонтальной и вертикальной составляющих усилий, зарегистрированных при выполнении прыжков в тренировочных и соревновательных условиях (Ю.В. Верхошанский, 1988; Г.И. Попов, А.В. Самсонова, 2014; Г.И. Попов и др. 2015), а также данные об усилиях, прилагаемых верхними и нижними конечностями к опорной поверхности (А.Н. Воробьев, 1989; В.М. Зациорский, 2009). Такие результаты дают представление о суммарном усилии многих мышц, но не несут информации о характеристиках усилия конкретной мышцы, участвующей в реализации движения. Можно измерить ее силу с помощью тензодатчика, вживленного в сухожилие исследуемой мышцы. Такое измерение провел П. Коми (1986), вжививший себе датчик в ахиллово сухожилие. Широкого распространения эта методика не получила по причине своей сложности и болезненности. К тому же на ахиллово сухожилие передается усилие двух мышц – икроножной и камбаловидной. Следовательно, точно измерить усилие одной мышцы и в этом случае невозможно. Недостаток данной методики состоит также в том, что при спортивных движениях длина сухожилий мышц изменяется, а это приводит к искажению измерения силы.

Некоторые исследователи предпринимали попытки оценить силу мышц по изменению их твердости (И.П. Блохин, 1970; В.Т. Райков, 1972). С этой целью они использовали тензометрический датчик, который накладывался на исследуемую мышцу. Твердость мышцы повышалась при увеличении силы произвольного и вызванного сокращений. Поскольку в момент сокращения конфигурация мышцы изменяется, в этом случае тензодатчик регистрирует не только изменение твердости мышцы, но и изменение ее конфигурации, что вносит ошибку в процесс измерения мышечного усилия. К тому же описываемый метод не предусматривает возможность передачи получаемой информации телеметрически, а это существенно снижает возможность использования данного метода в спортивной практике.

Характеристики усилий, развиваемых мышцами, на наш взгляд, можно достаточно объективно оценить по их электрической активности. Во многих работах регистрировалось повышение электроактивности мышц при увеличении их усилия (Р.С. Персон, 1969; Р.М. Городничев, 2005; А.Г. Беляев, 2015). В изометрических мышечных сокращениях зависимость между электрической активностью мышцы и силой ее сокращения имеет линейный характер (Р.С. Персон, 1987). Следует отметить, что соотношение между электроактивностью и силой сокращения мышцы зависит от ряда факторов: функционального состояния мышцы, ее длины, типа сокращения. Так, при удержании статического усилия на постоянном уровне, по мере развития утомления, электрическая активность рабочих мышц существенно возрастает (И.Н. Бучацкая, 2005). Величина электроактивности связана с длиной мышцы: чем она больше, тем меньше электрическая активность при той же силе сокращения (Р.С. Персон, 1987). Тип мышечного сокращения также влияет на электроактивность мышцы. При концентрическом сокращении амплитуда ЭМГ существенно больше, чем при эксцентрическом (B. Pasquet et al., 2006). Представляется очевидным, что при учете перечисленных выше факторов регистрация ЭМГ рабочих мышц может рассматриваться как наиболее доступный и объективный способ оценки усилий, проявляемых конкретными мышцами при выполнении спортивных движений различной координационной сложности. Для проверки правомерности такого утверждения в ВЛГАФК были проведены специальные серии исследований.

Изложенное выше определило задачу и методические подходы описываемых в настоящем разделе исследований. В опытах предстояло выяснить возможность оценки мышечных усилий по характеристикам ЭМГ, регистрируемой при выполнении произвольных двигательных действий в некоторых видах спорта. Принципиально важным представлялось сопоставить величину проявляемых усилий по данным ЭМГ в естественной спортивной деятельности с усилиями, которые развиваются при выполнении максимальных произвольных сокращений в лабораторных условиях на динамометрическом комплексе, позволяющем точно оценить силовые возможности исследуемых. Первые исследования в этом направлении были проведены с участием спортсменов, занимающихся спортивной гимнастикой (В.Н. Шляхтов, 2013). Силовая подготовка в их тренировке играет важнейшую роль, так как качество выполнения гимнастических упражнений и, следовательно, спортивный результат во многом зависят от уровня развития мышечной силы. Силовые упражнения в спортивной гимнастике имеют различные формы и отличаются типом сокращения мышц. Большинство из них носит динамический характер, в основном скоростно-силовой. Оценить усилие, проявляемое конкретной мышцей, в таких упражнениях более проблематично, чем при выполнении статического или медленного силового упражнения.

