Мышечное утомление

Многочисленные литературные данные, характеризующие мышечное утомление, свидетельствуют о том, что эта проблема исследуется по двум основным направлениям: первое – это изучение роли самой мышцы в процессе утомления, второе развивает представление И.М.Сеченова о том, что при мышечной работе утомление наступает в первую очередь в нервных центрах.

С позиции теории функциональных систем, разработанной П.К.Анохиным, утомление следует рассматривать не как локальный процесс, происходящий только в мышце или только в центральной нервной системе, а как новый уровень саморегуляции в системе, определяющей двигательную активность организма. Такая функциональная система включает следующие основные звенья:

исполнительное звено – сократительный аппарат мышцы, работа которого тесно связана с обменом веществ в ней и зависит от кровоснабжения, гормональных и нервных влияний; центральное звено – нейроны различных уровней центральной нервной системы, обеспечивающие через афферентные пути работу исполнительного звена; рецепторы результата – проприорецепторы мышцы, посылающие в центральную нервную систему по афферентным проводникам импульсацию, выполняющую роль трех типов афферентаций (обстановочной, пусковой и обратной), сформулированных в теории функциональных систем.

Полезным результатом этой функциональной системы является обеспечение двигательной активности без нарушения гомеостаза в организме. Если между сократительной активностью и метаболическими возможностями мышцы имеется динамическое равновесие, то все звенья системы работают по принципу саморегуляции согласованно, работоспособность мышцы при этом не снижается. Так, при некоторой оптимальной частоте сокращений мышца может работать практически без утомления. Если же сократительная деятельность превышает метаболические возможности (слишком велик груз, частота сокращений) или сократительная деятельность невелика, но метаболические возможности снижены (например, при нарушении кровообращения), то есть, если в исполнительном звене наблюдается рассогласование, проприорецепторы информируют об этом центральное звено. Изменения в крови при этом еще не обнаруживаются. Исследования показали, что в процессе длительной работы мышцы происходит постепенное уменьшение поступающей из нее афферентной импульсации. Изменение афферентного потока, поступающего в центральную нервную систему, вызывает перестройку саморегуляции двигательной системы, переход ее на низкий уровень функционирования.

С позиции теории функциональных систем утомление – это не истощение, а процесс, который, как писал А.А.Ухтомский, не допускает истощения организма.

Динамика утомления. Переутомление

Утомление  временное снижение работо­способности, вызванное предшествующей деятельностью. Оно проявляется в уменьше­нии мышечной силы и выносливости, воз­растании количества ошибочных и лишних действий, изменении частоты сердечных со­кращений и дыхания, увеличении артериаль­ного давления, времени переработки посту­пающей информации, времени зрительно-моторных реакций. При утомлении ослабля­ются процессы внимания, его устойчивость и переключаемость, ослабляются выдержка, настойчивость, снижаются возможности па­мяти, мышления. Выраженность изменений состояния организма зависит от глубины утомления. Изменения могут отсутствовать при незначительном утомлении и приобре­тать крайне выраженный характер при глубо­ких стадиях утомления организма.

Субъективно утомление проявляется в виде ощущения усталости, вызывающего же­лание прекратить работу или снизить величи­ну нагрузки.

Различают 3 стадии утомления. В первой стадии производительность труда практичес­ки не снижена, чувство усталости выражено незначительно.

Первая, начальная стадия отличается тем, что постоянное возрастание за счет увеличения волевого напряжения уровня возбуждения всех централь­ных (корковых, подкорковых, спинальных) структур моторного аппарата обеспечивает рекрутирование дополнительных нейромоторных единиц и таким образом осуществляет компенсацию снижения величины сокра­тительного эффекта наиболее легко утомляемых (из состава задействован­ного в выполняемую деятельность нейромоторного пула) волокон в рабо­тающих мышцах.

Во второй стадии производительность труда снижена существенно, чувство усталости выражено ярко.

Вторая стадия утомления характеризуется активным торможением мышечной деятельности со стороны программно-контрольного механизма (акцептор результатов действия по П.К. Анохину) при наличии высокого уровня активации всех центральных структур моторной системы и наличии определенных резервов в мышечной системе, создающих возможность еще некоторое время продолжать выполнение мышечной работы.

В третьей стадии производительность труда может быть снижена до нулевых показателей, а чувство усталости сильно выражено, сохраняется после отдыха и иногда еще до возобновления работы.

Конкретный момент прекращения деятельности определяется про­граммно-контрольным механизмом в соответствии с характером мотивации и некоторыми другими условиями выполнения этой деятельности.

Эту стадию иногда характеризуют как стадию хронического, патологического утомления, или переутомления. Переутомле­ние проявляется в снижении производитель­ности труда, творческой активности и умст­венной работоспособности, росте заболевае­мости. Происходит и изменение периодики продукции биологически активных веществ.

Различают 4 степени переутомления: начи­нающееся, легкое, выраженное и тяжелое. Меры борьбы с ними должны соответство­вать выраженности психофизиологических проявлений. Так, начинающееся переутомле­ние хорошо компенсируется при четкой рег­ламентации времени труда и отдыха. Легкая степень переутомления эффективно снимает­ся в период очередного отпуска при рациональном его использовании. Выраженное переутомление требует срочного лечения в са­натории, а тяжелая степень переутомления требует лечения в условиях клиники. В зави­симости от характера труда различают физи­ческое и умственное утомление.

