Если в любой поисковой системе ввести запрос «электромиостимуляция всего тела» можно найти утверждения о превосходстве ЭМС тренировок с использованием модуля средней частоты (MF EMS, частота примерно 2 КГц) по сравнению с низкой частотой (LF EMS) в тренировках физически здоровых людей. Ввиду недостаточного количества исследований, многие из подобных утверждений о «превосходстве» не обоснованы.

14

В настоящее время нет достаточно полных исследований влияния ЭМС тренировок с использованием средних частот на мышечную активность, в то время как эффект от ЭМС тренировок при низких частотах доказан многими исследованиями. Ток средних частот в основном используется в терапии, так как приводит к улучшению состояния при наличии специфических заболеваний, связанных с недостатком мышечной активности, но, также, согласно исследованиям, помогает снизить стрессовый фон. Однако вопрос эффективности использования данного типа ЭМС тренировок для здоровых людей остается спорным, так как возможен эффект при котором мышцы достигают пикового напряжения медленнее и скорость наступления усталости высокая (так называемая «высокочастотная усталость»), что может помешать тренировке мышц. Следовательно, подобная стимуляция на средних частотах может оказаться менее эффективной.

Существует несколько сравнительных исследований (выполненных на средних и низких частотах), которые также рассматривают для применения в области ЭМС. Пять исследований из базы данных «Medline» и «PEDro» (см. список литературы) сравнивают результаты применения средних и низких частот тока для среднего человека. Однако лишь одно исследование Стефановской рассматривает проблему увеличения показателей силы в тренировочном процессе. После трех недель тренировок данное исследование показало увеличение объема ног (четырехглавой мышцы бедра) при низкой частоте (25 Гц) мышечной стимуляции, результаты использования которой почти в два раза превзошли по результативности применение модуля средней частоты (2500 Гц / 25 Гц). Автор связывает более низкий результат роста силы в группе, где применялся модуль средней частоты, с феноменом «высокой усталости» и делает вывод, что для стимуляции физиологической активности должна использоваться стимуляция в низкочастотном диапазоне.

Исследователь Лауфер сравнил два вида низкочастотного диапазона (одно- и двухфазный 50 Гц) со среднечастотным (полифазный, 2500 Гц / 50 Гц) при высоком росте квадрицепсов. В итоге, в условиях применения стимуляции низкими частотами был отмечен больший объем сокращения мышц при уменьшении усталости. Автор делает вывод, что результаты применения низких частот тока имеют преимущество перед средними частотами с целью стимуляции мышц. Другое перекрестное исследование Уорда рассматривало эффективность применения двух видов низких и двух видов средних частот при задаче увеличить силу запястий[1].

15

В то время как «Австралийский» тип среднечастотной стимуляции продемонстрировала идентичную силу сжатия равную обеим формам низкочастотной стимуляции, «русский» тип среднечастотной стимуляции показала более низкие результаты (есть несколько типов стимуляции средними частотами: «австралийский» и «русский» типы различаются по мощности тока (2500 и 1000 Гц) и ритме пульса (200 и 500 μs)). Наоборот, субъекты, участвовавшие в среднечастотной стимуляции, меньше заявляли о возникновении боли или дискомфорта. Согласно данному результату авторы заявили о том, что среднечастотный «Австралийский» тип является подходящим для мышечной стимуляции.

В исследовании касательно параплегии (паралича нижних конечностей) на основе применения функциональной электростимуляции[2] были сравнены низкочастотная и среднечастотная формы. В результате низкочастотный вариант был намного убедительнее, в отличие от предыдущего испытания, субъекты также заявляли о наличии меньших болевых ощущений при данном типе.

Наконец, сравнение низкочастотного варианта с тремя различными видами среднечастотного в исследовании максимальных возможностей увеличить силу запястий, проведенном исследователем Лауфером, показало, что низкочастотный вариант имеет наилучший результат, в том числе касательно отсутствия уровня утомления и болевых ощущений. Ввиду наличия существенных недостатков среднечастотного варианта в данной области, исследователи рекомендовали применять именно низкочастотный тип стимуляции мышц:

16

Открытия последних исследований имеют важную клиническую составляющую. Хотя низкочастотный импульсный ток и килогерцовый переменный ток могут быть использованы для уменьшения расхода энергии, импульсные модулированные токи на частотах килогерца вызывают невромускульную усталость, которая препятствует возможности мышц поддерживать силовое сокращение. Так как подобный метод не предоставляет преимущества по достижению пиковой формы и вызывает дискомфорт, мы советуем на основе современных исследований применять нервно-мышечную электрическую стимуляцию на основе низкочастотного импульсного тока.

