Zmęczenie ośrodkowego układu nerwowego - Central nervous system fatigue
Zmęczenie ośrodkowego układu nerwowego lub zmęczenie ośrodkowego układu nerwowego jest formą zmęczenia, która jest związana ze zmianami stężenia synaptycznego neuroprzekaźników w ośrodkowym układzie nerwowym (OUN; w tym mózgu i rdzeniu kręgowym ), która wpływa na wydajność ćwiczeń i funkcję mięśni i nie może być wyjaśnione przez czynniki peryferyjne, które wpływają na funkcję mięśni. U zdrowych osób zmęczenie ośrodkowe może wystąpić w wyniku długotrwałego wysiłku fizycznego i jest związane ze zmianami neurochemicznymi w mózgu, głównie związanymi z serotoniną (5-HT), noradrenaliną i dopaminą . Zmęczenie ośrodkowe odgrywa ważną rolę w sportach wytrzymałościowych, a także podkreśla znaczenie prawidłowego odżywiania u sportowców wytrzymałościowych.
Mechanizmy neurochemiczne
Istniejące metody eksperymentalne dostarczyły wystarczających dowodów, aby sugerować, że zmiany w synaptycznej serotoninie , noradrenalinie i dopaminie są istotnymi czynnikami zmęczenia ośrodkowego układu nerwowego . Podwyższone stężenie dopaminy synaptycznej w OUN jest silnie ergogeniczne (wspiera wydajność wysiłkową). Podwyższone stężenie synaptycznej serotoniny lub noradrenaliny w ośrodkowym układzie nerwowym upośledza wydajność wysiłkową.
Noradrenalina
Manipulacja noradrenaliną sugeruje, że może ona rzeczywiście odgrywać rolę w wywoływaniu uczucia zmęczenia. Reboksetyna, NRI, skracała czas do zmęczenia i zwiększała subiektywne odczucie zmęczenia. Można to wytłumaczyć paradoksalnym spadkiem aktywności adrenergicznej wywołanym mechanizmami sprzężenia zwrotnego.
Serotonina
W mózgu serotonina jest neuroprzekaźnikiem i reguluje między innymi pobudzenie , zachowanie , sen i nastrój . Podczas długotrwałego wysiłku fizycznego, w którym występuje zmęczenie ośrodkowego układu nerwowego, poziom serotoniny w mózgu jest wyższy niż w normalnych warunkach fizjologicznych; te wyższe poziomy mogą zwiększyć postrzeganie wysiłku i zmęczenia mięśni obwodowych. Zwiększona synteza mózgowej serotoniny zachodzi z powodu wyższego poziomu tryptofanu , prekursora serotoniny we krwi, co powoduje, że większe ilości tryptofanu przekraczają barierę krew-mózg. Ważnym czynnikiem syntezy serotoniny jest mechanizm transportu tryptofanu przez barierę krew-mózg . Mechanizm transportu tryptofanu jest wspólny z aminokwasami rozgałęzionymi (BCAA), leucyną , izoleucyną i waliną . Podczas długich ćwiczeń BCAA są zużywane w celu skurczu mięśni szkieletowych, co pozwala na większy transport tryptofanu przez barierę krew-mózg. Żaden ze składników reakcji syntezy serotoniny nie ulega wysyceniu w normalnych warunkach fizjologicznych, co pozwala na zwiększoną produkcję neuroprzekaźnika. Jednak niepowodzenie BCAA w skróceniu czasu do zmęczenia konsekwentnie ogranicza tę hipotezę. Może to wynikać z mechanizmu przeciwdziałającego: BCAA ograniczają również wychwyt tyrozyny , innego aromatycznego aminokwasu, takiego jak tryptofan. Tyrozyna jest prekursorem katecholamin , która zwiększa popęd wydajności.
Dopamina
Dopamina jest neuroprzekaźnikiem, który reguluje między innymi pobudzenie, motywację , koordynację mięśniową i wytrzymałość. Stwierdzono, że poziom dopaminy jest niższy po długotrwałym wysiłku fizycznym. Spadek dopaminy może zmniejszyć wyniki sportowe, a także motywację psychiczną. Sama dopamina nie może przekroczyć bariery krew-mózg i musi być syntetyzowana w mózgu. U szczurów hodowanych do biegania zaobserwowano zwiększoną aktywność brzusznego obszaru nakrywki , a aktywność VTA koreluje z dobrowolnym bieganiem kołem. Ponieważ VTA jest obszarem gęstym w neuronach dopaminergicznych, które wychodzą do wielu obszarów mózgu, sugeruje to, że neurotransmisja dopaminergiczna wpływa na sprawność fizyczną. Kolejnym potwierdzeniem tej teorii jest fakt, że inhibitory wychwytu zwrotnego dopaminy, a także inhibitory wychwytu zwrotnego dopaminy noradrenaliny, są w stanie zwiększyć wydajność ćwiczeń, zwłaszcza w upale.
