Biomechanika i właściwości fizyczne mięśni Rodzaje pracy mięśniowej (III)

BUDOWA MIĘSNI POPRZECZNIE PRĄŻKOWANYCH

• Mięsień poprzecznie prążkowany jest jednostką strukturalną czynnego narządu ruchu

• Zbudowany jest z wielu tysięcy komórek (długości od kilku mm do ok. 50 cm) tworzących pęczki

• Na obu końcach komórki mięśniowe są przyczepione do ścięgien

• Włókna mięśniowe otoczone są łącznotkankową omięsną wewnętrzną, które tworzą całość otoczoną osłoną zwaną omięsną zewnętrzną oraz ze ścięgien przymocowujących mięsień do kości

• Kom. mięśniowa jest wielojądrzasta, cylindryczna na przekroju poprzecznym, o średnicy ok. 50 um

• Otoczona jest sarkolemmą- pobudliwą błoną komórkową

• Wnętrze komórki wypełnia sarkoplazma i pęczki włókienek mięśniowych

• Włókienko mięśniowe (mioflbryla), otoczone siateczką sarkoplazmatyczną, ma odcinki o większym o większym i mniejszym współczynniku załamywania światła występujące naprzemiennie

• Odcinki silniej załamujące światło tworzą ciemniejsze prążki anizotropowe (A), a odcinki słabiej załamujące światło tworząjasne prążki izotropowe (I)

• W miofibrylach położonych obok siebie prążki A i I sąsiadują ze sobą tworząc poprzeczne prążkowanie całej komórki mięśniowej

• Włókienko mięśniowe składa się z cienkich (aktynowych)i grubych (miozynowych) nitek białek kurczliwych

• Grube filamenty wysuwają wypustki- miozynowe mostki poprzeczne, łączące je z filamentami cienkimi

• Sarkomer-jednostka funkcjonalna miofibryli, która w zrelaksowanym mięśniu wynosi ok. 2,5 um obejmuje cały prążek A i sąsiadujące z nim dwie połówki prążka I

• Prążek A tworzą nitki miozynowe a prążek I nitki aktynowe doczepione do błony granicznej Z- dzielącej każdy prążek I na 2 połówki

• W czasie skracania się komórki mięśniowej nitki aktyny wsuwają się pomiędzy nitki miozyny co sprawia, że prążki I stają się niewidoczne

Mięsień

Śród mięsna

Omięsną zewnętrzna —>
Omięsną wewnętrzna

Sarkomer 2

• Wielkość siły skurczu wytwarzanego w poszczególnych miofibrylach i w całym włóknie mięśniowym jest proporcjonalna do liczby aktywnych miozynowych mostków poprzecznych

• Maksymalny skurcz występuje przy długości sarkomeru 2 urn- dla większej (stopniowy zanik aktywnych poprzecznych mostków miozyno wych) i mniejszej długości sarkomeru (zbyt duże zachodzenie na siebie cienkich i grubych filamentów) siła skurczu maleje

• Siła skurczu gwałtownie maleje przy długości sarkomeru powyżej 3 um (max. rozciągnięcie włókna)

Dtugośó sarkomeru

• Szybkość skurczu zależy także od liczby sarkomerów, im większa ilość sarkomerów (dłuższe włókna), tym większa szybkość skracania

• W krótkich włóknach mięśniowych szybkość skracania jest mniejsza, ale mogą one wytwarzać większą siłę skurczu

JEDNOSTKA MOTORYCZNĄ I WEWNĘTRZNA ORGANIZACJA MIĘŚNIA

• jednostkę motoryczną stanowi komórka nerwowa ( motoneuron a w substancji szarej rogów przednich rdzenia kręgowego) razem ze swoim aksonem i jego odgałęzieniami oraz wszystkimi włóknami mięśniowymi które unerwia

