基于表面肌電技術(shù)對(duì)人體上肢肌肉疲勞過(guò)程中中樞共驅(qū)動(dòng)的研究

張肅

沈陽(yáng)體育學(xué)院 運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)學(xué)院生理生化教研室（沈陽(yáng) 110102）

基于表面肌電技術(shù)對(duì)人體上肢肌肉疲勞過(guò)程中中樞共驅(qū)動(dòng)的研究

張肅

沈陽(yáng)體育學(xué)院 運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)學(xué)院生理生化教研室（沈陽(yáng) 110102）

目的：使用表面肌電技術(shù)觀察人體上肢近端肌肉運(yùn)動(dòng)疲勞過(guò)程中的中樞共驅(qū)動(dòng)現(xiàn)象。方法：以16名非體育專(zhuān)業(yè)的男性大學(xué)生為研究對(duì)象，以受試者左臂為觀察臂，右臂為負(fù)荷臂。負(fù)荷臂分別處于自然下垂無(wú)負(fù)荷的放松狀態(tài)和連續(xù)完成負(fù)重5kg啞鈴的肘關(guān)節(jié)屈伸運(yùn)動(dòng)誘發(fā)疲勞狀態(tài)；而觀察臂手持4kg啞鈴，肘關(guān)節(jié)始終保持屈曲90°，進(jìn)行等長(zhǎng)收縮直至力竭。同時(shí)使用ME6000表面肌電儀分別采集兩種狀態(tài)下觀察臂肱二頭肌和肱三頭肌表面肌電信號(hào)，對(duì)時(shí)域指標(biāo)積分肌電（IEMG）、均方根振幅（RMS），以及頻域指標(biāo)平均功率頻率（MPF）、中位頻率（MF）進(jìn)行分析。結(jié)果：無(wú)論負(fù)荷臂處于自然放松狀態(tài)還是動(dòng)力性運(yùn)動(dòng)誘發(fā)疲勞狀態(tài)，隨著運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，對(duì)側(cè)觀察臂肱二頭肌、肱三頭肌時(shí)域指標(biāo)IEMG和RMS都逐漸升高（P＜0.05），但是在負(fù)荷臂疲勞狀態(tài)時(shí)對(duì)側(cè)觀察臂肌肉的表面肌電時(shí)域指標(biāo)IEMG和RMS增加幅度更加明顯（P＜0.01），同時(shí)拮抗肌肱三頭肌時(shí)域指標(biāo)受到更強(qiáng)抑制；負(fù)荷臂疲勞狀態(tài)下對(duì)側(cè)觀察臂肱二頭肌肌電頻域指標(biāo)MPF和MF的變化比負(fù)荷臂自然放松狀態(tài)下變化更大（P＜0.01），而拮抗肌肱三頭肌的變化不大。結(jié)論：一側(cè)肢體運(yùn)動(dòng)誘發(fā)肱二頭肌肌肉疲勞能夠使對(duì)側(cè)肢體相關(guān)肌肉表面肌電的時(shí)域指標(biāo)和頻域指標(biāo)產(chǎn)生伴隨性的變化，說(shuō)明人體上肢近端肌肉表面肌電信號(hào)的變化具有中樞共驅(qū)動(dòng)的效應(yīng)。

