Вы здесь

Мышцы как главный инструмент надежности суставов

Мышцам принадлежит особая роль в обеспечении функции суставов, обусловленная следующими их свойствами.

1.    Мышцы являются первоисточником движения. В процессе приобретения двигательного опыта, налаживания все более и более тонких координационных связей между отдельными мышцами, мышечными парами и группами происходит эффективное использование силы тяжести, инерции, реактивных сил, многократно повышающее эффективность деятельности мышц.

2.    Как эффекторный, рабочий элемент суставного аппарата мышцы демонстрируют огромную прочность (реакция опоры при отталкивании в прыжках в длину у мужчины-легкоатлета составляет 700—900 кГ). Эту «запасную» прочность следует оценить как один из факторов формирования избыточной прочности и способов реализации принципа избыточности.



3.    Являясь единственным активным элементом системы, мышцы, с помощью нервной регуляции, способны осуществлять (и на деле постоянно, даже во время сна, рефлекторно осуществляют) коррекцию суставных углов по типу систем слежения, приспосабливают наши движения и действия к тому оптимальному их варианту, который возможен в конкретной ситуации. Они выполняют эту функцию не только в каких-то очень типичных ситуациях, которые достигли уровня генетически закрепленных программ и в которых пассивные элементы оказывают им надежную синергическую поддержку, но и в бесконечном множестве ситуаций, по тому или иному параметру, в той или иной степени отклоняющихся от привычных функций сочленения. И эта функция особенно важна потому, что на практике такие отклонения являются правилом. Любой сустав нашего тела построен таким образом, что не ограничивает возможные движения жесткой ориентацией на свои анатомические оси, на главные оси вращения. Кроме привычных движений существуют и другие, основанные на инконгруентности (неполном совпадении) суставных поверхностей, эластичности хряща, связок и сумки, новые степени свободы, реализация которых возможна исключительно благодаря корригирующей мышечной опеке. В противном случае едва ли не каждое такое движение заканчивалось бы повреждением пассивных элементов (чаще всего — связок) суставного аппарата.

Таким образом, мышцы реализуют пластичность и вариативность функций суставного аппарата — важные факторы надежности. Они же обеспечивают системе максимальную мобилизационную готовность и аварийное регулирование.

4.    Благодаря гораздо более активным обменным процессам, мышцы значительно быстрее, чем кости, хрящи, связки, сухожилия и суставная сумка, после критических, экстремальных нагрузок возвращаются к состоянию физиологического оптимума, готовности к новой работе. С позиций теории надежности это означает, что мышцы обладают гораздо более совершенной (по сравнению с пассивными элементами сустава) износоустойчивостью и ремонтоспособностью: их микротравмы в результате чрезмерных нагрузок залечиваются уже через несколько дней, причем фактически без существенных потерь для свойств самой мышцы. Травмы суставного хряща, сумки и связок дают о себе знать многие недели, месяцы и даже годы; причем полного восстановления их функции часто не происходит. Повторные же травмы резко снижают спортивную трудоспособность.

Таким образом, по степени восстановления после нагрузок, износоустойчивости, мощности, вариабельности и универсальности функций мышцы представляют собой главный элемент в системе обеспечения надежности суставов.

Мы не ставим здесь задачу рассмотреть систему регулирования суставного угла на всех ее уровнях — тем более что механизм построения произвольных и автоматизированных движений достаточно полно освещен в фундаментальных работах И. М. Сеченова, А. А. Ухтомского, Н. А. Бернштейна, B. C. Гурфинкеля, Я. Л. Коца, М. Л. Шика, Р. С. Персон и др. Ниже будут описаны те элементы и механизмы суставного аппарата, которые реализуют его надежность на уровне рабочей системы и применительно к задачам спортивной практики.

Главная из этих задач — предотвращение чрезмерного размаха движения, влекущего за собой повреждение элементов сустава, нарушение функции или снижение ее эффективности.

По способу действия исполнительные элементы системы регулирования размаха движения могут подразделяться на тормозы и ограничители (Тормоз — прибор, механизм для снижения скорости движения чего-либо, вплоть до полной его остановки на протяжении «тормозного пути». Ограничитель — прибор, предмет, ограничивающий действие чего-нибудь, обеспечивающий остановку движения одномоментно в данной точке. (С.И. Ожегов. Толковый словарь русского языка. 1972.)).