Acetylocholina
Acetylocholina jest niezbędna do wytwarzania siły mięśniowej. W ośrodkowym układzie nerwowym acetylocholina moduluje pobudzenie i regulację temperatury. Może również odgrywać rolę w zmęczeniu centralnym. Podczas ćwiczeń spada poziom acetylocholiny. Wynika to ze spadku poziomu choliny w osoczu. Jednak w badaniach dotyczących wpływu acetylocholiny na zmęczenie pojawiły się sprzeczne wyniki. Jedno z badań wykazało, że poziom choliny w osoczu spadł o 40% po tym, jak badani przebiegli maraton bostoński. Inne badanie wykazało, że suplementacja choliny nie poprawiła czasu do wyczerpania. Badanie to wykazało również, że poziomy choliny w osoczu nie zmieniły się ani w grupach otrzymujących placebo, ani w grupach suplementowanych choliną. Potrzebne są dalsze badania, aby zbadać wpływ acetylocholiny na zmęczenie.
Cytokiny
Cytokiny mogą manipulować neurotransmisjami, tworząc zachowania chorobowe , charakteryzujące się złym samopoczuciem i zmęczeniem. W modelach zwierzęcych IL-1b stymuluje uwalnianie serotoniny i zwiększa aktywność GABA. Prowokacje lipopolisacharydowe hamują również aktywność neuronów histaminergicznych i dopaminergicznych.
Amoniak
Podwyższony poziom krążącego amoniaku może zmienić czynność mózgu i spowodować zmęczenie. Jednym z hipotetycznych powodów, dla których BCAA nie zwiększają wydajności ćwiczeń, jest zwiększone utlenianie BCAA w suplementacji, co powoduje zwiększone zmęczenie, niwelując wpływ na 5-HT.
Manipulacja
Kontrolowanie zmęczenia ośrodkowego układu nerwowego może pomóc naukowcom w głębszym zrozumieniu zmęczenia jako całości. Podjęto liczne podejścia do manipulowania poziomami i zachowaniem neurochemicznym. W sporcie odżywianie odgrywa dużą rolę w wynikach sportowych. Oprócz paliwa wielu sportowców zażywa leki zwiększające wydajność, w tym stymulanty, w celu zwiększenia swoich zdolności.
Środki wychwytu zwrotnego i uwalniania dopaminy
Amfetamina jest środkiem pobudzającym, który, jak stwierdzono, poprawia zarówno sprawność fizyczną, jak i poznawczą. Amfetamina blokuje wychwyt zwrotny dopaminy i noradrenaliny, co opóźnia wystąpienie zmęczenia poprzez zwiększenie ilości dopaminy, pomimo jednoczesnego wzrostu noradrenaliny, w ośrodkowym układzie nerwowym. Amfetamina jest szeroko stosowaną substancją wśród sportowców szkolnych ze względu na jej właściwości poprawiające wydajność, ponieważ może poprawić siłę mięśni, czas reakcji, przyspieszenie, wydajność ćwiczeń beztlenowych , moc wyjściową przy ustalonych poziomach odczuwanego wysiłku i wytrzymałość .
Wykazano również, że metylofenidat zwiększa wydajność ćwiczeń w czasie do zmęczenia i prób czasowych.
Kofeina
Kofeina jest najczęściej spożywanym środkiem pobudzającym w Ameryce Północnej. Kofeina powoduje uwalnianie epinefryny z rdzenia nadnerczy. W małych dawkach kofeina może poprawić wytrzymałość. Ostatnio wykazano również, że opóźnia pojawienie się zmęczenia podczas ćwiczeń. Najbardziej prawdopodobnym mechanizmem opóźnienia zmęczenia jest niedrożność receptorów adenozynowych w ośrodkowym układzie nerwowym. Adenozyna jest neuroprzekaźnikiem, który zmniejsza pobudzenie i zwiększa senność. Kofeina, zapobiegając działaniu adenozyny, usuwa czynnik sprzyjający odpoczynkowi i opóźniający zmęczenie.
Węglowodany
Węglowodany są głównym źródłem energii w organizmach dla przemiany materii . Są ważnym źródłem energii podczas ćwiczeń. W badaniu przeprowadzonym przez Instytut Żywności, Żywienia i Zdrowia Człowieka na Uniwersytecie Massey zbadano wpływ spożywania roztworu węglowodanów i elektrolitów na zużycie glikogenu w mięśniach i wydolność biegową u osób na diecie wysokowęglowodanowej. Grupa, która spożywała roztwór węglowodanów i elektrolitów przed i podczas ćwiczeń, doświadczyła większej wytrzymałości. Nie można tego wytłumaczyć różnymi poziomami glikogenu mięśniowego; jednak do tego wyniku mogło doprowadzić wyższe stężenie glukozy w osoczu . Dr Stephen Bailey zakłada, że centralny układ nerwowy może wyczuwać napływ węglowodanów i zmniejsza odczuwalny wysiłek podczas ćwiczeń, co pozwala na większą wytrzymałość.