表面肌電；疲勞；中樞共驅(qū)動(dòng)；積分肌電；均方根振幅；平均功率頻率；中位頻率

共驅(qū)動(dòng)現(xiàn)象是近幾年來(lái)備受關(guān)注的人體肌肉系統(tǒng)中樞運(yùn)動(dòng)控制模式，該現(xiàn)象在肢體單雙關(guān)節(jié)與整體肌肉活動(dòng)時(shí)的表現(xiàn)，已經(jīng)成為了研究和探討人類(lèi)運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性控制的重要理論基礎(chǔ)。有研究發(fā)現(xiàn)人體中樞神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)人體上肢近側(cè)端肌肉具有雙側(cè)神經(jīng)支配的特點(diǎn)[1]，但是在正常生理狀態(tài)下這種雙側(cè)神經(jīng)肌肉控制機(jī)制被掩蓋，通常在一些中樞病理狀態(tài)下才會(huì)顯現(xiàn)出這種雙側(cè)神經(jīng)肌肉支配的特點(diǎn)。進(jìn)一步具體了解人體中樞的雙側(cè)支配對(duì)一些腦創(chuàng)傷病人的術(shù)后康復(fù)具有重要意義。王健等研究發(fā)現(xiàn)拮抗肌與主動(dòng)肌的表面肌電信號(hào)的頻率呈現(xiàn)相似的變化特點(diǎn)[2]，進(jìn)一步觀察了單側(cè)上肢對(duì)對(duì)側(cè)上肢肌肉肌電頻率的影響[3]，但是他們僅從肌電的頻率指標(biāo)方面證明了中樞共驅(qū)動(dòng)的存在，而且僅觀察到了肌電MPF變化斜率相似。盡管?chē)?guó)外有學(xué)者通過(guò)經(jīng)顱磁刺激方法證明人體上肢手部肌肉具有雙側(cè)支配的特點(diǎn)[4，5]，但是他們沒(méi)有從正面直接證明這種雙重支配的共激活特征。

日臻完善的表面肌電檢測(cè)技術(shù)因其無(wú)創(chuàng)傷、靈敏、準(zhǔn)確等特點(diǎn)目前已在康復(fù)醫(yī)學(xué)和體育科學(xué)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，無(wú)論是中樞神經(jīng)系統(tǒng)的功能狀態(tài)，還是肌肉因?yàn)槭湛s而產(chǎn)生的疲勞變化，都可以從肌電各參數(shù)的特異性變化中發(fā)現(xiàn)特殊規(guī)律。如積分肌電（IEMG）、均方根振幅（RMS）、平均功率頻率（MPF）或中位頻率（MF），我們可以通過(guò)這些指標(biāo)無(wú)損傷地檢查人體中樞共驅(qū)動(dòng)的顯現(xiàn)。

因此，我們可以借用表面肌電技術(shù)來(lái)觀察人體大腦中樞共驅(qū)動(dòng)機(jī)制。本次實(shí)驗(yàn)以神經(jīng)肌肉運(yùn)動(dòng)控制理論為依據(jù)，通過(guò)觀察單側(cè)肢體肌肉疲勞對(duì)對(duì)側(cè)肌肉表面肌電信號(hào)的IEMG、RMS、MF、MPF的影響，研究探討肌肉疲勞誘發(fā)的運(yùn)動(dòng)肌相關(guān)表面肌電指標(biāo)是否具有中樞運(yùn)動(dòng)控制成分的影響。

1 對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

本次實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象為16名來(lái)自于沈陽(yáng)體育學(xué)院非體育專(zhuān)業(yè)的男性學(xué)生，全部實(shí)驗(yàn)對(duì)象均自愿參加本次實(shí)驗(yàn)，72小時(shí)內(nèi)均無(wú)大強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)行為，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)良好，精神與健康狀態(tài)無(wú)異常，上臂無(wú)急性或慢性運(yùn)動(dòng)損傷病史，所有受試者參與實(shí)驗(yàn)前都確切了解了實(shí)驗(yàn)方法和要求。實(shí)驗(yàn)對(duì)象的年齡、體重、身高的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差分別為：年齡21.63±0.92歲、體重75.8± 14.9kg、身高174.4±6.0 cm。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

