Регуляция активности мышц у спринтеров различной спортивной квалификации при скоростном беге по прямой и виражу

Методы и методика исследования. В экспериментах приняли участие 42
спортсмена (мужского пола) в возрасте от 20 до 25 лет, специализирующиеся в беге
на короткие дистанции. В предварительной серии экспериментов у 22 бегунов на
короткие дистанции регистрировалась электрическая активность двадцати трех
билатеральных скелетных мышц, для выявления ведущих мышц, участвующих при
быстром беге. В основной серии экспериментов участвовало 20 спринтеров
различной спортивной квалификации. Первую группу составили спринтеры I
разряда и КМС (10 человек), вторая группа состояла из спринтеров III разряда (10
человек). Проводились исследования по регистрации электрической активности
мышцприбыстрыхпроизвольныхциклическихдвиженияхвчетырех
экспериментальных условиях: а) при беге с максимальной скоростью по прямой; б)
при беге с максимальной скоростью по виражу; в) при повторном беге с
максимальной скоростью по прямой, вызывающим состояние утомления; г) при
повторном беге с максимальной скоростью по виражу, вызывающим состояние
утомления.
В отдельной серии экспериментов у этих же испытуемых регистрировали:
тормозные процессы в ЦНС; моторные ответы мышц, вызываемые стимуляцией
головного и спинного мозга; М-ответ и Н-рефлекс мышц левой ноги при
стимуляции периферического нерва (n. tibialis).
Для решения поставленных задач, использовались следующие методы
исследования:
1. Поверхностная электромиография. Данный метод позволяет оценить
активность отдельных мышц и их взаимодействие, как в состоянии покоя, так и при
выполнении циклических движений. Для регистрации параметров ЭМГ при
выполнении движения использовался 16-канальный биомонитор «ME 6000»
(Финляндия,2008).Биполярныеповерхностныеотводящиеэлектроды
располагались на следующих билатеральных мышцах: m. biceps femoris – BF
(двуглавая бедра); m. rectus femoris – RF (прямая бедра); m. vastus medialis – VM
(медиальная широкая бедра); m. vastus lateralis – VL (латеральная широкая бедра);
m. soleus – Sol (камбаловидная мышца); m. gastrocnemius – GM (икроножная
мышца); m. tibialis anterior – TA (передняя большеберцовая мышца). Определялась
длительностьэлектроактивностиисследуемыхмышц,частотаследования
биопотенциалов, средняя амплитуда и суммарная амплитуда.
2. Вызванная электромиография. M-ответ и Н-рефлекс мышц бедра и голени в
состоянии покоя регистрировались по традиционной методике (Л.Р. Зенков, М.А.
Ронкин, 2013) с помощью 8-канального электромиографа «Нейро-МВП-8» (Россия,
2006), а обработку полученных данных проводили в специальной программе
«Нейрософт».Определялиследующиепараметры:порог,длительность
электроактивности и максимальная амплитуда.
3. 3D-видеоанализ. Кинематические параметры бегового шага регистрировали
с помощью системы 3D-анализа «Qualisys Track Motion Capture System» (Швеция,
2010). Светоотражающие маркеры размещались на антропометрических точках
сегментов тела, а именно на тазобедренном, коленном и голеностопном суставах.
Камеры располагались по кругу на расстоянии, оптимальном для регистрации
кинематических параметров. Таким образом создавалась 3D-модель спортсмена, на
основании которой беговой шаг был разделен на 4 фазы: вынос ноги в полете,
опускание ноги к опоре, подседание, отталкивание.
4. Магнитная стимуляция. При исследовании вызванных моторных ответов
(ВМО) мышц бедра и голени вызываемыхтранскраниальной магнитной
стимуляцией (ТМС)использовалимагнитный стимулятор «Magstim Rapid»
(Magstim Соmpany Ltd, Великобритания, 2007), позволяющей индуцировать
импульсное магнитное поле. Для ТМСиспользовался сдвоенный угловой койл
(Double Cone Coil) с мощностью магнитного поля 1,4 Т. При ТМС моторной коры
мышц левой ноги центр сдвоенного койла располагали над теменными долями
головного мозга.
