Podsłuchiwanie komunikacji mózg-mięsień

Gdy chcemy się poruszyć (np. wykonać skok), nasz mózg wysyła do mięśni z góry zaplanowaną, wyuczoną serię instrukcji, dzięki której każdy mięsień napnie się w odpowiednim momencie i z odpowiednią siłą. Okazuje się jednak, że wśród takich zestawów instrukcji wysyłanych do mięśni, są warianty lepsze i gorsze. Gorsze oznaczają tu zachętę do powstawania kontuzji / przeciążeń.

W dzisiejszym wpisie omówimy sposób na podsłuchiwanie tego co mózg „mówi” do mięśni.

Komunikacja przez napięcie elektryczne

Przesyłanie informacji w naszym układzie nerwowym opiera się na elektryczności. Nasze nerwy są swego rodzaju przewodami zdolnymi do przesyłania impulsów elektrycznych. Gdy nasz mózg podejmuje decyzję, że chciałby wykonać skurcz danego mięśnia, wysyła do niego serię impulsów elektrycznych, trwających tak długo jak długo ma trwać napięcie mięśnia.

Co ciekawe mózg nie utrzymuje stałego napięcia elektrycznego, a zamiast tego posługuje się impulsami o częstotliwości od ok. 20 Hz do ok. 2000 Hz. Komunikację tę można sobie wyobrazić jako poganiacza niewolników na galerze, który cyklicznie smaga ich po plecach biczem. Trzymanie bicza biernie na plecach niewolnika nic by nie dało i konieczne jest wysyłanie powtarzających się smagnięć, które można przetłumaczyć jako: „wciąż chcę abyś pracował”.

Kolejna ciekawostka to fakt, że mózg potrafi dopasowywać napięcie impulsów elektrycznych, w taki sposób, aby nie stymulować mięśnia zawsze na 100%, a raczej aby zapewnić sobie możliwość regulacji siły skurczu mięśnia.

Skąd to wszystko wiemy? Bo jako ludzie, nauczyliśmy się podsłuchiwać tę komunikację, dzięki czemu wiemy jak ona wygląda. Urządzenia do takiego podsłuchiwania nazywa się EMG (od elektro-mio-grafia).

Okazuje się bowiem, że przez to, że ludzkie ciało nie jest wewnątrz w żaden sposób izolowane, to cała komunikacja, która odbywa się np. między mózgiem i mięśniem, rozchodzi się w wszystkich kierunkach, docierając aż do skóry. Przykładając do skóry oscyloskop (specjalne urządzenie, które potrafi mierzyć zmianę napięcia elektrycznego w czasie), jesteśmy w stanie wyłapać tę komunikację.

Sytuację tę można porównać z dwoma osoba, które do siebie krzyczą na łące, podczas gdy my siedząc za krzakiem choć nie słyszymy konkretnych słów, to słyszymy że do siebie mówią i w jakim tonie to robią. W praktyce mierzony przez nas, na skórze pacjenta, komunikat będzie zniekształcony (chociażby przez konieczność przejścia przez tkanki zanim dojdzie do skóry), ale jednocześnie wystarczająco wyraźny aby dać nam pewne informacje o tym, że komunikacja się odbyła i jaka była intensywna.

Przykład działania takiego urządzenia można obejrzeć poniżej:

Na filmie elektrody bardzo często (2500 raza na sekundę) mierzą napięcie elektryczne w okolicy mięśni zginaczy nadgarstka / palców, a następnie (już bezprzewodowo) wysyłają wyniki pomiarów do komputera, który zamienia zmierzone wartości na wykres generowany w czasie rzeczywistym. Gdy mózg jest w trakcie „mówienia” do mięśnia, na e kranie komputera widzimy zielone słupki. Ich wysokość mówi nam o tym jak mocno mózg rozkazuje mięśniowi się skurczyć.

Można na to spojrzeć jak na swego rodzaju czytanie w myślach, ponieważ to co mierzymy to nie fizyczny ruch mięśnia, a jedynie rozkaz (nasza myśl pod postacią napięcia elektrycznego), którą mięsień otrzymuje.

Po co nam to?

Z jednej strony to miło, że mamy takie możliwości pomiaru, ale z drugiej, warto się zastanowić czy to w ogóle do czegoś jest potrzebne?

Okazuje się, że tak. Prostym przykładem może być poniższy film:

Przedstawia on wykonanie ćwiczenia polegającego na zgięciu w biodrze (tzw. hip hinge). (Wzorzec ten można spotkać także pod nazwami: „good morning” lub „romanian dead lift”).

Film przedstawia dwa powtórzenia ćwiczenia. Przyjrzyjcie się im i powiedźcie czy widzicie jakąś różnicę pomiędzy nimi.