В качестве суммирования вышесказанного, можно сказать, что заявленное в определенной литературе утверждение о «превосходстве» средней частоты тока, не соответствует реальности. Более того, не существует надежных исследований касательно применения каких-либо параметров в данном типе стимуляции. Пригодность данного вида полностью отличается от применения низких частот. Несмотря на то, что мы не станем отрицать фундаментальную эффективность применения ЭМС с током средней частоты, необходимо провести хорошее и обоснованное исследование до введения данного метода в широкое пользование. В первую очередь, это должно касаться вопросов применения, безопасности и эффективности модульного среднечастотного тока в процессе ЭМС тренировок.

Основы мышечного сокращения

Физиологи различают три вида мышечных структур. Сокращением гладких мышц обусловлены все непроизвольные движения (кроме сокращения сердца) - перистальтика желудка и кишечника, изменение тонуса кровеносных сосудов, поддержание тонуса мочевого пузыря. Все виды произвольных движений – ходьба, мимика, движения глазных яблок, глотание, дыхание и т. п. осуществляются за счет скелетных мышц. Сокращение сердечной мышцы (миокарда) обеспечивает работу сердца.

Кар. 1. Различные типы мышц.

Структура скелетных мышц

Скелетная мышца состоит из множества мышечных волокон, имеющих точки прикрепления к костям и расположенных параллельно друг другу. Каждое мышечное волокно (миоцит) включает множество субъединиц – миофибрилл - тонких сократительных белков длиной 0.2 – 1 μm (микрометра). Миофибриллы построены из повторяющихся в продольном направлении блоков (саркомеров). Саркомер - зона шириной 2 – 2.5 μm - является функциональной единицей сократительного аппарата скелетной мышцы. Миофибриллы в мышечном волокне лежат таким образом, что расположение саркомеров в них совпадает. Это создает картину поперечной исчерченности, поэтому скелетная мышца называется также поперечнополосатой.

Саркомеры в миофибрилле отделены друг от друга Z -пластинками, которые содержат белок бета-актинин. Саркомер состоит из актиновых и миозиновых нитей и нитей белка титина. В обоих направлениях от Z -пластинки отходят тонкие актиновые филламенты. В промежутках между ними располагаются более толстые миозиновые филламенты .

18

Кар. 2. Строение нитей мышц

Актиновый филламент состоит из 180 шарообразных молекул белка актина, закрученных в двойную спираль. В углублениях актиновых спиралей на равном расстоянии друг от друга лежат молекулы белка тропонина, соединенные с нитевидными молекулами белка тропомиозина. В состоянии покоя тропонин блокирует стыковку миозина с молекулой актина. Миозиновые филламенты образованы примерно 150 – 360 молекулами миозина, каждая из которых имеет головку и хвост. Миозиновые молекулы имеют тенденцию пересекаться друг с другом в продольном направлении, так что головки выступают из миозиновой нити через равные промежутки времени. Головки миозина имеют две важные характеристики. Во-первых, они содержат большое количество фермента миозина АТФ-азы (аденозинтрифосфатазы). Во-вторых головка миозина может связываться с молекулой актина, образуя так называемый поперечный мостик.

Титиновая нить или полипептид, представляет собой подобие ожерелья с жемчугом и связывает миозин с Z-диском. Она отвечает как за прочность, так и за эластичность мышц.

19

Кар. 3 Комплекс актиномиозина

Поскольку тропонин блокирует связующий участок, его следует вывести, чтобы миозин мог состыковаться с актином. Это происходит под влиянием Ca2+, который депонируется саркоплазматическом ретикулуме (внутриклеточной сети продольных замкнутых трубочек). Более того Ca2 + активирует АТФ-азу в головке миозина, так что расщепление АТФ (аденозинтрифосфат) дает достаточно энергии для движения головки молекулы миозина. Другая задача Ca2+ при сокращении мышц - активация фермента мышечной фосфорилазы и закрытие участка связи актина и миозина после возвращения в продольную трубчатую систему мышц.