5. Метод регистрации силовых способностей. Регистрацию динамограммы
сокращениймышцголениосуществлялинамультисуставномлечебно-
диагностическом комплексе «Biodex Multi-Joint System Pro-3» (Biodex Medical
System, USA, 2006).
Результаты исследования. При смене направления бега (бег по виражу)
наблюдалось уменьшение длительности двойного бегового шага. У спортсменов
низкой квалификации продолжительность бегового цикла при беге по виражу в
сравнении с бегом по прямой уменьшилась на 0,04с, а у спортсменов высокой
квалификации на 0,01с
Длина двойного бегового шага при беге по виражу у спринтеров низкой и
высокой квалификации была меньше, чем при беге по прямой на 3,5% и 2,7%
соответственно.
При сравнении периодов полета и периодов опоры во всем беговом цикле при
беге по прямой установлено, что длительность опорного периода у спринтеров
высокой квалификации меньше, чем у низкоквалифицированных спортсменов, а
период полета наоборот, больше.
Более значительное перемещение в тазобедренном суставе при беге по прямой
у квалифицированных бегунов в сравнении с низкоквалифицированными было
определено соответствующей ЭМГ-активностью мышц передней поверхности бедра
(Рисунок 1).

Рисунок 1 – Средняя амплитуда ЭМГ и амплитуда движений при беге по прямой у
спринтеров разной квалификации (А – тазобедренный сустав, мышцы передней
поверхности бедра; Б – голеностопный сустав, мышцы задней поверхности голени)
Примечания: Фазы: ВН (л) – вынос левой ноги в полете; ОН (л) – опускание левой ноги к опоре; П
(л) – подседание на левой ноге; О (л) – отталкивание левой ноги. 1 – низкоквалифицированные;
2 – высококвалифицированные * p<0,05- достоверность различий амплитуды движения в суставе и средней амплитуды ЭМГ между высококвалифицированными и низкоквалифицированными спринтерами Усреднённая амплитуда электрической активности (сумма средних амплитуд всех мышц, деленная на их количество) m. rectus femoris, m. vastus lateralis, и vastus medialis у бегунов высокой квалификации была выше значений испытуемых другой группы в диапазоне на 13,7% - 119,1%.Вфазеопусканиялевойногидля низкоквалифицированныхспринтеровхарактерночрезмерноеподошвенное сгибание стопы за счет избыточной электроактивности задней группы мышц голени: m. soleus – 521,7мкВ, m. gastrocnemius – 385,7мкВ. ЭМГ-активность этих мышц у бегунов высокой квалификации достоверно меньше, в то время как активность передней большеберцовой, наоборот, больше на 12,7%, где носок голеностопного сустава берется на себя. Аналогичныеразличиявкинематическихиэлектромиографических параметрах между группами спринтеров отмечаются и при беге по виражу (Таблица 1). Средняя амплитуда m. tibialis anterior, m. biceps femoris, m. rectus femoris, и m. vastus medialis во всех фазах двойного бегового шага была выше у спринтеров высокой квалификации по сравнению с низкоквалифицированными бегунами. Таблица 1 –Отличиесредней амплитуды ЭМГ у высококвалифицированных спринтеров относительно бегунов низкой квалификации при беге по виражу, % Фазы двойного бегового шага МышцыВНОНПОВНОНПО (л)(л)(л)(л)(п)(п)(п)(п) Soleus-0,3-51,7*-49,7* -68,0*-16,5102,0727,5102,4 Gastrocnemius282,716,0-28,1*-11,0333,8456,9583,2495,4 Tibialis anterior217,8239,7279,2* 515,9208,130,9123,7522,4* Biceps femoris27,364,2100,4*60,0130,4* 262,3* 1338,9* 146,3* Rectus femoris87,816,791,7 266,831,557,9161,2*298,6 Vastus lateralis30,5123,3*70,6-3,2-45,7-50,5-11,827,8 Vastus medialis63,938,495,2* 110,995,994,7345,7209,2 Примечания: Фазы: ВН(л) – вынос левой ноги в полете; ОН(л) – опускание левой ноги к опоре; П(л) – подседание на левой ноге; О(л) – отталкивание левой ноги; ВН(п) – вынос правой ноги в полете; ОН(п) – опускание правой ноги к опоре; П(п) – подседание на правой ноге; О(п) – отталкивание правой ноги. Знак «-» обозначает большую величину в % у низкоквалифицированных, отсутствие знака - более высокая амплитуда ЭМГ у