是敵人還是朋友?—操縱疲勞的藝術

發表於2019/07/09
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在跑步的過程中,有時候想要奮力一搏,卻呼吸急促、雙腿沉重,是什麼擋在我們的面前,答案很簡單:就是疲勞。了解疲勞的背後,如何透過訓練或者外在幫助減少疲勞的產生,是科學家和運動員的兵家必爭之地。

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在了解疲勞的生成前,先簡單介紹一下肌肉收縮的流程,當神經內的動作電位傳達至肌肉後,肌肉內累積的動作電位夠多,即產生去極化,釋放鈣離子造成肌肉收縮,而在放鬆的過程中需要ATP的能量供應以及鈣離子回到內質網才算完成。簡單總結一下,ATP和鈣離子在肌肉的收縮扮演了不可或缺的角色。

肌肉要收縮時,內質網釋出鈣離子,鈣離子和肌纖維結合才能收縮,

而收縮的肌纖維若要鬆開則需要ATP的參與(圖片來源)


接著回來看疲勞,可以從單一肌纖維本身和整體肌肉去分別探討。從單一肌肉的觀點,當某些因素造成ATP的供應和利用,或者阻礙鈣離子的回收,收縮後的肌肉沒來得及放鬆以進行下一次的完整收縮,疲勞就因此產生。

雖然說單一肌纖維是力量的來源,但在運動中需要徵招多個肌纖維共同合作,我們常提到的快縮肌和慢縮肌,前者單位的肌纖維含量高,力量大但是抗疲勞性低,而後者恰好相反,主要差別就是在於對於ATP利用的差異,在運動中會先徵招慢肌,快肌較晚徵招或者需要大力量的時候才會徵召,例如山坡衝刺的時候。然而,在長跑中並不是同時徵召所有肌肉,而是不同步的徵召,部分運動單元收縮,其他部分休息,以維持穩定的輸出。隨著運動時間的增加,徵召的連結越來越弱,開始感到舉步維艱,疲勞找上我們的雙腿。

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何者會促進疲勞的發生?

誘發疲勞的理論,主要可能分為代謝副產物堆積、物質耗盡和中樞控制等三種主要理論,其中又以最後一種目前接受度最高,接下來分別做簡單介紹。


代謝副產物堆積

早期這類理論著重在能量系統,尤其是糖解作用後產生的乳酸不知道背負多少年的臭名,現已知乳酸的增加確實和疲勞有一定程度的關聯,但乳酸並非是造成疲勞的原因,甚至肌肉、心臟、大腦可以利用乳酸作為能量的來源。現在則認為在糖解作用時,確實產生副產物干擾ATP的補充,最有可能為氫離子的增加(pH下降)造成酵素活性下降,其他的例如鉀、氨也許扮演了一定程度的角色。

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物質耗盡

和副產物堆積剛好相反,此理論認為疲勞源自於某些物質的耗盡,可能為現有的能量產生系統不足提供足夠的ATP給身體使用,必須動用無氧系統,以及強迫降速,另一個經典的例子就是肝醣耗盡而必須使用產能效率較低的脂肪,使身體不再如起跑般的輕盈。


中樞控制

這個理論主張「疲勞是源自大腦的一種情緒」,認為傳統的疲勞產物並不會直接造成疲勞,而是讓大腦知道後調控疲勞的發生,可以在身體失控前阻止悲劇的發生,例如在炎熱的環境下運動,核心體溫快速上升,大腦接收到這個訊息就會提前停止肌纖維的徵招,以阻止核心體溫繼續上升,正常來說當核心體溫超過40度會開始感受到疲勞,但是身體會在到達此溫度前就會停止運作,好比在濕熱環境中,不會拚到身體倒下,而是提前開始降速求全。

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累從口入?

對於吃入什麼會影響疲勞的感覺,目前算是研究啟蒙階段,Roelands給予自行車選手SSRI抗憂鬱藥物(抗憂鬱藥物,增加大腦中血清素的濃度,壓抑焦慮的情緒),在服用這類藥物後,讓他們在炎熱的環境下進行計時賽,發現實驗組相較於對照組需要多花2-3分鐘方能完成比賽,更有意思的是,服用SSRI藥物而導致大腦中血清素上升的實驗組,在配速策略上也受到影響,在測驗的後段相較於對照組,配速相對趨緩保守,並且無法進行所謂的尾段最後衝刺。

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同一批學者也讓受試者服用多巴胺回收抑制劑,提高腦中多巴胺的濃度,同樣在炎熱的環境中進行測試,有趣的是,受試者可以在高溫中維持一樣程度的輸出,並且更完美的展現最後衝刺。多巴胺可以提高人的興奮感和對於動機的渴望,並且降低運動中的自覺痛苦指數,提升運動表現。

