دما و نقش عصبی- عضلاتی Temperature and neuromuscular function

از روش های قلبی عروقی به روش های عصبی-عضلاتی در فیزیولوژی محیطی

در سال های بعد از جنگ جهانی دوم، تحقیقات بسیار زیادی بر روی تاثیر شرایط دمایی بر روی ظرفیت ورزشی در انسان انجام شده است. در طی 50 سال بعد از آن، اکثر محققان به بررسی نتایج ورزش کردن در محیط سرد پرداخته و تمرکزشان را بر روی موضوعات بهداشتی و سلامت قرار دادند؛ در حالی که تحقیق در محیط گرم تمرکزش را بر روی سازگاری قلبی عروقی قرار داده است. به هر حال دهه 90 تغییراتی را در تمرکز تحقیق از مدل های سلامت و قلبی عروقی به مدل های عصبی به خود دیده است. در واقع سازگاری قلبی- عرقی قادر به توضیح بعضی از مشاهدات همانند کاهش در فعالیت عضله با دمای غیرعادی بالای بدن در سال 2000 نبوده است.

یکی از این مطالعات برای بررسی تاثیر شرایط محیطی بر روی سیستم عصبی مرکزی (CNS) به این نتیجه گیری رسیده است که تغییری در تحریک پذیری پوستی افزایش دمای بدن ایجاد شده است. در انسان، سازگاری مغزی با دمای محیط از نقطه نظر گردش خون و جنبه های عصبی در طی دهه گذشته مورد بررسی قرار گرفته است. به طور مختصر نشان داده شده است که افزایش دمای بدن باعث کاهش تراوش مغزی یا افزایش یا کاهش نسبت سوخت و ساز در بخش های مختلف مغز می گردد. این تغییرات باعث اختلال در اتلاف گرمایی از مغز و کاهش ترکیب اکسیژن مغزی در طی ورزش های فعال به دنبال بالا رفتن حرارت بدن می گردد. اما ترکیبات اکسیژنی را در قشر پیش پیشانی (جلو مغزی) در طی افزایش انفعالی دمای بدن تحت تاثیر قرار نمی دهد. به طور مشابه، تغییرات در ثبت فعالیت های الکتریکی مغز (EEG) از نقطه نظر افزایش دمای بدن مد نظر قرار می گیرد. این تغییرات کاهشی را در این انگیختگی در بالا رفتن دمای بدن انسان به دنبال ورزش ایجاد کرده و در ارتباط با افزایش در فشار مورد نظر می باشد. تغییر در فعالیت EEG و افزایش در فشار مورد نظر بر مبنای تاثیر ساده کاهش تراوش مغزی نبوده اما در ارتباط با خستگی می باشد که بطور پیوسته افزایشی را در دمای مرکزی و مغزی در زمان بالا رفتن دمای بدن به دنبال ورزش کردن ایجاد می کند.

به هر حال، بررسی های مربوط به تحریک عصبی تنها محدود به سازگاری مرکزی نمی گردد. برای مثال مشاهده شده است که افزایش غیرعادی دمای بدن باعث کاهش فعالیت های ارادی بدون تحت تاثیر قرار دادن تحریک پذیری قشری حرکتی می گردد. محقق اشاره ای به نارسایی در محرک های ارادی کاهشی برای ویژگی های عضله ای متغیر، با وجود دسترس پذیری بازده غشایی مازاد دارد.

بنابراین مد نظر قرار دادن تغییرات غشایی بدون مد نظر قرار دادن تغییرات محیطی در سیستم های عصبی- عضلاتی باعث کنترل پیچیدگی انطباق فوق نخاعی نمی گردد. علاوه بر این، اخیرا نشان داده شده است که کاهش در فعالیت عضله به دنبال افزایش دمای بدن مرتبط به نارسایی دوره ای در انتقال محرک های عصبی می باشد.

