ĐẶC ĐIỂM SINH CƠ HỌC CỦA CƠ VÀ THẦN KINH CƠ. PHẦN 1

Cập nhật lần cuối vào 12/05/2023

Mô cơ là một mô kích thích được và đóng vai trò chủ yếu trong việc tạo nên lực của vận động. Bài viết trình bày những vấn đề sinh cơ học liên quan đến mô cơ xương.

CÁC ĐẶC TÍNH VÀ CHỨC NĂNG CỦA MÔ CƠ

Các đặc tính của mô cơ

Các đặc tính này là chung với các loại cơ: cơ trơn, cơ vân, cơ tim.

• Tính có thể kích thích (Irritability)

Tính có thể kích thích là khả năng đáp ứng với kích thích (điện hoặc cơ học). Mô cơ xương rất nhạy, chỉ đứng sau mô thần kinh.

• Tính co thắt (Contractility)

Tính co là khả năng của cơ tạo sức căng và làm ngắn lại khi nó nhận đủ kích thích. Cơ có thể ngắn đến 50% -70% so với chiều dài khi nghỉ (trung bình là 57%).

• Tính kéo dãn được (Extensibility)

Tính kéo dãn được là khả năng của cơ dài ra, hoặc kéo căng vượt quá chiều dài khi nghỉ. Bản thân cơ không thể tự làm dài mà cần có hoạt động của cơ khác hoặc lực bên ngoài. Mức độ kéo dãn của cơ được xác định bởi mô liên kết xung quanh và trong cơ

• Tính đàn hồi (Elasticity)

Tính đàn hồi là khả năng của sợi cơ trở về chiều dài khi nghỉ khi không còn bị kéo căng. Tính đàn hồi của cơ phụ thuộc vào các mô liên kết trong cơ (hơn là bản thân sợi cơ). Các đặc tính đàn hồi và kéo dãn được là những cơ chế bảo vệ giúp duy trì sự toàn vẹn và chiều dài cơ sở của cơ. Tính đàn hồi cũng góp phần tạo nên lực co cơ (lực đàn hồi) nếu cơ bị kéo căng.

(So sánh với dây chằng: dây chằng (chủ yếu là collagen) ít đàn hồi, và nếu bị kéo căng quá chiều dài lúc nghỉ, nó sẽ không trở lại chiều dài ban đầu mà bị dài ra, gây lỏng lẻo khớp.)

Các chức năng của cơ

Tạo nên vận động

Vận động của xương được tạo nên bởi hoạt động của cơ tạo nên sức căng (lực) chuyển đến xương (qua gân).

 Duy trì tư thế

Hoạt động cơ có thể được dùng để duy trì tư thế. Hoạt động duy trì tư thế thường ở cường độ nhẹ hơn và liên tục.

Làm vững khớp

Hoạt động cơ cũng góp phần làm vững khớp (thành phần làm vững động). Ví dụ ở khớp vai, gối.

Các chức năng khác

Các cơ cũng tạo nên 4 chức năng khác không liên quan trực tiếp đến vận động con người:

• nâng đỡ, bảo vệ các cơ quan nội tạng và bảo vệ các mô bên trong khỏi bị chấn thương;
• sức căng do cơ có thể thay đổi và kiểm soát áp lực trong các khoang;
• cơ góp phần duy trì thân nhiệt bằng cách tạo nhiệt;
• tham gia đưa vào/ra (nuốt, tiểu tiện)

THÀNH PHẦN VÀ CẤU TRÚC CỦA CƠ XƯƠNG

Cơ thể con người có khoảng trên 600 cơ, chiếm 40-45% tổng trọng lượng cơ thể người lớn trưởng thành, trong đó có 75 cặp cơ chịu trách nhiệm cho các vận động cơ thể và tư thế.

Cấu trúc một cơ

Cấu trúc của cơ được mô tả ở Hình vẽ. (Xem lại phần sinh lý cơ).

Về đại thể, mỗi sarcomere có: các đường Z, đường M, dải A (sợi myosin), dải I (sợi actin), vùng H.

XEM VIDEO:

Các lọai sợi cơ

Mỗi cơ gồm nhiều sợi kết hợp và các sợi được phân thành sợi co chậm (type I) hoặc sợi co nhanh (type II). Sức căng tối đa ở các sợi co nhanh đạt được trong thời gian bằng 1/7 lần so với sợi co chậm. Thành phần mỗi sợi khác nhau ở mỗi cơ và ở các người khác nhau.

