振動訓(xùn)練對50～65歲老年人下肢骨骼肌激活特征和生理負(fù)荷的影響*

連志強(qiáng)，劉善云△，蘆劼明，周魯星，季雪瑩

（1.天津體育學(xué)院運動訓(xùn)練科學(xué)學(xué)院，2.天津體育學(xué)院社會體育與健康科學(xué)學(xué)院，天津 301617）

振動訓(xùn)練是一種利用專門儀器產(chǎn)生的簡諧振動作為負(fù)荷進(jìn)行身體訓(xùn)練的方法。振動訓(xùn)練時，振動平臺振動會產(chǎn)生一定加速度使機(jī)體骨骼肌承受的負(fù)荷增加，另外肌肉振動激活牽張反射并使神經(jīng)肌肉系統(tǒng)產(chǎn)生調(diào)節(jié)適應(yīng)，進(jìn)而改善骨骼肌收縮功能［1］。

研究表明，合理的振動訓(xùn)練對下肢活動功能有積極影響，可以增強(qiáng)其骨骼肌力量［2］、骨密度水平［3］和平衡能力［4］。隨著年齡的增加，中老年人肌力水平會呈現(xiàn)增齡性下降，尤其是骨骼肌快速收縮能力明顯下降［5］，另外中老年人健身方式往往采用中低強(qiáng)度的有氧練習(xí)［6］，這種鍛煉方式對骨骼肌刺激較少，尤其是對高閾值的Ⅱ型肌纖維激活不足，導(dǎo)致中老年Ⅱ型肌纖維萎縮且快速收縮能力嚴(yán)重下降，這是導(dǎo)致中老年人跌倒的重要原因之一［7］，所以尋找適合于提高中老年人快速力量的訓(xùn)練方法是十分迫切的。已有研究證實振動訓(xùn)練作為一種被動刺激可以通過激活牽張反射來提高運動員快速力量水平，但目前采用振動訓(xùn)練提高中老年人快速力量的可行性研究較為缺乏，相關(guān)研究更多從功能和運動能力變化為主，缺少對振動訓(xùn)練時肌肉激活特征以及運動過程中相關(guān)生理負(fù)荷的研究。因此，本研究以中老年人為研究對象，觀察振動訓(xùn)練時中老年人下肢肌肉表面肌電以及生理生化指標(biāo)的變化，旨在闡明中老年人進(jìn)行振動訓(xùn)練時的肌肉激活特征和生理負(fù)荷，探討振動訓(xùn)練應(yīng)用于中老年人力量訓(xùn)練的可行性，為振動訓(xùn)練的推廣以及中老年人科學(xué)健身提供一定的實驗和理論依據(jù)。

1 對象與方法

1.1 研究對象

研究對象為28名中老年人（50～65歲），其中男性10人，女性18人。受試者身體健康，無心腦血管疾病、骨關(guān)節(jié)疾病等。實驗前向受試者告知本研究實驗流程和注意事項，并簽署知情同意書。受試者平均年齡（61.73±4.71）歲，身高（165.41±7.82）cm，體重（66.42±6.95）kg。

1.2 測試指標(biāo)與方法

振動平臺采用Power-Plant pro5振動訓(xùn)練儀（設(shè)置頻率30 Hz，振幅2 mm），受試者分別在振動條件下（VT）和無振動條件下（NT）進(jìn)行克服自身體重的靜力半蹲練習(xí)（膝關(guān)節(jié)角度為135°），每組持續(xù)40 s，共進(jìn)行5次，間歇80 s。在運動過程中采集下肢主要肌群表面肌電、心率、攝氧量和RPE等，運動前和運動后15 min取肘靜脈血（10 ml）測定肌酸激酶和尿素氮。受試者先于振動條件下進(jìn)行測試，休息48 h再于無振動條件下進(jìn)行測試。

1.2.1 表面肌電 采用美國NORAXON公司生產(chǎn)的無線肌電遙測系統(tǒng)測試肌電信號，截取第1組40 s靜力半蹲全過程分析均方根振幅（root mean square，RMS）、平均功率頻率（mean power frequency，MPF）和平均功率頻率斜率（mean power frequency slope，MPFs）。測試肌肉包括股直?。╮ectus femoris，RF）、股內(nèi)側(cè)肌（vestus medialis，VM）、股外側(cè)肌（vestus lateralis，VL）、股二頭肌（biceps femoris，BF）、半腱?。╯emitendinosus，ST）、腓腸肌內(nèi)側(cè)（medial gastrocnemius，MG）、腓腸肌外側(cè)（lateral gastrocnemius，LG）、脛骨前?。╰ibialis anterior，TA）。

