ĐẶC ĐIỂM SINH CƠ HỌC CỦA CƠ VÀ THẦN KINH CƠ. PHẦN 2

Bài viết trình bày các đặc điểm sinh cơ học của cơ và thần kinh cơ, phần tiếp theo: sự tạo lực và các yếu tố ảnh hưởng.

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

SỰ TẠO LỰC TRONG CƠ

Sự co cơ

Sự tạo và lan truyền kích thích thần kinh đến cơ: sự lan truyền của điện thế hoạt động (xem tài liệu sinh lý học).  

Sự chuyển kích thích thần kinh thành quá trình co thắt (kết hợp kích thích-cơ thắt):

• Sự khử cực màng tế bào cơ, giải phóng ion Ca²⁺ vào quanh tơ cơ,
• Sự tạo các cầu nối chéo giữa sợi actin và myosin (thuyết trượt sợi cơ), tạo sự rút ngắn sarcomere và cơ.

XEM VIDEO:

Một điện thế hoạt động duy nhất hoạt hóa một sợi cơ sẽ tạo một lực tăng rồi giảm đi gọi là một co thắt đơn lẻ (twitch). Nếu một kích thích thứ hai xảy ra trước khi co thắt ban đầu chấm dứt thì sẽ tạo ra một co thắt đơn lẻ khác lên trên co thắt ban đầu. Khi tăng tần số kích thích, lực liên tục được tạo và tạo thành một trạng thái được gọi là co cơ liên tục không hòa lẫn (unfused tetanus). Nếu tăng tần số kích thích đến một mức độ nhất định, lực cơ không tăng được nữa và cơ ở trạng thái co liên tục (tetanus).

Hình. Khi có một kích thích, cơ tạo nên một co thắt đơn lẻ (twitch). Khi có nhiều kích thích liên tiếp, lực cơ tăng lên và cơ co liên tục không hòa lẫn. Khi tần số tiếp tục tăng, cuối cùng lực cơ đạt đến một giới hạn và cơ co hòa lẫn (tetanus).

Tiến trình gia tăng tạo lực ở cơ.

Sự tạo lực cơ có thể được gia tăng bằng hai cách. Một là, gia tăng sự huy động số đơn vị vận động, hai là gia tăng tần số kích thích.

Sự huy động các đơn vị vận động (motor unit recruitment)

Hệ thần kinh trung ương phối hợp tốc độ và cường độ co cơ sao cho phù hợp với đòi hỏi của vận động.

Sức căng hay lực do cơ tạo ra được quyết định bởi số đơn vị vận động bị kích thích ở cùng một thời điểm và bởi tần số mà đơn vị vận động đang kích thích. Sự huy động, thuật ngữ dùng để mô tả trình tự hoạt hóa của đơn vị vận động, là cơ chế chính của sự tạo lực cơ. Sự huy động này thường đi theo một trình tự nhất định tùy theo hoạt động chức năng mà cơ đang tiến hành.

Trình tự huy động đơn vị vận động thường theo nguyên lý kích thước, các tế bào thần kinh vận động nhỏ, co chậm được huy động trước, theo sau bởi các đơn vị vận động co nhanh oxi hóa và cuối cùng là co nhanh đường phân. Điều này là bởi vì các tế bào thần kinh vận động nhỏ hơn có ngưỡng thấp hơn các tế bào lớn hơn. Như vậy những tế bào thần kinh vận động nhỏ được sử dụng tạo sức căng lan rộng trước khi các sợi vừa và lớn hơn được huy động.

Ví dụ như khi đi, các đơn vị vận động ngưỡng thấp được sử dụng cho hầu hết chu kỳ dáng đi, trừ một số huy động ngắn các đơn vị vận động trung gian trong thời gian hoạt hóa tối đa. Các đơn vị vận động co nhanh ngưỡng cao thường không được huy động trừ khi cần thay đổi nhanh về hướng hay khi vấp ngã.

Khi chạy, nhiều đơn vị vận động hơn được huy động, và một số đơn vị ngưỡng cao được huy động vào những lúc cần lực mạnh nhất trong chu kỳ. Ngoài ra, các đơn vị ngưỡng thấp được huy động cho các hoạt động như đi hoặc chạy, và các sợi nhanh được huy động trong các hoạt động như nâng tạ. Trình tự huy động khi đi và các bài tập có cường độ khác nhau được trình bày ở hình 9.