Мышцы являются главным суставным тормозом. Их тормозные свойства зависят от степени вязкости и упругости. Упругость и вязкость мышцы находятся в реципрокных отношениях (т.е. взаимосвязаны): с повышением напряжения упругость ее увеличивается, а вязкость уменьшается. Это укорачивает тормозной путь и повышает сопротивление мышцы растягиванию. При прыжках в длину, где реакция опоры достигает 700—900 кГ, мышцы голени в состоянии выдержать такую нагрузку и предотвратить переразгибание стопы в момент опоры на брусок только благодаря своему предельному напряжению. Этот же эффект используют гимнасты в вольных упражнениях. При исполнении сальто стопы спортсмена, благодаря предварительному напряжению мышц голени, выполняют молниеносный упругий «отбив», а не отталкивание в общепринятом смысле. Нам неоднократно приходилось наблюдать, как на занятиях физкультурой, во время выполнения прыжков в длину, у студентов при приземлении уже при первых попытках травмировалась прямая мышцы бедра. Спортсмены путем регулярных тренировок приобретают устойчивый навык предварительного напряжения этой мышцы; в результате еще до приземления она находится в состоянии, обеспечивающем достаточную для погашения скорости упругость.

Подобная антеципация (предварение неблагоприятных воздействий адекватным напряжением) в деятельности мышц как суставного тормоза наблюдается во всех знакомых, освоенных движениях. Причем чем выше автоматизация этих движений, тем точнее и прочнее закреплен навык предварительного возбуждения мышц. Так, Т. Corser показал, что при естественной ходьбе активность мышц-амортизаторов на 20—25 мс «опережает события».

Таким образом, при своевременном «включении» мышцы действуют как наиболее надежный активный тормоз. В этом случае нужно различать два возможных варианта торможения.

Первый вариант — остановка сравнительно медленных движений, когда время возникновения возбуждения, достаточного для эффективного торможения, заведомо меньше времени перемещения суставных концов в критическом угловом диапазоне. Такими характеристиками отличаются обычно контролируемые движения, сопровождающиеся произвольным сокращением мышц.

Имеются данные о зависимости времени произвольного сокращения от специфики мышечной деятельности. Например, занятия легкой атлетикой заметно увеличивают скорость сокращения тренируемых мышц; у бегунов и прыгунов это явление наблюдается только в мышцах нижних конечностей. Повышенная статическая нагрузка увеличивает латентный период сухожильного рефлекса.

И. М. Янкаускас, применив несколько рискованное сопоставление спортсменов с не спортсменами (без учета решающего влияния спортивной специализации), тем не менее обнаружил, что продолжительность латентного периода стретч-рефлекса у первых достоверно ниже. С возрастом продолжительность латентного периода снижается: с 670—598 мс у 4-летних до 146—170 мс у 17-летних. Продолжительность латентного периода произвольных движений у мальчиков и девочек имеет несущественные отличия.

Второй вариант — остановка быстрых, уже не подвластных произвольному контролю движений. В эксперименте была выявлена зависимость скорости сокращения мышц от их деления на «быстрые» и «медленные». «Быстродействие» мышц увеличивается, если имеется некоторый исходный фон возбуждения, который обеспечивает, например, полноценная разминка перед выполнением основных или наиболее ответственных упражнений на тренировке или состязании.

Надежность суставов

Однако, во всех этих работах реактивность мышц оценивается с точки зрения их сокращения из некоего среднего положения. Причем для активизации мышц исследователями использовались, как правило, искусственные сигналы: сухожильный рефлекс, стимуляция электрическим током и т.д.

В практике спорта роль мышц в активном торможении всецело зависит от скорости их возбуждения в ответ на «натуральный» раздражитель — предельно быстрое и неожиданное их растягивание. Если мышцы не успевают включиться в процесс торможения, то вся сила движущегося звена обрушивается на пассивный тормозной аппарат. Как правило, суммарных возможностей синергического комплекса пассивных тормозов (кожи, подкожной клетчатки, связоки сумки сустава, расслабленных мышц) оказывается недостаточно, и травма сустава становится неизбежной. Известно, что в результате растягивания происходит возбуждение мышцы (по своей роли в предотвращении травмы в результате чрезмерного размаха движения такое возбуждение может быть названо «охранительным»). Очевидно, для решения задачи предупреждения травмы следует сопоставить микроинтервалы латентного периода рефлекса растяжения (ЛПРР) и времени достижения костными рычагами критического угла. Если первый микроинтервал будет меньше второго, то тормозные возможности кинематического узла резко возрастут и возможность предотвращения травмы будет выше.

