Мнение ученых: умственное напряжение не снижает физическую работоспособность

Хорошо известно, что продолжительное умственное напряжение приводит к умственному утомлению, психологическому состоянию, которое характеризуется как субъективное ощущение «усталости» и «недостатка энергии». Негативное влияние умственного утомления на когнитивные функции хорошо изучено и включает в себя ухудшение внимания, контроля движения и когнитивного контроля. А вот влияние умственного утомления на физическую работоспособность мало изучено. В 1906 Mosso сообщил, что двое из его коллег выполнили плохо тест мышечного утомления после прочтения длительной лекции по физиологии и устного экзамена. Значительно позже Bray et al показали, что выполнение сложного когнитивного задания перед или между изометрическими сокращениями существенно снижает выносливость и силу отдельных мышц верхней конечности. Но в этих исследованиях умственное напряжение не было достаточно долгим для вызова субъективных ощущений умственного утомления. Более того, нервно-мышечная функция оценивалась при помощи ЭМГ – метода, не способного предоставить достоверное измерение произвольной максимальной активации мышцы. Таким образом, связь между продолжительным умственным напряжением и «центральным компонентом» мышечного утомления осталась невыясненной.

Marcora et al провели первое экспериментальное исследование влияния продолжительного умственного утомления на выносливость - при выполнении динамических упражнений для всего тела. Исследователи вызвали умственное утомление в группе здоровых и тренированных людей, используя длительное сложное когнитивное задание в течение 90 минут, и обнаружили существенное уменьшение времени до утомления при последующей интенсивной работе на велоэргометре. Тем не менее, физиологические механизмы, лежащие в основе негативного влияния продолжительного умственного напряжения на результаты упражнений на выносливость, до настоящего времени неизвестны. Marcora et al не выявили никакого влияния умственного утомления на ответную реакцию сердечно-сосудистой, респираторной систем и обмена веществ при выполнении интенсивной велоэргометрии. Также не обнаружено влияния умственного утомления на мотивацию продолжительной работы до отказа в тесте. Единственным фактором, способным объяснить преждевременный отказ от работы, было повышенное ощущение напряжения у людей с умственным утомлением при выполнении велоэргометрии высокой интенсивности. Согласно психобиологической модели работы на выносливость, отказ не вызван мышечным утомлением, т. е. неспособностью утомлённой нервно-мышечной системы произвести силу/мощность, которую требует выполнение задачи на выносливость, несмотря на максимальное мышечное усилие. Наоборот, предполагается, что истощение вызвано сознательным решением: прекратить выполнение задачи на выносливость. У людей с высокой мотивацией подобные решения принимаются, когда воспринимаемое усилие действительно максимальное и продолжать выполнение невозможно.

Несмотря на то, что это объяснение выглядит правдоподобно, Marcora et al не измеряли нервно-мышечную функцию. Таким образом, понижение максимальной мышечной активации или увеличение степени центрального утомления, вызванные упражнениями на выносливость, могут также объяснять негативное влияние умственного утомления при работе на выносливость. Центральное утомление – вызванное упражнениями понижение способности ЦНС к полному рекрутированию активных мышц (мышечной активации) при максимальных произвольных сокращениях (МПС), которое происходит на спинальном и супраспинальном уровне. Полагают, что центральное утомление оказывает отрицательное влияние на результаты работы на выносливость, и несколько авторов предположили тесную связь между умственным и центральным утомлением. В связи с тем, что супраспинальное утомление, вероятно, происходит в зонах мозга выше первичной моторной коры, вполне возможно, что продолжительное умственное напряжение может влиять на максимальную произвольную активацию мышц и таким образом снижать выносливость.

Основная цель представленного исследования – экспериментальная проверка предполагаемой связи между умственным утомлением, максимальной активацией мышц и центральным утомлением. В частности, мы полагаем, что продолжительное умственное напряжение вызывает умственное утомление, которое:

1. способно понизить максимальную мышечную активацию;
2. может увеличить степень центрального утомления, вызванного при последующем выполнении упражнения на выносливость.

Мы проверим две основные гипотезы путём измерения максимальной активации мышц - разгибателей коленного сустава до и после продолжительного умственного напряжения, и непосредственно после этого будет выполняться субмаксимальное изометрическое сокращение разгибателей колена до отказа (задание на выносливость). Мы предполагаем, что продолжительное умственное напряжение способно понизить результаты работы на выносливость за счёт большего воспринимаемого усилия при выполнении задачи.

