摘 要： 目的:将两种被认为相对负荷较小的加压训练与下坡步行运动进行组合, 探讨其生理负担和增肌效果, 以期为体弱人群进行安全、易行、高效的增肌运动提供参考。方法:以14名健康青年男性为实验对象, 观察其在下肢加压 (40 mmHg捆绑压力, 240mmHg气压压力) 和不加压条件下进行速度为3 km/h, 坡度为–16%, 持续时间为10 min的步行运动时, 表面肌电、心率、主观疲劳度、下肢肿胀度以及部分血液生化指标的变化。在此基础上, 将14名实验对象随机分成2组, 观察其在上述负荷条件下, 两周内共完成10次下坡步行运动后, 加压 (40 mmHg捆绑压力, 240 mmHg气压压力) 和不加压条件下下肢围度和体成分变化的差异。结果:1) 下坡步行时, 加压条件下下肢蹬伸动作主动肌的积分肌电值 (iEMG) 显着放大, 快肌纤维参与度显着提高 (P<0.05) ;2) 一次下坡步行后, 加压条件下下肢围度的变化显着大于不加压 (P<0.05) , 肿胀效应更加显着;3) 10次下坡步行运动后, 加压组的肌肉量、下肢围度均显着提高 (P<0.05) , 不加压组则无显着变化 (P>0.05) ;4) 在加压下坡步行运动过程中, 平均心率为83 bpm, 主观疲劳度平均值为10.3, 受试者可以比较轻松地完成这种运动;5) 加压下坡步行运动后, 肌酸激酶无显着变化 (P>0.05) 。结论:加压下坡步行运动对心血管系统的负担较小, 受试者感觉轻松, 且未发现肌肉损伤, 比较适合体弱人群在较短时间内迅速提高肌肉量的有效运动方式。
关键词： 加压训练; 下坡步行; 离心训练; 增肌;
Abstract： Objective:Through combining two low-load types of KAATSU training with downhill walking exercises, this study explores their physiological burden and muscle-building effects, and provides safe, easy and ef?cient muscle-enhancing exercise for the in?rm population. Methods:14 healthy young men were recruited as experimental subjects to perform walking exercise with lower limb pressure (40 mmHg binding pressure, 240 mmHg pressure) and no-KAATSU condition at a speed of 3 km/h, a slope of-16%, and a duration of 10 min. Their surface electromyography, heart rate, rating of perceived exertion, swelling of the lower extremities and changes in some blood biochemical indicators during walking exercise were observed. On this basis, 14 experimental subjects were randomly divided into two groups. Under the above-mentioned load conditions, the subjects completed 10 times downhill walking exercises within two weeks. The differences in the circumference and body composition of the lower limb under the KAATSU (40 mmHg binding pressure, 240 mmHg pneumatic pressure) and no-KAATSU were observed. Results:1) during downhill walking exercise, the integral myoelectric value (iEMG) of the active muscle of the lower extremity was signi?cantly enlarged under KAATSU, and the participation of fast muscle ?ber was signi?cantly improved; 2) after a downhill walking exercise, the change of the lower limb circumference in KAATSU condition was signi?cantly greater than that in no-KAATSU condition, and the swelling effect was more signi?cant; 3) after 10 times downhill walking exercises, there was no signi?cant change at the control group, and the KAATSU group was signi?cantly improved on both the muscle mass and the lower limb circumference, 4) during the KAATSU downhill walking exercise, the average heart rate of subjects was83 bpm, and their rating of perceived exertion average was 10.3, and they could complete the exercise relatively easily; 5) after the KAATSU downhill walking exercise, the re?ection on creatine kinase didn't change signi?cantly (P> 0.05) . Conclusion:The KAATSU downhill walking exercise had small burden on the cardiovascular system. The subject felt relaxed, and no muscle damage was found. It is an effective exercise that is suitable for the weak people to rapidly increase the muscle mass in a short time.