بنابراین، ما بر این اعتقاد می باشیم که سازگاری عصبی- عضلاتی دوره ای زمانی می بایست مد نظر قرار گیرد که به بررسی شرایط تاثیر محیطی پرداخته می شود. علاوه بر این، رابطه بین دما و نقش های عصبی و عضلاتی نشان می دهد که محیط های سرد و گرم می بایست مد نظر قرار گیرند. بعد از بحث در مورد تاثیر دمای محیطی بر روی عملکرد عصبی- عضلاتی، این بررسی تمرکزش را بر روی وابستگی دما " محرک های عصبی"، سازگاری نخاعی، اعصاب پیرامونی و سیستم عضلاتی  قرار می دهد.

عملکرد عصبی- عضلاتی

تاثیر دمای محیطی بر روی عملکرد عصبی- عضلاتی در ارتباط با مدت زمان تمرین، به ویژه در محیط گرم می باشد. عملکرد در طی ورزش هایی با مدت زمان کم ( برای مثال پرش، دو، توان و نیروی عضله ای) به عنوان شاخص عملکرد یکپارچه سیستم های عصبی- عضلاتی می باشد. این نوع از عملکرد به نظر می رسد که  به طور گسترده ای در محیط سرد بدتر شده اما در محیط گرم بهبود می یابد، که به صورت گرم کردن انفعالی می باشد. با استفاده از داده هایی که در شرایط گرم و سرد مد نظر قرار می گیرند، رابطه بین دمای عضله و عملکردمی تواند مد نظر قرار گیرد. این رابطه بر مبنای نقش انقباض و سرعت می باشد. به هر هال بهبود عملکرد در محیط گرم همیشه مد نظر قرار نمی گیرد. به نظر می رسد که محیط گرم عملکرد عضله را در صبح بهبود می بخشد، زمانی که دمای بدن در پایین ترین سطح می باشد؛ به هر حال اگر دمای مرکزی به طور مستمر افزایش یاد، کاهشی در تولید نیروی ارادی وجود خواهد داشت.

مدت زمان ورزش

مشخص شده است که کاهش در دمای عضله در محیط سرد با تغییرات زیادی در نقش عصبی- عضلاتی می گردد. عملا تمام جنبه های نقش عصبی- عضلاتی به دنبال کاهش دمای عضله بدتر می شود. بلعکس، گرم شدن عضله نقش و عملکرد عضله را بهبود بخشیده اما باعث کاهش زمان در رسیدن به خستگی می شود. علاوه بر این، اگرچه افزایش در دمای عضله باعث بهبود تولید توان در طی مدت زمان کوتاه دو سرعت می گردد، این تفاوت ها در صورت تکرار دو سرعت ناپدید شده و نشان می دهد که تاثیر محیط گرم مرتبط به مدت زمان تمرین می باشد. کاهش توان در طی ورزش های تکراری دو سرعت به دنبال بالا رفتن دمای بدن نسبت به شرایط کنترل شده بیشتر بوده که باعث می شود محقق به این نتیجه گیری برسد که دسترسی به دمای مرکزی بالا، زمانی که دو سرعت تکرار می گردد،  می تواند عملکرد را به طور منفی تحت تاثیر قرار دهد. در فعالیت های مستمر همانند دو سرعت تکراری، تغییر از حالت بهبود به اختلال در توانایی انسان برای ورزش کردن در محیط گرم مرتبط با افزایش در دمای مرکزی می باشد زمانی که ورزش بطول بیانجامد. همان طور که در جدول 1 نشان داده شده است، این تغییر در ارتباط با مدت زمان ورزش می باشد. بررسی هایی که در بخش A  نشان داده می شود، رشدی را در عملکرد انسان در محیط گرم  به دنبال گرمای انفعالی کل بدن نشان می دهد. در تمام نمونه ها، زمانی که عملکرد باعث بهبود دوره آزمایش از  به  می گردد. این بررسی ها در بخش B تاثیر محیط گرم را بر روی عملکرد انسان نشان نمی دهد. تمام این عملکردها شامل تکرار ورزش هایی با طول دوره کوتاه یا ورزش هایی در طی دوره 5 دقیقه ای می باشد. بررسی هایی که دربخش C گزارش شده اند بر مبنای ورزش هایی می باشند که بیش از 10 دقیقه به طول انجامیده و باعث کاهش عملکرد در عملکرد انسانی در محیط گرم می گردد. از بررسی هایی که در بخش A جدول 1 نشان داده می شود- یعنی رابطه سازگار بین دما/ عملکرد- این امکان وجود دارد تا به تعیین رابطه واکنش متناسب با مقدار پرداخته شود.