Описание процедуры исследования (сокращённо)

Десять физически активных мужчин приняли участие в исследовании (среднее ± СО): возраст – 22,2 ± 2 года; рост – 177 ± 6 см; вес – 70 ± 8 кг. Ни у кого из них не выявлено соматических или психических заболеваний. Испытуемые полагали, что оба задания: упражнение на компьютере и просмотр документального фильма – различные виды когнитивной активности, способные оказать влияние на выносливость при выполнении упражнений. Для обеспечения высокой мотивации при умственном и физическом тестах было обещано вознаграждение – билеты на профессиональное спортивное мероприятие за лучшие результаты в упражнениях. При проведении тестов у испытуемых не было возможности обсудить реальные цели исследования.

Протокол эксперимента

Испытуемые посещали лабораторию три раза отдельно друг от друга. Во время первого посещения их ознакомили с процедурой теста. Во время второго и третьего визита субъекты выполнили задание с умственным утомлением или контрольное в случайном порядке и последовательности. После когнитивного задания испытуемые выполнили субмаксимальное изометрическое выпрямление колена до отказа. Нервно-мышечная функция оценивалась до и после когнитивного задания и после задания на выносливость. Самочувствие оценивалось до и после когнитивного задания, тогда как мотивация – только перед упражнением на выносливость.

Каждый испытуемый выполнил три визита в течение 3 недель, с промежутком не менее 72 часов между посещениями. Всем испытуемым рекомендовали спать не менее 7 часов, воздержаться от потребления алкоголя и не проводить интенсивную тренировку за день до посещения, курить или потреблять кофеин за 3 часа; сообщить о приёме любых лекарств, заболеваниях, травмах или инфекциях.

Когнитивная задача

В качестве когнитивной нагрузки использовали AX-Continuous Performance Test (AX-CPT). Тест заключался в правильном распознавании букв среди последовательности, которая воспроизводилась на экране в течение 90 минут с итогами о результативности каждые 30 минут.

Контрольное задание

В качестве контрольного задания испытуемые просматривали документальный фильм Earth о путях миграции четырёх видов животных (Alastair Fothergill and Mark Linfield, 2007).

Как при решении когнитивной задачи, так и в контрольной группе постоянно отслеживалась ЧСС при помощи пульсометра.

Задание для проверки выносливости

Выполнялось изометрическое напряжение разгибателей колена с интенсивностью 20% от максимального произвольного усилия. Тест заканчивался, когда испытуемый не мог больше сохранять заданное положение более 3 с. Контроль осуществлялся при помощи обратной связи: экран монитора, показывающий уровень усилия в реальном времени. Кроме оценки продолжительности теста, каждые 20 с испытуемый сообщал о субъективно оцениваемом усилии по 15-балльной шкале. Во время теста также постоянно отслеживали электрическую активность в мышцах и ЧСС.

Оценка нервно-мышечной функции

Электростимуляция проводилась одиночными и сдвоенными стимулами частотой 100Гц. После установления индивидуальной оптимальной интенсивности стимуляции использовали сверхмаксимальный стимул 130% от 60 до 140 мА согласно описанной методологии.

Механические параметры отслеживали при помощи изокинетического динамометра Biodex (Biodex Medical Systems Inc., Shirley, NY). Усилие оценивали на правой ноге, согнутой под прямым углом в коленном и тазобедренном суставе.

Как упоминалось выше, при выполнении теста на выносливость постоянно измеряли ЭМГ активность работающих мышц. Рис. 1. Графическое представление протокола одного из дней.

Порядок и расписание теста было аналогичным для всех испытуемых. Q – психологический опрос; СТ – когнитивное задание; MVC – максимальное произвольное сокращение. Порядок проведения (слева на право): электростимуляция, произвольная активация, опрос, когнитивное задание (контроль), опрос, электростимуляция, произвольная активация, задание на выносливость, электростимуляция, произвольная активация.

Обсуждение полученных результатов

Основной целью представленного исследования была проверка двух гипотез, что продолжительное умственное напряжение вызывает умственное утомление, которое: 1) способно понизить максимальную мышечную активацию; 2) может увеличить степень центрального утомления, вызванного при последующем выполнении упражнения на выносливость. Вопреки нашим предположениям, эксперимент продемонстрировал, что продолжительное умственное напряжение не приводит к каким-либо ухудшениям нервно-мышечных функций. Аналогично данным предыдущих исследований, негативное влияние продолжительного умственного напряжения опосредовано повышением уровня воспринимаемого усилия у людей с умственным утомлением при выполнении упражнений на выносливость.