В двух сериях исследований выяснялись особенности проявлений мышечных усилий рук и ног гимнастов по параметрам ЭМГ при выполнении акробатического переворота назад и отталкивания ногами в сальто назад с места. Полученные при выполнении названных выше гимнастических элементов ЭМГ-параметры сравнивались с электрической активностью, зарегистрированной при максимальных произвольных сокращениях мышц на динамометрическом устройстве.

Гимнасты (9 чел.) выполняли акробатический переворот назад (фазы отталкиваний ногами и руками) и сальто назад с места (фаза отталкивания ногами). В процессе этих технических элементов у гимнастов регистрировались кинематические и электромиографические характеристики. Кинематические параметры записывались с помощью системы видеоанализа Qualisys и использовались для определения фаз изучаемых двигательных действий. Электрическая активность мышц фиксировалась 16-канальным телеметрическим электромиографом MЕ6000. При выполнении сальто назад с места регистрировалась билатерально электромиограмма следующих мышц нижних конечностей: передней большеберцовой, камбаловидной, внутренней и наружной головок икроножной мышцы, а также прямой и наружной широкой мышц бедра. При выполнении переворота назад записывалась электромиограмма икроножной мышцы, прямой мышцы бедра и трехглавой мышцы плеча.

Регистрация максимального произвольного сокращения мышц голени, бедра и плеча проводилась на мультисуставном динамометрическом комплексе Biodex Multi-Joint System Рго-3. Испытуемые выполняли подошвенное сгибание стопы в голеностопном суставе, а также разгибание в коленном и локтевом суставах. При выполнении подошвенного сгибания стопы спортсмен находился в кресле, правая нижняя конечность фиксировалась при угле в 130° – в коленном и 80° – в голеностопном суставах. По команде спортсмен выполнял изометрическое усилие мышцами голени. При тестировании концентрического сокращения мышц голени задавалась последовательно нагрузка в 40 %, 50 %, 70 %, 90 % и 100 % от зарегистрированного изометрического максимума. При этом испытуемый выполнял сгибание стопы, перемещая рычаг динамометра. Тестирование изометрических и концентрических сокращений мышц бедра и плеча выполнялось по такому же протоколу при положении спортсмена в кресле с углом 90° в коленном суставе. Выполнялось по 2 попытки движения в каждом случае. Анализ ЭМГ, зарегистрированных при выполнении гимнастических элементов, и максимальных произвольных усилий на динамометре осуществлялся по одинаковым временным интервалам.

Типичный пример записи электрической активности исследуемых мышц при реализации переворота назад приведен на рис. 9.1. Даже на уровне качественного визуального анализа видно, что амплитуда ЭМГ, время появления и исчезновения ЭМГ-пачек, а следовательно, величина усилий мышц и время их проявлений, заметно отличаются у разных мышц. Анализ полученных ЭМГ показал, что в фазе отталкивания (интервал между маркерами 2–3) наиболее значительное усилие развивает икроножная мышца: амплитуда ее электроактивности достигала в среднем по группе 810,4 мкВ. Сила сокращения прямой мышцы бедра была наименьшей: амплитуда ЭМГ этой мышцы составляла 645,3 мкВ (В.Н. Шляхтов, 2013).

Рис. 9.1. Образец записи ЭМГ ведущих мышц при выполнении гимнастического элемента «переворот назад» 1 – передняя большеберцовая правая; 2 – икроножная латеральная правая; 3 – икроножная медиальная правая; 4 – прямая бедра правая; 5 – передняя большеберцовая левая; 6 – икроножная латеральная левая; 7 – икроножная медиальная левая; 8 – прямая бедра левая; 9 – передняя часть дельтовидной правой; 10 – средняя часть дельтовидной правой; 11 – задняя часть дельтовидной правой; 12 – трехглавая плеча правая; 13 – передняя часть дельтовидной левой; 14 – средняя часть дельтовидной левой; 15 – задняя часть дельтовидной левой; 16 – трехглавая плеча левая

У всех исследуемых гимнастов амплитуда ЭМГ икроножной мышцы при выполнении переворота назад превышала значения электроактивности, зарегистрированной при максимальных произвольных мышечных сокращениях на динамометрическом комплексе. В процессе переворота амплитуда ЭМГ была на 61,2 % больше в сравнении с ее величиной в ходе максимального усилия на динамометре.