Исходя из этих положений, важнейшее значение для выяснения степени подверженности суставным травмам имело бы определение следующих величин:

  • 1)    границ допустимых микроинтервалов ЛПРР для достижения предельного размаха движения в конкретном суставе;
  • 2)    величины индивидуальных колебаний ЛПРР;
  • 3)    наличия или отсутствия взаимосвязи ЛПРР и силы «охранительного» возбуждения мышцы с двигательной специализацией и степенью автоматизации их функции.

В случае положительного решения третьей задачи мы получили бы возможность моделировать специфическую реактивность мышц и управлять этим аспектом надежности сочленения.

Поставленные задачи исследовались нами в эксперименте — в различных группах испытуемых с типовыми моделями активности короткого лучевого разгибателя кисти. Этими моделями были:

  • а)    неупорядоченные, вполне ординарные по силе и быстроте движения (не занимающиеся спортом: 20 мужчин и 20 женщин);
  • б)    высокоамплитудные, относительно медленные, облегченные движения (гимнастки-«художницы»);
  • в)    динамичные, легкие движения, предельно дифференцированные по ритму выполнения, степени нагрузки и изменению суставного угла (бадминтонисты, игроки в настольный теннис);
  • г)    статические напряжения со значительной силовой нагрузкой и большим ее объемом (лыжники-гонщики).

Обследовались только высококвалифицированные спортсмены (15—19 мастеров спорта и кандидатов в мастера спорта в каждой группе) со стажем тренировки не менее 5 лет. Имелось в виду, что уровень мастерства может служить критерием эффективности усвоения и применения соответствующих технических приемов, а большой стаж гарантирует стабильность и глубину функциональной адаптации мышц.

Условия гиперфлексионной травмы запястья моделировались на сконструированной нами установке. На двух каналах осциллографа регистрировались механограмма резкого (длительностью около 30 мс), неожиданного для испытуемого насильственного сгибания кисти до предела пассивного движения и биотоки с брюшка растягивающегося при этом короткого лучевого разгибателя кисти. ЛПРР оценивался по времени отставания появления биопотенциалов от начала механограммы.

Вначале анализировалась существенность различий в продолжительности ЛПРР у мужчин и женщин 18—25 лет. Во всех группах испытуемых половые различия оказались несущественными (табл. 11), и каждый раз они были значительно меньше разброса индивидуальных показателей Л ПPP. Наряду с этим можно отметить некоторое закономерное уменьшение различий у мужчин и женщин под влиянием занятий одним и тем же видом спорта. Это следует объяснить влиянием доминирующей, сходной по всем параметрам активности мышц при узкоспециализированной деятельности. Это сближение, функциональная конвергенция мышечной реактивности выражается не только в уменьшении различия средних значений, но и в снижении квадратических отклонений.



Продолжительность ЛПРР у мужчин и женщин 18-25 лет

Наши данные вполне соответствуют результатам исследования времени появления биотоков при произвольном напряжении мышц, по которому мужчины практически не отличаются от женщин.

По времени реакции наши данные соответствуют продолжительности латентного периода Н-рефлекса, стимулированного одиночным электрическим импульсом, или моносинаптического рефлекса на растягивание мышцы при ожидаемом воздействии (И.Н.Сальченко, 1975). В то же время ЛПРР во всех случаях, у всех отдельно взятых испытуемых, заметно ниже минимального времени появления биотока (70—80 мс) при произвольных движениях. По длительности ЛПРР обследованные спортсмены разделились на две группы (табл. 12).

Зависимость продолжительности ЛПРР от специфики активности мышц

В первой группе (гимнастки-«художницы») этот показатель существенно выше, чем у не занимающихся спортом. Очевидно, это является следствием относительно медленной высокоамплитудной работы кисти и широкого применения вспомогательных упражнений на растягивание мышц предплечья. Вместе с почти полным отсутствием значительных силовых напряжений такой режим приводит к образованию условного миотатического рефлекса, при котором роль экстренного растягивания — как пускового механизма возбуждения мышц, блокирующего опасный размах движения, — снижается. Мышцы постепенно все в большей степени адаптируются к работе по заранее заданной программе гимнастических комбинаций.

Замедленное реагирование мышц является одной из главных причин травматизации суставов в спортивной гимнастике — в особенности у гимнастов высокого класса, — на которую указывают многие авторы, обследовавшие юношеские сборные команды страны.

Требуемая стабильность выполнения элементов и связок гимнастического упражнения реализуется посредством увеличения количества попыток, подходов и т.д. в соответствии с ростом мастерства. Мало того, что комбинация движений на любом снаряде постоянно повторяется в течение 1,5—2 лет. Упражнения последующих программ включают практически прочно освоенные элементы — изменяются лишь порядок их выполнения и связки. Таким образом, мастера гимнастики доводят запрограммированные комбинации движений до высочайшей степени автоматизма.