Trình tự huy động đơn vị vận động diễn tiến từ tế bào thần kinh vận động nhỏ đến lớn, chậm đến nhanh, lực nhỏ đến lực lớn, và cơ kháng mệt đến cơ mau mệt. Sau khi một đơn vị vận động được huy động, nó vẫn còn hoạt động cho đến khi lực giảm, và khi lực giảm, các đơn vị vận động bị bất hoạt theo trình tự đảo ngược với hoạt hóa, nghĩa là các tế bào thần kinh vận động lớn sẽ bị bất hoạt trước. Lực được tạo ra trong sự huy động không gia tăng một cách giật cục bởi vì các tế bào thần kinh vận động lớn hơn không được đưa vào hoạt động cho đến khi cơ cần tạo một lượng lực lớn.

Hình. Trình tự hoạt hóa các đơn vị vận động (sự huy động) thường tuân theo nguyên tắc kích thước. Đầu tiên là sợi nhỏ co chậm, theo sau bởi sợi co nhanh oxi hóa và cuối cùng là sợi co nhanh đường phân. A. Hoạt động cơ của ba loại sợi trong thì tựa trong động tác đi. Các sợi co chậm được sử dụng hầu hết chu kỳ dáng đi, với một ít huy động các sọi cơ nhanh trong lúc cần lực mạnh.

Sự thay đổi tần số kích thích hay Mã hóa Tốc độ (Rate Coding)

Tần số kích thích của đơn vị vận động cũng có thể ảnh hưởng mức độ lực hay sức căng của cơ. Điều này được gọi là mã hóa tần số hay mã hóa tốc độ. Trong trường hợp co cơ với sức căng không đổi hay tăng chậm, tần số kích thích thay đổi từ 15-50 xung động mỗi giây. Tần số có thể tăng đến 80 -120 xung động mỗi giây trong co tốc độ nhanh. Ở các cơ nhỏ, tất cả các đơn vị vận động thường được huy động và hoạt hóa khi lực bên ngoài của cơ ở mức chỉ 30% đến 50% mức co cơ chủ động tối đa. Qua mức này, lực của cơ tăng lên thông qua gia tăng mã hóa tốc độ, làm cho cơ co chính xác và trơn tru hơn.

Ở những cơ lớn, sự huy động các đơn vị vận động xảy ra qua tất cả tầm lực tổng, làm cho cơ vẫn đang huy động nhiều đơn vị vận động hơn ở mức co cơ chủ động 100%. Ví dụ cơ delta, cơ tứ đầu đùi.

Mã hóa tốc độ cũng thay đổi với loại sợi và các thay đổi với loại vận động. Ví dụ mã hóa tốc độ của các sợi cơ ngưỡng thấp và cao được trình bày ở hình 10.

Hình 10. Sự tạo sức căng trong cơ chịu ảnh hưởng bởi tần số mà đơn vị vận động bị hoạt hóa, gọi là mã hóa tốc độ. A. Trong co cơ dưới mức tối đa và giữ, các sợi co nhanh ngưỡng cao gia tăng tốc độ hoạt hóa trong giai đoạn dốc nhiều hơn các đơn vị ngưỡng thấp. Tần số hoạt hóa của đơn vị vận động giảm trong giai đoạn giữ, và các đơn vị ngưỡng cao ngừng hoạt hóa. B. Trong co cơ mạnh hơn và giữ lại, mã hóa tốc độ gia tăng và duy trì lâu hơn trong cả các đơn vị vận động ngưỡng cao và thấp.

CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN SỰ TẠO LỰC VÀ TỐC ĐỘ CO CƠ

Các yếu tố xác định sự tạo lực trong cơ là:

