Двигательные единицы. Двигательные единицы мышц Почему число мышечных волокон в двигательных единицах

Морфо-функциональной единицей мышцы является не мышечное волокно, а двигательная (или моторная) единица (ДЕ). ДЕ – это совокупность МН и всех мышечных волокон, которые иннервируются отростками его аксона (рис.).Все волокна, входящие в ДЕ имеют одинаковые морфо-функциональные свойства.

Рис. Схема строения ДЕ

Одна и та же мышца содержит ДЕ различного типа, которые функционируют независимо друг от друга. Все мотонейроны, иннервирующие одну конкретную мышцу, называются пулом МН.

Принцип рекрутирования (вовлечения) ДЕ в процесс сокращения мышцы

ДЕ вовлекаются в процесс возбуждения и сокращения в соответствии с их размером. Вначале активируются самые маленькие и наиболее возбудимые ДЕ. Увеличение силы стимуляции мышцы приводит к рекрутированию более крупных и менее возбудимых ДЕ и увеличению напряжения/сокращения мышцы.

Типы ДЕ

В зависимости от морфофункциональных особенностей различают 3 основных типа ДЕ.

· Медленные оксидативные устойчивые к утомлению - S (slow); I тип

· Небольшой диаметр нервных и мышечных волокон и МН; большое количество мышечных волокон в ДЕ.

· Богатая кровоснабжение, много митохондрий и миоглобина (красные волокна ) → высокая окислительная способность, но достаточно медленный метаболизм (медленная активность миозиновой АТФазы); энергия за счёт окислительного фосфорилирования (аэробный метаболизм).

· Низкий порог активации мотонейронов; небольшая скорость сокращения, высокая устойчивость к утомлению (аэробная выносливость), быстрое восстановление.

· Не развивают большую силу/напряжение при сокращении.

· Используются при под­держании ненагрузочной статической работы, например, при сохра­нении позы тела.

· Составляют около 50% волокон в общей массе.

· Быстрые волокна; тип II

· Толще, чем мышечные волокна I типа; иннервируются большими а-мотонейронами.

· Хуже кровоснабжаются и имеют меньше митохондрий, липидов и миоглобина (белые или светло-красные волокна).

· Высокая скорость сокращения, большая сила, но быстрее утомляются; способны на кратковременную работу

Выделяют 2 вида быстрых волокон

· Быстрые гликолитические утомляемые волокна (FF); IIb тип

· Менее возбудимы (высокий порог активации мотонейрона), включаются при больших кратковременных нагрузках и обеспечивают быстрые и мощные сокращения мышц (высокая сила); быстро утомляются.

· Быстрые оксидативно-гликолитические устойчивые к утомлению (FR); IIа тип

· Промежуточный тип, волокна среднего размера.

· Источниками энергии являются как окислительные, так анаэробные механизмы (быстрые окислительные волокна).

· Более выносливы, чем волокна IIb типа, но утомляются быстрее, чем волокна I типа.

· Способны к выраженному сокращению, при этом развивают среднюю силу.

· Составляют около 30% волокон.

Таблица. Сравнительная характеристика 3-х типов мышечных волокон.