Обратная картина наблюдалась в исследованиях ЭМГ прямой мышцы бедра и трехглавой мышцы плеча. У подавляющего большинства испытуемых (80 %) наибольшая амплитуда электрической активности регистрировалась при максимальном произвольном сокращении прямой мышцы бедра в лабораторных условиях на динамометре. Анализ биоэлектрической активности трехглавой мышцы плеча позволил установить, что гимнасты более высокой квалификации при выполнении отталкивания руками в перевороте назад развивают меньшие усилия, чем при максимальном изометрическом и концентрическом сокращениях на динамометре.

В ходе анализа ЭМГ, зарегистрированных при выполнении сальто назад, выявлено, что в подготовительной фазе движения – приседании (интервал между маркерами 1–2), связанной с эксцентрическим сокращением мышц ног, уровень электрической активности в среднем составил 135 мкВ. В данной фазе происходит последовательная активация передней большеберцовой мышцы, затем одновременно камбаловидной и икроножных мышц и далее прямой и наружной широкой мышц бедра. В основной фазе (отталкивание ногами) происходит практически одновременное концентрическое сокращение мышц сгибателей голени и разгибателей бедра, достигающее значений ЭМГ, превышающих 300 мкВ. Активность мышц голени не прекращается до полного выпрямления ног и окончания контакта с опорой. Мышцы бедра проявляют пик активности в начале отталкивания, и длительность их активности составляет не более 0,1 с (рис. 9.2).

При сравнительном анализе электрической активности, зарегистрированной в естественных и лабораторных условиях исследования, установлено, что амплитуда ЭМГ мышц голени и наружной широкой мышцы бедра при выполнении отталкивания ногами в сальто назад с места превышает соответствующие значения ЭМГ мышц при выполнении максимальных произвольных изометрических и концентрических сокращений на комплексе В^ех (рис. 9.3, 9.4) При этом величина ЭМГ в процессе концентрических сокращений выше, чем в изометрических.

Рис. 9.2. Образец записи ЭМГ ведущих мышц при выполнении гимнастического элемента «сальто назад с места»

1 – передняя большеберцовая правая; 2 – камбаловидная правая; 3 – икроножная латеральная правая; 4 – икроножная медиальная правая; 5 – прямая бедра правая; 6 – наружная широкая бедра правая; 7 – прямая бедра правая; 8 – наружная широкая бедра левая; 9 – передняя большеберцовая левая; 10 – камбаловидная левая; 11 – икроножная латеральная левая; 12 – икроножная медиальная левая

Рис. 9.3. Электрическая активность мышц голени при выполнении сальто назад с места и максимального подошвенного сгибания стопы на комплексе Biodex

Рис. 9.4. Электрическая активность мышц бедра при выполнении сальто назад с места и максимального разгибания в коленном суставе на комплексе Biodeх

В то же время на рис. 9.4 можно наблюдать, что у прямой мышцы бедра зарегистрированы более высокие значения ЭМГ при изометрическом (314,16 мкВ) и концентрическом (304,5 мкВ) сокращениях по сравнению с ЭМГ, записанной при выполнении сальто назад (123,36 мкВ).

Результаты статистической обработки данных, полученных в ходе проведенных исследований, подтверждают наблюдавшуюся высокую вариативность ЭМГ, позволяют проследить определенные закономерности, выражающиеся в более высоких значениях ЭМГ мышц при концентрическом сокращении по сравнению с эксцентрическим и изометрическим (табл. 9.1).

Таблица 9.1

ЭМГ мышц нижних конечностей гимнастов при выполнении сальто назад с места и максимальных произвольных сокращениях исследуемых мышц на комплексе Biodex (мкВ).

Примечание: жирным шрифтом выделены значения ЭМГ исследуемых мышц.

Как видно из данных, приведенных в таблице 9.1 (выделенные ячейки), при выполнении сальто назад с места в фазе отталкивания ногами пять из шести исследуемых мышц развивают усилия выше, чем при выполнении максимальных произвольных сокращений на комплексе Biodex, о чем свидетельствует более высокая ЭМГ. При этом амплитуда ЭМГ мышц при изометрических сокращениях выше, чем при эксцентрических, но ниже, чем при концентрических, что также подтверждается исследованиями других авторов (А.И. Нетреба, 2007).

Для общего распределения биоэлектрической активности мышц при выполнении сальто назад характерна некоторая внутренняя ассиметрия мышечных усилий, проявляющаяся в более высокой ЭМГ мышц левого бедра по сравнению с мышцами правого и превышении значений ЭМГ мышц правой голени над значениями мышц левой. Заметим, что такая особенность в распределении усилий не отражалась на внешней картине движения.