высококвалифицированных. * p<0,05- достоверность различий между высококвалифицированными и низкоквалифицированными спринтерами Продолжительность электроактивности основных рабочих мышц при беге по прямой и виражу определяла временные параметры бегового шага – длительность периода полета и опоры, длительность четырех фаз. Величины перемещений в тазобедренном, коленном и голеностопном суставах зависели от амплитуды ЭМГ- активности мышц, обеспечивающих сгибание и разгибание в данных суставах. При выполнении повторного бега до утомления испытуемые выполняли от 5 до 7 повторений с 20-30 секундным отдыхом между ними. Наступление состояния утомления определялась по снижению скорости бега на 10% и внешним признакам. В группе низкоквалифицированных спринтеров длительность двойного бегового шага при беге по прямой в состоянии утомления не изменялась, но возрастала на 14,3% при беге по виражу. У низкоквалифицированных спринтеров под влиянием утомления продолжительность фазы отталкивания снижалась на 16,7% в беге по прямой, но не изменялась в условиях бега по виражу. В группе спринтеров высокой квалификации длительность фазы отталкивания достоверно возрастала в состоянии утомления при беге как по прямой, так и виражу – на 16,8% и 60,2% соответственно (p<0,05) (Рисунок 2). Рисунок 2 – Изменение временных параметров бегового шага в состоянии утомления при беге по прямой и виражу у спринтеров различной квалификации, (%) Примечание: * p<0,05- достоверность различий временных параметров между высококвалифицированными и низкоквалифицированными спринтерами Увеличениедлительностибеговогошагаифазыотталкиванияу высококвалифицированных бегунов обусловливалось более продолжительной ЭМГ- активностью рабочих мышц при развитии утомления. При беге по прямой в обычном состоянии время активности рабочих мышц в фазе отталкивания в среднем по группе составляло 31,1мс, при утомлении – 37,9мс, при беге по виражу – 22,4мс и 31,7мс соответственно. В процессе утомления при скоростном беге по прямой и виражу изменялись угловые перемещения в суставах, снижалась амплитуда электроактивности мышц в опорномпериодекакунизкоквалифицированных,такиу высококвалифицированных спринтеров. У низкоквалифицированных бегунов в состоянии утомления наблюдалось увеличение коэффициента реципрокности исследуемых мышц-антагонистов голени (GM/TA; Sol/TA) и, напротив, уменьшение этого показателя в мышцах-антагонистах бедра(RF/BF).Коэффициентреципрокностимышц-антагонистовголени высококвалифицированных спринтеров возрастал при наступлении утомления только при беге по прямой, но снижался в беге по виражу, что проявлялось в изменениях амплитуды электрической активности исследуемых мышц. На втором этапе экспериментов у этих же испытуемыхрегистрировали: тормозные процессы в ЦНС; моторные ответы мышц, вызываемые стимуляцией головного и спинного мозга; М-ответ и Н-рефлекс мышц левой ноги при стимуляции переднебольшеберцового нерва. При анализе пресинаптического торможения мотонейронов спинного мозга, выявлено, что данный тип торможения более выражен у спринтеров высокой квалификации по сравнению с низкоквалифицированными бегунами (Рисунок 3). Рисунок 3 – Облегчение Н-рефлекса m. soleus у спринтеров низкой и высокой квалификации, при разных интервалах между стимулами, % Среднегрупповые величины периодамолчания были выше у спринтеров высокой квалификации при статических усилиях, составляющих 75% и 100% от МПС, но варьировали практически в одинаковом диапазоне со значениями испытуемых другой группы в процессе развития более слабых усилий. Величина порога возбуждения и амплитуда моторных ответов при магнитной стимуляции коры головного мозга и электрической стимуляции спинного мозга на уровне Т11-Т12 зависели от уровня спортивного мастерства обследуемых спринтеров (Таблица 2). Спринтеры высокой квалификации отличались от менее квалифицированных значительными по величине вызванными