2019, Vol. 43
2. 上海体育学院 运动科学学院，上海 200438
2. School of Kinesiology, Shanghai University of Sport, Shanghai 200438, China
肌肉力量(muscular strength)简称肌力。德国出版的《运动科学辞典》中[1], 将肌力定义为神经肌肉系统产生冲量的能力。该定义将肌力的生理学意义和物理学意义进行了统一, 为肌力的评价和诊断提供了理论依据。从神经生理学和生物力学角度看, 肌力具有2层含意:①它是神经肌肉系统的一种功能, 运动单位的兴奋性、神经募集肌肉信号的频率、参与工作的肌纤维数量和体积以及肌肉的长度与收缩速度等因素均会对其产生影响; ②它以力和力矩的形式表现于人体的运动, 是人体各关节、各环节运动的动力源泉。
在神经生理学和生物力学领域, 人体运动可以理解为在神经肌肉系统的支配与控制下完成的多关节、多肢体运动, 而执行运动的系统又是一个力学系统; 因此, 欲完整理解人体运动必须从神经生理学和生物力学2个角度进行探讨, 这就构成了神经生物力学(Neuromechanics)的研究范畴。Enoka[2]在其著作中认为, 神经生物力学是神经系统与人体力学特性的相互作用。笔者在CNKI、Google Scholar和WOS数据库中以最大力量(maximal strength)、快速力量(speed strength)、拉长—缩短周期(stretch-shortening- cycle)、肌耐力(muscular endurance)、肌力训练(strength training)和神经动作控制(neuromotorcontrol)等中英文关键词为主题进行检索, 并参考了Enoka的专著和国际奥委会医学委员会(IOC Medical Commission)出版的Strength and Power in Sport中神经肌肉训练相关的经典内容, 从神经生物力学的角度系统回顾经典与最新研究文献, 就影响最大力量、快速力量、肌耐力等肌肉力量的相关因素进行探讨, 依此构建与肌肉力量诊断相关的生物力学指标与方法体系。
1 肌力的表现形式及其神经生物力学特征 1.1 最大力量的神经生物力学特征最大力量是指肌肉进行最大收缩时产生的张力, 它主要取决于肌肉横断面积[3-5]、快慢肌比例[6-7]以及肌肉的随意收缩能力, 即神经控制[8]。影响最大力量的生物力学因素还包括肌纤维的排列、肌肉长度(肌肉收缩的力—长度关系、关节角度可影响肌肉长度)、肌肉收缩速度(肌肉收缩的力—速度关系、关节角速度可影响肌肉收缩速度)等[9]。根据肌肉收缩形式的不同, 最大肌力又可以分为3种具体的形式, 即最大等长收缩肌力、最大向心收缩肌力和最大离心收缩肌力[10]。最大等长收缩(静力性收缩)肌力是指肌肉收缩力量等于外在负荷的情况下发挥出的最大肌力, 此时的肌肉长度保持不变; 最大向心收缩肌力是在肌肉收缩力量大于外在负荷的情况下所克服的最大阻力, 该情况下肌肉长度缩短; 最大离心收缩是肌肉收缩力量小于外在负荷, 肌肉被动拉长时产生的最大力量。在一般情况下, 最大离心收缩肌力的值最大, 这是因为中枢神经系统对于肌肉离心收缩的控制方式有别于等长和向心收缩[11-12]。已有研究表明, 股四头肌或其他肌肉进行以上3种方式的最大收缩时, 虽然离心收缩时肌肉具有更低的神经激活程度[13-14], 但被拉长的肌肉—肌腱系统被动产生弹性力, 以及刺激肌梭产生牵张反射, 均增加了肌肉收缩的力量[15]。根据训练水平和所测肌肉的不同, 最大离心收缩肌力高于最大等长收缩肌力5%~40%, 最大等长收缩肌力高于最大向心肌力10%~15%[16]。
从神经生物力学的角度看, 最大力量主要是指肌肉的随意收缩能力, 即肌肉在做最大收缩时神经募集运动单位的数量和神经冲动频率的综合反映[17]。基于以上3种最大力量的产生形式, 可利用最大等长收缩肌力和最大离心收缩肌力之差评价肌肉随意收缩的能力。对于训练有素的运动员, 力量差很小, 约为5%。没有经过训练的人力量差较大:上肢伸肌为25%~40%;下肢伸肌为10%~25%[18]。