В данном исследовании проведен сравнительный анализ электрической активности мышц, зарегистрированной при выполнении сальто назад с места и акробатического переворота назад, а также при максимальных произвольных мышечных сокращениях на комплексе Biodex. Регистрация более высокой амплитуды ЭМГ в реальном движении может быть связана с особенностями выполнения сложного по координации двигательного навыка, предполагающими мобилизацию и слаженность работы всех мышечных групп, участвующих в исследуемом движении. Также есть основания полагать, что при систематических длительных тренировках, вероятно, в коре головного мозга гимнаста может вырабатываться моторная команда, которая приводит к активации большего числа высокопороговых двигательных единиц и увеличению частоты их импульсации, вследствие чего и развиваются более значительные по величине мышечные усилия. Полученные в ходе исследования данные можно использовать при подборе средств силовой тренировки на основе учета особенностей проявления силовых возможностей при различных типах сокращения основных мышц, обеспечивающих выполнение изученных гимнастических технических элементов.

Выполнение гимнастических элементов на снарядах во многом связано с преодолением собственного веса спортсмена и требует развития значительных по величине усилий различных мышц. Хорошо известно, что проявление силовых возможностей зависит от специфики вида спорта. Особое внимание среди разнообразного спектра спортивных двигательных действий привлекают прицельные движения, при выполнении которых не развиваются большие усилия, но предъявляются высокие требования к точности мышечных усилий и моменту их проявлений. Представлялось интересным выяснить по параметрам ЭМГ характеристики усилий, развиваемых различными мышцами, обеспечивающими выполнение выстрела из лука. С этой целью в ВЛГАФК были проведены специальные исследования (А.М. Пухов, 2013).

В исследовании приняли участие 14 стрелков из лука разной спортивной квалификации (от II разряда до МСМК), в возрасте от 16 до 25 лет. Как и в предыдущей серии экспериментов, у лучников во время выстрела регистрировались кинематические и электромиографические параметры с помощью описанной ранее аппаратуры и методики регистрации.

В начале исследования была зафиксирована биоэлектрическая активность 32 скелетных мышц, которые, по сведениям, приводимым в публикациях по динамической морфологии, предположительно могли обеспечивать выполнение выстрела из лука. Анализ зарегистрированных электромиограмм позволил выявить 10 мышц, наиболее задействованных в осуществлении выстрела из лука: лучевой сгибатель и локтевой разгибатель кисти правой и левой руки, трехглавая правого и левого плеча, передняя часть левой дельтовидной и задняя часть правой дельтовидной, верхние и нижние пучки правой и левой трапециевидной.

В перечисленных выше скелетных мышцах, которые мы условно называем «ведущими», на протяжении всего выстрела из лука наблюдались значительные изменения их электрической активности. Типичный пример записи ЭМГ ведущих мышц в ходе выстрела из лука представлен на рисунке 9.5.

Активность ведущих мышц существенно превышала параметры ЭМГ, зарегистрированные у других 22 мышц. Следовательно, ведущие мышцы развивали и более значительную силу в сравнении с остальными. Параметры ЭМГ ведущих мышц при выполнении выстрела из лука представлены в таблице 9.2.

Характер биоэлектрической активности ведущих мышц имел свои специфические особенности, которые отражались в порядке активации исследуемых мышц, в различных величинах их интеграла, средней амплитуды и частоты биопотенциалов.

Рис. 9.5. Типичный образец записи ЭМГ «ведущих» мышц при выполнении выстрела из лука у испытуемого М.Т., 17 лет

1 – лучевой сгибатель кисти правой руки; 2 – локтевой разгибатель кисти правой руки; 3 – трехглавая плеча правой руки; 4 – задняя часть правой дельтовидной; 5 – лучевой сгибатель кисти левой руки; 6 – локтевой разгибатель кисти левой руки; 7 – трехглавая плеча левой руки; 8 – передняя часть левой дельтовидной; 9 – верхние пучки правой трапециевидной; 10 – верхние пучки левой трапециевидной;

II – нижние пучки правой трапециевидной; 12 – нижние пучки левой трапециевидной.

Маркеры 1 и 2 – подъем лука, 2 и 3 – фаза дотягивания («дотяг»), 3 и 4 – опускание лука.

Таблица 9.2

Параметры биоэлектрической активности скелетных мышц при выполнении выстрела из лука, М±m, n=14.

