Obrazek wyróżniający: Karolis Milišauskas
Eksplozywna siła to zdolność organizmu do szybkiego generowania siły lub momentu obrotowego, osiąganego w jak najkrótszym czasie podczas gwałtownego skurczu mięśni. Proces ten rozpoczyna się z poziomu spoczynkowego lub niskiego napięcia mięśniowego i polega na maksymalnym przyspieszeniu generowanej siły. Jednym z kluczowych parametrów służących do oceny tej zdolności jest tempo rozwoju siły (RFD – rate of force development), które oblicza się na podstawie analizy dynamiki zmian siły lub momentu obrotowego w czasie, rejestrowanej podczas skurczów o charakterze eksplozywnym. Badania naukowe, takie jak te przeprowadzone przez Aagaarda i współpracowników (2002a), wskazują, że skurcze te, określane także jako szybkie lub balistyczne, stanowią istotny wskaźnik zdolności motorycznych zarówno u sportowców, jak i osób starszych czy pacjentów poddawanych rehabilitacji. Znaczenie oceny rate of force development wynika przede wszystkim z jego silniejszej korelacji, w porównaniu do maksymalnej siły skurczu dowolnego (MVC – maximum voluntary contraction), z wynikami osiąganymi w zadaniach charakterystycznych dla konkretnych dyscyplin sportowych oraz w podstawowych czynnościach dnia codziennego. Potwierdzają to m.in. badania Maffiulettiego i współpracowników (2010) oraz Tillina i in. (2013a). Co więcej, parametr ten okazuje się znacznie bardziej czuły na krótkoterminowe i długoterminowe zmiany w funkcjonowaniu układu nerwowo-mięśniowego, co czyni go niezwykle przydatnym narzędziem w monitorowaniu adaptacji organizmu do wysiłku fizycznego, jak również w diagnostyce zaburzeń układu ruchu. Dodatkowo, tempo rozwoju siły może być regulowane przez różnorodne mechanizmy fizjologiczne, co sprawia, że jego analiza dostarcza cennych informacji zarówno o stanie mięśni, jak i efektywności procesów nerwowych odpowiedzialnych za generowanie siły. Z tego względu, umiejętność precyzyjnej ilościowej oceny RFD oraz jego właściwa interpretacja są niezwykle istotne nie tylko z perspektywy naukowców zajmujących się fizjologią wysiłku i biomechaniką ruchu, ale również dla specjalistów zajmujących się treningiem sportowym oraz rehabilitacją. Dzięki temu możliwe jest skuteczniejsze projektowanie programów treningowych, optymalizacja procesów regeneracyjnych oraz dostosowywanie metod terapeutycznych do indywidualnych potrzeb pacjentów i sportowców [1].
Rekrutacja jednostek motorycznych
Aktywacja mięśni jest często oceniana w sposób nieinwazyjny przy użyciu elektromiografii powierzchniowej, mimo pewnych ograniczeń technicznych. Dzięki tej metodzie można zaobserwować różnice w wzorcach elektromiogramu (EMG) w zależności od rodzaju skurczu – wolnego lub szybkiego. W przypadku skurczów realizowanych w sposób stopniowy i narastający, aktywność EMG wzrasta w sposób monotoniczny. Natomiast szybkie, balistyczne skurcze charakteryzują się intensywnym, zsynchronizowanym impulsem aktywności na początku ruchu. Siła generowana przez mięsień zależy od liczby zaangażowanych jednostek motorycznych (MU) oraz od częstotliwości impulsów nerwowych wysyłanych przez neurony ruchowe. Podczas szybkich skurczów rekrutacja jednostek motorycznych przebiega zgodnie z tzw. zasadą wielkości, co oznacza, że najpierw aktywowane są jednostki o niskim progu pobudliwości, a dopiero potem większe. Jednak proporcje między rekrutacją jednostek motorycznych a modulacją częstotliwości ich impulsacji zmieniają się wraz z tempem skurczu. Wolniejsze skurcze charakteryzują się stopniową aktywacją MU, aż do osiągnięcia górnej granicy rekrutacji, co następuje przy około 80–90% maksymalnej siły dla większości mięśni kończyn. W przypadku szybkich skurczów jednostki motoryczne są aktywowane już przy znacznie niższych poziomach siły, co oznacza, że próg rekrutacji jest obniżony. Na przykład w mięśniu piszczelowym przednim większość jednostek motorycznych jest aktywowana już przy jednej trzeciej maksymalnej siły. Zjawisko to jest szczególnie