Характеристики	I тип медленные оксидативные	IIa тип быстрые оксидативно-гликолитические (промежуточные)	IIb тип быстрые гликолитические
Диаметр	Маленький	Средний	Большой
Содержание миоглобина	Высокое	Высокое	Низкое
Цвет	Красные (много миоглобина и митохондрий)	Светло-красный (красный)	Белые (мало миоглобина и митохондрий)
Плотность митохондрий	Высокая	Высокая	Низкая
Оксидативные возможности и плотность капилляров	Высокие	Высокие	Низкие
АТФаза миозина	Медленная	Быстрая	Очень быстрая
Гликолитические возможности и содержание гликогена	Низкие	Промежуточные	Высокие
Обмен веществ	Окислительный	Смешанный (окислительно-гликолитический)	Гликолитический
Порог активации	Низкий	Средний	Высокий
Скорость сокращения	Медленная (частота нервных импульсов до 25 Гц)	Средняя (25-50 Гц)	Высокая (частота нервных импульсов 50-100 Гц)
Устойчивость к утомлению	Высокая Снижение силы на 50% через несколько часов	Средняя Снижение силы на 50% через 10 мин	Низкая Снижение силы на 50% через 1,5 мин
Сила сокращений*	Низкая	Высокая	Высокая
Функции (примеры)	Поза, активность на выносливость; медленные и длительные сокращения антигравитационных мышц шеи, спины и конечностей (в основном разгибателей)	Ходьба; длительные фазные движения (в основном сгибатели)	Кратковременные анейробные нагрузки; кратковременные фазные движения (в основном сгибатели)

Выше была рассмотрена лишь общая схема явлений, лежащих в основе тетанического сокращения. Для того чтобы более подробно познакомится с тем, как этот процесс совершается в условиях естественной деятельности организма, необходимо остановиться на некоторых особенностях иннервации скелетной мышцы двигательным нервом.

Каждое моторное волокно, являющееся отростком двигательной клетки передних рогов спинного мозга, иннервирует не одно, а целую группу мышечных волокон. Такая группа получила название моторной единицы . Количество мышечных волокон, входящих в состав моторной единицы в разных мышцах человека, варьирует от 10 до 3000.

Наименьшее число волокон содержится в моторных единицах быстрых мышц,обеспечивающих наиболее точные движения. Так, в глазных мышцах и мышцах пальцев руки моторные единицы имеют в своём составе 10-25 мышечных волокон, причем каждое из них получает иннервацию со стороны нескольких нервных волокон. В отличие от этого относительно медленные мышцы, участвующие в регуляции позы тела и ненуждающиеся в точном контроле, состоят из моторных единиц, включающих в свой состав от 2000 до 3000 волокон. Моторные единицы икроножной мышцы содержат около 1500 волокон.

Вследствие того что скорость распространения возбуждения в нервных волокнах, иннервирующих скелетные мышцы, очень велика, мышечные волокна, составляющие моторную единицу, приходят в состояние возбуждения практически одновременно. Электрическая активность моторной единицы имеет вид частокола (рис. 146, А ), в котором каждому пику соответствует суммарный потенциал действия многих одновременно возбужденных волокон.

Суммация сокращений моторных единиц в целой мышце . В отличие от мышечных волокон каждой моторной единицы, синхронно, т. е. одновременно, возбуждающихся в ответ на приходящий импульс, мышечные волокна различных моторных единиц мышцы, как правило, работают асинхронно. Объясняется это тем, что моторные единицы иннервируются различными двигательными нейронами, которые посылают импульсы с разной частотой и разновременно. Несмотря на неодновременность начала и конца сокращения различных моторных единиц, суммарное сокращение мышцы в целом имеет в условиях нормальной деятельности слитный характер, по форме своей напоминающий гладкий тетанус, даже в том случае, когда каждая из моторных единиц работает в редком ритме (например, 5 сокращений в секунду).

Таким образом, при асинхронной деятельности моторных единиц, обусловленной асинхронной работой соответствующих нейронов спинного мозга, все движения нашего тела имеют плавный характер уже при малой частоте двигательной импульсации. Асинхронная деятельность моторных единиц не позволяет различать электрическую активность каждой из них при отведении потенциалов от целой мышцы: неодновременно возникающие пики потенциалов действия алгебраически суммируются (интерферируют) на электродах, вследствие чего возникает сложная картина, по которой можно лишь косвенно судить о степени возбуждения дельных мышечных волокон (см. рис. 146, Б ).