本次實(shí)驗(yàn)中設(shè)定受試者左臂為觀察臂，右臂為負(fù)荷臂，利用表面肌電儀采集觀察臂肱二頭肌和肱三頭肌的表面肌電信號(hào)。實(shí)驗(yàn)期間受試者靠墻站立，負(fù)荷臂狀態(tài)作為自變量分為兩種動(dòng)作，分別為：（1）自然放松下垂；（2）持5kg啞鈴進(jìn)行疲勞性連續(xù)屈伸運(yùn)動(dòng)。觀察臂上臂垂直地面，屈肘90°，保持手持4kg啞鈴靜態(tài)動(dòng)作至力竭（力竭判斷標(biāo)準(zhǔn)為幾乎難以繼續(xù)保持既定角度[3]），觀察臂力竭后實(shí)驗(yàn)結(jié)束。如在觀察臂完全力竭前負(fù)荷臂先感受到較強(qiáng)疲勞，則使負(fù)荷臂在受試者的耐受范圍內(nèi)采取間斷性彎舉保持較強(qiáng)疲勞感即可，直到實(shí)驗(yàn)結(jié)束。負(fù)荷臂兩種動(dòng)作進(jìn)行的先后順序采用完全隨機(jī)設(shè)計(jì)原則，受試者完成一種測(cè)試后，經(jīng)過(guò)充分的休息后接著進(jìn)行第二種實(shí)驗(yàn)方案的測(cè)試。全部實(shí)驗(yàn)完成后，將儀器采集的每位受試者的肌電信號(hào)按需剪裁編輯，最后分析對(duì)比研究實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1.3 儀器設(shè)備與材料

本研究中用到的儀器設(shè)備為表面肌電儀（Mega?win，芬蘭，ME6000）、表面電極（申風(fēng)，上海）、4kg啞鈴與5kg啞鈴、安裝有肌電檢測(cè)分析軟件的電腦、防止電極意外脫落的彈力繃帶。

1.4 表面肌電數(shù)據(jù)采集與處理

在實(shí)驗(yàn)前首先對(duì)受試者的測(cè)量肌肉的局部皮膚進(jìn)行預(yù)處理，使用磨砂膏（Nuprep，D.O.Weaver&Co.，USA）去除皮膚的角質(zhì)皮，然后用酒精擦干局部皮膚。分別在肱二頭肌和肱三頭肌長(zhǎng)頭腱的最大肌腹處貼表面電極片，兩個(gè)電極中心的距離為20mm，參考電極與其成等邊三角形。儀器采樣頻率設(shè)置為1000 Hz。

在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，首先剪裁掉開(kāi)始與結(jié)束部分約1 s左右的數(shù)據(jù)，因?yàn)槌跏己徒Y(jié)束部分的動(dòng)作可能導(dǎo)致這部分?jǐn)?shù)據(jù)有波動(dòng)。由于每一名受試者的運(yùn)動(dòng)能力不同，最后每一個(gè)人的運(yùn)動(dòng)時(shí)間不同，為了便于進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，將受試者的運(yùn)動(dòng)時(shí)間進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，即將每個(gè)人不同的運(yùn)動(dòng)時(shí)間平均分成10等份，將每一等份內(nèi)的所有數(shù)據(jù)取平均值，因此所有人的數(shù)據(jù)將轉(zhuǎn)換為10個(gè)數(shù)據(jù)，分別以t1至t10命名，表示這10個(gè)段數(shù)據(jù)平均值。

在對(duì)肌電指標(biāo)進(jìn)行分析時(shí)分別選取時(shí)域指標(biāo)和頻域指標(biāo)。時(shí)域指標(biāo)選取積分肌電（IEMG）和均方根振幅（RMS），分別把“設(shè)置-運(yùn)算-平均時(shí)間-幀寬度”選項(xiàng)設(shè)置為0.001 s和0.1 s。頻域指標(biāo)選取平均功率頻率（MPF）和中位頻率（MF），按照快速傅里葉轉(zhuǎn)換方法進(jìn)行轉(zhuǎn)換，窗口寬度選取1024點(diǎn)，重疊率為50%。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