Keyword： KAATSU training; downhill walking; eccentric training; muscle-building;
力量素质是身体素质的重要组成部分, 是维持身体姿势、完成日常生活动作的必要条件, 是速度、耐力、灵敏和柔韧等体能要素的基础 (Ehrman et al., 2010) 。但是, 普通人的肌肉力量大约在20～25岁出现峰值, 之后肌肉量会随着年龄的增长而逐渐减少, 运动能力也会随之下降 (Garber et al., 2011) 。因此, 为了维持或提高运动能力需进行增肌训练。
传统以增肌为目的的运动形式较多, 如:65%～85%1RM抗阻训练, 短距离高强度间歇跑, 大负荷离心训练等。但这些运动对心血管系统、肌肉和关节的负担较大, 容易引起血压的大幅度上升和肌肉、关节疼痛等问题, 并不太适合老年人、心脏病人、糖尿病人及高血压病人等人群。因而, 对体弱人群来说, 需要一种负荷更小、损伤风险低、恢复快、动作简单的增肌运动方式。
加压训练 (KAATSU Training) 是近些年发展较快的、用很小负荷就能达到增肌目的的一种运动方式。它是通过使用专业的止血绑带, 对上肢或下肢近心端血管施加一定的压力, 使血液循环受到适度限制, 并在这种状态下进行低强度运动的方法。已有研究和实践证实, 这种限制血液循环的加压训练, 可以用很小的负荷 (20%～40%1RM) 刺激肌肉增长、改善肌肉功能, 且不会引起肌肉损伤。但是, 由于加压训练时的负荷小, 根据肌纤维动员的size原理 (Henneman et al., 1965) , 开始阶段参与工作的主要是不容易增粗的慢肌纤维, 而更容易增粗的快肌纤维参与很少。因而, 如果想要获得理想的增肌效果, 就需要在加压限制血液循环条件下完成更多次数 (或接近力竭) 的训练, 使肌肉内的氧含量大幅度降低, 并迫使以糖酵解供能为主的快肌纤维尽可能得到代偿性动员。而其负面作用, 就是会产生较大的疲劳感和酸痛感。
研究表明, 离心运动可以增加快肌的参与程度。在下坡等离心运动时, 为了更快的制动, 肌肉收缩时并不会服从于size原理, 而是会优先选择收缩速度快、力量大的快肌纤维作为制动器, 来减缓运动速度 (Denny-brown et al., [8]) 。因此, 在下坡走等较低负荷的离心运动中, 即使速度很慢, 一样会动员快肌纤维。进一步推论, 如果将慢速下坡步行等较低负荷的离心运动和血液循环限制结合在一起, 有可能在不产生较大疲劳感和酸痛感的前提下, 动员快肌纤维, 并出现增肌效果。为证实这一点, 本研究以健康男性青年为实验对象, 观察了加压下坡步行运动前后的生理生化指标、主观疲劳度以及下肢围度、体成分的变化, 旨在明确加压下坡步行造成的生理负荷和增肌效果。
1、 研究方法
实验过程分为两部分:1) 观察对比了下坡步行运动时加压与否在运动前后的部分生理生化指标变化和主观疲劳度的变化;2) 在此基础上, 又观察了多次 (共10次, 持续两周) 加压下坡步行产生的运动效果。
1.1、 实验对象
实验对象为14名健康男性 (表1) , 加压组和不加压组各项指标之间无显着差异。
表1 两组实验对象的基本情况
1.2 、实验方法
1.2.1、 运动方法
1.所有实验对象均在跑步机上, 以3 km/h的速度, –16%的坡度进行两次10 min下坡步行运动。其中, 一次采用专用加压训练设备 (KAATSUMASTER, 日本) , 在下肢加压 (40 mmHg捆绑压力, 240 mmHg气压压力) 的条件下步行;另一次是在下肢不加压 (只捆绑加压带, 不进行充气) 的条件下步行。实验中全程采集表面肌电、心率和主观疲劳度等数据, 而在步行运动前后, 均进行下肢围度、血液生化指标测试。