widoczne w mięśniach kurczących się wolno, takich jak mięsień płaszczkowaty, w porównaniu do mięśni o szybkim skurczu, np. żwacza. Wzrost siły poza górną granicę rekrutacji MU wynika wyłącznie ze zwiększonej częstotliwości impulsacji neuronów ruchowych. Podczas długotrwałych skurczów izometrycznych o dużej sile jednostki motoryczne wyładowują impulsy z częstotliwością 30–60 Hz, natomiast w początkowej fazie szybkiego skurczu ich częstotliwość może wynosić od 60 do 120 Hz u osób niewytrenowanych, a u osób wytrenowanych nawet ponad 200 Hz. W trakcie takich dynamicznych skurczów aktywowane jednostki motoryczne generują jedynie kilka impulsów nerwowych (od 1 do 6). W przeciwieństwie do powolnych skurczów, w których częstotliwość impulsacji stopniowo wzrasta, szybkie skurcze cechują się bardzo wysoką początkową częstotliwością impulsów, która następnie maleje w kolejnych fazach skurczu. Różnice te podkreślają istotny wpływ tempa skurczu na schemat aktywacji jednostek motorycznych i mechanizmy sterujące siłą mięśniową [2].
Aktywacja mięśni
W celu określenia względnego udziału czynników nerwowych i mięśniowych w generowaniu szybkiego skurczu przeprowadzono badania porównujące tempo rozwoju siły (rate of force development) w skurczach wywołanych zarówno przez dobrowolną aktywację, jak i stymulację elektryczną. Analiza wyników wykazała, że kluczowym czynnikiem wpływającym na wyrażenie RFD w warunkach in vivo jest aktywacja mięśni, oceniana na podstawie sygnałów elektromiograficznych (EMG). Przykładem takiego zjawiska jest obserwacja dotycząca siły generowanej podczas szybkiego, dowolnego wyprostu kolana. Wykazano, że po 40 ms od rozpoczęcia ruchu osiągnięta siła była o około 60% mniejsza w porównaniu do siły generowanej w skurczu tężcowym wywołanym stymulacją elektryczną. Ponadto siła dobrowolna, wyrażona jako stosunek do siły wytworzonej przez stymulację elektryczną w tym samym momencie, była silnie skorelowana z aktywnością EMG mięśnia czworogłowego zmierzoną przed rozpoczęciem skurczu, natomiast nie wykazano takiej zależności w przypadku siły uzyskanej na drodze stymulacji elektrycznej. Oznacza to, że umiejętność szybkiego rozwijania siły zależy przede wszystkim od intensywności aktywacji mięśni w początkowej fazie skurczu, a w mniejszym stopniu od właściwości mięśni warunkujących szybkość skurczu. Podobne wnioski można wyciągnąć z badań, w których stwierdzono umiarkowaną korelację między tempem rozwoju siły mierzonym w pierwszych 40 ms dobrowolnego skurczu prostowników kolana a właściwościami skurczowymi ocenianymi na podstawie odpowiedzi na stymulację elektryczną. Sugeruje to, że to czynniki inne niż same cechy mięśniowe mają dominujący wpływ na zmienność w RFD podczas skurczów dobrowolnych. Ponieważ wpływ czynników nerwowych i skurczowych może się różnić w różnych fazach narastania siły, przeprowadzono analizę ich znaczenia na całym przebiegu krzywej siła-czas. W tym celu mierzono aktywność EMG w prostownikach kolana i przeprowadzono analizę regresji, aby określić znaczenie czynników neuronalnych (aktywacja EMG) oraz skurczowych (siła generowana w odpowiedzi na stymulację elektryczną). Najważniejszym odkryciem było to, że kluczowe czynniki wpływające na dobrowolny RFD zmieniają się w trakcie narastania siły. Aktywność EMG mięśni agonistycznych miała istotne znaczenie w całym okresie pierwszych 150 ms skurczu, a szczególnie w początkowej fazie (25–75 ms). Z kolei właściwości skurczowe mięśni, oceniane na podstawie odpowiedzi na skurcze tężcowe, okazały się głównym czynnikiem determinującym bardziej stromą fazę RFD, przypadającą na okres 50–100 ms. Uzyskane wyniki są zgodne z wcześniejszymi badaniami, które podkreślają dominującą rolę czynników neuronalnych w początkowej fazie szybkiego skurczu (poniżej 75 ms). Jednak w późniejszych etapach (powyżej 75 ms) większe znaczenie zaczynają odgrywać właściwości mięśni związane z prędkością skurczu oraz maksymalna siła skurczu dowolnego (MVC) [1,4].