本研究中應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)spss16.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，對(duì)不同時(shí)間點(diǎn)相關(guān)指標(biāo)的差異性使用重復(fù)測(cè)量方差（Re?peated Measure ANOVA）進(jìn)行分析。在進(jìn)行重復(fù)測(cè)量方差分析時(shí)首先進(jìn)行球形檢驗(yàn)，若球形檢驗(yàn)不成立，使用校正Greenhouse-Geisser自由度校正的epsilon值，為了表述清楚，自由度使用非校正后的自由度來(lái)表示，而F值采用校正后的值。同時(shí)對(duì)效應(yīng)量進(jìn)行描述，本研究中效應(yīng)量采用的指標(biāo)是偏埃塔平方（partial eta squared，ηp2）。效應(yīng)量可以反映自變量和因變量之間的密切關(guān)系程度，而且與樣本量大小無(wú)關(guān)。如果效應(yīng)量很小，即使統(tǒng)計(jì)學(xué)有顯著性意義，其結(jié)果可能要受到懷疑。另外，事后比較使用LSD法進(jìn)行兩兩比較，在本研究中主要觀察疲勞運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不同時(shí)間點(diǎn)與初始時(shí)間點(diǎn)（t1）之間的差異，所以選取的是t2～t8時(shí)間點(diǎn)與t1進(jìn)行差異性比較，顯著標(biāo)準(zhǔn)為0.05。所有數(shù)據(jù)使用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。

2 結(jié)果

2.1 負(fù)荷臂兩種動(dòng)作對(duì)觀察臂肌電時(shí)域指標(biāo)的影響

從表1和表2顯示，無(wú)論一側(cè)肢體自然放松狀態(tài)還是疲勞狀態(tài)下，隨著運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，對(duì)側(cè)觀察臂肱二頭肌時(shí)域指標(biāo)IEMG和RMS都逐漸升高。自然放松狀態(tài)和誘發(fā)疲勞狀態(tài)下，對(duì)側(cè)肱二頭肌RMS指標(biāo)隨時(shí)間變化的重復(fù)測(cè)量方差值分別為F（9，135）=18.5，P＜0.001，ηp2=0.32，變化率為+46.2%，F(xiàn)（9，135）=23.6，P＜0.001，ηp2=0.59，平均變化率為+64.3%。對(duì)側(cè)肱二頭肌IEMG指標(biāo)隨時(shí)間變化的重復(fù)測(cè)量方差值分別為F（9，135）= 15.5，P＜0.001，ηp2=0.31，平均變化率為+43.8%；F（9，135）=19.9，P＜0.001，ηp2=0.55，平均變化率為+64.1%。這說(shuō)明隨著時(shí)間的進(jìn)行時(shí)域指標(biāo)IEMG和RMS有顯著變化，而且在動(dòng)力性負(fù)荷誘發(fā)一側(cè)肢體疲勞后對(duì)側(cè)肢體肱二頭肌肌電信號(hào)增加更加明顯。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，一側(cè)肢體自然放松狀態(tài)下對(duì)側(cè)肱二頭肌肌電的時(shí)域指標(biāo)RMS和IEMG從t3開(kāi)始后顯著增加（P＜0.05）（見(jiàn)表1）。但是在一側(cè)肢體疲勞狀態(tài)下對(duì)側(cè)肱二頭肌肌電時(shí)域指標(biāo)RMS和IEMG從t2后就開(kāi)始增加，而且增加幅度更大（P＜0.01）（見(jiàn)表2）。

表1 一側(cè)肢體無(wú)負(fù)荷自然放松狀態(tài)下對(duì)側(cè)肱二頭肌肌電時(shí)域指標(biāo)

表2 一側(cè)肢體動(dòng)力性負(fù)荷誘發(fā)疲勞狀態(tài)下對(duì)側(cè)肱二頭肌肌電時(shí)域指標(biāo)