2.将实验对象随机分为加压组和不加压组, 在两周时间内 (周1～5每天进行1次, 周末休息) 共进行10次下坡步行运动 (速度为3 km/h, 坡度为-16%) , 并观察10次加压下坡步行运动前后的体成分和下肢围度变化。其中, 加压组是在下肢加压 (40 mmHg捆绑压力, 240 mmHg气压压力) 的条件下步行, 不加压组在不加压的条件下步行。
1.2.2、 加压带捆绑部位
绑带捆绑于大腿中上1/3处, 并与大腿纵轴垂直。
1.2.3、 表面肌电测试
在运动过程中, 利用表面肌电仪 (Wave Plus肌电仪, 意大利) , 对受试者左腿股外侧肌, 胫骨前肌, 腓肠肌外侧头以及比目鱼肌进行表面肌电测试, 选取指标为积分肌电 (iEMG) 。
1.2.4、 心率和主观疲劳度测试
采用心率表 (Polar, 芬兰) 分别采集安静时, 以及运动全过程的心率。在运动中, 采用RPE量表对实验对象每分钟进行一次主观疲劳度测试。
1.2.5、 下肢围度测试
运动开始前和运动结束1 min后测量大腿 (髌骨中点与髂前上棘连线) 1/2处、大腿下1/3处、小腿最粗处围度 (为减少测量误差, 所有围度测量指标由同一人完成) 。在多次加压运动时, 记录每次运动前后下肢围度。10次下坡步行前后的下肢围度测量时间为第一次运动开始前和最后一次运动结束后次日同一时间。
1.2.6、 血液生化指标测试
分别在运动前和运动结束15 min后以及次日晨取肘静脉血, 测量血清生长素、睾酮、皮质醇、肌酸激酶、血尿素等指标 (Beckmancoulter SYNCHRON CX5PRO全自动生化分析仪, 美国) 。在运动结束2 min后, 采集指血血乳酸 (Lactate Scout血乳酸仪, 德国) 。
1.2.7、 体成分测试
在实验第1天和实验结束第1天早晨空腹测量 (Inbody720, 韩国) 。
1.3、 统计分析
本研究所有数据采用Excel 2016和SPSS 18.0处理, 数据结果用平均值±标准差 (M±SD) 表示。采用配对t检验进行组内比较, 显着性差异水平α取0.05。
2、 研究结果
2.1、 一次下坡步行运动前后部分生理生化指标的变化
2.1.1、 加压/不加压条件下下坡步行中的肌电差异
本研究考虑到动态运动时肌电振幅值具有较大的个体差异, 为减小个体差异对整体数据的影响, 将每名受试者不加压下坡步行时的第1 min积分肌电值 (iEMG) 设为基准值 (1.00) , 其他时段iEMG则均用与基准值的比值来表示, 称为iEMG相对值。
实验对象在下坡步行过程中, 在加压和不加压条件下, 不同部位肌肉iEMG相对值的均值如图1所示。在加压条件下, 股外侧肌、腓肠肌外侧头和比目鱼肌的iEMG显着高于不加压条件时。其中, 股外侧肌、腓肠肌外侧头、比目鱼肌的iEMG分别高41.2%、25.2%, 、17.9%, 而胫骨前肌的相对值在两种条件下无显着差异。
图1 加压和不加压下坡步行时部分下肢肌肉iEMG相对值均值
Figure 1.Average Relative Value of iEMG on Lower Limb Muscles during Downhill Walking Exercise with and without KAATSU
注:*表示P<0.05, **表示P<0.01, ***表示P<0.001, 下同。
2.1.2、 进行一次下坡步行时的下肢围度变化
加压和不加压条件下, 一次下坡步行前和运动后第1 min下肢围度的比较如表2所示。加压运动后, 下肢各部位围度相对于运动前增幅较大, 且具有显着性差异 (P<0.01) 。而在不加压条件下运动后, 各部位围度虽然有所增加, 但增幅较小, 且除大腿下1/3围度变化有显着性外 (P<0.05) , 其他部位无显着差异。
表2 进行一次10 min下坡步行时的下肢围度变化
2.1.3、 进行一次下坡步行时的心率变化