Aminokwasy rozgałęzione
W kilku badaniach próbowano zmniejszyć syntezę serotoniny poprzez podawanie aminokwasów rozgałęzionych i hamowanie transportu tryptofanu przez barierę krew-mózg. Przeprowadzone badania spowodowały niewielką lub żadną zmianę w wydajności między zwiększonym spożyciem BCAA a grupami placebo. W jednym badaniu w szczególności podano roztwór węglowodanów i roztwór węglowodanów + BCAA. Obie grupy były w stanie biec dłużej przed zmęczeniem w porównaniu z grupą placebo z wodą. Jednak zarówno grupy węglowodanów, jak i węglowodanów + BCAA nie różniły się w swoich wynikach. Suplementacja aminokwasami rozgałęzionymi okazała się mieć niewielki lub żaden wpływ na wydajność. Wykorzystanie prekursorów neuroprzekaźników do kontrolowania zmęczenia ośrodkowego układu nerwowego było niewielkie.
W jednym przeglądzie postawiono hipotezę, że niezgodność z podawaniem BCAA była wynikiem akumulacji amoniaku w wyniku zwiększonego utleniania BCAA.
Rola
Zmęczenie ośrodkowego układu nerwowego jest kluczowym elementem w zapobieganiu uszkodzeniom mięśni obwodowych. Mózg posiada liczne receptory, takie jak osmoreceptory , które śledzą odwodnienie , odżywianie i temperaturę ciała . Dzięki tym informacjom, a także informacjom o zmęczeniu mięśni obwodowych, mózg może zmniejszyć ilość poleceń motorycznych wysyłanych z ośrodkowego układu nerwowego. Ma to kluczowe znaczenie dla zachowania homeostazy organizmu i utrzymania go w odpowiednim stanie fizjologicznym, zdolnym do pełnej regeneracji. Redukcja poleceń motorycznych wysyłanych z mózgu zwiększa ilość odczuwanego wysiłku, jakiego doświadcza jednostka. Zmuszając ciało do wyższej odczuwanej intensywności, jednostka staje się bardziej podatna na zaprzestanie ćwiczeń z powodu wyczerpania. Na postrzegany wysiłek duży wpływ ma intensywność wyładowań następczych z kory ruchowej, które wpływają na pierwotną korę somatosensoryczną . Sportowcy wytrzymałościowi uczą się słuchać swojego ciała. Ochrona narządów przed potencjalnie niebezpiecznymi temperaturami rdzenia i niskimi wartościami odżywczymi jest ważną funkcją mózgu. Zmęczenie ośrodkowego układu nerwowego ostrzega sportowca, gdy warunki fizjologiczne nie są optymalne, więc może nastąpić odpoczynek lub uzupełnienie paliwa. Ważne jest, aby unikać hipertermii i odwodnienia , ponieważ są one szkodliwe dla wyników sportowych i mogą być śmiertelne.
Zespół chronicznego zmęczenia
Zespół przewlekłego zmęczenia to nazwa grupy chorób, w których dominuje uporczywe zmęczenie. Zmęczenie nie jest spowodowane ćwiczeniami i nie jest łagodzone przez odpoczynek.
Dzięki licznym badaniom wykazano, że osoby z zespołem przewlekłego zmęczenia mają integralną centralną składową zmęczenia. W jednym z badań sprawdzono mięśnie szkieletowe badanych, aby upewnić się, że nie mają wad, które uniemożliwiałyby ich całkowite wykorzystanie. Stwierdzono, że mięśnie funkcjonowały normalnie na poziomie lokalnym, ale jako całość nie działały w pełnym zakresie. Badani nie byli w stanie konsekwentnie aktywować swoich mięśni podczas długotrwałego użytkowania, mimo że mieli normalną tkankę mięśniową. W innym badaniu badani doświadczyli wyższego postrzeganego wysiłku w stosunku do częstości akcji serca w porównaniu z grupą kontrolną podczas stopniowanego testu wysiłkowego. Osoby cierpiące na chroniczne zmęczenie zatrzymałyby się, zanim osiągnięto jakiekolwiek ograniczenia w ciele. Oba badania dowiodły, że zmęczenie mięśni obwodowych nie powoduje, że osoby z zespołem przewlekłego zmęczenia przestają ćwiczyć. Niewykluczone, że wyższe postrzeganie wysiłku potrzebnego do używania mięśni powoduje duże trudności w wykonywaniu konsekwentnego wysiłku.
Główna przyczyna zmęczenia w zespole chronicznego zmęczenia najprawdopodobniej leży w ośrodkowym układzie nerwowym. Uszkodzenie jednego z jego elementów może spowodować większe zapotrzebowanie na wkład, aby skutkować utrzymującą się siłą. Wykazano, że przy bardzo wysokiej motywacji osoby z przewlekłym zmęczeniem mogą skutecznie wywierać siłę. Dalsze badania nad zmęczeniem ośrodkowego układu nerwowego mogą skutkować zastosowaniami medycznymi.