Włókna mięśniowe
Chociaż interpretacja funkcjonalnego znaczenia różnic we właściwościach pojedynczych włókien wymaga ostrożności, typ włókna jest często uznawany za kluczowy czynnik wpływający na mięśniowe tempo rozwoju siły (RFD). Wynika to z obserwacji, że włókna typu II generują napięcie szybciej niż włókna typu I. Jest to związane z większym uwalnianiem jonów wapnia na pojedynczy potencjał czynnościowy oraz szybszymi procesami regulującymi przepływ wapnia, jak również obecnością szybkich izoform miozyny, troponiny i tropomiozyny. W efekcie włókna typu II cechują się wyższą szybkością cyklu mostków poprzecznych. Skład włókien mięśniowych różni się w zależności od rodzaju mięśnia. Przykładowo, mięśnie takie jak obszerny boczny, obszerny przyśrodkowy i vastus pośredni zawierają około 50% włókien typu I, podczas gdy mięsień płaszczkowaty ma ich około 75%, a mięsień brzuchaty łydki od 45 do 75%. Ponadto występują znaczne różnice indywidualne w składzie włókien, zwłaszcza w mięśniu czworogłowym uda. U młodych, niewytrenowanych mężczyzn udział włókien typu II w obszerny boczny mieścił się w przedziale od 25 do 80%, bez wyraźnej wartości średniej dla grupy. Różnice w składzie włókien mają wpływ na międzymięśniowe różnice w RFD. Przykładowo, tempo rozwoju siły wywołanej stymulacją elektryczną o częstotliwości 50 Hz wzrastało w kolejności: zginacze podeszwowe, prostowniki kolana, prostowniki łokcia, co było zgodne z rosnącą zawartością miozyny typu II w mięśniu płaszczkowatym (30%), mięśniu obszernym bocznym (53%) i mięśniu trójgłowym ramienia (67%). Również różnice indywidualne w RFD w obrębie tej samej grupy mięśniowej były skorelowane z typem włókien. Stwierdzono umiarkowaną korelację między procentową zawartością włókien typu II w obszernym bocznyma maksymalnym dowolnym RFD prostowników kolana. Istotną zależność wykazano także między powierzchnią włókien typu II w tym mięśniu a RFD mierzonym do 50 ms u młodych mężczyzn, choć efekt ten nie występował u osób starszych. Choć proporcje typów włókien mają istotne podłoże genetyczne (około 50%), charakteryzują się one także dużą plastycznością. Zmiany w składzie włókien były powiązane ze wzrostem RFD we wczesnych fazach rozwoju siły. Obserwowane korelacje między RFD mierzonym podczas skurczów elektrycznych i dowolnych sugerują, że właściwości skurczowe mięśni są silnie zależne od ich składu włókienkowego. Dane te wskazują, że struktura włókien mięśniowych może istotnie wpływać na różnice międzyludzkie oraz między poszczególnymi mięśniami pod względem RFD, zwłaszcza w początkowych fazach skurczu. Jednakże znaczna część zmienności w indywidualnych wartościach RFD nie została wyjaśniona wyłącznie przez właściwości włókien mięśniowych, co sugeruje, że inne elementy układu mięśniowo-ścięgnowego i nerwowego odgrywają w tym procesie istotną rolę [4-6].