在安静时, 以及下坡步行时的心率变化如图2所示。其中, 安静时心率平均值为64.4±5.6 bpm, 不加压下坡步行时的平均心率为75.6±6.1 bpm, 加压下坡步行时的平均心率为82.9±9.3 bpm。可以看出, 在加压条件下, 运动心率虽然略高于不加压条件时 (P<0.05) , 但最高心率均在100 bpm以下。
图2 下坡步行中的心率变化
Figure 2.Changes on Heart Rate during Downhill Walking Exercise
2.1.4、 下坡步行前后血液生化指标及主观疲劳度的变化
在加压和不加压条件下, 下坡步行前15 min与运动后第15 min生长素、血睾酮及皮质醇的比较如表3所示。两种条件下, 运动前后激素变化趋势基本一致, 但无显着差异, 而皮质醇则均有下降趋势。
表3 下坡步行前后生长素、皮质醇及血睾酮变化
在加压和不加压条件下, 运动中主观疲劳度、运动后第2 min指血血乳酸值以及运动前和次日晨肌酸激酶和血尿素的比较如表4所示。在加压时, 主观疲劳度平均值为10.3, 介于很轻松和轻松之间。在不加压时, 主观疲劳度平均值为8.8, 介于极其轻松和很轻松之间。虽然两种条件下的主观疲劳度均属于轻松范畴, 但有显着差异 (P<0.01) 。而从血液指标来看, 在两种条件的下坡步行后, 这3项指标均无显着变化。
表4 下坡步行后的主观疲劳度、血乳酸及运动前后肌酸激酶、血尿素的变化
2.2 、两周下坡步行练习后体成分和下肢围度的变化
在体重方面, 加压组和不加压组无显着变化。在体脂肪重量方面, 两组虽无显着变化, 但加压组的下降率为5.78%, 不加压组仅为0.39%。在肌肉量方面, 加压组无论从总肌肉量来看 (+1.47%) , 还是从左下肢肌肉量 (+1.46%) 和右下肢肌肉量 (+1.19%) 来看, 均显着提高 (P<0.05) , 而不加压组无论是总肌肉量还是下肢肌肉量均无显着变化 (表5) 。
表5 进行两周下坡步行后体成分的变化
两周运动后, 加压组下肢围度显着增长 (P<0.001) 。其中, 左右大腿下1/3处变化最大, 围度增加了2.83%和2.85%, 不加压组的下肢围度虽然有增加趋势, 但幅度很小, 且只有右大腿1/2处围度有显着变化 (P<0.05, 表6) 。
表6 进行两周下坡步行后下肢围度的变化
3、 讨论
本研究旨在为体弱人群寻求一种能够比较轻松地提高肌肉力量的运动方式。因此, 这种运动方式必须符合以下条件:1) 必须具有明显的增肌效果;2) 对心血管系统和运动系统的负担小, 轻松易行。为此, 本研究将被认为负荷较小的慢速下坡步行和血液循环限制结合在一起进行了运动实验。
3.1、 加压步行运动的增肌效果
通常情况下, 肌肉的增粗是通过附着于肌纤维表面的“肌肉卫星细胞”分裂增生实现的。由于这些肌肉卫星细胞一般会处于休止期 (G0) , 因此, 若要让它们分裂增殖, 首先需要从休止期进入分裂周期 (G1) 。而这需要能够激活肌肉卫星细胞的肝细胞生长因子 (HGF) 的增加, 和抑制肌肉卫星细胞增殖的肌肉生长抑制素 (MSTN) 的减少 (邱烈峰, 2015;Charge, 2004;Goldspink, 1999) 。而肝细胞生长因子和肌肉生长抑制素的这种变化又受NO的调控。NO不仅可以去掉肝细胞增殖因子不活跃的前肽, 使其激活, 而且NO作为氧自由基, 可调节生长抑制素的分泌量 (张培, 2016) 。同时, NO还可以促进卵泡抑素的表达, 而后者具有抑制生长抑制素的作用。而刺激NO产生的要素, 则主要包括肌组织缺氧、乳酸堆积、PH值降低、肌肉微损伤等要素。另外, 由于相对于慢肌, 快肌更容易变粗, 因此, 若要通过运动增加肌肉时, 除上述条件外, 还要有更多的快肌参与。