1.2 快速力量的神经生物力学特征快速力量是肌肉在尽可能短的时间内产生最大张力的能力。根据功率(power)的物理学定义, 有时又将快速力量等同于肌肉的爆发力(muscular power), 即肌肉的收缩力量与收缩速度的乘积(P=F·V), 该指标反映的是肌肉力和速度结合的一种能力。从力学定律看, 力的运动效果与它在有限时间内最大限度产生冲量的能力有关, 据此又可将快速力量定义为神经肌肉系统在有限的时间内最大限度产生冲量的能力[19]。
1.2.1 等长收缩和向心收缩从肌肉收缩力量—时间曲线可以归纳出影响快速力量的重要因素:最大肌力(Fmax)、到达最大肌力所需时间(Tmax)、初始发力率(initial rate of force development, IRFD)和最大发力率(maximal rate of force development, MRFD)等(图 1), 这些因素均可以在一定程度上解释发挥快速力量时的神经肌肉支配状态。发力率(rate of force development, RFD)指的是单位时间力量的增量, 即力量—时间曲线的斜率, 它与单位时间内神经对运动单位的募集、神经冲动的频率以及肌肉收缩的类型有关, 是反映快速力量的一个重要标志[20]。RFD是一个可以高度训练的肌力因素, 特别是大负荷爆发力训练和增强式训练(Plyometric), 可使其增长40%~55%[21]。
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图 1 不同负荷上臂伸肌的力量—时间曲线[1] Figure 1 Force-time curves of extensors of upper arm under different loads 注:Fmax为最大等长收缩肌力, Tmax为达到最大等长收缩肌力的时间 |
对于拳击、击剑和空手道等需要快速起动的弹震式动作(ballistic movement)项目, 初始发力率被认为是提高运动表现的重要因素。这些动作中的阻力往往低于最大等长肌力的25%, IRFD较好的运动员在动作初始阶段神经肌肉系统动员程度较高, 有利于动作产生较快的初速度[22]。当阻力超过25%的最大等长收缩肌力时, 最大发力率将对动作效果产生主要影响, 它是力量—时间曲线斜率的最大值, 代表肌肉的爆发力和神经肌肉系统到达较高激活水平的速度[23]。因此, 在中等强度以上的向心收缩和最大等长收缩过程中, 同一个运动员的MRFD十分相似[24]。此外, 对于完成时间在250 ms内的动作, IRFD和MRFD都是十分重要的; 而250 ms以上的动作, MRFD是主要影响因素。
1.2.2 拉长—缩短周期在实际情况中, 肌肉的自然工作形态很少是单一的等长收缩、向心收缩或离心收缩, 而是离心收缩和向心收缩状态的结合[25]。尤其是在跑、跳等人体运动中, 下肢环节周期性地受到冲击力的作用, 肌肉首先进行离心收缩, 而后进行向心收缩。这种离心和向心收缩的结合实际上完成了一种肌肉的自然机能, 被称为拉长—缩短周期[26](stretch-shortening-cycle, SSC)。这种肌肉工作状态输出的肌肉力量又被称作反应力量, Plyometric训练是其主要训练方法, 国内译为超等长训练或增强式训练, 有时又称快速伸缩复合练习, 即在最短的时间产生最大的力, RFD是反应力量的评价指标之一[27]。
拉长缩短周期有3个阶段:第1阶段, 离心收缩阶段, 伸展主动肌串联弹性成分储存弹性势能; 第2阶段, 离心收缩向向心收缩的转换阶段, 是第1阶段过渡到第3阶段的短暂停顿; 第3阶段, 向心收缩阶段, 收缩主动肌, 串联弹性成分释放弹性势能[9]。前人研究表明, 该肌肉工作方式不仅是离心收缩与向心收缩的简单结合, 更是一种相对独立的运动机能[28], 其目的是使最终运动效果比单一的向心收缩更有效[29]。随着研究的深入, 有学者对SSC进行了更为细致地分类[1]:一种为长SSC, 其特点是髋、膝、踝关节角度变化大, 并且运动时间长于250 ms, 例如篮球的投篮起跳、排球的拦网起跳; 而另一种是短SSC, 它的特征是关节角度变化很小, 且运动的持续时间在100~250 ms, 如短跑的支撑阶段和跳高、跳远的起跳等。