1.2.2 心率、攝氧量和主觀疲勞感 采用德國CORTEX METALYZER 3B運動心肺功能分析儀測試安靜時和運動時心率、攝氧量指標(biāo)平均值；采用主觀疲勞等級量表（rate of perceived exertion，RPE）測試每組練習(xí)后即刻主觀疲勞度。

1.2.3 血液生化指標(biāo) 采用羅氏/Roche Reflotron Plus全血干式生化分析儀測定肌酸激酶、血尿素氮。

1.3 統(tǒng)計學(xué)處理

2 結(jié)果

2.1 受試者完成靜力半蹲時下肢主要肌群表面肌電的變化

受試者在完成40 s靜力半蹲時下肢肌群肌電RMS、MPF、MPF slope變化如表1所示。VT受試者M(jìn)HG、LHG、TA RMS顯著高于NT（P＜0.01，表1），RF、VM、VL、BF、ST RMS顯著高于NT（P＜0.05）；VT受試者VL、BF、ST、MHG、LHG、TA、MPF顯著高于NT（P＜0.05）；VT受試者VM、VL、BF、MHG、LHG、TA、MPF slope顯著高于NT（P＜0.05）。結(jié)果提示：在相同運動負(fù)荷下，振動刺激引起機(jī)體運動時下肢主要肌群肌電RMS、MPF以及MPF slope的增加，表明振動刺激時下肢肌肉放電程度和放電頻率下降速度顯著增加。

Tab.1 Changes of RMS，MPF and MPF slope when completing exercise（±s，n=28）

Tab.1 Changes of RMS，MPF and MPF slope when completing exercise（±s，n=28）

VT：Vibration training；NT：Non-Vibration training；RMS：Root mean square；MPF：Mean power frequency；RF：Rectus femoris；VM：Vastus medialis；VL：Vastus lateralis；BF：Biceps femoris；ST：Semitendinosus；MG：Medial Gastrocnemius；LG：Lateral Gastrocnemius；TA：Tibialis anterior*P＜0.05，**P＜0.01 vs NT

VT RMS（μV） MPF（Hz） MPF slope（Hz/s）NT RMS（μV） MPF（Hz） MPF slope（Hz/s）RF 38.28±19.28*68.34±29.22 -0.62±0.29 20.55±17.07 59.32±28.36 -0.49±0.18 VM 68.93±39.70*61.68±23.85 -0.59±0.22* 46.01±31.16 56.36±23.62 -0.38±0.17 VL 66.93±32.30*69.87±17.35*-0.69±0.18* 45.13±35.76 48.69±12.69 -0.41±0.11 BF 12.32±8.96*51.12±37.21*-0.45±0.29* 7.69±5.59 32.17±8.94 -0.22±0.08 ST 8.65±8.33*55.19±29.65*-0.37±0.21 4.36±5.33 29.72±18.66 -0.19±0.11 MG 19.73±12.26**66.38±33.76*-0.69±0.48* 8.56±6.38 42.92±20.31 -0.37±0.26 LG 22.34±14.36**72.37±37.13*-0.76±0.54* 6.86±6.54 46.33±24.25 -0.47±0.31 TA 9.22±5.68**53.66±47.21*-0.43±0.57* 5.15±2.64 25.12±19.66 -0.19±0.18

2.2 受試者完成5組40 s靜力半蹲時心率、攝氧量、RPE的變化

受試者完成5組40 s靜力半蹲時心率、攝氧量和RPE變化如表2所示。VT受試者心率、攝氧量均顯著高于NT（P＜0.05）；雖然心率與攝氧量較NT有顯著升高，而RPE與NT無顯著差異。結(jié)果提示：（1）5組40 s振動訓(xùn)練對于中老年人屬于中等強(qiáng)度運動；（2）振動刺激引起機(jī)體運動時心率、攝氧量的顯著提高，表明振動刺激增加運動強(qiáng)度；（3）通過心率和攝氧量測定出來的強(qiáng)度指標(biāo)與RPE結(jié)果不一致，表明振動訓(xùn)練導(dǎo)致的運動強(qiáng)度增加并不會引起主觀疲勞感增加。

Tab.2 Changes of heart rates，oxygen uptake and RPE when completing exercise（±s，n=28）

Tab.2 Changes of heart rates，oxygen uptake and RPE when completing exercise（±s，n=28）

VT：Vibration training；NT：Non-vibration training；RPE：Rating of perceived exertion；*P＜0.05 vs NT