моторными ответами скелетных мышц при указанных стимуляционных воздействиях. Таблица 2 – Среднегрупповые значения порогов и величины максимальной амплитуды ВМО (мВ) мышц нижних конечностей при магнитной стимуляции головного мозга и электрического раздражения спинного мозга у спринтеров низкой и высокой квалификации Пороговые значения ВМОМаксимальная амплитуда ВМО (мВ) ВидНизкаяВысокаяНизкаяВысокая Мышцыстимула квалификация квалификацияквалификацияквалификация TibialisМС60,2±3,255,1±2,30,35±0,041,71±0,04* anteriorЭС61,1±4,362,5±4,40,18±0,02**0,38±0,07*,** SoleusМС60,5±2,151,4±2,30,12±0,010,94±0,05* ЭС60,6±4,662,4±3,33,84±0,09**4,19±0,08** RectusМС60,9±3,380,1±5,9*0,21±0,020,37±0,03* femorisЭС54,1±3,145,2±2,1*0,83±0,02**0,22±0,01* BicepsМС61,4±5,355±3,20,32±0,010,61±0,02* femorisЭС55,9±3,744,7±3,6*1,73±0,06**2,32±0,09** Примечание: Единица изменения МС выражена в % от максимального выхода стимулятора, ЭС – в миллиамперах; * p<0,05- достоверность различий между высококвалифицированными и низкоквалифицированными спринтерами; ** p<0,05- достоверность различий между магнитной и электрической стимуляцией. Пороги ВМО трех мышц при магнитной стимуляции коры головного мозга ниже у спринтеров высокой квалификации. При электрической стимуляции поясничного отдела спинного мозга значения порогов мышц голени у испытуемых сравниваемых групп былипримерно одинаковыми, но пороги мышц бедра низкоквалифицированныхспринтеровдостовернопревышалитаковыеу спортсменов высокой квалификации. Обсуждение результатов. Результаты собственных экспериментальных исследований показали, что смена направления движения бега с максимальной скоростью обеспечивается модификацией координационной структуры ведущих мышц, отражаемая в изменении амплитуды электроактивности некоторых мышц, увеличении длительности электроактивности, изменении амплитуды движений в тазобедренном, коленном и голеностопном суставах, а также изменении скорости бега, и длины, и частоты беговых шагов. У спортсменов низкой квалификации результат в беге преимущественно осуществляетсяза счет частоты шагов, а у спортсменов высокой квалификации – за счет длины шагов. Данный факт отражается в характере взаимодействия с опорой. Для спринтеров I разряда и КМС характерна более значительная электрическая активность мышц при беге по виражу в сравнении с ее величиной, зарегистрированной в условиях бега по прямой, что обеспечиваетвысокуюскоростьпреодолениявиражаиэффективное противодействие центробежной силе. Изменение временных параметров фаз двойного бегового шага тесно взаимосвязано с амплитудой изменения движений в суставах во время движения. Очевидно, что большая амплитуда движений в суставах совершенствуется в процессе роста технического мастерства во время многолетней подготовки спринтера. Механизмы развития утомления во многом определяются характеристиками выполняемой мышечной работы: мощностью и длительностью физической нагрузки; координационной сложности спортивных двигательных действий; адаптивнымиреакциями,возникающимипривыполнениинапряженной двигательной деятельности (S. Goodall et al., 2015). При циклической работе максимальной мощности, к которой относится бег на короткие дистанции, энергосбережение работающих мышц осуществляется исключительно анаэробным путем. В этом случае ни одна из вегетативных функций не достигает возможного максимума, который мог бы обеспечить необходимую скорость доставки кислорода к работающим мышцам (В.И. Тхоревский, 2001). В таких условиях эффективность скоростной двигательной деятельности во многом определяется физиологическими резервами организма спортсмена, которые обеспечивают скоростно-силовую работу. К этим физиологических резервам относятся: активация дополнительного количества двигательных единиц рабочих мышц; повышение частоты разрядов активированныхдвигательныхединиц;степеньодновременнойактивности отдельныхдвигательныхединиц;своевременноевытормаживаниемышц- антагонистов; срочность проведения возбуждения через синапсы, локализованные в структуре моторной системы (А.