Loại sợi co chậm (type I): Các sợi này chứa hàm lượng myoglobin trong cơ cao. Những sợi này có thời gian co chậm và phù hợp nhất với các công việc cường độ thấp, kéo dài. Các vận động viên sức bền có tỷ lệ số sợi co chậm cao.

Các sợi co nhanh, (type II) được chia thành type IIa, và type IIb. Sợi type IIa là sợi cơ đỏ còn được gọi là sợi co nhanh trung gian vì nó có thể chịu hoạt động với thời gian dài. Sợi type IIb màu trắng có khả năng tạo lực nhanh và nhanh mỏi hơn.

Các cơ thường chứa cả hai loại sợi. Ví dụ cơ rộng ngoài có ½ sợi co nhanh và ½ sợi co chậm. Tập luyện có thể thay đổi tỷ lệ các loại sợi trong cơ. Ví dụ các vận động viên nhảy cao và nhảy xa thường có tỷ lệ sợi co nhanh nhiều hơn ở những cơ thường sử dụng như cơ bụng chân. Ngược lại, vận động viên chạy đường dài thường có các sợi co chậm nhiều hơn.

ĐƠN VỊ VẬN ĐỘNG VÀ SỰ KIỂM SOÁT THẦN KINH- CƠ

Khái niệm về đơn vị vận động (motor unit):

Cơ xương được tổ chức thành các nhóm chức năng được gọi là các đơn vị vận động. Một đơn vị vận động gồm một nhóm các sợi cơ được phân bố bởi cùng một neuron (tế bào thần kinh) vận động. Đơn vị vận động có thể chỉ gồm vài sợi cơ hoặc đến vài ngàn sợi cơ. Tỷ lệ thông thường của neuron/sợi cơ là 1:10 với cơ mắt, 1:1600 với cơ bụng chân, 1:500 với cơ chày trước, 1:1000 với cơ nhị đầu cánh tay, 1:300 với cơ gian cốt mu tay, và 1:96 với cơ giun bàn tay. Số sợi cơ được kiểm soát bởi một neuron được gọi là tỷ lệ phân bố (innervation ratio). Các sợi có tỷ lệ phân bố nhỏ có thể thực hiện các hoạt động tinh vi, còn những sợi có tỷ lệ phân bố cao chỉ có thể kiểm soát vận động thô.

Tín hiệu co cơ được truyền từ neuron vận động đến cơ được gọi là một điện thế hoạt động. Khi một neuron vận động bị kích thích đủ để gây co thì tất cả các sợi cơ được neuron vận động đó chỉ huy đều co trong vòng vài milli giây. Điều này được gọi là quy luật tất cả hay là không. Kích thước của điện thế hoạt động và hoạt động co cơ tương ứng với số sợi trong đơn vị vận động. Gia tăng lực cơ cần gia tăng số đơn vị vận động được hoạt hóa.

Các sợi cơ thuộc các đơn vị vận động khác nhau đan xen với nhau làm cho lực tác động lên gân vẫn không đổi ngay cả khi các sợi cơ khác nhau đang co hoặc giãn. Trương lực cơ ở trạng thái nghỉ được duy trì bằng hoạt động co một cách ngẫu nhiên của các đơn vị vận động.

Hoạt động của đơn vị vận động phụ thuộc vào các xung động mà nó nhận được. Đó là những mệnh lệnh gây kích thích từ các neuron vận động anpha cũng như các xung động ức chế và kích thích từ các neuron khác.

Các loại đơn vị vận động

Có ba loại đơn vị vận động, tương ứng với ba loại sợi cơ. Sự khác nhau về kích thước và khả năng hoạt động của chúng được mô tả ở hình sau. Tất cả ba loại sợi đều được thấy ở các cơ, nhưng với tỷ lệ khác nhau tùy cơ. Tất cả các sợi cơ trong cùng một đơn vị vận động đều cùng một loại.