• Sự hoạt hóa thần kinh của cơ và loại sợi cơ: Mức lực tạo ra ở cơ được xác định bởi số các cầu nối bắt chéo được tạo ra ở mức sarcomere. Bản chất của kích thích của đơn vị vận động và loại đơn vị vận động được huy động đều ảnh hưởng đến tạo lực. Lực tạo ra tăng từ mức nhẹ đến mức cao hơn khi sự huy động đơn vị vận động lan rộng từ sợi type I co chậm đến sợi type Iia và IIb co nhanh. Huy động nhiều hơn số đơn vị vận động hoặc các sợi co nhanh làm tăng lực tạo ra. Loại sợi co nhanh tạo nhiều lực hơn và co nhanh hơn sợi co chậm.
• Thiết diện ở từng sợi cơ và thiết diện của toàn bộ cơ: Nói chung, sức mạnh cơ và khả năng tạo lực phụ thuộc chủ yếu bởi kích thước của cơ, cơ càng lớn tạo càng nhiều lực.
• Sự sắp xếp sợi cơ: Khả năng tạo lực còn phụ thuộc vào sự sắp xếp sợi cơ (dọc hoặc hình lông chim). Trong cơ hình lông chim, các sợi thường ngắn hơn và không thẳng với đường kéo. Do đường kính và thiết diện cắt ngang lớn hơn, cơ hình lông chim có thể tạo nhiều lực hơn cơ dọc có sợi song song cùng kích thước.
• Tải lực cơ trước khi co thắt: Nếu co cơ hướng tâm sau một co cơ ly tâm (trong một khoảng thời gian hợp lý), hoạt động co cơ hướng tâm đó có thể tạo lực lớn hơn và được gọi là chu kỳ kéo dãn- làm ngắn (SSC) nhờ dự trữ năng lượng đàn hồi ở các thành phần đàn hồi liên tiếp . Hiệu quả của điều hợp SSC so với co cơ hướng tâm đơn thuần thường từ 10 đến 20%.

Hình. Chu kỳ kéo dãn- co thắt (SSC). Nếu kéo căng cơ trước khi co hướng tâm, lực tạo ra sẽ lớn hơn.

Các yếu tố ảnh hưởng đến sự tạo nên tốc độ trong cơ là:

• Chiều dài cơ: Một cơ có tỉ lệ chiều dài cơ/chiều dài gân lớn hơn có khả năng làm ngắn ở mức lớn hơn. Do đó, cơ gắn với xương qua gân ngắn (như cơ thẳng bụng) có thể di chuyển khoảng cách làm ngắn lớn hơn cơ có các gân dài (như cơ bụng chân). Cơ xương có thể làm ngắn đến khoảng 30% – 50% chiều dài của nó.
• Tốc độ rút ngắn của sợi cơ: tùy thuộc loại sợi cơ
• Sự sắp xếp sợi cơ: Các sợi song song có chiều dài sợi dài hơn, tạo nên tầm vận động lớn hơn và tốc độ co cơ cao hơn. Do các sợi sắp xếp song song với đường kéo, nhiều sacomere hơn được nối tận tận theo chuỗi. Điều này dẫn đến gia tăng chiều dài sợi cơ và khả năng tạo tốc độ làm ngắn lớn hơn.
• Các yếu tố ảnh hưởng khác ảnh hưởng đến tạo nên lực và tốc độ co cơ như sự mỏi cơ, giới tính, tuổi tác và các yếu tố tâm lý.

Các mối liên hệ giữa lực với tốc độ, chiều dài cơ và thời gian

Mối liên hệ lực – tốc độ:

Như hình dưới đây mô tả, trong co cơ hướng tâm tốc độ làm ngắn cơ tỷ lệ nghịch với lực tác dụng bên ngoài. Tốc độ lớn nhất khi lực tác dụng bằng zero. Khi lực gia tăng đến một giá trị bằng với lực tối đa mà cơ có thể tạo ra, tốc độ làm ngắn cơ bằng zero và cơ đang co đẳng trường. Điều này mô tả mối liên hệ lực-tốc độ co cơ. Một sự gia tăng thêm lực dẫn đến một sự gia tăng chiều dài cơ khi nó co ly tâm và do đó tốc tộ làm dài gia tăng với lực tác dụng.

Mối liên hệ lực- chiều dài (chiều dài- sức căng)

Độ lớn của lực được tạo ra bởi cơ trong khi co cũng liên quan đến chiều dài của cơ đang co. Chiều dài cơ có thể tăng, giảm hoặc không thay đổi trong khi cơ phụ thuộc vào lực đối lập bên ngoài. Chiều dài cơ bị hạn chế bởi giải phẫu của vùng và điểm bám lên xương. Sức căng tối đa có thể tạo ra trong sợi cơ xảy ra khi một cơ được hoạt hóa ở chiều dài lớn hơn một ít so với chiều dài khi nghỉ, khoảng từ 80% đến 120% của chiều dài khi nghỉ. Bởi vì khi đó các thành phần co thắt tạo sức căng tối ưu và các thành phần thụ động đang dự trữ năng lượng đàn hồi và bổ sung vào sức căng tổng của đơn vị gân-cơ. Một trong những mục đích của khởi động là làm kéo dãn cơ để tạo thuận sự tạo lực cơ trong vận động.