Group Heart rate（beats/min）Oxygen uptake（ml/（min·kg）） RPE VT Rest 72.73±8.97 4.91±0.39 /Exercise 132.87±7.68*16.34±2.58*15.43±3.81 NT Rest 70.55±7.84 4.76±0.26 /Exercise 114.35±8.86 13.7±2.03 14.98±3.15

2.3 受試者完成靜力半蹲時血液生化指標(biāo)的變化

受試者完成5組40 s靜力半蹲練習(xí)前后血液肌酸激酶和尿素氮變化如表3所示。與NT比較，VT受試者肌酸激酶、尿素氮均無顯著差異。

Tab.3 Changes of blood biochemical indexes before and after completing exercise（±s，n=28）

Tab.3 Changes of blood biochemical indexes before and after completing exercise（±s，n=28）

VT：Vibration training；NT：Non-vibration training *P＜0.05 vs NT

Group Creatine kinase（U/L）Urea nitrogen（mmol/L）VT Rest 119.11±61.72 5.10±1.14 Exercise 141.88±98.36 5.52±1.38 NT Rest 127.66±52.10 4.97±0.92 Exercise 136.98±78.33 5.34±1.18

3 討論

表面肌電信號可以反應(yīng)出神經(jīng)肌肉活動狀態(tài)特征。RMS反映肌電信號的振幅變化，通常用于分析一定時間內(nèi)的肌肉放電平均水平；MPF、MPF slope主要反應(yīng)肌電信號頻率的變化，可用來推測活化的運動單位類型［8］，在抗阻負(fù)荷過程中肌電MPF、MPF slope與Ⅱ型肌纖維活化比例呈正相關(guān)［9］。

從本研究RMS測試結(jié)果可以看出，靜力半蹲施加振動刺激可以增加下肢主動肌和拮抗肌的放電水平。其原因有兩方面：一方面是由于垂直方向的簡諧振動刺激會改變振動平臺上的加速度，根據(jù)力=質(zhì)量×加速度的理論，肌肉所承受的張力由于加速度的增加而增加，因此相關(guān)肌肉放電水平會增加［10］；另一方面是由于高頻振動引起肌肉的快速拉長和縮短，不斷刺激肌肉中的肌梭感受器，使初級Ia傳入纖維的產(chǎn)生興奮，引起梭外肌纖維反射性收縮活動增強(qiáng)，刺激潛在的運動單位進(jìn)一步激活，從而增加參與工作的骨骼肌放電水平［11］。除此之外，本研究發(fā)現(xiàn)在施加振動刺激條件下，靜力半蹲練習(xí)的拮抗肌有顯著激活，這是由于振動條件會產(chǎn)生一種失穩(wěn)狀態(tài)，在這種失穩(wěn)狀態(tài)下維持姿勢的穩(wěn)定，就需要肌肉之間的協(xié)調(diào)工作，因此產(chǎn)生一定的同步激活現(xiàn)象［12］。中老年人增齡性肌力下降是普遍存在的，隨著年齡的增長，人體各運動器官和系統(tǒng)會發(fā)生生理性的衰退［6］。因此常規(guī)力量訓(xùn)練方法對于中老年人具有一定難度和心理負(fù)擔(dān)，而振動訓(xùn)練可以在不改變動作難度，不改變負(fù)荷重量的情況下有效增強(qiáng)肌肉活動水平，同時增強(qiáng)神經(jīng)肌肉間協(xié)調(diào)性。

從本研究MPF和MPF slope測試結(jié)果表明振動刺激募集了更多的Ⅱ型肌纖維參與工作。大部分肌肉同時含有Ⅰ型肌纖維和Ⅱ型肌纖維，Ⅰ型肌纖維受閾值較低的運動神經(jīng)元支配，神經(jīng)沖動傳導(dǎo)速度慢，抗疲勞能力強(qiáng)；Ⅱ型肌纖維受高閾值運動神經(jīng)元支配，神經(jīng)沖動的傳導(dǎo)速度較快，能快速收縮并產(chǎn)生較大的肌張力，但是容易疲勞。在隨意運動過程中，運動神經(jīng)元一般會按照由小到大的原則依次募集［13］，但振動訓(xùn)練作為一種外源性機(jī)械刺激，骨骼肌需要在很短時間完成快速拉長和縮短，運動神經(jīng)元不能在短時間依次募集，此時運動神經(jīng)元就會出現(xiàn)選擇性募集，提前募集更高閾值的運動單位以滿足肌肉的快速收縮［12］。研究表明中老年人Ⅱ型肌纖維的萎縮速度要顯著高于Ⅰ型肌纖維［6］，表現(xiàn)為骨骼肌快速收縮能力明顯下降，也是導(dǎo)致跌倒發(fā)生的重要因素之一［7］。另外，中老年人健身方式往往采用中低強(qiáng)度的有氧練習(xí)為主，肌肉收縮速度較慢，強(qiáng)度較小，這種鍛煉方式對骨骼肌刺激較少，尤其是對高閾值的Ⅱ型肌纖維激活不足。在傳統(tǒng)力量訓(xùn)練中，通常以增加收縮速度和負(fù)荷強(qiáng)度才能更好的募集高閾值Ⅱ型肌纖維［13］，但這種負(fù)荷方式對于中老年人具有較高的風(fēng)險性。通過本研究發(fā)現(xiàn)，振動訓(xùn)練可以在不改變動作難度、動作速度且不增加額外負(fù)重的基礎(chǔ)上，能夠募集更多高閾值的運動單位參與工作，對減緩中老年人Ⅱ型肌纖維的萎縮具有一定的效果。