Мышечные нити являются главными строительными блоками любой скелетной мышцы. Они состоят из клетки, которая имеет множество крайних ядер. Одно мышечное волокно может иметь длину в примерно 15 – 40 см и диаметр от 10 до 100 μm. Каждое мышечное волокно окружает эндомизий, который представляет собой слой ретикулярных волокон. При помощи перимизия (соединительной ткани) мышечные волокна объединяются в группы первичных и вторичных мышечных волокон. Они обволакиваются эпимизием (слой неплотной соединительной ткани под фасцией) и вместе они составляют мышцу. Внешний слой (мышечная фасция) состоит из крестообразных упругих коллагеновых соединительных тканей и тянется до мышц живота в виде сухожилий.

20

Кар. 4: Строение скелетной мышцы

3.2 Механизм мышечного сокращения

Мышечное сокращение происходит благодаря скользящему движению актиновых и миозиновых филламентов друг относительно друга. Механизм скольжения нитей включает несколько последовательных событий. Головки миозина присоединяются к центрам связывания актинового филамента под углом от 90 до 45 градусов и приближает Z-диски друг к другу. Взаимодействие миозина с актином приводит к конформационным перестройкам молекулы миозина. Головки приобретают АТФ-азную активность и поворачиваются на 120 °. За счет поворота головок нити актина и миозина передвигаются на «один шаг» друг относительно друга. Рассоединение актина и миозина и восстановление конформации головки происходит в результате присоединения к головке миозина молекулы АТФ и ее гидролиза в присутствии Са2+. Цикл «связывание – изменение конформации – рассоединение – восстановление конформации» происходит много раз, в результате чего актиновые и миозиновые филламенты смещаются друг относительно друга, Z -диски саркомеров сближаются и миофибрилла укорачивается. Каждый наклон сокращает саркомер на примерно 1%, а каждый так называемый цикл формирования перекрестного мостика может повторяться по 10 – 100 раз в секунду, при условии, что в саркоплазме имеется достаточно АТФ (аденозинтрифосфата).

21

Кар. 5: Цикл перекрестного мостика между актином и миозином

22

Кар. 6: Возбуждение скелетной мышцы

Каждое мышечное волокно двигательной группы сжимается, как только в нервно-мышечном соединении появляется достаточно сильный раздражитель. Место, где происходит переход возбуждения от нейрона к мышечному волокну, называется нервно-мышечным соединением. Этот межклеточный контакт носит название холинергический синапс, осуществляемый посредством ацетилхолина. Только при условии того, что импульс превышает определенный порог на торце двигательного нерва, возникает действия на мышечном волокне, что приводит к максимально сильным единичным рывкам. Таким образом, подсознательная стимуляция является неэффективной.

23

Кар. 7: Передача импульса возбуждения на торце двигательного нерва

По всей мышце постоянно происходит процесс возбуждения селективных двигательных единиц. Они попеременно активируются с помощью центральной нервной системы, чтобы предотвратить быструю усталость. Рост равной силы достигается за счет асинхронной активации или суммирования единичных подергиваний двигательных единиц мышцы.

Кар. 8: Возбуждение моторных узлов (нервных и иннервированных мышечных волокон)

24

Холлманн и Хеттингер обнаружили, что сила сжатия мышцы зависит от количества двигательных единиц и частоты импульса каждой из них. Таким образом, усиление сокращения зависит от принципов количества и скорости. Чем больше сил нужно приложить, тем выше порог и большее количество двигательных элементов активируется. Скорость кодирования описывает способность усиления сжатия, вызванного увеличением возбуждений моторных нейронов на единицу времени. Мышечные спазмы начинаются от 50 Гц, когда происходит постоянное сокращение мышц. До этой отметки мышечные спазмы не наблюдаются. Стегеманн утверждал, что при использовании электростимуляции можно добиться активации всех двигательных элементов мышц. В результате достигается мышечное напряжение большего объема чем при произвольном сокращении.