从本研究表面肌电测试结果来看, 在加压条件下, 股外侧肌、腓肠肌外侧头和比目鱼肌的积分肌电值显着高于不加压条件时。其中, 股外侧肌的积分肌电值分别高41.2%, 腓肠肌外侧头的积分肌电值高25.2%, 比目鱼肌的积分肌电值高17.9%, 说明, 在加压下坡步行过程中, 有更多的肌纤维被激活。
在加压运动中, 由于动脉循环受到限制, 肌肉中的氧浓度降低, 而为了继续完成动作, 不得不募集更多的肌纤维。有研究发现, 在相同负荷条件下进行运动时, 加压组比不加压组的肌电振幅值更大, 并认为, 缺氧环境的磷酸肌酸储存量的消耗/磷酸的增加及肌肉pH值的降低, 迫使募集更多的快肌纤维进行代偿性的工作 (Yasuda et al., 2009;Takarada et al., 2002b) 。本研究是在压力较大 (40 mmHg捆绑压力, 240 mmHg气压压力) 的条件下进行的, 因而可能也产生了类似的效果。此外, 在加压条件下进行下坡步行运动时, 下肢肌肉进行的是离心运动, 因而可以动员更多的快肌纤维 (Denny-brown et al., 1938) 。
在本研究中, 下肢膝、踝关节的用力阶段主要做伸运动, 因此, 股外侧肌、腓肠肌外侧头、比目鱼肌等蹬伸动作的主动肌受加压刺激的影响, 振幅增加显着, 而胫骨前肌并非蹬伸动作的主动肌, 因而变化不大, 这个结果与Cai等 (2018) 的研究结果比较接近。
运动后的肿胀效应是检验单次力量训练效果的一个重要参考依据。这是因为, 在力量练习时, 为了供应更多的氧和能量物质, 肌肉内的毛细血管会扩张, 肌肉中的血流会增加。同时, 由于运动产生的以乳酸为代表的各种代谢产物会在肌肉中堆积, 而为了稀释这些代谢产物, 根据渗透压的作用, 血浆中的水分会进入肌肉内, 从而使肌肉呈现膨胀状态。换言之, 肌肉中堆积的磷酸、乳酸等代谢产物的浓度越高, 肌肉的肿胀效应就会越明显。此外, 磷酸和乳酸的堆积主要发生在以无氧代谢为主的快肌, 因而, 肿胀效应可以反映快肌参与条件下的磷酸、乳酸等代谢产物的堆积程度 (Smith et al., 1995) 。此外, 还有研究认为, 肌肉细胞的肿胀可能是肌肉生长的必要条件 (Loenneke et al., 2014) 。
从单次加压下坡步行效果来看, 既有快肌纤维参与度的大幅度增加, 又出现显着的肌肉肿胀效应, 因此, 反复进行这种运动, 从理论上讲就有可能会出现增肌效应。而为了验证这一点, 本研究进行了为期两周, 共10次的加压下坡步行效果实验, 观察了下肢围度和体成分的变化 (本研究采用的体成分测试设备为InBody720。据Malavolti等 (2003) 的研究显示, InBody 720所用的8导体成分测试仪与双能X线吸收法都能测出精确的肌肉含量, 两者相关系数R2=0.86。从本实验结果来看, 相对于不加压组各项指标无显着变化, 加压组总肌肉量和下肢肌肉量均出现了显着增加, 且在体脂肪重量下降的情况下, 下肢围度显着增长, 说明加压下坡步行具有显着的增肌效应。
此外, 为了观察合成类激素方面的变化, 对生长素和血睾酮等指标进行了观察。结果表明, 无论在加压和不加压条件下, 在下坡步行前后, 生长素、血睾酮均无显着变化, 而这与Abe等 (2006) 、Fujita等 (2007) 、Wilkinson等 (2006) 的部分先行研究结果一致, 说明这些激素对于增肌来说, 有可能是助力剂, 而不是必要条件。
3.2、 加压步行运动对心血管系统和运动系统产生的负担
通过运动中的心率、主观疲劳度和运动前后血乳酸及肌酸激酶的变化, 可以了解运动对心血管系统和运动系统产生的负担情况。
在本实验中, 与安静心率平均值的64.4 bpm相比, 不加压条件下下坡步行时的平均心率上升11 bpm, 加压条件下下坡步行时的平均心率上升18 bpm, 表现出在加压条件下运动心率显着高于不加压条件时。而这种心率的增加, 可能是心血管系统在加压限制血液循环的条件下进行自我调节的结果。