Rozmiar i architektura mięśni
Maksymalna siła mięśniowa wykazuje istotną korelację z dobrowolnym tempem rozwoju siły (RFD), a siła tej zależności rośnie w sposób sigmoidalny wraz z czasem od rozpoczęcia skurczu. Przykładowo, siła maksymalnego skurczu dowolnego (MVC) tłumaczyła od 18% do 78% zmienności w RFD w zależności od momentu pomiaru w trakcie skurczu. W związku z tym można przypuszczać, że czynniki wpływające na MVC, takie jak napęd nerwowy oraz przekrój poprzeczny mięśnia, mogą mieć również istotne znaczenie dla RFD. Wpływ na to mają zarówno zdolność do generowania dużej siły w czasie skurczu, jak i sama wielkość mięśnia. Wpływ architektury mięśni na RFD pozostaje słabo poznany, ale wiadomo, że wzrost kąta pierzastości zwiększa fizjologiczny przekrój poprzeczny mięśnia, co sprzyja wyższej szybkości narastania siły, zwłaszcza w późniejszych fazach skurczu. Jednak w mięśniach o mniejszej pierzastości siła jest efektywniej przekazywana na ścięgno, ponieważ wyjściowa siła mięśniowa maleje w zależności od kąta nachylenia włókien. Przy skurczach izometrycznych o niskiej intensywności, gdzie zmiany długości włókien i ich rotacja są minimalne, mięśnie o równoległych włóknach generują większy impuls siły niż mięśnie o budowie pierzastej, zakładając identyczne wartości siły maksymalnej. Jednak przewaga mięśni o równoległym układzie włókien może być ograniczona w pewnych warunkach. Wzrost kąta pierzastości powoduje również rotację włókien podczas skurczu, co może przyspieszać tempo narastania siły. Jest to szczególnie korzystne dla mięśni, które przekazują siłę poprzez długie ścięgna, ponieważ znaczne skrócenie włókien mięśniowych kompensuje wydłużanie się ścięgna podczas transferu siły. Badania wskazują, że około 40% zmienności tempa wzrostu siły na początku skurczu wynika z konieczności kompensowania luzu sprężystego w strukturach mięśniowych. Oznacza to, że mięśnie o większej elastyczności szeregowej mogą wykazywać wolniejsze RFD. Teoretycznie dłuższe mięśnie lub te z dłuższymi wiązkami włókien mogłyby mieć niższą szybkość rozwoju siły, ponieważ posiadają większy zakres elastycznych elementów, takich jak białko tytyna czy mostki poprzeczne. Istnieją wstępne dowody na poparcie tej hipotezy w odniesieniu do mięśni ludzkich, a wiadomo, że mięśnie rozwijające wysokie RFD, np. płaszczkowaty czy brzuchaty łydki, mają stosunkowo krótkie włókna. Mimo to, zginacze podeszwowe wykazują wolniejsze izometryczne RFD niż prostowniki kolana, co może wynikać z architektury ich włókien oraz konieczności przekazywania siły przez długie i elastyczne struktury, jak ścięgno Achillesa czy powięź podeszwowa. Dlatego choć architektura mięśniowa niewątpliwie wpływa na właściwości skurczowe, brak wystarczających badań eksperymentalnych utrudnia dokładne określenie jej faktycznego wpływu na RFD w złożonym układzie mięśniowo-ścięgnowym [1,7].