3.3 Типы мышечных волокон

Мышцы разделяются на различные типы волокон, имеющих специфические свойства. Скелетные мышцы состоят из структурной, молекулярной и метаболической единиц мышечного волокна. Они различаются по морфологии, свойствам альфа-мотонейрона соответствующего моторного узла, сократимости и механизму обмена веществ.

Медленно окислительные волокна (ST) отличаются от быстрых гликолитических волокон (FT) красным цветом и меньшим размером поперечного сечения. В медленных волокнах больше миозина, чем в быстрых мышечных волокнах, они содержат меньше фермента АТФазы и медленнее сокращаются. Цвет получается из-за высокого содержания миоглобина. Тонкая структура мышцы вызвана меньшим процентом миофибрилл. Медленно окислительные волокна имеют низкий порог возбудимости, они медленно сокращаются, имеют высокую долю ферментов для аэробного метаболизма и долго не устают. Это является плюсом для долговременной работы. Данный тип волокна позволяет повысить выносливость.

25

Тидоу и Виманн подвели итог относительно функциональных характеристик медленных волокон:

·    Малые а-мотонейроны спинного мозга с тонизирующим разрядом

·    Низкий порог возбудимости

·    Медленно передающийся нейрит (30 – 40 м/с)

·    Частота разряда до 30 импульсов в секунду (довольно продолжительный)

·    Низкая мощность в одном движении (70 mg)

·    Низкая утомляемость

Быстрые волокна имеют белый цвет и больший размер поперечного сечения мышц в сравнении с медленными волокнами. Они имеют высокий порог возбудимости, быстро сокращаются, имеют высокую долю ферментов для производства анаэробной энергии и быстро устают. Если в организме имеется большое количество быстрых волокон, эффективность будет короткой, а взрывные движения будут особенно четкими.

Тидоу и Виманн подвели суммировали функциональные характеристики быстросокращающихся волокон:

·    Большие а-мотонейроны с фазовым разрядом

·    Высокий порог возбудимости

·    Быстро передающийся нейрит (70 – 120 м/с)

·    Частота разряда до 150 импульсов в секунду (как всплеск)

·    Высокая мощность в одном движении (100 mg)

·    Высокая утомляемость

Более того, существуют так называемые промежуточные волокна. Они представляют собой нечто среднее между двумя другими типами волокон. Промежуточные волокна имеют средние а-мотонейроны с фазовым и тоническим разрядом. Они проявляют как окислительную, так и гликолитическую активность и представлены лишь в небольшом количестве (около 1 %). В зависимости от типа тренировок они могут переходить в волокна I или II типа.

26

Тидоу и Виманн выявили следующие функциональные характеристики промежуточных волокон:

·    Средний порог возбудимости

·    Средне передающийся нейрит (40 - 90 м/с)

·    Частота разряда до 90 импульсов в секунду

·    Средняя мощность в одном движении (80 – 90 mg)

·    Низкая утомляемость

Градация силы мышц может быть достигнута только при активации двигательных единиц. Энергосберегающие частицы активируют группу мотонейронов, мобилизуя ячейки с наименьшим порогом возбудимости (тип медленносберегающих волокон). Если увеличить мощность, удастся привлечь еще большее количество двигательных единиц. Эти тонические двигательные единицы также активируются, если происходят быстрые динамические изменения мышечной активности и максимальные изометрические сокращения. Таким образом, интенсивность упражнений приводит к начальному увеличению числа задействованных волокон.

4. Основы ЭМС

4.1 Характеристика электрической стимуляции

Во время тренировок ЭМС ток подается на электроды, которые базируются на мышцах живота. Это можно наблюдать в определенном масштабе и локально на конкретных мышцах, поскольку электроды прикрепляются на определенные группы мышц. Также можно закрепить электродные ремни на нескольких сегментах тела, чтобы задействовать одновременно несколько различных групп мышц, в частности одновременно мышц агонистов и антагонистов. Несмотря на то, что электроды могут быть расположены на конкретных мышцах, это не влияет на эффективность для целой мышечной группы. В отличие от произвольного сокращения мышц, эффект от ЭМС отличается синхронизированным выбором и постоянным увеличением задействованных двигательных единиц.

27