• po osiągnięciu progu pobudzenia komórka nerwowa generuje impulsy, które wędrują wzdłuż aksonu i jego rozgałęzień do płytki motorycznej włókien mięśniowych. Impulsy te za pośrednictwem chemicznego mediatora przekazywane są do włókien mięśniowych zaopatrywanych przez daną komórkę motoryczną wywołując ich skurcz

-jeden akson (wraz z odgałęzieniami) może unerwiać 100- 2000 włókien mięśniowych

• liczba włókien zaopatrywanych przez jeden akson komórki motorycznej (decyduje o precyzji mięśnia )-gęstość unerwienia

• liczba włókien mięśniowych mięśni szkieletowych jest bardzo zróżnicowana (np. pierwszy m. glisto waty - ok. 10 tys., pierwszy międzykostny grzbietowy ok. 40 tys., głowa przyśrodkowa m. brzuchatego łydki ok. 1 min)

• kształt mięśni szkieletowych determinuje głównie przestrzeń przeznaczona dla mięśnia

• fizjologiczny przekrój poprzeczny mięśnia jest to przekrój prostopadły do jego wszystkich włókien w najgrubszym miejscu, gdy jest on w połowie całkowitego wydłużenia i całkowitego skrócenia

• przy fizjologicznej długości mięśnia maksymalna siła skurczu jest wprost proporcjonalna do powierzchni jego przekroju

- maksymalne napięcie mięśnia, jakie może on wyprodukować na jednostkę fizjologicznego przekroju
poprzecznego jest określane jako absolutna siła mięśnia i wynosi ok. 3,6 kg/cm²

FIZYCZNE WŁAŚCIWOŚCI MIĘŚNI

Mechanika działania mięśni jest powiązana ze zmianami biochemicznymi. Skurcz mięśnia inicjuje acetylocholina a powstrzymuje cholinesteraza. Stopień skurczu mięśnia (liczbę zaangażowanych w skurcz jednostek motorycznych) kontroluje ośrodkowy układ nerwowy. Podczas tych zmian glikogen wątroby utlenia się do glukozy a potem do kwasu mlekowego, który wypłukiwany jest z mięśni i częściowo ulega resyntezie do glikogenu, a częściowo jest utleniony do dwutlenku węgla i wody. W wyniku zmian biochemicznych powstaje energia, m. in. mechaniczna.Zgodnie z prawem „wszystko albo nic" pobudzone włókno mięśniowe popada w maksymalny skurcz. Kontrola napięcia odbywa się dzięki regulacji liczby jednostek motorycznych kurczących się w tym samym czasie warunkując stopień skurczu mięśnia.

Podstawowe fizyczne właściwości mięśnia

1) elastyczność - cecha wszystkich bezwładnych ciał żywych

• elastyczność włókna mięśniowego to jego odporność na rozciąganie i zdolność do biernego przybierania swojej naturalnej długości po ustąpieniu sił rozciągających

• elastyczność zależna jest od sarcolemmy i pochewek łącznotkankowych otaczających włókna mięśniowe; czynnikiem decydującym jest liczba włókien elastycznych zapewniających powrót mięśnia do długości spoczynkowej po ustaniu rozciągania

• wielkość wydłużenia wiotkiego mięśnia po przytwierdzeniu ciężaru jest wprost proporcjonalna do pierwotnej długości mięśnia i siły rozciągającej, a odwrotnie proporcjonalna do jego przekroju poprzecznego

• włókno mięśniowe ulega rozpadowi gdy ulegnie rozciągnięciu powyżej 1,6 jego pierwotnej długości

• zależność pomiędzy siłą a wydłużeniem wiotkiego mięśnia jest proporcjonalna tylko do pewnego punktu, po przekroczeniu którego ta sama siła powoduje stopniowo zmniejszające się wydłużenie lub takie samo wydłużenie wymaga stopniowo narastającej siły

- ciągłe bierne rozciąganie mięśnia wywołuje w nim trwałe zmiany strukturalne dużo wcześniej przed
osiągnięciem punktu rozpadu