Продолжительное умственное напряжение и умственное утомление

Более высокая ЧСС, которая наблюдалась во время когнитивной задачи по сравнению с просмотром фильма, подтверждала нагрузочность теста. Фактически, повышение ЧСС и другие реакции сердечно-сосудистой системы связывают с величиной напряжения при выполнении когнитивных задач. Принимая во внимание нагрузочность когнитивной задачи, неудивительно, что после 90 мин. выполнения теста существенно увеличилось ощущение утомления. Подобный эффект наблюдали и в предыдущих исследованиях. Это подтверждает успешность экспериментальной стратегии в достижении умственного утомления у испытуемых. Тем не менее, не наблюдалось сколько-нибудь значительного снижения когнитивных функций при выполнении задания. Вероятно, вознаграждение за достижения лучшего результата позволила нашим субъектам преодолеть негативное влияние умственного утомления на когнитивные функции.

Продолжительное умственное напряжение не снижает максимальную активацию мышц

Нашим первым предположением было, что умственное утомление снизит максимальную активацию мышц. Хорошо известно, что упражнения на выносливость способны понижать максимальную активацию мышц. Но до сих пор не было понятно, способно ли умственное утомление подобным образом снижать способность ЦНС максимально рекрутировать мышцы. Мы проверили эту гипотезу путём оценки нервно-мышечного взаимодействия до и после двух когнитивных задач. В связи с тем, что небольшие изменения максимальной активации мышц трудно выявить, используя технику интерполяции сокращений, следует соблюдать осторожность при рассмотрении множества деталей эксперимента (например, использование парных стимулов или точных измерений крутящего момента). Вопреки нашим предположениям, эксперимент не выявил снижения максимального произвольного сокращения мышц -разгибателей колена после выполнения утомительной когнитивной задачи (90 мин. теста). Более того, уровень произвольной активации и соотношение среднеквадратическое значение/М-волна при максимально произвольной активации не изменялись под воздействием умственного утомления. Эти результаты подтверждают, что, в отличие от упражнений на выносливость, продолжительное умственное напряжение не снижает максимальной активации мышц. Теме не менее, в представленном исследовании 90 минут когнитивного задания спровоцировали сравнительно небольшое умственное утомление. Таким образом, мы не исключаем, что задания, вызывающие большее умственное утомление, способны понижать максимальную активацию мышц.

Любопытно, что в литературе есть сведения о способности умственного утомления влиять системно, например, через изменения концентрации аминокислот в крови. Эти и другие неизвестные системные эффекты на умственное утомление могут быть теоретически вызваны некоторым периферическим утомлением. Наше экспериментальное исследование, тем не менее, не обнаружило существенного влияния продолжительного умственного напряжения на сокращения и свойства М-волн.

Наши данные не согласуются с работой Bray et al, где обнаружено негативное влияние сложного когнитивного задания на максимальное произвольное сокращение мышц-сгибателей руки. Авторы подтверждают связь между сложными когнитивными задачами и изменением способности ЦНС к максимальному рекрутированию активных мышц. Тем не менее, в исследовании не проводилось измерений, достоверно подтверждающих максимальную активацию мышц. Расхождения между нашими результатами и данными Bray et al можно объяснить также разницей тестируемых мышечных групп (сгибатели руки vs разгибатели колена). Кроме того, увеличение максимального произвольного сокращения, наблюдаемое Bray et al в контрольной группе, подтверждает, что их испытуемые не прилагали максимального усилия при тестировании нервно-мышечной функции. Хорошо известно, что недостаточное произвольное усилие при определении максимума отрицательно влияет на нервно-мышечную функцию. Дополнительные исследования необходимы для лучшего понимания возможного влияния продолжительного умственного напряжения на максимальную активацию различных мышечных групп.

Продолжительное умственное напряжение не увеличивает центральное утомление, возникающее при последующем выполнении упражнений на выносливость

Несмотря на то, что продолжительное умственное напряжение не уменьшает максимальную мышечную активацию, вероятно, что выполнение упражнений в состоянии умственного утомления способно увеличить степень центрального утомления на момент отказа от работы. Для исследования этого предположительного взаимодействия между умственным и центральным утомлением мы выбрали протокол субмаксимального изометрического сокращения разгибателей колена, известный способностью снижать уровень произвольной активации, то есть вызывать центральное утомление. Более того, в связи с тем, что время нервно-мышечной оценки имеет решающее значение, субмаксимальные изометрические упражнения непосредственно после максимальных произвольных усилий той же мышечной группы – наиболее быстрый способ точного определения степени центрального утомления при истощении. Как ожидалось, упражнение на выносливость вызывало существенное центральное и периферическое утомление в обоих умственных состояниях. Тем не менее, похожее снижение уровня произвольной активации при истощении не подтвердило наше предположение об увеличении степени центрального утомления вследствие продолжительного умственного напряжения. Так как время до истощения существенно различалось между состояниями умственного утомления и группой контроля, требуются дополнительные исследования влияния продолжительного умственного напряжения на время возникновения центрального утомления при выполнении упражнений на выносливость. Но необходимо отметить, что незначительные различия в произвольной активации между состоянием умственного утомления и контрольной группой очень сложно обнаружить. Дальнейшие исследования необходимы также для выяснения, каким образом сильное умственное утомление или другие упражнения на выносливость (динамические упражнения для всего тела) связаны с увеличением степени центрального утомления при последующем выполнении упражнений на выносливость.