В этих условиях малейшее (чаще всего — случайное и неожиданное) отклонение от заданных программой пространственных, временных и динамических параметров движения грозит суставной травмой. Мышцы оказываются пассивными как раз в тот момент, когда их своевременное возбуждение предотвратило бы превышение физиологического предела амплитуды. Характерно, что значительное количество травм у гимнастов происходит при выполнении упражнений без достаточной настройки, сразу в полную силу или на незнакомых снарядах. Даже незначительное изменение сцепления, амортизационных свойств и фактуры ковра для выполнения вольных упражнений порождаету опытных гимнастов чувство неуверенности, нарушает стабильность и привычную структуру движений, что в совокупности нередко приводит к травмам. Большую опасность в этом смысле представляет момент включения в разминку новых, необычных упражнений. Очень много травм происходит при нерегулярном и редком использовании во вводной и заключительной частях тренировочного урокаспортивныхигр: футбола, баскетбола, волейбола (здесь они расположены постепенитравмоопасности). Обширная диф-ференцировка и разнообразие игровых ситуаций в совокупности с азартом и эмоциональным подъемом ослабляют самоконтроль, резко увеличивают количество рискованныхситуаций. В качестве примера можно привести парадоксальные результаты анкетирования артисток балета. Предельнотренированная в классических позициях, «стальная» стопа балерины чаще всего травмируется в бытовых ситуациях: «спускалась по лестнице», «пробежала несколько метров до автобуса», «попался камешек» и т.д.

Вернемся к данным табл. 12. У представителей другой группы спортсменов продолжительность ЛПРР существенно меньше, чем у не занимающихся спортом (рис. 27).

Скорость возникновения и сила охранительного возбуждения

У бадминтонистов и теннисистов это уменьшение ЛПРР объясняется привычным режимом деятельности мышцы, обеспечивающей предельно быстрые и разнообразные движения кисти, вооруженной легкой ракеткой. Высокий темп современной игры, быстрое следование друг за другом резко дифференцированных по силе, размаху и направлению кистевых ударов диктует выполнение так называемых фиксированных (в отличие от баллистических) движений. Спортсмен, едва закончив удар, должен быть готов к последующему действию. Это, в частности, связано с преодолением инерции ракетки, с мобилизацией обширного арсенала реципрокных (взаимосвязанных) отношений мышц-агонистов и антагонистов.

Несколько неожиданное снижение продолжительности ЛПРР зафиксировано у лыжников-гонщиков. Анализ движений кисти лыжника-гонщика позволяет предположить, что это снижение происходит в результате огромного количества (до 10 000 за тренировку) отталкиваний палкой. При отталкивании кисть фиксирована в среднем положении; мышцы предплечья испытывают интенсивную, относительно кратковременную нагрузку удерживающего характера и адаптируются к ней с образованием условного рефлекса, противоположного описанному выше рефлексу на растягивание. Если у гимнасток-«художниц» роль растягивания мышц, как сигнала для экстренного «охранительного» их возбуждения, снижена в результате привычного и «безопасного» растягивания, то у лыжников-гонщиков мышцы предплечья адаптированы к постоянному сокращению. Малейшее растягивание служит надежным сигналом для немедленного возбуждения мышц, призванного восстановить привычный суставной угол, резко нарушенный вмешательством извне.

Характерно, что вместе с уменьшением средней продолжительности ЛПРРу бадминтонистов, игроков в настольный теннис и лыжников-гонщиков резко снижается и диапазон индивидуальных колебаний, что выражается в значительном уменьшении квадратических отклонений и ошибок средней. Надо полагать, этот факт также свидетельствует о строго определенной направленности адаптивных изменений.

Сопоставление экспериментального времени достижения предела сгибания кисти (30—37 мс — в зависимости от индивидуального предела размаха) с полученными показателями ЛПРР косвенно свидетельствуют об индивидуальной подверженности травмам лучезапястного сустава. Говорить же об установлении прямых количественных соотношений «вообще» не имеет смысла, поскольку в опыте был воспроизведен лишь один вариант (хотя, может быть, и главный) условий возникновения флексионной травмы запястья. Тем не менее, при прочих равных условиях, снижение продолжительности ЛПРР повышает вероятность предупреждения травмы, что может служить основанием для использования ЛПРР определенных мышц и мышечных групп в качестве физиологического теста для оценки подверженности травмам разных суставов при выполнении различных движений.