2) kurczliwość- zdolność mięśnia do skracania się (tj. czynnej zmiany długości i kształtu komórek ) pod
wpływem bodźca nerwowego lub elektrycznego

• kurczliwość jest procesem aktywnym

• maksymalnie skurczony mięsień poddaje się sile rozciągania bardziej w proporcji arytmetycznej niż rozciągany mięsień wiotki, jest więc bardziej elastyczny

• wielkość siły rozciągającej która przywraca pierwotną długość maksymalnie skurczonemu mięśniowi jest inna dla każdego mięśnia i nosi nazwę absolutnej siły mięśniowej; można ją określić dla każdego mięśnia jeśli znany jest jego przekrój poprzeczny (ok. 3,6 kg/cm ), jednak odnosi się to tylko do stanu izometrycznego mięśnia.

Rozmiary skurczu mięśni

stopień kurczliwości mięśnia zależy od jego długości- im dłuższa jest długość włókna, w tym większym zakresie może się ono kurczyć

• maksymalnie rozciągnięty mięsień ma 1,6 długości naturalnej, a maksymalnie skurczony mięsień ok. 0,5 długości naturalnej

• mięsień jest najbardziej wydajny i wykazuje największą siłę w sytuacji kiedy jego długość jest najbardziej zbliżona do długości naturalnej

- mięśnie o większej długości (rozległości skurczu) a mniejszej sile służą do nadawania ruchom szybkości,
mięsnie krótsze kurczą się na mniejszej przestrzeni dlatego mają większy wskaźnik wydajności i służą
czynnościom wymagającym siły

Zdolność mięśni do pracy (wydajność)

- zależy od przekroju poprzecznego mięśnia ( im większy tym większe napięcie może wyprodukować
mięsień)oraz odległości na jakiej mięsień może się skurczyć zgodnie z formułą -praca = siła x odległość.

ZALEŻNOŚCI MIEDZY DŁUGOŚCIĄ I NAPIĘCIEM MIĘŚNIA

Zmiany długości mięśnia

- czynnościowe wychylenie mięśnia - odległość na jaką mięsień może ulec skróceniu po wcześniejszym
wydłużeniu, o ile staw lub stawy, ponad którymi przebiega mięsień mogą na to pozwolić

• prawdopodobnie włókna mogą się skracać o ok. 57% ich długości w wydłużeniu

• w większości ruchów zmiany długości mięśnia wystarczają aby poruszać stawem w pełnym zakresie ruchów; wyjątek stanowią mięśnie kilkustawowe które pobudzone do skurczu nad wieloma stawami równocześnie mogą ulec skróceniu przy którym nie mogą wyprodukować żadnego użytecznego napięcia - mięśnie musza mieć pewne wydłużenie aby wyzwolić odpowiednie napięcie

Diagram długość-napięcie mięśnia (krzywa Blixa)

a) długość spoczynkowa (naturalna długość mięśnia)

- jest to długość przy której nie można zarejestrować napięcia w mięśniu i do której mięsień powraca po ustaniu
pobudzenia pod warunkiem, że nie działają na niego siły zewnętrzne

b) krzywa napięcia biernego (elastyczności)

- niestymulowane włókno mięśniowe (w którym elementy kurczliwe nie są aktywne) po zadziałaniu siły
rozciągającej powoli wydłuża się a jego napięcie początkowo wzrasta bardzo powoli, potem szybciej

100 120 140

długość

160 180

5

c)

diagram długość- napięcie dla stymulowanego włókna mięśniowego

100

160 180 200

długość

\y-

długość spoczynkowa

m "o

długość

Rysunek 47. Diagram długość-napięcie dla izometrycznie pobudzanego -włókna mięś­niowego, łącznie z pełnym wydłużeniem włókna

Rysunek 48. Diagram długość-napięcie mięśnia dla izometrycznie pobudzanego włókna, łącznie z krańcowym skróceniem włókna,

diagram sporządzono stymulując włókno mięśniowe przy długości spoczynkowej, a następnie przy długościach większych (do momentu przerwania włókna-200% długości spoczynkowej)i mniejszych (do momentu w którym włókno mimo bardzo silnej stymulacji nie wytworzyło żadnego napięcia- poniżej 50% wartości spoczynkowej)niż długość spoczynkowa