Hình sau cho thấy mối liên hệ chiều dài- sức căng và minh họa sự đóng góp của các thành phần thụ động và chủ động trong cơ trong co cơ.

Hình. Sợi cơ không thể tạo lực căng lớn trong trạng thái rút ngắn bởi vì các sợi actin và myosin bị bị chồng lên nhau tối đa. Sức căng lớn nhất trong sợi cơ có thể được tạo ra ở chiều dài lớn hơn một ít so với chiều dài khi nghỉ. Ở cơ bị kéo dài, các sợi không thể tạo sức căng bởi vì các cầu nối bắt chéo bị kéo xa nhau. Tuy nhiên, sức căng toàn bộ của cơ tăng vì các thành phần đàn hồi tăng tạo sức căng.

Mối liên hệ lực- thời gian:

Một đặc tính cơ học quan trọng khác của cơ liên quan đến sự chậm trễ của quá trình tạo nên sức căng cơ của toàn bộ đơn vị gân- cơ và có thể được biểu diễn bằng thời gian từ lúc bắt đầu điện thế hoạt động đến lúc tăng hoặc sức căng cơ tối đa. Trong nghiên cứu điện cơ mối liên hệ lực –thời gian được gọi là chậm trễ điện- cơ.

Sự chậm trễ thời gian trong mối liên hệ lực-thời gian có thể được chia thành hai phần; phần đầu liên hệ đến sự gia tăng kích thích cơ đôi lúc được gọi là động học kích thích. Trong các vận động nhanh và lực cao, hệ thần kinh cơ có thể được rèn luyện để nhanh chóng tăng kích thích cơ (đến khoảng 20ms). Phần thứ hai của chậm trễ liên quan đến sự tạo sức căng thực sự mà đôi khi được gọi là động học co thắt. Độ dài thời gian phụ thuộc nhiều vào nỗ lực ý chí của cá nhân, sự rèn luyện, loại hoạt động cơ, và sự hoạt hóa trước đó của nhóm cơ.                     

SỨC MẠNH, CÔNG VÀ SỨC BỀN

Sức mạnh cơ

Là khả năng của một nhóm cơ tạo moment lực (xoay) ở một khớp cụ thể.

Có hai thành phần:

• Thành phần xoay: vuông góc với xương, tạo nên vận động xoay ở khớp

• Thành phần song song với xương: làm vững hoặc trật khớp

Hình. Phân tích lực cơ nhị đầu thành thành phần xoay và song song với xương

Sức mạnh cơ phụ thuộc vào:

• Mức độ căng mà cơ có thể tạo ra.

• Cánh tay đòn của các cơ góp phần vận động so với trục khớp (phụ thuộc vào khoảng cách giữa điểm gắn giải phẫu của cơ đến xương và trục xoay ở trung tâm khớp, góc của cơ bám vào xương).

Công của cơ

• Là tích của lực cơ và tốc độ làm ngắn cơ.
• Bởi vì tốc độ giảm đi khi sức cản gia tăng, công tối đa xảy ra khi cơ co ở tốc độ đạt khoảng 1/3 tốc độ tối đa và lực cơ đạt khoảng 1/3 lực cơ hướng tâm tối đa.

Hình. Mối liên hệ lực, vận tốc và công.

Để rèn luyện cho vận động viên về công, huấn luyện viên phải hoạch định các hoạt động ở tốc độ cao ở mức lực bằng 30% lực tối đa. Sự tạo công cũng gia tăng bằng tăng các sợi co nhanh, có thể tạo công nhiều hơn 4 lần so với sợi chậm.

Sức bền của cơ

Khả năng tạo sức căng trong một khoảng thời gian.