Kreatyna od testosterone.pl – zwiększa zdolności wysiłkowe oraz regeneracyjne – KUP TUTAJ
Czynniki neuronalne
Zdolność do szybkiego zwiększenia siły skurczu w początkowej fazie skurczu dowolnego (0–300 ms), co świadczy o wysokim tempie narastania siły (RFD), jest istotna zarówno dla sportowców, jak i osób starszych, które muszą reagować na nagłe zaburzenia równowagi. Różne metody treningu siłowego mogą prowadzić do jednoczesnego wzrostu RFD oraz aktywacji mięśni, co obejmuje zwiększenie amplitudy i tempa wzrostu sygnału EMG oraz odruchu Hoffmana. Sugeruje to, że adaptacje neuronalne odgrywają kluczową rolę w poprawie RFD wynikającej z treningu, choć na ten proces wpływają również zmiany w wielkości mięśni, proporcji włókien typu II oraz właściwościach elastycznych ścięgien. Zarówno trening siłowy z dużym oporem, jak i trening eksplozywny skutecznie stymulują wzrost RFD. Ponieważ aktywacja mięśni ma istotny wpływ na RFD, co potwierdzają badania zarówno laboratoryjne, jak i prowadzone na żywym organizmie, obserwuje się równoczesny wzrost tych parametrów po kilku tygodniach lub miesiącach treningu siłowego. Przykładem może być 6-tygodniowy program ćwiczeń dolnych partii ciała, który spowodował wzrost RFD w prostownikach kolana o 33%, czemu towarzyszył nawet 100-procentowy wzrost aktywności EMG. Co istotne, trening wytrzymałościowy na ergometrze rowerowym nie przyniósł podobnych efektów w zakresie RFD ani aktywacji mięśni, co sugeruje, że do ich rozwoju niezbędne są specyficzne bodźce siłowe. Istnieje silny związek między wzrostem RFD a zmianami w aktywacji mięśni wywołanymi treningiem. Pozytywna korelacja między tymi parametrami była odnotowywana w wielu badaniach, obejmujących zarówno mięsień czworogłowy uda, jak i mięsień czworoboczny. Ponadto systematyczne zwiększanie aktywacji mięśni obserwowano w kolejnych sesjach treningowych podczas 4-tygodniowego programu izometrycznego treningu zginaczy podeszwowych. Oprócz zmian na poziomie kory mózgowej, trening siłowy wpływa również na inne struktury układu nerwowego. Na przykład, zaobserwowano dodatnią korelację między wzrostem RFD a pobudliwością neuronów ruchowych rdzenia kręgowego, co sugeruje, że modyfikacje w obwodowych mechanizmach nerwowych mogą przyczyniać się do adaptacji związanych z RFD. Podobnie, trening siłowy, w tym trening balistyczny, prowadził do wzrostu maksymalnej częstości wyładowań jednostek motorycznych (MU), co ma kluczowe znaczenie dla RFD. Wykazano, że wyładowania MU są znacznie szybsze w skurczach balistycznych niż w powolnych, co sugeruje, że trening o wysokiej intensywności i eksplozywnym charakterze jest najskuteczniejszy w rozwijaniu RFD [1,8,9].
Lion’s Mane od Apollo’s Hegemony – suplement dla osób: narażonych na duże bodźce stresowe, mających intensywną pracę umysłową i chcących wesprzeć samopoczucie – KUP TUTAJ
Uwagi i podsumowanie
Zwiększenie maksymalnej zdolności do generowania siły w wyniku treningu siłowego może przyczyniać się do wzrostu RFD poprzez jej proporcjonalne zwiększenie na krzywej siła-czas, przy zachowaniu tego samego czasu osiągnięcia określonego poziomu siły, np. 50% MVC. Jednak, jak przedstawiono schematycznie, na tempo wzrostu siły wpływa wiele czynników. Kluczową rolę odgrywa szybka aktywacja mięśni, na którą wpływa obniżenie progów rekrutacji jednostek motorycznych (MU) oraz – w jeszcze większym stopniu – zwiększenie ich częstotliwości wyładowań na początku skurczu. Ma to szczególne znaczenie w początkowej fazie (pierwsze 50–75 ms) maksymalnego dobrowolnego skurczu mięśni. Szybkość aktywacji mięśni może być regulowana zarówno przez mechanizmy nadrdzeniowe, takie jak pobudzenie kory ruchowej i kontrola współdziałania mięśni agonistycznych oraz antagonistycznych, jak i mechanizmy rdzeniowe, obejmujące neuromodulacyjne wejścia synaptyczne. Również indywidualne różnice w składzie włókien mięśniowych mogą wpływać na poziom RFD, co może częściowo tłumaczyć obserwowane różnice między osobami i poszczególnymi mięśniami. Ponadto istnieją dowody na synergistyczny i multiplikatywny wpływ interakcji pomiędzy szybkością aktywacji mięśni a ich składem włóknistym, co wymaga dalszych badań. Wpływ zmian w architekturze mięśni oraz sztywności ścięgien na RFD pozostaje nie do końca jasny. Chociaż właściwości mechaniczne ścięgien mogą wpływać na adaptacyjne zmiany w RFD podczas treningu siłowego, ich rola jest prawdopodobnie istotniejsza w kształtowaniu różnic w RFD między mięśniami i osobami. Wpływ uwalniania jonów wapnia (Ca²⁺) z siateczki sarkoplazmatycznej na RFD in vivo jest uznawany za istotny, lecz nie ma pewności, czy trening prowadzi do zmian w wrażliwości włókien mięśniowych na Ca²⁺. Podsumowując, trening siłowy o charakterze eksplozywnym ma wyraźnie pozytywny wpływ na RFD, podczas gdy trening siłowy z dużym obciążeniem również przyczynia się do poprawy zdolności do szybkiego generowania siły, szczególnie w późniejszych fazach skurczu. Ponadto wpływ starzenia się na RFD (jej spadek u osób starszych) oraz różnice w RFD między sportowcami (wyższe wartości u osób trenujących sporty szybkościowo-siłowe) są zgodne z aktualnym stanem wiedzy na temat czynników warunkujących RFD w ludzkich mięśniach szkieletowych.