- maksymalne napięcie izometryczne uzyskuje się gdy mięsień jest nieco wydłużony poza swoją długość
spoczynkowa

d) zastosowanie diagramu długość- napięcie mięśnia do ruchów w stawie

- w normalnych warunkach wywołanie ruchu odzwierciedla tylko najwyższa, najbardziej skuteczna część
krzywej

• w przypadku mięśni jednostawo wy eh jego wychylenie jest ograniczone do zakresu na jaki pozwala staw

• dla optymalnego efektu mięsień powinien ulec wydłużeniu, zanim dokona skurczu; jest to b. ważne przy wyborze ćwiczeń dla słabych mięśni, które w ich krótkim zakresie wychylenia mogą nie być zdolne do wyprodukowania napięcia, ale mogą reagować jeśli zostaną wydłużone

• mięśnie wielostawowe mają większe możliwości wychyleń niż mięśnie jednostawo we, co może narażać mięsień na rozciąganie poza granice bezpieczeństwa

Działanie mięśnia przez ścięgno

• bierne napięcie bez towarzyszącego skurczu mięśni (rozciągnięcie elementów elastycznych) może wywołać ruchy stawów jeśli mięsień jest wydłużony nad dwoma lub więcej stawami równocześnie.

• uważa się , że jest to działanie ścięgien mięśni, np. w przypadku zgięcia nadgarstka pod wpływem ciężaru ręki, palce automatycznie prostują się bez skurczu ich prostowników

Uszkodzenie mięśni dwustawowych przez ich bierne rozciąganie

- normalne, nieporażone mięśnie tylne uda ulegają rozciągnięciu nie stwarzając oporu dla ruchu tylko do
pewnego punktu a ból nie pozwala na wydłużenie które spowodowałoby ich uszkodzenie; mięśnie osłabione
porażeniem mogą ulec uszkodzeniu jeśli zostaną silnie rozciągnięte ponad dwoma stawami równocześnie,
dlatego każdy fizjoterapeuta powinien wiedzieć, że takie mięśnie muszą być szczególnie chronione przed
nadmiernym rozciągnięciem

Czynnościowe korzyści mięśni wielostawowych

- są one aktywowane w ruchach wymagających wydłużenia mięśni nad jednym stawem, podczas gdy ruch
odbywa się w innym stawie- w tych warunkach zachowują one korzystną długość przez większą część zakresu i
szybkość ich skracania jest mniejsza niż mięśni jednostanowych

6

Skurcz izotoniczny

- w warunkach zwykłej aktywności występuje rzadko

-po/ega na utrzymaniu stałego napięcia mięśnia podczas jego skurczu

- w warunkach naturalnych nie istnieje, prawidłowo należy stosować w terminologii skurcz skracający i
wydłużający

Wpływ szybkości skurczu na napięcie mięśnia

^po ir skurcz izometryczny

skrócenie

wydłużenie -v₂-v, o +v,+v₂

podczas skurczu izometrycznego mimo szybkości skracania=0 rozwija się pewne napięcie (Po)

• gdy szybkość skracania mięśnia wzrasta (+V1 + V2) napięcie PI i P2 rozwijane przez mięsień zmniejsza się, natomiast gdy mięsień jest rozciągany (stawia opór siłom rozciągającym) napięcie najpierw wzrasta wraz ze wzrost szybkości rozciągania, a potem poziom napięcia stabilizuje się

Zasady rządzące szybkością skracania się (lub wydłużania) mięśnia i maksymalnego napięcia mięśnia:

• skurcze izometryczne mają wyższe wartości napięcia niż skurcze skracające

• wzrost szybkości skracania powoduje zmniejszanie się napięcia

- w czasie skurczu wydłużającego mięsień może wytworzyć większe napięcie niż podczas skurczów
izometrycznych lub skracających