В покос моторные единицы мышц конечностей человека обнаруживают лишь очень редкие разряды потенциалов действия. Это обусловливает тонус мышц. При небольшом напряжении появляются разряды с частотой 5-10 в секунду. Повышение напряжения увеличивает частоту следования потенциалов действия до 20-50 в секунду.

Сила мышечного сокращения зависит от числа моторных единиц, вовлекаемых одновременно в реакцию, и от частоты возбуждения каждой из них.

Отросток двигательного нерва, который находится в спинном мозге, может достигать мышечного волокна. Нервная клетка своими отростками иннервирует большое количество мышечных волокон. Нервная клетка и волокна, которые связаны с ней, называются двигательными единицами. Состав мышц может быть разным по числу двигательных единиц, а они состоят из разного количества мышечных волокон. Все эти волокна двигательной единицы относятся к одинаковому типу волокна.

Мышцы, в чью функцию входит выполнение точных и тонких движений.

Мышцы, которые выполняют относительно грубые движения, к примеру, большие мышцы конечности. Как правило, такие мышцы имею меньшее количество двигательных единиц, но число волокон у них больше. Так, к примеру, бицепс в своем составе содержит больше миллиона волокон. Данные волокна вместе с нервными окончаниями образуют больше, чем шестьсот двигательных единиц.

В мышцах спины до двух тысяч и в большеберцовой кости примерно полторы тысячи мышечных волокон иннервируются передним рогом, образуя тем самым двигательную единицу в каждом случае.

Но число волокон в двигательных единицах какой-то мышцы не может быть одинаковым, к примеру, в бицепсе может быть 1600, 1400, 1200 или 1000 волокон.

Принадлежность волокон к двигательной единице задается от природы и не меняется тренировками.

Сила двигательных единиц мышц зависит от количества мышечных волокон. Двигательные единицы, в которых небольшое количество волокон, при сокращении развивают силу тяги только в несколько миллиньютонов, а двигательные единицы, у которых большое количество волокон, развивают несколько ньютонов. Силовой потенциал какой-либо двигательной единицы не очень большой, поэтому для того, чтобы выполнить движения одновременно, подключаются сразу несколько единиц. Чем выше будет сопротивление, тем большее количество двигательных единиц выполняет движение.

У каждой двигательной единицы есть свой порог возбуждения, который может являться высоким или низким. Если слабый импульсный залп, то активизируются только двигательные единицы, которые обладают низким порогом возбудимости. Если данный залп начинает усиливаться, то реагируют дополнительные двигательные единицы, у которых порог возбуждения более высокий.

С повышением сопротивления активизируется больше двигательных единиц. Быстрота порогов возбуждения зависит от состояния двигательных единиц.

С функциональной точки зрения мышца состоит из ДЕ. Двигательная единица (ДЕ) - это понятие структурно-функциональное. В состав отдельной ДЕ входит мотонейрон и иннервируемый его аксоном комплекс мышечных волокон. Мышечные волокна, объединенные в одну ДЕ, разбросаны среди других мышечных волокон, принадлежащих другим ДЕ, и изолированы от последних. Отдельные мышцы включают в себя разное количество ДЕ.

В зависимости от морфологических особенностей мотонейрона и мышечных волокон, ДЕ подразделяются на малые, средние и большие.

Малая ДЕ состоит из нескольких мышечных волокон и небольшого по размеру мотонейрона с тонким аксоном - до 5 - 7 мкм и небольшим количеством аксонных ветвлений. ДЕ этой группы характерны для мелких мышц кисти, предплечья, мимической и глазодвигательной мускулатуры. Реже они встречаются в крупных мышцах конечностей и туловища.

Большие ДЕ состоят из крупных мотонейронов с толстым (до 15 мкм) аксоном, и значительного числа (до нескольких тысяч) мышечных волокон. Они составляют основную долю среди ДЕ крупных мышц.

Средние, по размеру, ДЕ занимают промежуточное положение.

Какая связь между размерами мышцы и способностью выполнять движения и ДЕ?