Oczywiście są między nimi drobne różnice w tempie ruchu czy kącie zgięcia kolana, kącie ustawienia głowy, jednak są one na tyle niewielkie, że można je uznać za wystarczająco podobne do siebie. Szczególnie weźmy pod uwagę, że film nagrany jest w zwolnionym tempie co ułatwia analizę. Wyobraźmy sobie teraz, że jesteśmy trenerem personalnym i oglądamy naszego podopiecznego na siłowni na żywo, bez slow motion. Jest duża szansa, że na obydwa powtórzenia spojrzelibyśmy podobnie. Jeśli podoba nam się technika wykonania to najprawdopodobniej podoba nam się w obu powtórzeniach. Jeśli coś w technice nam się nie podobna, to także najprawdopodobniej dotyczy to obydwu powtórzeń.

W tym momencie zadajmy sobie pytanie, czy przedstawione na powyższym filmie ćwiczenie angażuje mięśnie brzucha? (dla ułatwienia skupmy się tu tylko na mięśniu prostym brzucha, który może nie jest idealnym wskaźnikiem napięcia najważniejszych mięśni brzucha, ale na potrzeby dzisiejszego artykułu jest wystarczająco dobry).

Z jednej strony, ćwiczenie to jest klasycznym przykładem ćwiczenia na tylną taśmę mięśniową (dół pleców / tył ud), a więc nie ma szczególnej potrzeby, aby mięśnie brzucha brały udział w całej operacji.

Z drugiej strony wzorzec ruchowy z tego ćwiczenia ma duże przełożenie na to :

• w jaki sposób będziemy później podnosić ciężkie rzeczy z podłogi
• w jaki sposób będziemy później lądować obunóż w sporcie

a brak aktywności mięśni brzucha (których zadaniem byłoby stabilizowanie ruchu) w trakcie tych czynności, uznawane jest przez świat naukowy za błąd.

Można by więc powiedzieć, że zaprezentowane ćwiczenie da się wykonać bez użycia mięśni brzucha, gdyż nie są one głównym mięśniem wykonującym tutaj ruch, ale jednocześnie są pewne dodatkowe benefity na przyszłość, jeśli te mięśnie będą brały udział w ćwiczeniu.

To prowadzi nas do pytania:

Po co wykorzystywać mięśnie, które nie są niezbędne do danego ruchu?

W trakcie dynamicznego ruchu mięśnie agonistyczne (czyli główne mięśnie napędzające dany ruch) i mięśnia antagonistyczne (czyli ich „przeciwnicy”) muszą napiąć się jednocześnie, aby uzyskać tzw. ko-kontrakcję, czyli prościej mówiąc: wspólne napięcie.

Zjawisko to możemy przyrównać do sytuacji, w której ciągniemy za pomocą liny wózek sklepowy na parkingu. Jeśli mamy do dyspozycji jedną linę i po prostu go ciągniemy, to będą momenty kiedy lina będzie mocno napięta i wózek będzie dynamicznie przyspieszał w naszym kierunku, a będą takie gdy będzie zupełnie luźna, w wyniku bezwładności rozpędzonego wózka. Przez to wózek będzie odczuwał szarpnięcia. W tej analogii lina to nasze główne mięśnie wykonujące ruch, a wózek to nasz staw.

Jeśli do tej sytuacji dołożymy drugą linę (mięśnie antagonistyczne) po drugiej stronie wózka, to będziemy mogli tak zarządzać linami, aby jednocześnie jedna osoba ciągnęła jedną z nich, a na druga powoli popuszczała napięcie na drugiej. Dzięki temu podróż z perspektywy wózka będzie pozbawiona szarpnięć i znacznie bardziej kontrolowana.

Właśnie tak powstaje dynamiczne stabilizacja, czyli stabilność w ruchu.

Można by powiedzieć, że o ile w dynamicznych ruchach (np. w sporcie) lub ruchach z dodatkowym dużym ciężarem (np. przy przenoszeniu lodówki) ta ko-kontrakcja jest niezbędna dla naszego bezpieczeństwa, to już przy wolnych ruchach z niskim obciążeniem (np. prezentowanym na filmie „hip hinge’u”) nie jest kluczowa.

Musimy jednak pamiętać, że w sytuacjach stresowych (duża dynamika i/lub duży ciężar) nasz mózg ma tendencję do korzystania z wyuczonych wzorców ruchowych. Oznacza to, że jeśli przyzwyczajamy nasz mózg, że dane ćwiczenie nie wymaga napięcia określonych mięśni, to jeśli zaczniemy wykonywać je z dużą dynamiką i/lub ciężarem, to z dużym prawdopodobieństwem pozostaniemy w tym samym wzorcu braku dobrej ko-kontrakcji.

Tu dochodzimy do esencji treningu medycznego / rehabilitacji. W ich ramach tak naprawdę nie ćwiczymy mięśni (np. po to aby stały się większe / silniejsze), ćwiczymy nasz mózg, aby odruchowo korzystał z lepszych przepisów na to jak wykonać dany ruch. Lepszych oznacza tu: „takich, które wykorzystają antagonistów do stworzenia dynamicznej stabilności”.

Czy na filmie było napięcie antagonistów?

I tu wracamy do analizy naszego dzisiejszego filmu. Czy jesteśmy w stanie powiedzieć, czy na filmie mięśnie antagonistyczne (w tym wypadku reprezentowane przez mięsień prosty brzucha) były napięte czy nie? A jeśli tak to do jakiego stopnia?