對(duì)于拮抗肌肱三頭肌來(lái)說(shuō)，一側(cè)肢體自然放松狀態(tài)和疲勞狀態(tài)下，其表面肌電信號(hào)的時(shí)域指標(biāo)RMS和IEMG也表現(xiàn)出一種上升的趨勢(shì)（見(jiàn)表3和4），RMS指標(biāo)的重復(fù)測(cè)量方差值分別為F（9，135）=13.5，P＜0.01，ηp2=0.33，變化率為+32.5%；F（9，135）=15.6，P＜0.01，ηp2=0.29，變化率為+34.2%。對(duì)于IEMG來(lái)說(shuō)，一側(cè)肢體自然放松狀態(tài)下重復(fù)測(cè)量方差值分別為F（9，135）= 14.2，P＜0.01，ηp2=0.32，變化率為+30.1%，疲勞狀態(tài)下重復(fù)測(cè)量方差值分別為F（9，135）=15.1，P＜0.01，ηp2= 0.31，變化率為+36.1%。

表3 一側(cè)肢體無(wú)負(fù)荷自然放松狀態(tài)下對(duì)側(cè)肱三頭肌肌電時(shí)域指標(biāo)

2.2 負(fù)荷臂兩種動(dòng)作對(duì)觀察臂肌電頻域指標(biāo)的影響

對(duì)于頻域指標(biāo)來(lái)說(shuō)，隨著疲勞發(fā)生，變化趨勢(shì)與時(shí)域指標(biāo)相反，表現(xiàn)為逐漸下降。對(duì)于肱二頭肌MF指標(biāo)來(lái)說(shuō)，一側(cè)肢體誘發(fā)疲勞狀態(tài)下，對(duì)側(cè)肢體肱二頭肌表面肌電信號(hào)發(fā)生了顯著變化F（9，135）=12.2，P＜0.01，ηp2=0.28。從表5中可以看出，在負(fù)荷臂放松狀態(tài)下，從t4時(shí)間段開(kāi)始，MF指標(biāo)與t1相比較時(shí)，具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異；對(duì)于MPF來(lái)說(shuō)，F(xiàn)（9，135）=15.2，P＜0.01，ηp2=0.36，從t2時(shí)間段開(kāi)始，其減少變化有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），其中從t4開(kāi)始有非常顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.01），而且MPF指標(biāo)似乎對(duì)疲勞更加敏感，因?yàn)槠湫?yīng)量ηp2表現(xiàn)出更高的值。從表7中可以看出，在負(fù)荷臂疲勞狀態(tài)下，同樣表現(xiàn)出頻率下降的趨勢(shì)，在t2到t10時(shí)間段中，全部頻域指標(biāo)與t1相比較時(shí)，除了t2中MF與MPF指標(biāo)變化有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，t4時(shí)MF指標(biāo)變化無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，其余指標(biāo)的變化都有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。而肱三頭肌變化特點(diǎn)與其相似。

通過(guò)表5和表6可以看出，在一側(cè)肢體疲勞狀態(tài)下對(duì)側(cè)肱二頭肌的肌電頻率要比自然狀態(tài)下時(shí)肱二頭肌的頻率更高。

而對(duì)于拮抗肌肱三頭肌來(lái)說(shuō)（見(jiàn)表7和表8），其頻域指標(biāo)變化特征與肱二頭肌變化相近。

表5 一側(cè)肢體無(wú)負(fù)荷自然放松狀態(tài)下對(duì)側(cè)肱二頭肌肌電頻域指標(biāo)

表6 一側(cè)肢體動(dòng)力性負(fù)荷誘發(fā)疲勞狀態(tài)下對(duì)側(cè)肱二頭肌肌電頻域指標(biāo)

表7 一側(cè)肢體無(wú)負(fù)荷自然放松狀態(tài)下對(duì)側(cè)肱三頭肌肌電頻域指標(biāo)

表8 一側(cè)肢體動(dòng)力性負(fù)荷誘發(fā)疲勞狀態(tài)下對(duì)側(cè)肱三頭肌肌電頻域指標(biāo)