Dla podsumowania, eksplozywna siła to zdolność mięśni do szybkiego generowania siły w krótkim czasie, co jest kluczowe zarówno dla sportowców, jak i osób poddawanych rehabilitacji. Jednym z głównych wskaźników tej zdolności jest tempo rozwoju siły (RFD), które silniej niż maksymalna siła skurczu koreluje z wynikami sportowymi i codziennymi czynnościami. Efektywność RFD zależy od rekrutacji jednostek motorycznych i ich częstotliwości impulsacji, co można analizować za pomocą elektromiografii (EMG). Szybkie skurcze wymagają natychmiastowej aktywacji dużej liczby jednostek motorycznych, a ich efektywność jest związana z układem nerwowym oraz typem włókien mięśniowych. Włókna typu II (szybkokurczliwe) generują siłę szybciej niż włókna typu I, co wpływa na różnice indywidualne w RFD. Ponadto, na tempo rozwoju siły mają wpływ rozmiar i architektura mięśni – większy przekrój poprzeczny mięśnia oraz odpowiednia budowa włókien mogą zwiększać zdolność do szybkiego narastania siły. RFD jest czułym wskaźnikiem zmian adaptacyjnych w organizmie, co czyni go istotnym narzędziem w treningu sportowym i rehabilitacji, umożliwiając optymalizację programów treningowych i terapeutycznych.
[1] Maffiuletti, N.A., Aagaard, P., Blazevich, A.J. et al. Rate of force development: physiological and methodological considerations. Eur J Appl Physiol 116, 1091–1116 (2016).
[2] Enoka RM, Duchateau J (2015) Inappropriate interpretation of sur- face EMG signals and muscle fiber characteristics impedes pro- gress on understanding the control of neuromuscular function. J Appl Physiol (1985) jap 00280 02015
[3] Farina D, Holobar A, Merletti R, Enoka RM (2010) Decoding the neural drive to muscles from the surface electromyogram. Clin Neurophysiol 121:1616–1623
[4] Aagaard P, Andersen JL, Dyhre-Poulsen P, Leffers AM, Wagner A, Magnusson SP, Halkjaer-Kristensen J, Simonsen EB (2001) A mechanism for increased contractile strength of human pen- nate muscle in response to strength training: changes in muscle architecture. J Physiol 534:613–623
[5] Folland JP, Buckthorpe MW, Hannah R (2014) Human capacity for explosive force production: neural and contractile determinants. Scand J Med Sci Sports 24:894–906
[6] Luden N, Minchev K, Hayes E, Louis E, Trappe T, Trappe S (2008) Human vastus lateralis and soleus muscles display divergent cellular contractile properties. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol 295:R1593–R1598
[7] Blazevich AJ, Cannavan D, Horne S, Coleman DR, Aagaard P (2009) Changes in muscle force-length properties affect the early rise of force in vivo. Muscle Nerve 39:512–520
[8] Aagaard P, Thorstensson A (2003) Neuromuscular aspects of exer- cise: adaptive responses evoked by strength training. In: Kjaer M (ed) Textbook of sports medicine. Blakwell, London, pp 70–106
[9] Binder-Macleod S, Kesar T (2005) Catchlike property of skeletal muscle: recent findings and clinical implications. Muscle Nerve 31:681–693