W praktyce możemy spotkać się z 3 sposobami na ocenę tego:

• samoświadomość – jeśli osoba ćwicząca ma bardzo dobre czucie własnego ciała (czyli np. w danym momencie jest w stanie powiedzieć, co w jej ciele się napina, a co rozluźnia), to możliwa jest samoobserwacja. Zdolność tą często prezentują osoby uprawiające jogę. Problem z tą metodą jest taki, że znaczna większość społeczeństwa nie ma dobrego czucia własnego ciała, więc ciężko byłoby im odróżnić np. czy w danym momencie napinają im się mięśnie brzucha, czy mięsień biodrowo-lędźwiowy.
  
• dotyk trenera / terapeuty – jeśli obok osoby ćwiczącej jest ktoś jeszcze, ta dodatkowa osoba, może przez dotyk sprawdzać czy pożądane mięśnie się napinają i informować o tym pacjenta. Minusem tej metody jest wymóg ciągłego dotyku, co jest trudne jeśli nie niemożliwe przy bardziej złożonych / dynamicznych ćwiczeniach (np. w trakcie skoku).
  
• wzrok trenera / terapeuty – na podstawie samej obserwacji osoby ćwiczącej, jej postawy, techniki wykonywania ćwiczenia, jesteśmy w stanie szacować czy jej antagoniści są zaangażowani w odpowiedni sposób. Tu problemem będzie skala naszej oceny (będziemy raczej w stanie powiedzieć tylko zero-jedynkowo, że napięcie jest lub go nie ma, bez oceny jego intensywności), a także jakość naszej obserwacji (czy na pewno jesteśmy w stanie wzrokowo „zauważyć” napięcie w wiarygodny i powtarzalny sposób?)

Zanim przejdziemy dalej, jest to dobry moment, aby zastanowić się czy zadawanie pacjentowi ćwiczeń do domu jest dobrym rozwiązaniem? Z jednej strony jeśli widzimy się z nim np. tylko raz na kilka tygodni, to warto, aby w międzyczasie coś się u niego działo, z drugiej, jaką mamy gwarancję, że ma on wystarczająco wykształconą świadomość własnego ciała, że będzie on samodzielnie w stanie ocenić czy wykonując ćwiczenie napina antagonistów? A jeśli tego nie będzie robił lub tylko będzie mu się wydawało, że to robi, czy samodzielnymi ćwiczeniami nie będzie niejako zaprzeczał naszej pracy z nim ponownie przyzwyczajając ciało do niepoprawnego napinania?

W tym momencie zaczynamy dostrzegać potencjalne zastosowanie dla EMG. Elektrody przymocowane tak jak na filmie (na mięśniu prostym brzucha), są jakby ręką trenera wyczuwającą napięcie mięśni. Robią to z dokładnością przewyższającą zdolności percepcyjne człowieka, a jednocześnie mogą poruszać się razem z ćwiczącym, co oznacza, że jesteśmy w stanie prześledzić poprawność napinania antagonistów również przy ćwiczeniach dynamicznych (np. w skoku czy zwodzie z piłką).

Oto co zarejestrowało EMG w trakcie ćwiczenia na filmie:

Teraz możemy już zdradzić, że poleceniem dla ćwiczącego w pierwszym powtórzeniu była próba maksymalnego rozluźnienia mięśni brzucha, a w drugim maksymalnego ich napięcia.

I rzeczywiście patrząc na wykres z EMG okazuje się, że pierwsze powtórzenie zostało wykonane bez jakiegokolwiek napięcia mięśni brzucha. (Delikatne górki widoczne na wykresie w pierwszej jego połowie są związane z biciem serca, które także pobudzane jest napięciem elektrycznym, które w tym wypadku dodaje niewielki szum do odczytu.)

W trakcie pauzy przed drugim powtórzeniem następuje wyraźne napięcie mięśni brzucha, które utrzymuje się przez cały czas trwania ruchu w dół. W trakcie ruchu w górę przy drugim powtórzeniu, napięcie znów jest minimalne (choć nieco większe niż przy pierwszym powtórzeniu).

Podsumowanie

Trening antagonistów jest ważną częścią treningu medycznego, gdyż pozwala na poprawę ko-kontrakcji czyli dynamicznej stabilizacji naszych stawów w trakcie wykonywania obciążających czynności.

Jednocześnie jako że trening taki skupia się na zwiększaniu naszej odporności na kontuzje / usunięciu źródła bólu, a nie na osiąganiu lepszych wyników (np. wyciskaniu więcej kg na ławce), w praktyce ciężko jest śledzić jego postępy (no bo jak zmierzyć to, że dziś jesteśmy 2 razy bardziej odporni na kontuzję niż kilka miesięcy temu?).

Pomiar EMG antagonistów w różnych ćwiczeniach może pozwalać oceniać postępy treningu medycznego i wyłapywać sportowców znajdujących się w „grupie ryzyka”, w związku ze zbyt niską aktywnością antagonistów.