رابطه واکنش متناسب با مقدار

میزان کاهش در عملکرد عضله به شدت در ارتباط با کاهش دمای عضله می باشد. هر چه دمای عضله کاهش بیشتری داشته باشد، عملکرد عضله نیز دارای کاهش بیشتری بوده و بنابراین رابطه واکنش متناسب با مقدار بین این فاکتورها وجود دارد. در بررسی اوسکار و همکارانش 8 نفر در معرض دمای و به مدت 60 دقیقه قرار داده شدند که کمترین تعداد لباس را به تن داشتند.

بعد از قرار گرفتن در این شرایط افراد بیشترین تعداد پرش را انجام داده و و زمان مرتبط به این پرش ها محاسبه شد. در طی این فرایند دمای عضله ساق پا از عمق سه سانتیمتری اندازه گیری شد. شکل 1 خلاصه ای از رابطه بین دمای عضله و ارتفاع پرش را نشان داده و پیوند قابل توجهی را مد نظر قرار می دهد.

گرم شدن مجدد انفعالی به عنوان روشی برای برگشت نیروی عضله به سطح خنثی گرمایی مورد استفاده قرار گرفته و الیور به همراه همکارانش در دمای اتاق ، یک ساعت زمان برای برگرداندن هوای خنک کاهشی را در نیروی عضله ایجاد می کند. به هر حال گرم کردن مجدد به صورت فعال به عنوان روش موثری برای بازگشت ظرفیت عملکرد کاهشی می باشد. در بررسی اوسکا و همکارانش، به هشت نفر اجازه داده شد تا ورزش های گرم کننده را بعد از خنک شدن در 10 درجه سانتیگراد به مدت 60 دقیقه انجام دهند. بعد از سر شدن، آن ها پرش های کوتاهی را انجام داده و بر روی تردمیل به مدت 5 دقیقه با سرعت 5 کیلومتر در ساعت راه رفتند، و بار دیگر هم همین کارها را تکرار کردند.بعد از سه دور پیاده روی یعنی 15 دقیقه، دمای عضله و بعد از 4 دوره پیاده روی، زمان پرش اندازه گیری شد. بنابراین رابطه وابسته مقداری بین گرم شدن فعال و بهبود در عملکرد وجود دارد. می توان به این نتیجه رسید که مهمترین عامل در تعیین بازده عملکرد، دمای عضله می باشد.

تولید توان عضله یا ارتفاع پرش بعد از قرار دادن پا در آب سرد کاهش یافته اما زمانی که پا در آب گرم قرار داده شد، افزایش داشته است. از بررسی هایی که مرتبط به تغییرات در عملکردهای ورزشی کوتاه مدت که در ارتباط با ثبت دمای عضله، این امکان وجود دارد تا به تخمین مجموعه ای از تغییرات در توان عضله یا قدرت در هر میزان از تغییرات دمای عضله بپردازیم. با استفاده از داده هایی که در جدول 2 نشان داده شده است، تغییر در دمای عضله از 1 درجه سانتیگراد می تواند به تغییر عملکرد به اندازه 2–5%  پرداخته که مرتبط به نوع انقباض و سرعت می باشد.

معمولا، رابطه مثبتی بین اندازه تاثیر دما و سرعت حرکت وجود دارد.