С. Мозжухин, 1984; O. Girard et al., 2011). Сведения литературы и собственные данные об особенностях выраженности тормозных процессов у спортсменов сравниваемых групп дают основание полагать, что высококвалифицированные спринтеры за счет более выраженного в сравнении с низкоквалифицированнымиспортсменамипресинаптическоготорможения афферентов Ia m. soleus и первичных афферентных волокон m. quadriceps, а также аутогенного торможения, более адекватно и четко дифференцируют и ограничивают афферентные потоки от проприорецепторов на спинальном уровне (M.E. Zidek, 2010;А.А.Челноков,2014).Следовательно,такойуровеньпроявлений пресинаптического и аутогенного торможения мотонейронов спинного мозга позволяет высококвалифицированным спринтерамвыполнять скоростной бег с более рациональной координационной структурой бегового шага в сравнении со спринтерами низкой квалификации. Низкие пороги возбуждения и значительные величины максимальной амплитуды вызванных мышечных ответов у высококвалифицированных спринтеров можно рассматривать как объективное доказательство более высокой возбудимости их моторной зоны коры головного мозга и мотонейронов поясничного отдела спинногомозгавсравнениисоспортсменаминизкойквалификации. Систематические мышечные нагрузки в ходе многолетнего тренировочного процесса приводят к повышению эффективности синаптической передачи от нейронов моторной зоны головного мозга к мотонейронным пулам спинного мозга, а также к повышению рефлекторной возбудимости самих спинальных нейронов, поскольку реализацияфизических упражненийобеспечивается повышенным уровнем ритмических нервных потоков от коры головного мозга к спинальным мотонейронам. Высокая возбудимость нейронных сетей моторной зоны коры больших полушарий головного мозга позволяет квалифицированным спринтерам оперативно и адекватно реагировать на сигналы периферической афферентации от сенсорных систем и предоставляет широкие возможности для осуществления более координированных циклических двигательных действий как при беге по прямой, так и в условиях бега по виражу. ЗАКЛЮЧЕНИЕ В процессе тренировочной деятельности изменяется координационная структура бегового шага. С ростом технического мастерства происходит изменение в длине и частоте шагов. Амплитуда движений в исследуемых суставах и электромиографическиепараметрыдвойногобеговогошагау высококвалифицированных спринтеровболее рациональны по сравнению с низкоквалифицированными. Особенности характеристик моторных ответов и выраженность тормозных процессов обеспечивают спринтерам I разряда и КМС более рациональную координационную структуру бегового шага при быстром беге по прямой и виражу ВЫВОДЫ 1. Характерным для спринтеров низкой и высокой квалификации при беге по виражу в сравнении с бегом по прямой является более короткая длительность двойногобеговогошагаиукорочениепериодаполета,обусловленные существенным снижением продолжительности электроактивности рабочих мышц. При этом происходит значительное увеличение амплитуды движения в коленном суставе в фазе отталкивания правой ногой, которое определяется более продолжительной ЭМГ-активностью m. biceps femoris, m. rectus femoris и m. vastus medialis. 2.