- do pewnego momentu wzrostu szybkości rozciągania mięśnia wzrasta jego napięcie

Eccentric
Isometric / maximum	\ concentric

Lengthening yelocity

Shortening ve!ocity

Krzywa zależności siły i szybkości skurczu mięśnia

- pozorna nadmiarowość mięśni-związana jest z różnorodnością wykonywanych ruchów oraz potrzebą płynnego
wykonywania ruchów precyzyjnych; polega na działaniu sił przeciwstawnych, związanych z grawitacją oraz z
biernymi i aktywnymi oporami ruchu wytwarzanymi w mięśniach antagonistycznych;

W układzie ruchowym mięśnie pełnią 2 podstawowe funkcje:

• napędową- skurcz mięśni wytwarza siłę niezbędna do ruchu lub zrównoważenia obciążenia

• tłumiącą- wyhamowywanie skurczu głównej grupy mięśni napędowych w celu płynnej regulacji wypadkowej siły napędowej ( aktywność mm antagonistycznych regulowana na drodze odruchowej i sterowania ośrodkowego)

• wydajność ukł. mięśniowego zależy m.in. od charakterystyki mechanicznej biernego rozciągania mięśni, które powyżej długości fizjologicznej zachowują się jak sprężyna; siła sprężystości generowana w odpowiedzi na rozciąganie przywraca pierwotną długość mięśnia; wielkość tej siły jest proporcjonalna do wielkości wydłużenia

• mięsnie antagonistyczne są rozciągane podczas wykonywania ruchu, a ich charakterystyka mechaniczna jest modyfikowana przez zmianę ich sztywności; sztywność jest to zmiana siły rozciągającej mięsień podzielona przez odpowiadającąjej zmianę długości mięśnia

AL Długość mięśnia

Zmiany charakterystyki biernego rozciągania mięśnia w zależności od jego długości i sztywności tkanki. W zdrowym, prawidłowo funkcjonującym mięśniu sztywność mięśnia w rejonie punktu początkowego (L_0n) jest niewielka. Patologiczne skrócenie i zwłóknienie mięśnia powoduje, że punkt początkowy przesuwa się w lewo (L₀ ) i wzrasta nachylenie krzywej biernego rozciągania.

Kontrola aktywności mięśni. Hipoteza punktu równowagi

• aktywna i niezależna kontrola mięsni antagonistycznych pozwala zwiększyć dynamikę i precyzję ruchów dowolnych.

• w przypadku jednoczesnej kontroli grup mięsni przeciwstawnych problem sterowania jest mniejszy, ponieważ zmiana pozycji kątowej stawu może być realizowana na wiele sposobów za pomocą wspólnego sygnału sterującego. Pobudzeniu mięśni agonistycznych towarzyszy hamowanie aktywności antagonistów. Sterowanie zapewnia struktura połączeń neuronalnych na poziomie rdzenia kręgowego. Neurony wstawko we (interneurony) - powodują wzajemne hamowanie (hamowanie recyprokalne) motoneuronów mięśni antagonistycznych. W tym przypadku żeby osiągnąć określoną pozycję kątową w stawie , układ nerwowy musi dokładnie znać obciążenie kończyny lub stawu i ruch odbywa się przy małym zużyciu energii.

Aktywność interneuronów może zostać zmieniona przez sygnały sterujące z wyższych pięter u.n. powodując pojawienie się okresów współpobudzenia (koaktywacji) mięśni antagonistycznych. Parametry mechaniczne wszystkich mięśni wyznaczają wówczas punkt równowagi decydujący o końcowym położeniu stawu. Przy zwiększonej sztywności mięśni antagonistycznych takie samo położenie kątowe można osiągnąć przez wzrost siły skurczu mięśni agonistycznych.