根据不同跳跃模式的肌电图变化情况, 可深层次理解不同SSC动作的神经肌肉支配特性(图 2)。半蹲跳(squat jump, SJ)是一种没有预先下蹲的跳跃方式, 仅利用肌肉向心收缩完成跳跃, 由肌电图可以发现股外侧肌向心收缩阶段肌电无较大波动; 而在慢速SSC反向跳(counter movement jump, CMJ)的情况下, 股外侧肌出现了不同于SJ单一向心收缩的肌电变化, 即身体预蹲时肌肉离心收缩首先达到了较高的肌电激活状态, 但激活程度仍未超过向心收缩阶段。当进行快速SSC的跳深(drop jump, DJ)运动中, 研究者发现了肌肉肌电活动与其他2种跳跃方式明显不同[30]:①出现前期肌电活动(在着地前100~150 ms), 表明肌肉在着地前开始预收缩, 即预激活; ②肌电峰值出现在离心收缩阶段, 它明显高于最大随意收缩时的肌电水平; ③向心收缩阶段的肌电活动较小。
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图 2 不同跳跃模式中下肢股外侧肌肌电、地面垂直反作用力和膝关节角度的变化[30] Figure 2 Vastus lateralismuscle EMG signals, vertical ground reaction force and knee angle curves under different jump patterns 注:⊖表示离心收缩, ⊕表示向心收缩 |
其实, 这种快速SSC出现的前期肌电活动与中枢神经动作控制(neuromotorcontrol)有关, 是为了使肌肉对着地条件有更好的准备, 即肌肉在着地前已产生了合适的刚度(stiffness), 且变得更加敏感[31]。刚度是一个物理学概念, 是物体抵抗形变的能力, 刚度大则变形小, 刚度小则变形大。肌肉进行SSC时, 由于肌肉的刚度增加, 肌腱在离心收缩阶段承受较大的长度变化, 使肌腱储存了一定的弹性能量, 该能量在随后的向心收缩阶段释放, 增强肌肉的收缩力[32]。此时, 肌肉在向心收缩阶段就不需要更大的收缩速度, 因此, 神经募集肌肉的肌电活动较弱。
SSC反映了神经肌肉通过制动动作, 在有限的时间里尽可能多地产生向心收缩冲量的能力。研究者把这种神经肌肉工作形式产生的力量称为反应力量(reactive strength), 该工作形式引发的运动称为反射性运动(reactive movement)[25]。跳深是典型的反射性运动, 也是一种训练反应力量的重要方法, 是指运动员单脚或双脚从一定高度跳下, 紧接着垂直跳起的动作过程[33]。反射性运动之所以能提高肌肉的工作能力, 是由于肌肉—肌腱弹性和神经肌肉牵张反射共同作用的结果[34], 其效果与肌肉承受牵拉负荷的大小也有一定关系。在一定范围内, 牵拉负荷越大, 收缩的强度也越大; 但当负荷增加到一定程度时, 随着负荷的增加, 收缩强度反而下降。因此, 反射性运动存在最佳负荷范围, 当牵拉负荷过大时, 会出现神经支配阻滞现象, 人体产生自我保护调节, 肌肉丧失牵张反射能力[35]。根据肌肉的这种特性, 可以对肌肉的反应力量进行诊断, 找出针对某个人或某个肌群的最佳牵拉负荷, 这同时也是训练反射性力量的最佳负荷。
在一般情况下, 人体运动的机械效率只有20%~25%, 而反射性运动的机械效率受牵拉负荷大小和速度的影响最高可达60%[36-37]。在一定范围内, 牵拉负荷越大, 机械效率也越大。此外, 肌肉工作形式不同, 人体运动的机械效率也不同, 肌肉缩短和牵拉速度都是影响机械效率的因素[38]。SSC时肌肉的快速力量也可根据初始发力率和最大发力率评价, 与其他肌力形式不同的是, 它受肌肉肌腱弹性和神经支配特性的影响较大。