Однако оценка только по ЛПРР будет неполной. Быстро, но недостаточно сильно реагирующая на растягивание мышца, в случае приложения к костным рычагам значительной силы, не сможет блокировать превышение безопасного размаха движения. Таким образом, сила «охранительного» возбуждения мышц будет другим важнейшим критерием оценки подверженности суставов травмам.

Имеющиеся в нашем распоряжении предварительные данные позволяют предположить существование взаимосвязи между силой возбуждения, оцениваемой по амплитуде биопотенциалов, и спецификой привычной активности мышцы.

Естественно, что максимальную надежность сочленения обеспечивают минимальный ЛПРР и максимальная сила «охранительного» возбуждения мышц. При различных вариантах движения первостепенное значение могут приобретать различные параметры мышечной системы регулирования суставного угла. При быстрых и относительно легких движениях — это ЛПРР. При сильных движениях, большой массе (а следовательно, инерции) перемещаемых звеньев и сравнительно малой их скорости — это сила «охранительного» возбуждения мышц. Можно предположить, что низкий процент травм лучезапястного сустава у представителей силовых видов спорта объясняется тем, что большая продолжительность ЛПРР частично компенсируется значительной силой «охранительного» возбуждения мышц предплечья.

Таким же образом недостаток силы возбуждения у бадминтонистов и игроков в настольный теннис компенсируется снижением продолжительности ЛПРР.



Из обследованных спортсменов (см. табл. 12) самой низкой надежностью обладают лучезапястные суставы у гимнасток-«художниц»: их мышцы проявляют неблагоприятную реакцию по обоим параметрам (уже после первых передач мяча при игре в волейбол гимнастки жалуются на сильную боль с тыльной стороны лучезапястного сустава).

Однако не следует думать, что занятия тем или иным видом спорта «роковым» образом влияют на специфическую реактивность мышц.

Во-первых, благодаря довольно большому разбросу индивидуальных показателей во всех группах обследованных спортсменов оказались лица с благоприятным и неблагоприятным уровнем реактивности (например, с уменьшением средних значений ЛПРР число испытуемых с благоприятной реактивностью закономерно возрастает). Объяснением этому могут служить индивидуальные различия ЛПРР, существовавшие до начала занятий спортом; различная активность мышц в процессе бытовой и производственной деятельности; разные комплексы применяемых вспомогательных и подводящих упражнений. Все это вместе взятое так или иначе влияет на специфическую адаптацию к условиям выполнения основного упражнения.

Во-вторых (и это главное), травматизма можно избежать посредством рационального построения тренировки. Приведенные выше данные указывают, что между специализированной активностью мышц, временем возникновения и силой «охранительного» возбуждения существует тесная взаимосвязь. Наличие такой связи предоставляет спортсмену и тренеру возможность управлять обоими этими параметрами функции мышц — посредством направленного применения двигательных режимов, оказывающих на них избирательное воздействие. Оптимальный эффект повышения надежности могут обеспечить лишь специально подобранные комплексы узкоспециализированных упражнений для конкретныхмышцсочленений.

Таким образом, в нашем частном случае, если бадминтонист будет включать в программу своих тренировок упражнения со штангой или на гимнастической перекладине, а штангист будет регулярно выходить на площадку для игры в бадминтон, то надежность их лучезапястных суставов увеличится, станет более универсальной.

Практика спорта ставит вопрос о разработке комплексов вспомогательных упражнений, адекватных условиям предупреждения травм в том или ином виде спорта и индивидуальным данным каждого спортсмена. Это должно увеличить удельный вес вводной и заключительной частей тренировочного урока, потребует широкого применения в тренировке «компенсационных» видов спорта — особенно игровых.

И все же следует заметить, что объяснять описанные различия продолжительности ЛПРР исключительно образованием соответствующих рефлексов было бы недостаточно. Очевидно, важную роль играют и периферические морфофункциональные механизмы. К их числу можно отнести адекватное (формирующееся в процессе индивидуальной деятельности) соотношение быстрых и медленных волокон в одной мышце, которое, например, достоверно отражается на времени изометрического сокращения, вызванного электрическим током. По аналогии со временем произвольного сокращения можно предположить, что продолжительность ЛПРР в какой-то степени зависит от способа упаковки миофибрилл в пучки, от степени развития в них саркоплазматической сети, от калибра ин-нервирующих нервных волокон и т.д. Надо полагать, что важную роль играет степень совершенства проприоцептив-ной иннервации — как начального звена в системе регулирования суставного угла. Количество и соотношение первичных и вторичных нервно-мышечных веретен, количество и степень развития сухожильных нервных окончаний, очевидно, также могут влиять на время возбуждения и его пороговые значения.