8

- W układzie ruchowym dominuje sterowanie współbieżne (współskurcz mięśni przeciwstawnych) mięśni
antagonistycznych, które wprawdzie zwiększa nakład energii niezbędnej do wykonania ruchu ale znacznie
poprawia stabilność ruchu (staw lub cały łańcuch kinematyczny jest mniej wrażliwy na przypadkowe zmiany
obciążenia).Ten typ realizacji ruchu występuje kiedy u.n. nie jest w stanie przewidzieć obciążenia lub może się
ono gwałtownie zmieniać(przy nabywaniu nowej aktywności ruchowej).

Praca mięśni

• praca mięśni polega na tym, że ich siła pokonuje jakiś opór, co nie oznacza, że zostanie wykonany ruch (praca wykonywana w czasie stania na baczność jest znaczna)

• aby ruch mógł dojść do skutku wymaga działania pewnych sił

Odmiany pracy mięśniowej:

1. Tonus - właściwość wszystkich mięśni poprzecznie prążkowanych, które cały czas wykonują pewną pracę; ciągły lekki skurcz włókien mięśniowych bez wywoływania ruchu wynikający ze stałego przepływu impulsów przez nerwy do mięśnia; jest różny w różnych mięśniach i w różnych stanach zdrowia fizycznego i psychicznego

2. Praca koncentryczna (pozytywna) - najczęstsza forma pracy; zbliża przyczepy kurczących się mięśni do siebie; jest to jedyny rodzaj pracy odpowiadającej formule: praca równa się sile pomnożonej przez odległość (tylko skracanie się mięśnia i wynikający stąd ruch na pewnym dystansie jest pracą); podczas pracy koncentrycznej zużycie tlenu jest dużo większe w porównaniu z pracą ekscentryczną

3. Praca ekscentryczna (negatywna)- oddala przyczepy mięśni; w ten sposób włókna mięśniowe wydłużają się gdy kontrolują ruch kończyny - przeciwstawiając się sile która je rozciąga (grawitacji)

4. Praca statyczna- mięsnie nie powodują widocznego ruchu, lecz kończyna jest utrzymywana w
określonej pozycji ustalonej w wyniku skurczu mięśnia, ale bez zbliżania i oddalania się ich przyczepów;
w odróżnieniu od tonusu praca statyczna znajduje się pod kontrolą świadomości

• kąt przyłożenia ścięgna mięśnia do jego dźwigni (kąt działania mięśnia) nie jest stały, zwiększa się ze wzrostem zgięcia, lecz napięcie mięśnia maleje szybciej przy jego skracaniu i dlatego pozycja wyprostna, zbliżona do naturalnej długości jest najbardziej korzystna do rozwijania siły mięśnia

• naturalnymi warunkami do zwiększania kąta działania mięśnia bez zmniejszenia jego długości sąnp. istnienie rzepki w przebiegu m. czworogłowego uda lub wystawanie kłykci kości udowej dla mięśni tylnych uda Morfologiczna adaptacja mięśnia

• anatomiczna budowa mięśni wskazuje, czy jest on zbudowany dla siły czy dla szybkości, natomiast jego praca zależy od jego masy

• gdy dwa mięśnie o tej samej objętości z których jedne składa się z nielicznych, ale długich włókien (np. mięsień krawiecki), a drugi z włókien liczniejszych, ale krótszych (np. m. brzuchaty łydki) kurczą się występuje wyraźna różnica w sile i w wysokości podnoszenia przez nie jakiegoś ciężaru; obydwa mięśnie wykonują tę samą pracę pod warunkiem, że mają jednakową objętość (praca= siła x odległość)

Warunki niezbędne do odpowiedniej siły lub szybkości:

1. anatomiczna budowa mięśnia:

1. dla siły- włókna są krótkie, liczne, o układzie pierzastym

2. dla szybkości- włókna są długie i mniej liczne, o układzie równoległym (wrzecionowatym)

2. dźwignia mięśnia:

1. dla siły -przyczepy w większej odległości od osi ruchu

2. dla szybkości-przyczepy w bliższej odległości, krótsze ramię dźwigni

---