В целом, чем крупнее мышца и чем меньше разработаны движения, в которых она участвует, тем меньшим числом ДЕ она представлена и тем крупнее ДЕ, ее составляющие.

Почему, кто-то силен с рождения, а кто-то вынослив?

Но вот еще один важный момент. Оказывается, волокна в каждой мышце бывают двух типов – быстрые и медленные.

Медленно с окращающиеся волокна еще называют красными , потому что в них находится много красного мышечного пигмента миоглобина. Эти волокна отличаются хорошей выносливостью.

Быстрые волокна, по сравнению с красными волокнами, обладают небольшим содержанием миоглобина, поэтому их называют белыми волокнами. Они отличаются высокой скоростью сокращений и позволяют развивать большую силу.

Да вы и сами видели такие волокна у курицы – ножки красные, грудка белая, Воот! Это оно самое и есть, только у человека эти волокна перемешаны и присутствуют оба типа в одной мышце.

Красные (медленные) волокна используют аэробный (с участием кислорода) путь получения энергии, поэтому к ним подходит больше капилляров, для лучшего снабжения их кислородом. Благодаря такому вот способу преобразования энергии, красные волокна являются низко утомляемыми и способны поддерживать относительно небольшое, но длительное напряжение. В основном, именно они важны для бегунов на длинные дистанции, и в других видах спорта, где требуется выносливость. Значит, и для всех желающих похудеть они имеют так же решающую роль.

Быстрые (белые) волокна, получают энергию для своего сокращения без участия кислорода (анаэробно). Такой способ получения энергии (его еще называют гликолизом), позволяет белым волокнам развивать большую быстроту, силу и мощность . Но за высокую скорость получения энергии белым волокнам приходится платить быстрой утомляемостью, так как гликолиз приводит к образованию молочной кислоты, а ее накопление вызывает усталость мышц и в итоге останавливает их работу. Ну и, конечно же, без белых волокон ну никак не могут обойтись метатели, штангисты, бегуны на короткие дистанции….. в общем те, кому требуются сила и скорость.

Теперь придется вас немного запутать, просто потому, что по-другому ну никак не получается. Дело в том, что существует еще один, промежуточный тип волокон, который так же относиться к белым волокнам, но использует как и красные, преимущественно аэробный путь получения энергии и совмещает в себе свойства белых и красных волокон. Еще раз напомню, он относится к белым волокнам.

В среднем человек имеет примерно 40% медленных (красных) и 60 % быстрых (белых) волокон. Но это средняя величина по всей скелетной мускулатуре, что-то наподобие средней температуры по больнице.

На самом деле, мышцы выполняют различные функции и поэтому могут значительно отличаться друг от друга составом волокон. Ну, например, мышцы, выполняющие большую статическую работу (камбаловидная, она же икроножная мышца), часто обладают большим количеством медленных волокон, а мышцы, совершающие в основном динамические движения (бицепс), имеют большое количество быстрых волокон.

Интересно то, что соотношение быстрых и медленных волокон у нас неизменно, не зависит от тренированности и определяется на генетическом уровне. Именно поэтому существует предрасположенность к тем или иным видам спорта.

Теперь давайте-ка посмотрим, как же все это работает.

Когда человек больше худеет на беговой дорожке или на тренажерах?

Когда требуется легкое усилие, например, при ходьбе или беге трусцой, задействуются медленные волокна. Причем ввиду большой выносливости этих волокон такая работа может продолжаться очень долго. Но по мере увеличения нагрузки организму приходится вовлекать в работу все больше и больше таких волокон, причем те, что уже работали, увеличивают силу сокращения. Если еще увеличивать нагрузку, то в работу включатся так же быстрые окислительные волокна (помните промежуточные?). При нагрузке достигающей 20%-25% от максимальной, например, во время подъема в гору или финального рывка, уже и силы окислительных волокон становится недостаточно, и вот тут как раз включатся в работу быстрые - гликолитические волокна. Как уже говорилось, быстрые волокна значительно повышают силу сокращения мышцы, но, так же быстро и утомляются, и поэтому в работу будет вовлекаться все большее их количество. В итоге, если уровень нагрузки не уменьшится, движение в скором времени придется остановить из-за усталости.