• Đơn vị vận động co nhanh đường phân (type IIb) được phân bố bởi tế bào thần kinh anpha kích thước lớn. Do đó, những đơn vị vận động lớn này thường tạo ra hoạt động co cơ nhanh, tạo sức căng cao, và nhanh mỏi. Những đơn vị vận động này thường có tỷ lệ tế bào thần kinh/sợi cơ cao và được thấy ở một số cơ lớn như cơ tứ đầu đùi. Các đơn vị vận động này hữu ích trong các vận động như nhảy, nâng vật nặng….
• Đơn vị vận động co nhanh oxy hóa (type IIa) cũng có thời gian co nhanh, nhưng kháng lại mệt mỏi tốt hơn so với đơn vị vận động đường phân. Những đơn vị vận động kích thước trung bình này có thể tạo nên sức căng vừa phải trong thời gian dài hơn. Các đơn vị vận động này hữu ích trong các hoạt động như bơi, đạp xe và làm việc trong nhà máy.
• Đơn vị vận động co chậm oxy hóa (type I) truyền xung động chậm hơn, tạo thời gian co cơ chậm hơn. Những đơn vị vận động này có thể tạo sức căng nhỏ nhưng có thể duy trì sức căng này trong một thời gian dài. Các sợi loại I hiệu quả hơn hai loại sợi kia. Kết quả là, đơn vị vận động co chậm, loại đơn vị nhỏ nhất, rất hữu ích để duy trì tư thế, làm vững khớp, và thực hiện các hoạt động lặp lại như đánh chữ, và các hoạt động thô như chạy bộ.

Motor Pool:

Tập hợp các neuron ở tủy sống phân bố cho một cơ duy nhất được gọi là một motor pool. Kích thước của pool thay đổi từ vài trăm đến một ngàn phụ thuộc vào kích thước của cơ. Các tế bào thần kinh vận động trong pool khác nhau về các đặc tính điện học, độ lớn xung động mà chúng nhận và các đặc tính co thắt (như tốc độ, tạo lực, sự kháng mệt).

XEM VIDEO:

CÁC ĐẶC TÍNH CỦA GÂN CƠ VÀ KHÁI NIỆM ĐƠN VỊ CƠ-GÂN

Các đặc tính sinh cơ học của gân cơ

Gân chuyển lực từ cơ đến xương. Gân nối với cơ ở chỗ nối gân-cơ, ở đó các sợi cơ đan xen vào các sợi collagen của gân. Gân mạnh và truyền lực tải lớn đến xương qua các kết nối với xương. Gân có thể kháng lại sức căng, mềm dẻo, và có thể chuyển góc khi qua sụn, xương chêm, hoặc bao hoạt dịch. Gân có thể được xắp xếp như một dây hay thành dải và có thể hình tròn, bầu dục hay dẹt.

Về cấu tạo, gân gồm một bó các sợi collagen không đàn hồi được sắp xếp song song với hướng tác dụng lực của cơ. Cho dù là sợi không đàn hồi, gân có thể đáp ứng theo kiểu đàn hồi nhờ tính đàn hồi của mô liên kết. Gân có thể chịu được lực căng cao của cơ, và có tính chất keo-đàn hồi khi chịu tải. Gân Achilles có thể chịu sức căng tương đương hoặc lớn hơn thép có cùng kích thước.

Đáp ứng lực tải-biến dạng của gân có dạng keo-đàn hồi. Nghĩa là, gân có đáp ứng không tuyến tính và biểu hiện tính trễ (hysteresis). Gân tương đối cứng và mạnh nhiều hơn các cấu trúc khác. Sự cứng này được cho là liên quan đến tỷ lệ collagen cao. Gân cũng rất đàn hồi và tương đối ít trơ hoặc mất năng lương. Những đặc tính này là cần thiết cho chức năng của gân.

Gân phải cứng và mạnh đủ để chuyển lực đến xương mà không bị biến dạng nhiều. Bởi vì tính trễ thấp của gân, chúng có thể dự trữ và giải phóng năng lượng đàn hồi. Hình dưới đây biểu diễn sự khác nhau về các đặc tính của cơ, gân và xương.

Các ảnh hưởng của gân lên sự tạo lực (Các đặc tính Lực- Thời gian):

Khi cơ bắt đầu tạo sức căng qua thành phần co thắt của cơ, lực tác động lên xương tăng lên không tuyến tính với thời gian bởi vì các thành phần đàn hồi thụ động ở trong gân và các mô liên kết bị kéo căng và hấp thu một phần lực. Sau khi các thành phần đàn hồi bị kéo căng, sức căng của cơ tác động lên xương tăng lên một cách tuyến tính theo thời gian đến khi đạt lực tối đa.

Thời gian để đạt được lực tối đa và độ lớn của lực thay đổi tùy theo tư thế khớp. Ở tư thế này, lực tối đa có thể được tạo ra rất nhanh, nhưng ở tư thế khác, nó có thể xảy ra chậm hơn khi co. Điều này phản ánh sự thay đổi tính lỏng lẻo của gân, không phải những thay đổi trong khả năng tạo sức căng của các thành phần co thắt. Nếu gân chùng, lực tối đa xảy ra muộn hơn và ngược lại.