由于无论是否加压, 下坡步行完成的总功相同, 因而肌肉活动所需的总能量也相同。换言之, 无论在哪一种条件下, 为了使肌肉获得足够的能量代谢所需的氧气量, 单位时间内对负责运输氧气的血液量, 即每分输出量 (每搏输出量和心率的乘积) 的需求会相近。
在加压条件下, 由于静脉的回心血量减少, 心脏的前负荷会减小 (这会降低心肌负担) , 每搏输出量也会相应减少, 而为了达到同等的每分输出量, 就必须增加心脏搏动次数 (心率) 。在本实验中, 相对于不加压条件, 加压条件下心率增加了7 bpm, 其原因可能就是为了满足每分输出量的需求而引起的心脏搏动次数的代偿性增加。虽然, 这有可能会增加心肌负担, 但由于前负荷减少 (Loenneke et al., 2011) , 且最高心率在100 bpm以下, 因而这种运动对心血管系统并不会造成大的负担。
磷酸、乳酸等酸性物质的堆积, 会使人体产生显着的酸痛感和疲劳感。本研究中, 在不加压条件下, 主观疲劳度平均值为8.8 (介于极其轻松和很轻松之间) , 而在加压条件下, 主观疲劳度平均值为10.3 (介于很轻松和轻松之间) 。虽然主观疲劳度均属于轻松范畴, 但依然有着一定的差异 (P<0.01) 。
已有研究证实, 在加压条件下肌乳酸浓度更高, 而这可能是由于加压条件下快肌的动员更多 (Manimmanakornn et al., 2013) , 或快肌产生的乳酸无法顺利随血液循环运输到心肌和慢肌得到分解利用造成的。由于实验条件的限制, 本研究中并没有采集肌肉乳酸浓度, 而只是采集了指血血乳酸。从测试结果来看, 两种条件下的运动后血乳酸值均低于2 mmol/L, 且无显着差异, 说明, 慢速下坡运动虽然有可能会因其离心运动形式而产生乳酸 (离心运动优先动用快肌纤维做功, 而缺乏肌红蛋白的快肌纤维由于氧供不足, 往往以糖酵解供能为主, 更容易产生乳酸) , 但由于完成的总功少, 产生的总乳酸量少。因而, 即使是加压运动中产生的乳酸更多 (前文中关于加压条件下表面肌电积分值更高, 运动前后发生的肌肉肿胀更显着, 主观疲劳度更大可以从侧面反映这一点) , 但当他们释放到全身血液循环中时, 可能并不会造成血乳酸浓度的显着上升。
由于运动后肌酸激酶的升高, 主要与运动刺激造成的肌细胞膜的通透性增大 (许豪文, 1987) , 以及肌细胞损伤有关, 因此, 为了解加压下坡步行是否会产生肌肉损伤, 本研究采用肌酸激酶的变化进行了观察。研究中, 两组运动后次日晨肌酸激酶均无显着变化, 提示, 加压下坡步行训练不会引起肌肉的损伤。而这与Curty等 (2017) 、Sieljacks等 (2015) 、Takarada等 (2000a) 等的研究结果一致。
从以上内容可以看出, 在加压条件下下坡步行, 虽然比不加压条件时的疲劳度稍高, 但仍属于轻松范畴, 对心血管和运动系统并不会造成较大的负担, 因此, 即使是体弱者, 也可能能够较轻松地完成。
4、 本研究的局限性
处于安全考虑, 本研究的实验对象为健康成年人, 并没有采用体弱人群, 在未来的研究中需要进一步验证慢速加压下坡步行对体弱人群的影响, 以及他们对该运动方式的接受程度。此外, 在效果验证方面, 还需要加入不同部位肌肉围度 (横截面积) 及力量变化的更精准测试。
5、 结论
1.下坡步行时, 与不加条件相比, 加压条件下快肌纤维参与更多, 并产生更大的肿胀效应。
2.10次的加压下坡步行运动, 可以使肌肉量和腿部围度显着提高。
3.加压下坡步行运动中的主观疲劳度和心血管系统负担均较小, 且不会引起肌肉的损伤和微损伤。
4.加压下坡步行运动可以在受试者感觉轻松、心血管系统和运动系统负担较小的情况下, 有效的在较短时间内迅速提高受试者的肌肉量。
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