3 分析

3.1 時(shí)域指標(biāo)分析

根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，隨著運(yùn)動(dòng)時(shí)間的持續(xù)，肌肉表面肌電信號(hào)時(shí)域指標(biāo)逐漸升高，這是肌肉疲勞的一種表現(xiàn)[6-8]。積分肌電（IEMG）是指某一塊肌肉在單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的電活動(dòng)總量，也就是肌電曲線與時(shí)間軸圍成的面積[9]?？梢苑从持淠骋粔K肌肉的一群運(yùn)動(dòng)單位在一段時(shí)間內(nèi)的電活動(dòng)情況。均方根振幅（RMS）反映的是一段時(shí)間內(nèi)肌電的平均變化特征，它可以反映運(yùn)動(dòng)單位募集的同步化程度[9]。在本研究中隨著運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，肌肉開(kāi)始出現(xiàn)疲勞，但是機(jī)體為了繼續(xù)維持當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和工作任務(wù)，先前募集的運(yùn)動(dòng)單位開(kāi)始疲勞，為了使運(yùn)動(dòng)任務(wù)繼續(xù)進(jìn)行，需要募集更多的運(yùn)動(dòng)單位，此時(shí)肌肉放電現(xiàn)象加強(qiáng)，在單位時(shí)間內(nèi)的IEMG值增加，因此IEMG隨時(shí)間延續(xù)呈升高的趨勢(shì)。另外，在疲勞過(guò)程中大腦中樞也會(huì)通過(guò)增加運(yùn)動(dòng)單位的同步化程度來(lái)彌補(bǔ)肌肉力量的下降，所以RMS隨運(yùn)動(dòng)時(shí)間的進(jìn)行也會(huì)出現(xiàn)升高的趨勢(shì)。這與其他學(xué)者的研究結(jié)果相近。例如：Kilbom等人觀察了健康受試者肘關(guān)節(jié)屈肌以等長(zhǎng)收縮形式，按照25%MVC的收縮強(qiáng)度，直至收縮到力竭狀態(tài)，研究結(jié)果表明RMS持續(xù)不斷上升，力竭時(shí)達(dá)到最高[10]。另外，還有人觀察了上肢肱二頭肌分別在20%、40%、60%和80%MVC的負(fù)荷下進(jìn)行等長(zhǎng)收縮直至力竭狀態(tài)時(shí)表面肌電信號(hào)的特征，結(jié)果發(fā)現(xiàn)IEMG隨時(shí)間增加，IEMG的改變率與運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度無(wú)關(guān)，最后力竭狀態(tài)時(shí)IEMG達(dá)到初始值的1.4倍[11]。

同時(shí)，我們對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)對(duì)于一側(cè)肢體自然放松狀態(tài)下對(duì)側(cè)肱二頭肌肌電的時(shí)域指標(biāo)RMS和IEMG從t3開(kāi)始后顯著增加（P＜0.05）（見(jiàn)表1）。但是在一側(cè)肢體疲勞狀態(tài)下對(duì)側(cè)肱二頭肌肌電時(shí)域指標(biāo)RMS和IEMG從t2后就開(kāi)始增加，而且增加幅度更加明顯（P＜0.01）（見(jiàn)表3）。另外，在一側(cè)肢體疲勞狀態(tài)下時(shí)對(duì)側(cè)肱二頭肌肌電信號(hào)隨時(shí)間變化的效應(yīng)量值也更高，這說(shuō)明一側(cè)肢體產(chǎn)生疲勞時(shí)可能是通過(guò)共驅(qū)動(dòng)對(duì)對(duì)側(cè)肢體產(chǎn)生了影響，表現(xiàn)為一側(cè)肢體疲勞使對(duì)側(cè)肢體肱二頭肌的肌電指標(biāo)RMS和IEMG更高，這種差別在疲勞后期最為明顯。之前有研究報(bào)道[3]，肱二頭肌受大腦中樞的雙側(cè)支配，本研究的結(jié)果從表面肌電指標(biāo)證實(shí)了這一點(diǎn)。