سرعت انقباض

به دنبال قرار دادن اعضای بدن در آب که در محدوده 18 نا 39 درجه سانتیگراد می باشد، توان عضله و سرعت انقباض به طور مشابه با توجه به دمای عضله افزایش یافته در حالی که نیروی عضله تحت تاثیر قرار نمی گیرد. این نشان می دهد که سرعت حرکت بالا دارای وابستگی دمایی بیشتری نسبت به سرعت حرکت پایین می باشد. این فرضیه به دنبال این حقیقت پشتیبانی می گردد که ورزش های دینامیک تحت تاثیر دمایی بیشتری نسبت به انقباض ایزومتریک قرار می گیرند. علاوه بر این، سرعت رکاب زدن مطلوب در طی دوچرخه سواری به طور مثبتی مرتبط با دما می باشد. چندین بررسی در ارتباط با خصوصیات انقباض عضله نشان داده اند که میزان انقباض به دنبال دمای عضله غیرطبیعی کمتر می شود که منجر به انقباض توان کمتر می گردد. در طی ورزش، این موارد باعث کاهش توان شده به صورتی که دما نیز کاهش یافته، و توان دارای افزایش می باشد زمانی که دما بالا افزایش یافته و در بالاترین حد نسبت به سرعت جرکت پایین می باشد. این مورد در عضله های بالایی بدن جایی که  کاهش سردی در ورزش پرتاب توپ توسط توپ های سبک  نسبت به توپ های سنگین بالاتر می باشد، وجود دارد.

سرد شدن همچنین رابطه بین تولید نیرو و سرعت را تحت تاثیر قرار می دهد زمانی که منحنی سرعت- نیرو به سمت چپ کشیده می شود، به این معنی می باشد که در نیروی مورد نظر، سرعت حرکت یا انقباض عضله بعد از سرد شدن کاهش می یابد.  این همچنین بدین معنا می باشد که توان و نیروی حداکثر در عضله های سرد شده با سرعت انقباض عضله ای کندتر نسبت به عضله ها با دمای خنثی روی می دهد. با مد نظر قرار دادن منحنی زمان- نیرو، تغییرات مشابهی مد نظر قرار می گیرد که بدین معنا می باشد که در زمان داده شده توان کمتری بعد از سرد شدن عضله ایجاد می گردد این موارد توسط چرخه پیوند مقطعی کندتر توضیح داده شده که باعث کاهش نسبت افزایش نیرو بدن تحت تاثیر قرار دادن نیروی ایزمتریک حداکثر، کاهش می دهد.

دمای مرکزی و محلی

در ارتباط با آزمایشات انجام شده بر مبنای قرار دادن عضله ها درون آب، محیط سرد به طور قابل توجهی توان عضله را کاهش می دهد. به هر حال تاثیر محیط گرم یکسان می باشد. بعضی از بررسی ها بازده توان مشابهی را در محیط های خنثی و گرم مد نظر قرار می دهند. در حالی که بررسی های دیگر بازده توان بالاتری را در محیط گرم نسبت به شرایط خنثی ایجاد می کنند. این فرضیه اخیرا مطرح شده است که یکی از فاکتورهای ترکیبی مرتبط به این تفاوت های مشاهداتی بر مبنای ریتم شبانه روزی دمای بدن می باشد. در واقع، هنگام صبح زمانی که دمای بدن در پایین ترین سطح می باشد، محیط گرم می تواند باعث بهبود انقباض عضله، نیروی عضله، و عملکرد کوتاه مدت گردد. به هر حال، قرار گیری در معرض سرما، باعث کاهش عملکرد در صبح و بعد ازظهر می گردد.

توضیح دیگر در ارتباط با تغییرپذیری تاثیر محیط گرم بر روی نقش عضله، مربوط به سطح و نوع دما مورد نظر می باشد.