Анализ полученных ЭМГ-параметров позволил выявить определенную вариативность порядка развития мышечных усилий и их прекращения у «ведущих» мышц при выполнении выстрела из лука. В 46 % выстрелов первыми из всех исследуемых мышц активировались верхние пучки левой трапециевидной мышцы, в 23 % – локтевой разгибатель кисти правой руки. В 38 % выстрелов вторыми развивали усилие верхние пучки правой трапециевидной мышцы. Третьими обычно активировались три мышцы: передняя часть левой дельтовидной – в 31 % выстрелов, локтевой разгибатель кисти левой руки и нижние пучки левой трапециевидной – по 25 %. В подавляющем большинстве выстрелов (98 %) последним вовлекался в работу лучевой сгибатель кисти левой руки.

В 46 % выстрелов усилие снижалось до фонового уровня первым в верхних пучках левой трапециевидной мышцы и в 23 % – локтевом разгибателе кисти правой руки. Вторыми в 23 % выстрелов прекращали активность верхние пучки правой трапециевидной и нижние пучки левой трапециевидной мышц. Локтевой разгибатель кисти правой руки и лучевой сгибатель кисти левой руки выключались третьими – в 31 % выстрелов соответственно.

Анализ продолжительности электроактивности исследуемых мышц, косвенно отражающий период проявления мышечных усилий, показал, что длительность ЭМГ колеблется в диапазоне от 0,4 с до 10 с. У верхних пучков правой и левой трапециевидных мышц усилия продолжались более длительно – 10,0±0,5 с и 9,6±0,7 с соответственно. Минимальный период активности наблюдался у лучевого сгибателя кисти левой руки – 0,4±0,1 с.

Наиболее высокая амплитуда ЭМГ при выполнении выстрела из лука была зарегистрирована в верхних пучках правой (152,9±14,4 мкВ) и левой (178,0±22,4 мкВ) трапециевидных мышц, что свидетельствует о более значительной силе, развиваемой данной мышцей в сравнении с остальными. Локтевой разгибатель кисти и трехглавая плеча правой руки развивали самые слабые усилия среди всех мышц: амплитуда их ЭМГ достигала порядка 52 мкВ.

Исходя из общей цели описываемых в данной главе исследований, логично было сравнить параметры ЭМГ, зафиксированные в скелетных мышцах при выполнении выстрела из лука, с характеристиками электроактивности при максимальном статическом и изотоническом сокращениях тех же мышц. Для решения этой задачи была проведена серия экспериментов с участием 12 стрелков из лука. На мультисуставном лечебно-диагностическом комплексе Biodex у них регистрировалась ЭМГ лучевого сгибателя и разгибателя кисти, дельтовидной мышцы и верхних пучков трапециевидной в процессе выполнения максимальных статического усилия и изотонического сокращения. Обобщенные данные о величине средней амплитуды зарегистрированных ЭМГ представлены в таблице 9.3.

Таблица 9.3

Характеристики биоэлектрической активности мышц при выполнении выстрела из лука и максимальных изометрических и концентрических сокращениях, M±m, n=12

Примечания: * p<0,05 – достоверность различий амплитуды ЭМГ при максимальных сокращениях в сравнении со значениями в процессе выполнения выстрелов из лука.

Из анализа данных, приведенных в таблице, видно, что амплитуда биоэлектрической активности в исследуемых мышцах, а следовательно и развиваемая ими сила, при максимальном статическом и концентрическом сокращении значительно больше, чем в процессе выполнения выстрела. Так, амплитуда ЭМГ лучевого сгибателя кисти левой руки при выполнении выстрела на 81 % меньше в сравнении с ее значениями, зарегистрированными во время максимального статического усилия, и на 69 % меньше, чем при максимальном концентрическом сокращении. Результаты сопоставительного анализа ЭМГ мышц в естественных и лабораторных условиях указывают, что ведущие мышцы при выстреле из лука развивают усилия в диапазоне 5-30 % от своих максимальных силовых возможностей.

Таким образом, все изложенное выше позволяет констатировать, что реализация выстрела из лука обеспечивается определенными – «ведущими» – скелетными мышцами верхних конечностей и спины. Для биоэлектрической активности таких мышц характерна относительно высокая изменчивость ее параметров в разные фазы выстрела. В регуляции активности некоторых из «ведущих» мышц используются программный или коррекционный механизм управления.

Подводя итог изложенных материалов о величине усилий, проявляемых скелетными мышцами при выполнении двигательных действий по данным ЭМГ, можно констатировать, что развиваемые мышцами усилия отражают специфику конкретного вида спорта, в особенности координационную структуру основного соревновательного двигательного действия. Величина или длительность проявляемых мышечных усилий лежат в довольно широком диапазоне, который определяется соответствующей моторной командой, предусматривающей выполнение двигательного действия с необходимыми динамическими и кинематическими параметрами.