Продолжительное умственное напряжение vs упражнения на выносливость

Наши результаты в первый раз продемонстрировали, что продолжительное умственное напряжение и упражнения на выносливость оказывают различное влияние на нервно-мышечную функцию. Факт, что продолжительное умственное напряжение, в отличие от упражнений на выносливость, не изменяет периферическую мышечную функцию, не является удивительным, так как утомляющее когнитивное задание (90 мин) не вовлекало мышцы разгибатели колена. Тем не менее, мы полагали, что продолжительное умственное напряжение способно уменьшать максимальную мышечную активацию разгибателей колена. Так, в предыдущем исследовании наш протокол субмаксимального изометрического сокращения экстензоров колена вызвал существенное уменьшение максимальной активации мышц – феномен, называемый центральным утомлением. Тем не менее, 90-минутное когнитивное задание не уменьшило максимальную активацию мышц разгибателей колена, несмотря на существенное умственное утомление. Различия воздействия на максимальную активацию мышц при утомлении от выполнения упражнений на выносливость и продолжительного умственного напряжения говорят о разных вовлечённых механизмах. Вероятно, это связано с отличием нейрохимических изменений в мозге. Тем не менее, и продолжительное умственное напряжение, и упражнения на выносливость связаны с повышением аденозина и понижением гликогена в мозге. Таким образом, в настоящее время наиболее вероятным объяснением различий во влиянии являются нейрохимические изменения, происходящие в различных регионах ЦНС.

Известно, что когнитивная задача, которую мы использовали в эксперименте с целью вызвать умственное утомление у субъектов, в значительной степени активирует переднюю часть поясной извилины (АСС), регион, связанный с выполнением трудных и познавательных задач, а также различных когнитивных заданий. Важно отметить, что АСС также связана с восприятием усилия при упражнениях на выносливость. Поэтому биологически возможно, что продолжительное умственное напряжение вызывает изменения в АСС, которые, в свою очередь, увеличивают воспринимаемое усилие и понижают результаты на выносливость. Но наши результаты показывают, что длительная активация АСС не уменьшает способности ЦНС максимально рекрутировать активные мышцы.

Уменьшение максимальной активации мышц, вызванное упражнением (центральное утомление), может происходить на спинальном и супраспинальном уровнях. Несмотря на то, что супраспинальное утомление во время максимальных и субмаксимальных изометрических сокращений локализуется в регионах мозга, предшествующих первичной моторной коре, доступно несколько нейровизуализирующих исследований, изучающих области мозга, связанные с супраспинальным утомлением. Некоторые из них показали прогрессивное увеличение активности нескольких областей мозга, таких как сенсомоторная кора, дополнительная моторная область, лобной и островковой долей при субмаксимальных упражнениях до утомления. Пока непонятно, насколько применимо понятие центральное утомление при субмаксимальных сокращениях мышц. Фактически, изменения в деятельности мозга при субмаксимальных упражнениях до утомления отражают адаптацию мозга с целью компенсации спинального и/или периферического утомления, а не явление супраспинального утомления. Насколько нам известно, только Van Duinen et al исследовали области мозга, связанные с супраспинальным утомлением, путём измерения их активности при выполнении максимальных произвольных сокращений до и после утомляющих упражнений. Эти авторы показали существенное снижение активности в дополнительных моторных зонах и - в меньшей степени - в прецентральной извилине, правой, наиболее латеральной части чечевицеобразного ядра и небольшой части левой париетальной покрышки. Тот факт, что центральное утомление не связано с изменениями активности АСС, предполагает различие между зонами мозга, на которые оказывают влияние умственное напряжение и упражнения на выносливость.

Более того, мы полагаем, что нейрохимические изменения, вызванные продолжительным умственным напряжением, видимо, локализованы не в мозге, а некоторые нейрохимические изменения, приводящие к центральному утомлению, могут также происходить на спинальном уровне. Таким образом, различия влияний на максимальную активацию мышц продолжительного умственного напряжения и упражнений на выносливость можно объяснить: 1) разными вовлечёнными зонами мозга; 2) спинальные изменения, вероятно, происходят при упражнениях на выносливость, но не во время продолжительного умственного напряжения.