• Thay đổi tùy theo loại vận động: chạy, đạp xe…
• Chiều dài thời gian phụ thuộc vào lực và tốc độ đòi hỏi của vận động
• Tập luyện bao gồm lập lại nhiều lần với sức cản nhẹ.

Sự mỏi cơ

Đối lập với sức bền

Đặc trưng bởi:

• Giảm tạo lực
• Giảm tốc độ làm ngắn cơ
• Các đơn vị vận động thư giãn kéo dài trước khi huy động

Phụ thuộc vào loại sợi cơ

CÁC TÁC ĐỘNG CỦA NHIỆT ĐỘ, BẤT ĐỘNG, KHÔNG DÙNG VÀ CHẤN THƯƠNG CƠ

Tác động của nhiệt độ cơ

• Gia tăng nhiệt độ cơ thể làm gia tăng tốc độ dẫn truyền thần kinh và chức năng cơ
• Cần ít đơn vị vận động hơn để duy trì lực tải
• Quá trình chuyển hóa nhanh hơn
• Có ích lợi để gia tăng sức mạnh cơ, công và sức bền.

Điểm cần lưu ý: cần phải khởi động (làm nóng) trước vận động

Tác động của bất động

Cơ có thể thay đổi rất nhanh khi không sử dụng hoặc bất động. Teo cơ là một trong những dấu hiệu đầu tiên của bất động chi, có thể đến 20-30% thiết diện sau 8 tuần bất động. Sự không sử dụng dẫn đến teo vì cơ tái tổ chức, dẫn đến mất protein và các thay đổi trong chuyển hóa cơ. Những thay đổi nhiều nhất xảy ra trong những tuần đầu của không sử dụng, và cần chú ý điều này trong PHCN và tập luyện.

Chấn thương cơ

Chấn thương cơ có thể gây đau, sưng nề, bất thường giải phẫu, giảm chức năng vận động. Khi một cơ bị chấn thương, khả năng tạo lực thường giảm. Sự bù trừ xảy ra ở những cơ khác hoặc thay đổi hoạt động để giảm sử dụng cơ bị chấn thương. Ví dụ như chấn thương cơ mông lớn (duỗi háng) có thể chuyển hoạt động duỗi háng cho cơ mông nhỡ và hamstring. Mất chức năng của một cơ có thể ảnh hưởng đến tất cả các khớp trong các phân đoạn liên kết nhau như ở chi dưới, do đó cần chú ý rèn luyện lại cả toàn bộ hệ thống cơ xương

Những chấn thương cơ thường gặp

• Rách: mức độ nhẹ, vừa hoặc nặng
• Bầm dập
• Viêm xương can xi hóa
• Vọp bẻ
• Đau cơ khởi phát muộn
• Hội chứng chèn ép khoang

Nguyên nhân và vị trí của chấn thương cơ

• Nguyên nhân: Vận động quá mạnh, vận động cơ quá lâu, hoặc co cơ ly tâm, dẫn đến chấn thương vi thể ở trong sợi cơ. Các cơ dễ bị chấn thương nhất: các cơ hai khớp, các cơ hạn chế tầm vận động, các cơ co ly tâm.
• Vị trí tổn thương: có thể là ở sợi cơ nhưng thường là mô liên kết như là bao cơ, gân cơ, dây chằng. Thực tế là một vị trí thường gặp của rách cơ là chỗ nối gân-cơ (như cơ bụng chân, ngực lớn, thẳng đùi, khép dài, tam đầu cánh tay, bán gân, nhị đầu đùi).

Những người có nguy cơ cao bong gân-cơ là:

• Mỏi cơ do hệ thần kinh cơ mất khả năng kiểm soát lực tạo lên hệ thống.
• Cơ bị yếu do các hoạt động trước đó mà chưa phục hồi đầy đủ (sau hoạt động mạnh thời gian nghỉ có thể 1 tuần hoặc hơn, bình thường nếu sử dụng vừa phải cơ có thể phục hồi trong vòng 1-2 ngày).
• Nếu hoạt động mới sử dụng lần đầu, dẫn đến đau, sưng, giảm tầm vận động sau hoạt động. Sưng nề và chấn thương này thường xảy ra ở các thành phần thụ động của cơ và giảm dần khi quen với bài tập.
• Người có bị tổn thương trước dễ bị tái chấn thương hoặc bị chấn thương nơi khác do các hoạt động bù trừ