Вот и получается, что при длительной нагрузке в умеренном темпе, работают в основном медленные (красные) волокна и именно благодаря их аэробному способу получения энергии и сжигаются жиры в нашем организме.

Вот вам и ответ на вопрос, почему мы худеем на беговой дорожке и практически не худеем при занятиях на тренажерах. Все просто - используются разные различные мышечные волокна, а значит и разные источники энергии.

Вообще, мышцы - самый экономичный в мире двигатель. Растут и увеличивают свою силу, мышцы исключительно за счет увеличения толщины мышечных волокон, количество же мышечных волокон не увеличивается. Поэтому, самый последний заморыш и Геракл по числу мышечных волокон не имеют друг перед другом никакого преимущества. Кстати, процесс увеличения толщины мышечных волокон называется гипертрофия, а уменьшения - атрофия.

При тренировках, имеющих целью увеличение силы, мышцы прибавляются в объеме значительно больше, чем при тренировках на выносливость, потому что сила зависит от поперечного сечения мышечных волокон, а выносливость - от добавочного количества капилляров, окружающих эти волокна. Соответственно, чем больше капилляров, тем больше кислорода с кровью будет доставлено к работающим мышам.

В соответствии с делением мышечных волокон и мотонейронов на медленные и быстрые принято выделять три типа ДЕ.

Медленные, неутомляемые двигательные единицы (ДЕ I) состоят из

мотонейронов малого размера, имеющих низкий порог возбудимости, высокое

входное сопротивление. При деполяризации мелких нейронов возникает продолжительный разряд с незначительной адаптацией. Мотонейроны с такими свойствами называются тоническими. Небольшой диаметр аксона (до 5 -7 мкм) объясняет и невысокую, по сравнению с более толстыми, скорость проведения возбуждения. Мышечные волокна, входящие в ДЕ этого типа, относятся к красным волокнам (тип I), имеющим наименьший диаметр, скорость их сокращения минимальна, максимальное напряжение слабее, чем белых волокон (тип II), они характеризуются малой утомляемостью.

Быстрые, легко утомляемые двигательные единицы (тип ДЕ II В ) сформированы из крупных (до 100 мкм в поперечнике) мотонейронов, имеющих высокий порог возбуждения, диаметр их аксонов наибольший (до 15 мкм), скорость проведения возбуждения достигает 120 м/с, высокочастотная импульсация кратковременна и быстро спадает, т.к. происходит быстрая адаптация. Крупные мотонейроны относятся к нейронам фазического типа. Входящие в эти ДЕ мышечные волокна относятся ко II типу (белые волокна). Они способны развивать значительное напряжение, но быстро утомляются. Как правило, ДЕ этого типа содержат большое число мышечных волокон (большие ДЕ). Гладкий тетанус в них наблюдается при высокой частоте импульсации (порядка 50 имп/с), в отличие от ДЕ I, где это достигается при частоте до 20 имп/с.

Третий тип двигательных единиц - тип ДЕ II-A относится к промежуточному типу. В их состав входят как быстрые, так и медленные мышечные волокна. Мотонейроны - среднего калибра.

Скелетные мышцы, в зависимости от их функциональных особенностей, состоят из различного набора двигательных единиц. Тип ДЕ формируется в процессе онтогенеза и в зрелой мышце соотношение быстрых и медленных ДЕ уже не меняется. Как уже указывалось, в целой мышце мышечные волокна одной ДЕ перемежаются с волокнами нескольких других ДЕ. Перекрытие зон ДЕ обеспечивает, как считается, плавность сокращения мышцы, даже если каждая отдельная ДЕ не достигает состояния гладкого тетануса.