Обнаружено,чторегуляцияактивностимышц,обеспечивающих реализацию бегового шага при быстром беге по прямой и виражу, зависит от уровня спортивного мастерства спринтеров: – у квалифицированных спринтеров продолжительность полета превышала длительность опоры, что предопределялось высокой амплитудой ЭМГ-активности мышц передней поверхности бедра в фазе выноса левой ноги в полете. У низкоквалифицированныхспринтеров,наоборот,периодопорыбыл продолжительнее периода полета, что обусловливалось чрезмерным подошвенным сгибанием стопы и высокой амплитудой электроактивности мышц задней поверхности голени в момент опускания ноги к опоре; – для квалифицированных спринтеров характерна более значительная электрическая активность мышц при беге по виражу в сравнении с ее величиной, зарегистрированной в условиях бега по прямой, что обеспечивает высокую скорость преодоления виража и эффективное противодействие центробежной силе. У спринтеров низкой квалификации амплитуда ЭМГ-активности исследуемых мышц при беге по виражу аналогична таковой при беге по прямой и недостаточна для успешного противодействия центробежной силе; – реципрокные отношения мышц-антагонистов голеностопного сустава в фазе подседания, отражающиеся в величинах коэффициента реципрокности,более рациональны у квалифицированных спринтеров, чем у спринтеров низкой квалификации и достигаются за счет существенного возрастания амплитуды ЭМГ- активности m. tibialis anterior. 3. Под влиянием утомления происходит модификация координационной структуры бегового шага, отражающаяся в значительных изменениях его пространственно-временныхпараметровихарактеристикЭМГ-активности. Направленность и количественная выраженность этих изменений зависит от спортивной квалификации спринтеров. В сравнении со спортсменами низкого уровня спортивного мастерства квалифицированные спринтеры в состоянии утомления отличались: значительным увеличением длительности двойного бегового шага при беге по прямой и продолжительности фазы отталкивания при беге по прямойивиражу;болеедлительнойЭМГ-активностьюрабочихмышц; использованием механизма преимущественного увеличения частоты потенциалов действия при относительно неизменной величине амплитуды их электроактивности; рациональным изменением реципрокных отношений мышц-антагонистов бедра и голени в фазе отталкивания. 4. Выраженность пресинаптического и аутогенного торможения спринтеров зависит от уровня их спортивного мастерства. Тормозные процессы в ЦНС в большей степени выражены у высококвалифицированных спринтеров, что создает необходимые возможности для формирования рациональной координационной структуры бегового шага при беге по прямой и виражу, проявляющейся коротким по продолжительности опорным периодом и активными действиями маховой ноги в период полета. 5. Адаптивные процессы, возникающие в ходе многолетней тренировочной деятельности, оказывают специфические влияния на параметры мышечных ответов, вызываемыестимуляциейразличныхотделовЦНС.Спортсменывысокой квалификации отличаются от низкоквалифицированных: высокой возбудимостью моторной зоны коры головного мозга; большей амплитудой ВМО скелетных мышц при стимуляции головного мозга; низкими порогами возбуждения при чрескожной стимуляции спинного мозга и периферического нерва. Такие позитивные изменения функционального состояния нервной системы являются физиологической основой для проявления высоких скоростно-силовых качеств спринтеров. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ 1. Сведения о динамике электрической активности в процессе циклических движений и особенности тормозных процессов в ЦНС у спортсменов разной квалификации можно использовать при моделировании тренировочных нагрузок, оказывающих оптимальное воздействие на функциональное состояние организма спортсменов. 2.Характеристикиэлектрическойактивностискелетныхмышц, обеспечивающих выполнение бега с максимальной скоростью, могут учитываться специалистами по легкой атлетике при отборе специально-подготовительных упражнений. 3.Тренерам,работающимсоспринтерамиразличнойспортивной квалификации, рекомендуется в процессе тренировочной деятельности уделять особое внимание использованию специально-беговых и прыжковых упражнений, влияющих на подъем бедра и длину бегового шага. Перспективы дальнейшей разработки темы. Дальнейшие исследования могут быть направлены на изучение физиологических механизмов регуляции движений у спортсменов в условиях их тренировочной и соревновательной деятельности