另外，從本研究中肱三頭肌來(lái)看，即使肱三頭肌不是本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的主動(dòng)肌，但是對(duì)側(cè)觀察臂肱三頭肌的肌電時(shí)域指標(biāo)也跟隨著表現(xiàn)為相似的增加變化趨勢(shì)，這也應(yīng)該是中樞共驅(qū)動(dòng)的一種表現(xiàn)。但是肱三頭肌與肱二頭肌表現(xiàn)相反，即肱三頭肌RMS電活動(dòng)水平要顯著低于肱二頭肌，這是因?yàn)殡湃^肌作為拮抗肌，其電活動(dòng)是通過(guò)脊髓環(huán)路中的中間抑制性神經(jīng)元的抑制導(dǎo)致的，而控制中間抑制性神經(jīng)元活動(dòng)強(qiáng)度正是來(lái)自主動(dòng)肌的電活動(dòng)[12]，而在一側(cè)肢體疲勞狀態(tài)下，鑒于中樞共驅(qū)動(dòng)的機(jī)制，對(duì)側(cè)控制肱三頭肌的抑制性神經(jīng)元的活動(dòng)更強(qiáng)，所以導(dǎo)致在一側(cè)肢體疲勞狀態(tài)下肱三頭肌的時(shí)域指標(biāo)RMS和IEMG比一側(cè)肢體自然放松狀態(tài)下更低。

3.2 頻域指標(biāo)分析

本研究中肱二頭肌疲勞狀態(tài)下肌電頻域指標(biāo)下降的事實(shí)與其他學(xué)者研究結(jié)果相似。有學(xué)者研究認(rèn)為肌肉疲勞過(guò)程中肌電頻率成分下降的主要原因與肌肉在疲勞過(guò)程中產(chǎn)生的氫離子有關(guān)[13]，氫離子使動(dòng)作電位的傳導(dǎo)速率變慢，從而表現(xiàn)為肌電的頻率成分降低。但是國(guó)外有學(xué)者發(fā)現(xiàn)動(dòng)作電位傳導(dǎo)速度下降比例與頻率成分下降并不呈線性關(guān)系，動(dòng)作電位傳導(dǎo)速度下降要低于頻率成分的下降程度[14，15]。這些研究都證明肌電的頻域指標(biāo)變化可能并不僅僅受外周氫離子影響的。因?yàn)閺谋狙芯康臄?shù)據(jù)可以看出，肱三頭肌作為拮抗肌其肌電頻域指標(biāo)與主動(dòng)肌變化特點(diǎn)相近，這可能就是中樞共激活調(diào)控的結(jié)果。

從數(shù)據(jù)中可以明顯地看出，一側(cè)肢體疲勞狀態(tài)下對(duì)側(cè)肱二頭肌肌電頻域指標(biāo)MPF和MF的變化要比一側(cè)肢體自然放松狀態(tài)下對(duì)側(cè)肱二頭肌肌電變化更明顯，表現(xiàn)為MPF和MF增加更明顯。另外，可以看出MPF指標(biāo)要比MF指標(biāo)對(duì)疲勞更敏感。本研究結(jié)果表明在肢體一側(cè)疲勞過(guò)程中，中樞神經(jīng)系統(tǒng)可能對(duì)對(duì)側(cè)相應(yīng)肌肉實(shí)行了同樣的控制策略，所以會(huì)使頻域指標(biāo)MPF和MF升高。這說(shuō)明中樞對(duì)肌電頻域指標(biāo)具有調(diào)控能力。

通過(guò)頻域指標(biāo)的數(shù)據(jù)可以看出，在一側(cè)肢體疲勞狀態(tài)下對(duì)側(cè)肱二頭肌的肌電頻率要比自然狀態(tài)下肱二頭肌的頻率更高，這可能由于一側(cè)肢體疲勞后中樞的放電頻率增加，然后通過(guò)共驅(qū)動(dòng)的方式來(lái)影響對(duì)側(cè)肱二頭肌，使得肱二頭肌的表面肌電信號(hào)的頻率相對(duì)增加。