1.3 肌耐力的神经生物力学特征肌耐力指的是肌肉持续收缩或对抗一定负荷重复收缩的能力。具体而言, 它表示肌肉在一定时间内完成重复收缩至肌肉充分疲劳的能力, 或保持一定百分比1RM重量的持续时间[39]。从神经肌肉控制的角度看, 肌耐力指的是神经肌肉系统在一定时间里对抗一定负荷最大限度产生冲量的能力, 该负荷一般大于最大等长收缩肌力的30%。
肌耐力由负荷大小和该负荷的重复次数或持续时间来评定。如果测量在一定阻力下总的重复次数, 其结果表示绝对肌肉耐力; 如果测量在一定百分比1RM重量下的重复次数, 其结果表示相对肌肉耐力。研究表明, 肌耐力与最大力量有关, 相较于低强度的耐力运动, 高强度的耐力运动与最大力量的关系更加密切[40]。即在力量耐力项目中, 当最大用力超过80%时, 成绩的提高需要依靠提高最大力量改善; 当最大用力只为30%以下时, 最大力量水平的提高对肌耐力的改善影响很小[41-42]。在训练肌耐力初期, 应以增加最大肌力为目的进行训练, 负荷不能低于40%1RM, 而随后的训练应注重维持最大肌力水平并提高肌肉耐力[43]。
肌耐力与肌肉的肌纤维类型存在着密切的关系, 慢肌纤维的力量和爆发力比快肌纤维差, 但其具有良好的抵抗疲劳能力[44-45], 如小腿的比目鱼肌比其他腿部肌肉慢肌纤维比例高, 在人体走、跑等运动中, 该肌肉能够表现出良好的持续工作能力。肌肉疲劳时肌电信号的频率谱将发生变化, 肌电信号的中位频率对疲劳所致的变化较为敏感, 故往往被作为评定肌耐力的指标, 肌电监测过程中, 中位频率下降越迅速, 运动持续时间越短, 反映出的肌耐力越差[46]。当承受荷载的时间小于30 s时, 肌肉疲劳主要受中枢神经系统和神经肌肉传导的影响; 而对于长时间负荷, 能量代谢的影响越来越大, 造成肌肉疲劳的主要原因是肌肉中能量物质下降, 血乳酸等代谢产物增多等[47]。
2 神经肌肉系统对训练的适应肌力的大小不仅取决于肌肉体积的增大, 也取决于神经肌肉系统对训练的适应性。纵向研究[48]表明, 大强度力量训练可改善神经支配能力, 使其可以既快又强地动员肌肉。产生这种适应的原因可能有以下2点:①通过训练提高神经肌肉系统的活性, 动员更多的运动单位参与工作; ②肌肉若没有接受训练或训练较少, 就可以接收较高的神经支配频率。这种适应的结果主要表现为发力率的提高[20]。
2.1 肌肉自身协调能力的改善肌肉自身协调能力指的是肌肉兴奋和抑制之间的关系, 这种神经肌肉系统适应性的改善是肌力提高的一个重要原因。以下肢进行跳深为例, 随着下跳高度的增加, 地面反作用力增大, 比目鱼肌着地瞬间和着地后的肌电活动会随之减小(图 3)。这种由于负荷过大引起的肌电抑制调节了肌肉的刚度, 所有受试者都会在一定的下跳高度中表现出这种抑制现象。高水平运动员承受冲击力的能力更大, 较高的下落高度才会出现这种抑制现象。该抑制现象实际上是人体的一种自我保护, 可通过训练改善。
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图 3 不同高度跳深练习时比目鱼肌的肌电和地面反作用力曲线[49] Figure 3 Soleusmuscle EMG signals and vertical ground reaction force under different height of drop jumps 注:垂直方向虚线表示着地时刻 |
还有一种改善肌力的可能性是肌肉间协调能力的提高, 所谓肌肉间协调能力指的是主动肌、拮抗肌、协同肌之间根据运动的要求相互配合协调的能力。这类改善实际上是针对某一专门运动的, 具有一定的运动项目专属特点, 并不能直接转移到其他运动中。运动训练中所注重的专项训练, 其主要目的就是改善肌肉间的协调能力, 从而改善专项肌力。