Функциональные системы трудовой дея­тельности человека отражают интеграцию центральных и периферических структур и механизмов, определяющих эффективное до­стижение полезных результатов труда. Утом­ление сопряжено с определенными измене­ниями, возникающими как в эфферентном, так и в центральном звеньях этих функцио­нальных систем. В историческом плане пер­выми были разработаны теории утомления периферического звена. Теория Шиффа свя­зывала развитие утомления с недостаточнос­тью энергетических запасов  гликогена, жирных кислот (теория истощения). Теория Ферворна связывала развитие утомления с недостатком кислорода (теория удушения). Пфлюгер объяснял утомление появлением в мышцах молочной кислоты или токсинов утомления (теория засорения). Современные исследования дают основание считать, что все вышеизложенные причины утомления могут иметь место при напряженной физи­ческой работе. В результате в мышцах может наблюдаться процесс разобщения электроме­ханического сопряжения.

При работе малой и средней интенсивности утомление развивается в центральном звене  в синапсах спинальных центров ра­ботающих мышц, а также в клетках коры большого мозга, формирующих произволь­ные (рабочие) движения. Эти положения нашли отражение во множестве вариантов центрально-нервной теории утомления. Со­гласно одному из них, к нейронам коры большого мозга поступает огромный поток сигналов от работающих мышц, зрительного, слухового и других анализаторов. Одновре­менно на эти же нейроны действуют метаболиты из работающих мышц, снижая их ла­бильность. Сочетанное действие этих факто­ров приводит к угнетению активности нейро­нов коркового отдела двигательного анализа­тора. Развитие торможения в центральных механизмах управления приводит к сущест­венным сдвигам в состоянии регуляторных систем на периферии, в эффекторах.

Механизмы утомления при физической работе во многом сходны с таковыми при ра­боте умственной. В обоих случаях лимитиру­ющим звеном является утомление в центральных механизмах, которые могут быть общими для физического и умственного труда. Поэтому физическое и умственное утомле­ние существенно влияют друг на друга. При физическом утомлении умственная деятель­ность малопродуктивна, равно как при умст­венном утомлении снижается физическая ра­ботоспособность, поскольку в обоих случаях имеет место существенное эмоциональное напряжение, сопровождаемое сходными ве­гетативными сдвигами.

Таким образом, различия между умствен­ным и физическим утомлением имеют отно­сительный характер. Поэтому и в методах профилактики утомления при различных видах труда много общего.

Утомление и неутомляемость

Проблема утомления и восстановления, в разработку которой Г.В.Фольборт внес столь существенный вклад, продолжает оставаться одной из наиболее актуальных в теоретическом и практическом отношении. Четыре правила Фольборта, признанные И.П.Павловым, сыграли большую роль в формировании исходных позиций нескольких поколений физиологов и не утратили своего значения по настоящее время. Первое из них гласит: «Работоспособность органа не является его постоянным свойством, а определяется в каждый данный момент уровнем, около которого колеблется баланс процессов истощения и восстановления». После длительной или напряженной деятельности работоспособность снижается, что подтверждено как жизненной практикой, так и многочисленными экспериментами на мышцах и железах.

Вместе с тем известно, что, в отличие от скелетных мышц, или пищеварительных желез, кардио-респираторная система функционирует непрерывно на протяжении всей жизни организма. Физиологическую неутомляемость сердца И.М.Сеченов положил в основу научного обоснования восьмичасовой длительности рабочего дня еще в 1895 г., когда его фактическая длительность составляла от 12 до 14 ч. При этом И.М.Сеченов исходил из того, что ритмическая деятельность сердца состоит их систолы и диастолы, длительность которых при частоте пульса 75 уд./мин соотносится как 3/5. Длительность диастолы становится достаточной для полного восстановления сократительной способности миокарда.

Деятельность дыхательного центра продолговатого мозга и главной дыхательной мышцы – диафрагмы могут служить еще одним примером относительной физиологической неутомляемости. В отличие от соотношения длительности систолы и диастолы в миокарде, соотношение длительности фаз вдоха и выдоха менее экономно: при нормальном спокойном дыхании с частотой 12 циклов в минуту составляет 5/6 или даже 9/10. Тем не менее, несмотря на более короткий период отдыха и дыхательный центр и диафрагма в обычных условиях работают в режиме физиологической неутомляемости.