Mô hình cơ học của cơ: Đơn vị cơ-gân

Hill đã mô hình hóa hoạt động cơ-gân gồm ba thành phần. Các thành phần đó là thành phần co thắt (contractile component – CC), thành phần đàn hồi song song (parallel elastic component – PEC), và thành phần đàn hồi liên tiếp (series elastic component -SEC) (hình 5). Mô hình Hill cho phép ta hiểu rõ hơn chức năng của cơ đã tạo nên sức căng như thế nào.

Hình 5. Mô hình đơn vị cơ-gân của Hill gồm ba thành phần: Thành phần co thắt, thành phần đàn hồi liên tiếp (SEC), và thành phần đàn hồi song song (PEC).

Thành phần co thắt là thành phần chuyển kích thích từ hệ thần kinh thành lực và phản ánh sự làm ngắn của cơ qua các cấu trúc actin và myosin. Thành phần co thắt có các đặc tính cơ học xác định hiệu quả của hoạt động co, nghĩa là tín hiệu từ hệ thần kinh chuyển sang lực hiệu quả như thế nào (mối liên hệ giữa kích thích và hoạt hóa, mối liên hệ lực-tốc độ và mối liên hệ lực- chiều dài).

Thành phần đàn hồi trong cơ được biểu diễn là các thành phần đàn hồi song song và liên tiếp. Bởi vì SEC nối liên tục với thành phần co thắt, bất cứ lực được tạo nên bởi CC cũng được tác động lên SEC. SEC là cấu trúc đàn hồi không tuyến tính cao, ví dụ như gân cơ.

Cơ biểu hiện đặc tính đàn hồi ngay cả khi thành phần co thắt không tạo ra lực. Một lực bên ngoài tác động vào cơ làm cơ kháng lại, nhưng cơ cũng bị kéo dãn ra. Đáp ứng đàn hồi không chủ động này được tạo nên bởi những cấu trúc song song với cơ thay vì thành phần liên tục với cơ. Chúng được gọi là thành phần đàn hồi song song (PEC), ví dụ như các mô liên kết bao quanh cơ. PEC cũng có đặc tính đàn hồi không tuyến tính cao và gia tăng độ cứng khi cơ dài ra. Cả hai cũng đáp ứng giống như lò xo khi hoạt động nhanh.

CÁC HOẠT ĐỘNG CƠ VÀ CÁC VAI TRÒ CỦA CƠ TRONG VẬN ĐỘNG

Các hoạt động cơ (các loại co cơ):

Ta có thể chia sự co cơ làm ba loại dựa trên sự thay đổi chiều dài của cơ: co cơ đẳng trường, co cơ hướng tâm và co cơ ly tâm

Co cơ đẳng trường

Nếu cơ hoạt động và tạo nên sức căng mà không thay đổi tư thế khớp, hoạt động cơ được gọi là đẳng trường.

Co cơ hướng tâm

Co cơ tạo nên sức căng và rút ngắn cơ. Trong co cơ hướng tâm, lực cơ tạo vận động cùng hướng với thay đổi góc khớp, nghĩa là các cơ đồng vận đang kiểm soát cơ. Sự vận động chi tạo nên bởi co cơ hướng tâm được gọi là dương bởi vì cơ co thường kháng lại trọng lực hoặc là một sức cản nào đó.

Co cơ ly tâm

Khi cơ chịu một lực xoay bên ngoài lớn hơn lực mà cơ tạo ra, cơ bị dài ra, và co ly tâm. Nguồn lực bên ngoài thường là trọng lực hoặc hoạt động của một nhóm cơ đối vận.

Trong co cơ ly tâm, lực cơ tạo nên sự xoay có hướng ngược với thay đổi góc khớp, nghĩa là các cơ đối vận đang điều khiển cơ. Vận động chi trong co cơ ly tâm được gọi là âm bởi vì các hoạt động khớp thường đi xuống do trọng lực hoặc đang điều khiển chứ không phải là khởi phát vận động.

Phần lớn các vận động đi xuống, trừ phi rất nhanh, được kiểm soát bởi hoạt động ly tâm của các nhóm cơ đối vận. Ví dụ động tác hạ thấp người thành ngồi xổm (gập háng và gối) đòi hỏi sự kiểm soát bởi các cơ duỗi háng và duỗi gối co ly tâm. Ngược lại, vận động duỗi lên chống lại trọng lực được tạo nên bởi các cơ duỗi co hướng tâm.