Умственное утомление, воспринимаемое усилие и психобиологическая модель упражнений на выносливость

Представленные результаты могут рассматриваться в качестве экспериментальных доказательств того, что более высокое воспринимаемое усилие, вызванное продолжительным умственным напряжением, не связано со снижением мышечной активации перед упражнением. На самом деле, увеличение воспринимаемого усилия, которое переживают люди при умственном утомлении, происходит независимо от изменений максимальной мышечной активации перед заданиями на выносливость, а также степени центрального утомления при истощении в момент умственного утомления и в контрольных условиях. Тем не менее, увеличение воспринимаемого утомления, происходящее со временем при упражнениях на выносливость, в обоих состояниях может быть вызвано, по крайней мере, отчасти центральным и периферическим утомлением от упражнений на выносливость. Проявление существенного утомления мышц требует увеличения центральной команды, которая необходима для поддержания аналогичного субмаксимального усилия. В связи с тем, что сенсорный сигнал восприятия утомления – следствие центральной моторной команды, необходимо увеличение разрядов для преодоления утомления мышц, которое отражается в существенном повышении воспринимаемого усилия. Предыдущие исследования показали, что более высокое воспринимаемое усилие, которое люди испытывают при умственном утомлении во время упражнений на выносливость, вероятно, вызвано изменениями центральной обработки сенсорных сигналов. Необходимы дополнительные исследования для понимания нейропсихологических механизмов, лежащих в основе отрицательного влияния утомление на восприятие усилия во время упражнений на выносливость.

Подобно предыдущим данным относительно влияния умственного утомления на результаты работы на выносливость, при выполнении динамических упражнений для всего тела, мы обнаружили, что умственное утомление существенно уменьшает время до отказа от выполнения субмаксимального изометрического упражнения для разгибателей колена. Эти результаты подтверждают, что умственное утомление оказывает негативное влияние на результаты работы на выносливость, независимо от типа сокращения и мышечной массы, активной при выполнении упражнения.

Приемлемое объяснение негативного влияния умственного утомления на результаты работы на выносливость представлено в психобиологической модели, на основе Теории стимулирующих факторов. Согласно этой модели, истощение – форма рассогласования задач, которая происходит, когда субъект воспринимает задание как то, что невозможно завершить, несмотря на максимальные усилия или когда усилия, требуемые для задания, превышают верхний предел усилий, который человек готов достигнуть (потенциальная мотивация). Следственно, уменьшение времени до отказа от выполнения может происходить или при увеличении воспринимаемого усилия, или при снижении потенциальной мотивации. Аналогично с предыдущим исследованием, мы не выявили какого-либо негативного влияния умственного утомления на внутреннюю и успешную мотивацию, связанную с выполнением задания на выносливость. Таким образом, единственным механизмом, объясняющим негативное влияние продолжительного умственного напряжения на время до отказа, является увеличение воспринимаемого усилия при умственном утомлении субъектов, выполнявших задачу на выносливость. Так как уровень воспринимаемого усилия увеличивался с течением времени одинаково в двух состояниях, умственно утомлённые субъекты достигли максимального уровня и завершили задание на выносливость раньше, чем в контрольном состоянии.

Выводы и перспективы

В исследовании представлены первые экспериментальные подтверждения того, что продолжительное умственное напряжение не влияет на показатели нервно-мышечной функции, такие как максимальная мышечная активация и центральное утомление, вызванное при последующем выполнении упражнений на выносливость. Эти данные свидетельствуют о том, что продолжительное умственное напряжение и упражнения на выносливость влияют на разные области ЦНС. В предстоящих исследованиях мозга и упражнений на выносливость следует определить специфические механизмы умственного утомления и центрального утомления без ложного предположения, что эти два явления – различные аспекты аналогичных центральных изменений. В связи с тем, что восприятие утомления более вероятный медиатор, отрицательно влияющий на результаты работы на выносливость, дополнительные исследования выявят нейрофизиологическое воздействие, связанное с более высоким воспринимаемым усилием, которое испытывают умственно утомлённые субъекты при выполнении упражнений на выносливость. С практической точки зрения, представленное исследование подтверждает, что негативное влияние умственного утомления на физическую работоспособность ограничивается воздействием на выносливость и может не оказывать отрицательного влияния на результаты кратковременных максимальных усилий, таких как спринт и прыжки.

Источник: https://journals.lww.com/