通过训练神经肌肉系统产生的第1种适应主要表现在肌肉间协调能力的改善, 经过2周每周4次的训练, 这种适应可趋于稳定。第2种适应是神经支配机能的改善, 提高了肌肉自身的协调性, 坚持6~8周的训练后可以观察到这种变化[50]。除此之外, 肌肉体积的增大是肌肉的第3种适应性改变, 其具有长期改善肌力水平的可能性, 该情况下肌肉中具有收缩能力的成分增加, 对于肌力增加具有重要意义。值得注意的是, 由于性别和训练内容的不同, 肌力的增长率在大约9~12周以后会越来越小[4, 10], 这时, 教练员需要改变训练内容, 采用其他增加肌肉横截面的训练, 或提高训练强度, 以更好地达到训练效果。
3 肌力诊断大多数运动项目都离不开最大力量、速度力量和肌耐力这3种最基本的力量素质, 只是不同项目的运动员进行专项训练的侧重不同, 因此, 运动训练中了解运动员的肌力情况对于运动员的训练具有重要意义。肌力诊断(strength diagnosis)是教练员利用简单、快速的测试了解运动员肌力情况的方法, 可提高运动员的训练效果、降低运动损伤风险。美国CSCS运动训练专家提出了肌力诊断的流程(图 4), 强调了循环往复的肌力诊断模式[51]。肌力诊断前, 教练员应对运动项目所需的专项肌力进行分析, 结合该项目特点选择对该项目较为重要的指标进行初测; 随后, 对测试结果进行分析, 找出优势环节和薄弱环节, 制定相应的训练计划; 训练一段时间后, 教练员应对训练效果进行再评估, 根据新的诊断结果修改训练方案, 以此不断循环, 优化训练效果。
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图 4 肌力诊断流程[51] Figure 4 Diagnostic pattern of muscle strength |
下面就运动训练中常用的肌力诊断方法进行汇总[52]。
3.1 最大肌力诊断诊断最大力量最常用的方式是等长收缩肌力测试, 该测试使用等动肌力测试装置完成。根据力量—时间曲线的变化可以得到完成该动作的初始发力率(IRFD)、最大发力率(MRFD)、最大等长收缩肌力(Fmax)和到达最大力量所需时间等要素(Tmax), 由曲线可以计算受试者的初始发力率、发力率和最大等长收缩力量等要素(图 5)。除此之外, 通过比较最大等长收缩肌力和最大离心收缩肌力之差, 可以得到运动员的肌力差。如前文所述, 该指标代表肌肉的随意收缩能力, 可用来评价运动员的肌力水平和发展潜力, 训练水平较高的运动员该差值较小。然而, 一部分研究者认为最大等长收缩的方式是在准静态条件下完成的, 不能很好地反映运动员的动态肌力[53]。因此, 有学者仍推荐对运动员进行1RM测试, 从而真实反映运动员的动态肌力情况。
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图 5 等长收缩力量—时间曲线[1] Figure 5 Isometric contraction of the force-time curve |
跳蹲是一种较好地诊断和练习下肢速度力量的方式, 即运动员在外加杠铃负荷的情况下完成半蹲跳。图 6所示左图为受试者双脚在测力台进行负重半蹲跳示意图, 右图为功率—负荷曲线, 可根据拐点找到训练的最佳负荷[51]。该测试推荐在史密斯架上进行, 因为它可以对运动员进行一定的保护, 并能控制跳跃动作在垂直方向进行。进行该测试时, 运动员脚下的测力台可以及时反馈跳跃高度、身体重心速度、地面反作用力和输出功率等指标。通过运动员不同负荷下的负荷—最大输出功率曲线可以评估运动员的最佳负荷。很多研究发现该负荷是训练下肢快速量的最佳负荷。
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图 6 快速力量的诊断和功率—负荷曲线 Figure 6 Diagnosis of fast strength and power-load curve |