Co cơ ly tâm cũng được sử dụng để làm chậm lại một động tác. Khi duỗi nhanh đùi, như khi đá, các cơ đối vận (cơ gập) co ly tâm để kiểm soát và làm chậm hoạt động gần cuối tầm vận động gập (để bảo vệ khớp). Do đó có thể nguy cơ gây chấn thương trong một vận động đòi hỏi giảm tốc nhanh với những người có khiếm khuyết cơ ly tâm đối vận.

Co cơ ly tâm trước khi co cơ hướng tâm làm gia tăng khả năng tạo lực bởi vì sự phân bối năng lượng đàn hồi trong cơ. Ví dụ như trong động tác ném, thân mình, chân và vai xoay trong là đang co ly tâm chủ động (lấy đà). Năng lượng đàn hồi được dự trữ trong các cơ này, do đó gia tăng giai đoạn co hướng tâm trong động tác ném.

Các hoạt động co cơ này không được sử dụng riêng rẽ mà thường phối hợp. Điển hình, co cơ đẳng trường dùng để cố định một phần cơ thể, co cơ ly tâm và hướng tâm dùng để gia tăng dự trữ năng lượng và vận hành cơ. Chuỗi tự nhiên của chức năng cơ này, trong đó co cơ ly tâm đi trước co cơ hướng tâm, được gọi là chu kỳ kéo căng- co ngắn (SSC).

Ba hoạt động cơ cơ này khác nhau về tiêu hao năng lượng và tạo lực. Co cơ ly tâm có thể tạo cùng lực như hai loại hoạt động cơ kia với ít sợi cơ được hoạt hóa hơn và tiêu thụ ít oxy hơn hai loại co cơ còn lại.

Co cơ hướng tâm tạo lực kém nhất trong ba loại co cơ. Lực liên quan đến số lượng các cầu nối bắt chéo được tạo ra trong tơ cơ. Trong co cơ đẳng trường, số các cầu nối được gắn vẫn không đổi. Khi cơ ngắn lại, số các cầu nối được gắn bị giảm đi làm giảm lực tạo ra của cơ.

XEM VIDEO:

Các vai trò của cơ

Các cơ chủ vận và cơ đối vận (Agonists và Antagonists)

Các cơ tạo nên cùng một vận động khớp được gọi là các cơ chủ vận. Ngược lại, các cơ đối lại hoặc tạo nên vận động khớp đối diện được gọi là cơ đối vận. Các cơ đối vận phải thư giãn để cho vận động xảy ra hoặc co đồng thời với cơ đồng vận để kiểm soát hoặc làm chậm lại vận động. Vì thế, những thay đổi xảy ra nhiều nhất trong vị trí tương đối của cơ là ở các cơ đối vận. Ví dụ khi đưa đùi ra trước lên trên (gập), các cơ chủ vận tạo vận động là các cơ gập háng (thắt lưng-chậu, thẳng đùi, may, lược, cơ thon). Các cơ đối vận là các cơ duỗi háng (ụ ngồi cẳng chân và cơ mông lớn). Các cơ đối vận kết hợp với tác động của trọng lượng làm chậm vận động gấp háng và chấm dứt vận động. Cả hai cơ chủ vận và đối vận đang kiểm soát hoặc điều hòa vận động.

Khi một cơ đóng vai trò là một cơ đối vận, nó dễ bị chấn thương ở vị trí gắn của cơ hay bản thân cơ, bởi vì cơ này đang co để lại chậm động tác trong khi lại bị kéo dài ra.

Các cơ làm vững (Stabilizers) và các cơ trung hòa (Neutralizers)

Các cơ cũng có thể đóng vai trò làm vững, giữ vững một phân đoạn để một vận động khác ở một khớp kế cận có thể xảy ra. Ví dụ như các cơ làm vững đai vai để cho vận động cánh tay hiệu quả hơn, hoặc cơ làm vững ở vùng đai chậu và háng khi đi. Khi một chân đặt lên mặt đất khi đi hoặc chạy, cơ mông nhỡ co để giữ vững đai chậu.

Nhóm vai trò cơ cuối cùng là cơ đồng vận, hoặc trung hòa, nghĩa là co cơ để loại trừ một hoạt động khớp không mong muốn của một cơ khác.

Một số vai trò của cơ trong vận động dạng cánh tay đơn giản được mô tả ở hình bên dưới.

Hình. Vai trò của các cơ trong động tác dạng vai. Cơ delta: chủ vận. Cơ lưng rộng: đối vận. Cơ thang: làm vững và giữ bả vai. Cơ tròn bé: trung hòa động tác xoay trong của cơ lưng rộng.