心率、攝氧量是反應(yīng)運動強(qiáng)度的重要指標(biāo)［14］。本研究結(jié)果顯示，振動刺激在不改變練習(xí)動作的基礎(chǔ)上增加運動負(fù)荷。這是由于施加振動刺激使肌肉工作強(qiáng)度增加所導(dǎo)致，肌肉工作強(qiáng)度的增加會使機(jī)體消耗更多的能量，為保證身體機(jī)能的正常運行，機(jī)體需要提高循環(huán)機(jī)能來滿足骨骼肌活動需求。另外，有研究從流體力學(xué)的角度探討振動刺激對心血管機(jī)能的影響，結(jié)果表明振動訓(xùn)練會導(dǎo)致毛細(xì)血管的代償性形變而增加組織血流量，從而改善機(jī)體循環(huán)機(jī)能，使機(jī)體利用氧的能力提高，血液和骨骼肌之間的物質(zhì)代謝更加有效，因此導(dǎo)致振動刺激條件下機(jī)體攝氧量的升高［15］。此外，本研究對受試者RPE等級進(jìn)行評定，表明振動與無振動條件下RPE等級并無顯著差異，發(fā)現(xiàn)RPE與心率、攝氧量的強(qiáng)度評價標(biāo)準(zhǔn)存在不一致現(xiàn)象。這與張帆、王竹影等研究結(jié)果一致［16］。由于振動刺激是一種被動負(fù)荷，通過肌肉不斷拉長和縮短引發(fā)張力性振動反射，改善肌群間協(xié)調(diào)作用促進(jìn)力量表現(xiàn)，導(dǎo)致受試者在主觀強(qiáng)度評價時出現(xiàn)差異，讓受試者主觀上感覺不費力［4］；另外振動訓(xùn)練可促進(jìn)血液循環(huán)，引起肌肉和皮膚血流量升高，肌肉組織間粘滯性降低，提高運動表現(xiàn)和身體機(jī)能［17］，從而抵消肌肉收縮強(qiáng)度增加而產(chǎn)生的主觀疲勞感。這也從側(cè)面反映出振動訓(xùn)練較常規(guī)抗阻訓(xùn)練，不會產(chǎn)生過大的心理負(fù)擔(dān)和主觀難度。

肌酸激酶和血尿素氮是運動訓(xùn)練中機(jī)體對負(fù)荷適應(yīng)情況的重要指標(biāo)。運動后肌酸激酶的升高主要與運動性骨骼肌細(xì)胞損傷或胞膜的通透性增大有關(guān)，因此可以作為判斷骨骼肌損傷的重要指標(biāo)；血尿素氮是蛋白質(zhì)和氨基酸分子內(nèi)氨基代謝的終產(chǎn)物，當(dāng)機(jī)體負(fù)荷適應(yīng)程度差或者運動量過大時，血尿素氮明顯升高［18］。因此，本研究選用肌酸激酶和血尿素氮來判斷中老年人進(jìn)行振動訓(xùn)練的負(fù)荷適應(yīng)情況，以及是否會產(chǎn)生骨骼肌損傷。本研究發(fā)現(xiàn)，VT與NT比較，肌酸激酶與血尿素氮的變化均無統(tǒng)計學(xué)差異，表明中老年人對振動刺激的負(fù)荷適應(yīng)情況較好，也不會引起肌肉損傷，這也驗證了Jingwang Tan等人的研究［19］。

綜上所述，50～65歲中老年人采用施加振動刺激的靜力半蹲練習(xí)可以使機(jī)體募集更多的運動單位和更高比例的快肌纖維參與工作，在不增加主觀疲勞感的基礎(chǔ)上增加運動強(qiáng)度，同時未發(fā)現(xiàn)肌肉損傷。