При выполнении мышечной работы нарастающей мощности, в активность всегда вначале включаются медленные двигательные единицы, которые развивают слабое, но тонко градуированное напряжение. Для выполнения значительных усилий, к первым подключаются крупные, сильные, но быстроутомляемые ДЕ второго типа.

Двигательные единицы

Сила и работа мышечного волокна. Двигательные единицы.

Величина сокращения (сила мышцы) зависит от морфологических свойств и физиологического состояния мышцы:

1. Исходной длины мышцы (длинны покоя). Сила мышечного сокращения зависит от исходной длины мышцы или длины покоя. Чем сильнее мышца растянута в покое, тем сильнее сокращение (закон Франка-Старлинга).

2. Диаметра мышцы или поперечного сечения. Выделяют два диаметра:

а) анатомический диаметр – поперечное сечение мышц.

б) физиологический диаметр – перпендикулярное сечение каждого мышечного волокна. Чем больше физиологическое сечение, тем большей силой обладает мышца.

Сила мышцы измеряется весом максимального груза поднятого на высоту или максимальным напряжением, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ она способна развить в условиях изометрического сокращения. Измеряется в килограммах или ньютонах. Методика измерения силы мышцы принято называть динамометрия.

Выделяют два вида силы мышцы:

1. Абсолютная сила – отношение максимальной силы к физиологическому диаметру.

2. Относительная сила – отношение максимальной силы к анатомическому диаметру.

При сокращении мышца способна выполнять работу. Работа мышцы измеряется произведением поднятого груза на величину укорочения.

Работа мышцы характеризуется мощностью. Мощность мышцы определяется величиной работы в единицу времени и измеряется в ваттах.

Наибольшая работа и мощность достигается при средних нагрузках.

Мотонейрон с группой иннервируемых им мышечных волокон составляет двигательную единицу. Аксон мотонейронов может ветвиться и иннервировать группу мышечных волокон. Так, один аксон может иннервировать от 10 до 3000 мышечных волокон.

Различают двигательные единицы по строению и функциям.

По строению двигательные единицы делятся на:

1. Малые двигательные единицы, которые имеют малый мотонейрон и тонкий аксон, способный иннервировать 10-12 мышечных волокон. К примеру, мышцы лица, мышцы пальцев рук.

2. Большие двигательные единицы представлены крупным телом мотонейрона, толстым аксоном, который способен иннервировать более 1000 мышечных волокон. К примеру, четырехглавая мышца.

По функциональному значению двигательные единицы делятся на:

1. Медленные двигательные единицы. Οʜᴎ включают малые двигательные единицы, являются легко возбудимыми, характеризуются невысокой скоростью распространения возбуждения, в работу включаются первыми, но при этом они практически не утомляемы.

2. Быстрые двигательные единицы. Οʜᴎ состоят из больших двигательных единиц, плохо возбудимы, обладают большой скоростью проведения возбуждения. Обладают высокой силой и скоростью ответа. К примеру, мышцы боксера.

Эти особенности двигательных единиц обусловлены рядом свойств.

Мышечные волокна, которые входят в двигательные единицы, имеют сходные свойства и различия. Так, медленные мышечные волокна обладают:

1. Богатой капиллярной сетью.

3. Содержит много миоглобина (ᴛ.ᴇ. способны связывать большое количество кислорода).

4. В них содержится много жиров.

Благодаря этим особенностям эти мышечные волокна обладают высокой выносливостью, способны к небольшим по силе сокращениям, но длительным по времени.

Отличительные особенности быстрых мышечных волокон:

2. Обладают большей скоростью и силой сокращения.

В связи с этими особенностями быстрые мышечные волокна быстро утомляемы, но обладают большой силой и высокой скоростью ответа.

Двигательные единицы - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Двигательные единицы" 2017, 2018.