Одним из механизмов неутомляемости системы, состоящей из утомляющихся элементов, может быть структурная организация, предусматривающая наличие дежурных единиц. Такая система требует определенной избыточности функциональных единиц, каждая из которых получает возможность восстановления своего энергетического потенциала за время, значительно превышающее длительность фазы отдыха в системе. Патологические процессы, связанные с деструкцией части органа или с хирургическим удалением, снижают число резервных функциональных единиц, создают предпосылки для утомления физиологически неутомляемых образований. Вторым механизмом неутомляемости следует считать одновременное протекание филогенетически наиболее древних анаэробных и более молодых – аэробных процессов освобождения энергии, типичное для миокарда или нейронов продолговатого мозга. Развитие утомления в физиологически неутомляемых системах проявляется в нарушениях ритма и является признаком обратимых или необратимых патологических изменений. В системе дыхания нарушения ритма проявляются в частом возникновении вставочных вдохов, укорочении дыхательных периодов, частой смене характера дыхания. Фазовый анализ кардио- и пневморитма позволяет осуществлять раннюю диагностику утомления в системе дыхания и кровообращения.

Отдых и профилактика утомления

Труд и отдых  две стороны единого процес­са жизнедеятельности организма. Отдых  состояние покоя или такого вида деятельнос­ти, которое снимает утомление и способству­ет восстановлению работоспособности. Еще И.М.Сеченов установил, что деятельность одних мышечных групп или конечностей способствует устранению утомления, возни­кающего при работе, в других мышечных группах. Это явление получило название ак­тивного отдыха.

Активный отдых  это отдых, заполнен­ный каким-либо видом деятельности, отлич­ным от выполняемого труда. При утомлении легкой или средней степени смена работы приводит к более быстрому и полному вос­становлению работоспособности по сравне­нию с отдыхом в покое. Активный отдых ис­пользуется и при умственном труде. Смена напряженной интеллектуальной деятельнос­ти другим ее видом или легким физическим трудом приводит к быстрому снятию утомле­ния, исчезновению ощущения усталости.

Механизмы активного отдыха, согласно одной из гипотез, связаны с явлениями ин­дукции в нервных центрах: активные центры, управляющие деятельностью, используемой в качестве активного отдыха, «наводят», инду­цируют и углубляют процессы торможения в утомленных центрах, чем способствуют более быстрому восстановлению их функциональ­ных возможностей. Согласно другой гипоте­зе, эффекты активного отдыха развиваются в результате дополнительной афферентации от новых групп рецепторов, посредством чего повышается общий тонус ЦНС, ускоряются восстановительные процессы. Вероятно, обе эти гипотезы дополняют друг друга.

В профилактике развития утомления, сни­жении его глубины большую роль играет ра­циональная организация труда и отдыха, учи­тывающая специфику работы. Так, прекра­тив физическую работу, человек сразу вы­ключается из трудового процесса, а потому достаточно эффективными могут оказаться приемы пассивного отдыха, особенно при тя­желом физическом труде.

При умственной работе мозг склонен к инерции, продолжению мыслительной дея­тельности в заданном направлении. После окончания работы «рабочая доминанта» пол­ностью не угасает, что вызывает более дли­тельное утомление ЦНС, чем при физичес­ком труде.

Правильная организация труда включает внутрисменные перерывы на отдых, исполь­зование так называемой функциональной музыки. Сменность работы в различное время суток нежелательна, поскольку разви­вается десинхроноз.

Работоспособность человека в значитель­ной мере определяется процессами восста­новления, протекающими на разных этапах жизнедеятельности.

Восстановление

Восстановление  процесс возвращения по­казателей гомеостазиса и структурных эле­ментов организма к исходному состоянию после прекращения работы, устранение про­дуктов интенсивного обмена веществ.

Восстановление исходного состояния про­исходит по принципу саморегуляции. При этом наблюдается гетерохрония в восстанов­лении функций различных систем организма. Установлено, например, что после работы средней тяжести величина потребления кис­лорода возвращается к исходному уровню раньше, чем снижается до нормы концентра­ция молочной кислоты в крови, а восстанов­ление уровня резервной основности крови затягивается на более долгий срок.

Процессы восстановления энергетических ресурсов в самой скелетной мышце также протекают гетерохронно. Например, содержа­ние АТФ возвращается к исходному уровню через несколько секунд или минут, креатинфосфат восстанавливается несколько медлен­нее, для достижения исходного уровня глико­гена требуются уже десятки минут, а иногда  несколько часов, содержание белков восста­навливается еще позже. Гетерохрония восста­новительных процессов выражена тем более ярко, чем тяжелее функциональные нагрузки.

Различают текущее и послерабочее восста­новление.

Текущее восстановление происходит во все периоды функциональной активности, обеспечивая развертывание функций в пе­риод врабатывания, сохранение работоспо­собности в ходе работы и отдаление сроков развития утомления. Оно осуществляется при взаимодействии нейрогуморальных ме­ханизмов регуляции и саморегуляции кле­точных обменных процессов и синтеза белка. Так, например, гипоталамус обеспе­чивает развитие процессов восстановления в работающих органах и тканях за счет нейроэндокринных механизмов, мобилизующих функции гипофиза, надпочечников и других эндокринных желез. Особенно важно адап­тационно-трофическое влияние симпати­ческого отдела вегетативной нервной сис­темы, направленное на активацию работы скелетных мышц, ЦНС, сердечно-сосуди­стой системы. Большую роль в восстанови­тельных процессах играет перераспределе­ние кровотока, за счет чего увеличивается доставка к активно работающим органам и тканям кислорода, питательных веществ и ускоряется удаление конечных продуктов обмена.