反应力量主要用跳深动作进行诊断[54], 该测试要求运动员依次从不同的高度下落至测力台, 然后迅速跳起。利用腾空时间或腾空高度与脚接触测力台时间的比值, 可以计算出反应力量指数(reactive strength index, RSI)[35]。通过下落高度和反应力量指数的变化曲线可以对比不同训练者的反应力量水平, 长期训练的人群具有较高的RSI指数, 该数值越高表明其反应力量越好, 并且反应力量—跳深高度曲线的拐点就是训练该能力的最佳跳深练习高度[55]。如图 7所示, 左下方是根据测力台上的地面反作用力—时间曲线, 利用腾空时间和跳跃触地时间的比值可计算反应力量指数。右下方曲线反映了不同训练程度的反应力量情况, 不同训练程度的人有不同的变化趋势, 曲线拐点处的跳深高度即为最佳训练高度[51]。
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图 7 反应力量诊断、RSI计算方法以及反应力量—跳深高度变化曲线 Figure 7 Diagnosis of reaction force, RSI calculating method and change curve of reaction force-depth jump height |
此外, 利用跳深运动还可以针对前文中提到的下肢刚度进行计算。在人体中, 刚度主要反映肌肉骨骼系统的弹性特征, 特别是在下肢进行跳跃、跑步等反射性运动时, 肌肉骨骼系统会像弹簧一样进行能量的储存和释放, 该能量储存和释放的能力就是人体下肢的刚度, 即身体接触地面过程中垂直地面的反作用力峰值除以身体重心的垂直位移。研究证明, 随着跑速和步频的增加, 腿的刚度同步增加, 随着人体的衰老下肢刚度下降, 且下肢垂直刚度的不对称性与软组织损伤有明显的联系[56-57]。因此, 一定水平的刚度为最佳竞技表现所需, 教练员和运动员在日常训练中应注意对该指标的监测。
针对一个团队运动员的诊断管理, 这里推荐利用标准分数(Z-score)对运动员的结果进行比较和排序, 以便发现运动员在整个团队中的薄弱项(图 8)。由图 8可知, 该受试者1RM和最佳负荷为正值, 表明超过了团队的平均水平, 推测该受试者具有较好的最大力量; 但是, 发力率和反应力量指数低于团队平均水平, 需要重点加强。该值的计算方法是:Z-score=(运动员成绩-团队平均成绩)/团队的标准差, 它在-1~1, 越接近于1表明在团队内的水平越高。利用该评价方法, 可了解运动员某一项能力在团队成员中的情况, 并据此判断运动员专项力量的优缺点。值得注意的是, 一段时间的肌力训练后教练员应关注肌力训练的适应性问题。未进行过系统训练或刚起步的运动员, 肌力发展具有很大潜力, 训练效果增长较为明显。随着训练时间的延长, 运动员会遇到平台期, 这时教练员需要通过改变训练计划提高运动员的专项肌力[58]。
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图 8 Z-score对某一运动员肌力能力的评价 Figure 8 Z-score evaluation of muscle strength ability of an athlete |
运动训练中的肌力形式共分为最大力量、快速力量和肌耐力3种形式。从神经生物力学角度分析, 最大力量和肌肉的随意收缩能力有关, 利用最大离心肌力和最大静力肌力的差值可以判断肌肉的随意收缩能力。反应力量是快速力量的重要表现形式, 也是人体运动中肌肉的一种自然机能, 运动员应注重发展该能力, 提高自身运动效率。肌耐力的提高需要改善中枢神经系统和神经肌肉系统的抗疲劳能力, 减少肌肉中代谢废物的产生。3种力量形式的训练都遵循神经肌肉适应性原理, 因此在增加肌肉维度的同时, 运动员应注重训练自身肌肉间的协调和神经支配能力。并且, 教练员和运动员应将肌力诊断始终贯穿于肌力训练之中, 通过诊断发现问题, 从而完善训练计划, 提高肌力训练效率。
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