به دنبال واکنش متناسب با مقدار که در این بخش مد نظر قرار داده شده است، افزایش در دمای عضله باعث افزایش توان عضله می گردد. به هر حال بر مبنای رابطه خطی نبوده و سقفی در این ارتباط وجود دارد به این صورت که افزایش دمای محیطی باعث بهبود بازده توان حداکثر نمی گردد. علاوه بر این، قرار گرفتن در معرض محیط گرم دمای مرکزی را افزایش داده، در حالی که افزایشی در دمای محلی ایجاد می گردد که بازده توان را بهبود می بخشد. همان طور که در بخش مدت زمان ورزش اشاره شده است، افزایش در دمای مرکزی زمانی که ورزش به مدت طولانی ادامه می یابد حتی می تواند باعث کاهش خروجی توان حداکثر در زمان دوچرخه سواری گردد. این بر بنای دمای مرکزی نسبت به دمای محلی انتقال یافته از پوست می باشد که به نظر می رسد مسئول تغییر در محرک عصبی باشد. این موارد توسط مدل های حیوانی نیز پشتیبانی می گردد که بر مبنای آن موش ها از ورزش کردن در محیط گرم با توجه به دمای مغزی و شکمی خود بدون در نظر گرفتن تغییراتی که در دمای اولیه صورت می گیرد، خودداری کرده و بزها زمانی که دمای مغزی آن ها نزدیک به 42 درجه سانتیگراد افزایش می یابد، اسرعت خود را کاهش می دهند. در مغز انسان، اتلاف گرما در طی ورزش های طولانی مدت با بالا رفتن دمای بدن نامناسب بوده، که منجر به دمای بالاتر مغزی نسبت به دمای مرکزی می گردد. ادغام این مطالعات نشان می دهد که درجه حرارت مغزی به عنوان فاکتور کلیدی می باشد که منجر به تغییر در فعالتی فیزیکی می گردد.

مد نظر قرار دادن این نکته حائز اهمیت می باشد که کاهش در نیروی حداکثر ارادی حتی بعد از بالا رفتن انفعالی دمای بدن مد نظر قرار می گیرد که نشانمی دهد دمای مرکزی به عنوان یک فاکتور کلیدی مستقل از خستگی مرتبط به ورزش می باشد. زمانی که قرار گرفتن انفعالی در محیط گرم باعث افزایش دمای مرکزی نزدیک به 39 درجه سانتیگراد شد، تولید نیرو به دلیل کاهش در فعالیت ارادی یعنی کاهش در محرک های عصبی نسبت به عضله ، کمتر می گردد.

محرک های عصبی

محیط سرد و گرم فعالیت الکتریکی عضله را تحت تاثیر قرار می دهد. محیط گرم فعالیت ارادی را کاهش داده در حالی که محیط سرد فعال سازی مشترک و کشمکش ها- تضادها را تغییر می دهد. این سازگاری نه تنها باعث ایجاد تغییرات فیزیولوژیکی شده بلکه سازگاری حمایتی را نشان دهد.

شرایط محیطی و فعالیت الکتریکی عضله ای

فعالیت الکتریکی عضله (EMG) به طور قابل توجهی تحت تاثیر سرد شدن قرار می گیرد.تحقیقاتی که هم نظر نمی باشند در ارتباط با تغییر در دامنه EMG بوده به گونه ای که بعضی از بررسی ها دامنه گاهشی را به دلیل سرد شدن گزارش کرده در حالی که موارد دیگر افزایش دامنه را نشان می دهند. اگرچه تفاوت بین بررسی ها توسط انواع ورزش های مختلف و روش های سردسازی توضیح داده می شود، پتروفسکی و لیمن گزارش داده اند که دامنه EMG به طور مثبتی مرتبط به تولید نیروی افزایشی بدون در نظر گرفتن تغییرات دما بوده و به عنوان شاخص مناسبی از کشش عضله در شرایط مختلف می باشد. تحقیقات به طور یکپارچه نشان می دهد که  سرد شدن باعث کاهش بخش های فرکانس EMG شده و به نظر می رسد که این کاهش نسبتا به طور خطی در سطح سردسازی قرار می گیرد. برای مثال قرار دادن 30 دقیقه ای ساعد دست در آب 10 درجه در مقایسه با آب 40 درجه باعث کاهش بسامد تقریبا از 180 تا 100 هرتز می گردد. کاهش در بخش های بسامد در ارتباط با کاهش همزمان در سرعت هدایت عصب می باشد.