共驅(qū)動(dòng)理論認(rèn)為，人體在運(yùn)動(dòng)時(shí)中樞神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)屬于同一神經(jīng)元池的運(yùn)動(dòng)單位活動(dòng)進(jìn)行整體調(diào)控。共驅(qū)動(dòng)理論的研究開(kāi)始于同一塊肌肉內(nèi)部的各運(yùn)動(dòng)單位興奮發(fā)放頻率的一致性，之后學(xué)者們進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，在關(guān)節(jié)水平，實(shí)現(xiàn)共同任務(wù)的主動(dòng)肌和拮抗肌的運(yùn)動(dòng)單位興奮發(fā)放頻率也遵從共驅(qū)動(dòng)控制原理[3]。

4 結(jié)論

本研究通過(guò)誘發(fā)一側(cè)肢體上肢肘關(guān)節(jié)肌肉運(yùn)動(dòng)性疲勞的發(fā)生，發(fā)現(xiàn)對(duì)側(cè)肢體肱二頭肌和肱三頭肌表面肌電信號(hào)時(shí)域指標(biāo)RMS、IEMG和頻域指標(biāo)MF、MPF具有中樞共驅(qū)動(dòng)的特征。這對(duì)于豐富和完善中樞共驅(qū)動(dòng)理論具有重要意義。

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Study on Neural Co-activation during Human Upper Limb Muscle Fatigue Based on Surface Electromyography

Zhang Su
Department of Physiology and Biochemistry，Human Kinesiology College，Shenyang Sport University，Shenyang 110102，China

Zhang Su，Email：zhangsu19631@yeah.net

Objectives To observe the co-activation phenomenon during exercise fatigue induced by the proximal muscles on the upper limbs.MethodsSixteen undergraduates not majoring in sports partic?ipated in this study，and their left arms were chosen as the observed arms and right arms were select?ed as the weighted arms.The weighted arm was alternatively in the state of relaxation without any load and fatigue after bending and extending elbow joints to uphold a 5kg dumbbell.However，the ob?served arm kept weighing a 4kg dumbbell with 90 degrees elbow flexion until the muscles were ex?hausted.The surface electromyography of biceps brachii and triceps brachii of the observed arms was measured using the ME6000.And the integrated surface electromyography（IEMG），root of mean square（RMS），mean power frequency（MPF）and median frequency（MF）were further analyzed.ResultsThe IEMG and RMS of biceps brachii and triceps brachii of the observed arms increased gradually af?ter the exercise began（P＜0.05）regardless of in the relaxed state or in the in the state of weighing a 5kg dumbbell for the weighted arm，but in the state of weighting a 5kg dumbbell the IEMG andRMS increased more significantly（P＜0.01），Meanwhile the electrical activities of the triceps brachii as an antagonistic muscle were intensively inhibited.The changes of MPF and MF of biceps brachii in the observed arms were more significant in the state of exercise fatigue than in the relaxed state（P＜0.01），but without such an impact on the triceps brachii.ConclusionsThe fatigue in one arm can trig?ger contingent changes in sEMG time domain and frequency domain indexes of its contralateral parallel muscles，suggesting that sEMG changes of upper limb proximal muscles have the co-activation effect.

surface electromyography（sEMG），fatigue，co-activation；integrated surface electromyog?raphy（IEMG），root of mean square（RMS），mean power frequency（MPF），median frequency（MF）

2016.04.26

遼寧省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃2015年度研究基地專(zhuān)項(xiàng)課題（JG15ZXY09）；沈陽(yáng)體育學(xué)院重點(diǎn)體育學(xué)科資助項(xiàng)目（XK?FX1512）；遼寧省教育廳科學(xué)技術(shù)研究一般課題（L2012412）

張肅，Email：zhangsu19631@yeah.net