由以上的研究可以得知,血清素的提升會增加選手在最後關頭的疲勞感和減少對於比賽的動機和渴望,這也是BCAA學說降低疲勞的主要依據(服用BCAA被宣稱可以減緩腦中血清素的上升,但是正反兩派學說都有,尚無確切定論);多巴胺有助於提升選手對於競賽的動機和渴望,相對降低痛苦指數,後者在咖啡因的攝取也有得到證實。


欺騙大腦,讓我們變超人

既然發現疲勞很有可能來自於大腦的調控,於是科學將開始想了一些方式來欺騙選手們的大腦。在疲勞的時候,大腦會傳達痛覺作為警訊讓我們主動降速,是否曾經想過,如果沒有痛覺,不曉得會變怎樣? 我記得007裡面就有一個反派沒有痛覺,如果他來到現實跑步,表現又會是如何呢? 2006年的一篇研究給予自行車選手fentanyl止痛藥後讓他們進行5kmTime Trail衝刺,出乎意料的是,由於沒有痛覺讓大腦去進行調控,選手們絲毫沒有配速概念可言的猛衝,直到週邊累積過多疲勞而快速衰竭,甚至下車後連行走都有困難,由此可知,一旦阻斷回饋調節,身體不曉得自己是否太賣力,進而逼迫到徹底衰竭那一步。

2012年Castle等人同樣在自行車選手身上做了一個很有趣的實驗,讓受試者在三種不同的溫度條件下進行TT計時測驗,分別為低溫組(攝氏22度)、高溫組(攝氏31度)和假低溫組(實際上32度,欺騙受試者溫度較低)。不易外地,在低溫組的表現明顯比高溫組好,但有趣的是,假低溫組在表現上和低溫組同樣優異,可見選手的心理變化對於表現而言,有著舉足輕重的重要性。

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再來看另一個有趣的例子,同樣在2012年的研究,讓9位自行車選手進行四次的4km的計時測驗,前兩次用於建立基準值,第三次開始告知使用者將會有一位虛擬選手共同競技,虛擬選手的實力和選手前兩次的最佳表現相同,而第四次測試的時候,科學家故意將虛擬選手成績調整為原本最佳的102%,到這裡應該猜到結果了……,受試選手在第四次測驗中達成比前幾次都還要快的成績,並且有了更持久且更高功率的最後衝刺,透過適當的誘導,確實可以讓大腦稍微鬆開對於身體的保護和控制。


終點前手刀的奧義

有參賽的經驗應該不陌生,在30多公里撞牆到神智不清時,但是看到終點拱門卻又可以喚醒吃奶的力量進行最後的手刀衝刺,但若是舊有的疲勞理論,則終點前最後吃奶力量將會說不通。但,最後關頭的那隻推手,他背後的原理是什麼呢?

在進行比賽的過程中,大腦會藉由不斷偵測副產物的產生和耗盡,去調控並且讓我們疲勞,但真正影響比賽最後表現的是心理動力和對危險的認知,當接近終點時,大腦告訴身體危險程度下降,不用擔心逼得太緊而導致崩盤,同時完成後的成就感強化心理上的動機,大腦會稍微鬆綁對於身體的控制,使用更多的無氧系統,能夠忍受較深的疲勞同時徵招更多的肌肉幫忙。

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然而,最後關頭的無氧衝刺也和平時的訓練有關,如果實力不夠的跑者光維持配速就已經動用了一定程度的無氧系統,在最後關頭想要衝刺時,縱使心理有強大的動機,也無法順利地提速,因此在訓練的過程中,會做一些後段加速的訓練,重點是要在最後關頭可以使用那些能耐。


意志力可以吃嗎?

「比賽時在動用意志力」是耳熟能詳的觀念,但在賽事中意志力使用過頭,會怎麼樣? 在看直播的時候偶有看到菁英選手,進入終點前的直道突然不支倒地,運氣好的可能跛足或者爬行完賽,運氣差的可能就被最後50m給絕殺了,近期最經典的案例就是女將Sarah True在2019 Ironman 歐洲錦標賽最後750公尺暈倒而痛失冠軍。Clair Gibson曾發表了一篇很不錯的論文,探討這個原因,推測為身體在心理動力和身體平衡間長期拉扯後保護自己的方式,當動機迫使大腦忽視身體警訊時間過久,身體就會垮台,迫使我們強制關機。

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造成終點前倒下的背後機制主要有兩種,起初會增加疼痛感,減少肌纖維徵召,迫使我們停下來;但萬一不斷忽視第一步的回饋,將啟動第二種機制,讓身體完全停止運作,為最後的的安全保護機制,像是汽車的安全氣囊一樣,當身體完全躺下時,血液可以快速地回流至大腦,因為頭與身體呈現水平時打出血液不需要額外抵抗重力。

在重要比賽中動用意志力可以讓我們超水準發揮,但過度的依賴他還是可能物極必反的,如何避免疲勞快速產生? 如何和他們共處? 最後如何凌駕於它,卻又不能垮台? 不只透過平時的訓練,心理層面也扮演了很重要的角色,而它和訓練方法一樣,並沒有明確的標準答案,是門迷人的藝術。


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