You're lifting weights. The first time feels easy, but each lift takes more and more effort until you can’t continue. Inside your arms, the muscles responsible for the lifting have become unable to contract. Why do our muscles get fatigued? We often blame lactic acid or running out of energy, but these factors alone don’t account for muscle fatigue. There’s another major contributor: the muscle’s ability to respond to signals from the brain.
در حال وزنه زدن هستید. دفعه اول ساده به نظر میآید، اما هر بلند کردن تلاش بیشتری میخواهد تا آنجا که دیگر نمیتوانید ادامه دهید. در بازوانتان، ماهیچهای که کارش بلند کردن است، نمیتواند منقبض شود. چرا ماهیچههایمان خسته میشوند؟ اغلب اسیدلاکتیک یا اتمام انرژی را مقصر میدانیم ولی این عوامل به تنهایی در خستگی ماهیچهها موثر نیستند. یک عامل مهم دیگر وجود دارد: توانایی پاسخ ماهیچه به سیگنالهایی که از مغز میآیند.
To understand the roots of muscle fatigue, it helps to know how a muscle contracts in response to a signal from a nerve. These signals travel from the brain to the muscles in a fraction of a second via long, thin cells called motor neurons. The motor neuron and the muscle cell are separated by a tiny gap, and the exchange of particles across this gap enables the contraction.
برای فهم ریشههای خستگی ماهیچه، خوب است بدانیم چگونه ماهیچه در پاسخ به سیگنالی از یک عصب، منقبض میشود. این سیگنالها در کسری از ثانیه توسط سلولهایی باریک و کشیده، به نام نورونهای حرکتی از مغز به ماهیچه میرسند. بین نورونهای حرکتی و سلولهای ماهیچه، فاصله کوچکی هست که جدایشان میکند و مبادله ذرات در طول این فضا، انقباض را مقدور میسازد.
On one side of the gap, the motor neuron contains a neurotransmitter called acetylcholine. On the other side, charged particles, or ions, line the muscle cell’s membrane: potassium on the inside, and sodium on the outside.
در یک سوی این فضا، نورون حرکتی، انتقال دهنده عصبی به نام استیل کولین دارد. در سوی دیگر، ذرات باردار یا یونها، غشای سلول ماهیچه را تشکیل میدهند: درونش پتاسیم و بیرونش هم سدیم است.
In response to a signal from the brain, the motor neuron releases acetylcholine, which triggers pores on the muscle cell membrane to open. Sodium flows in, and potassium flows out. The flux of these charged particles is a crucial step for muscle contraction: the change in charge creates an electrical signal called an action potential that spreads through the muscle cell, stimulating the release of calcium that’s stored inside it. This flood of calcium causes the muscle to contract by enabling proteins buried in the muscle fibers to lock together and ratchet towards each other, pulling the muscle tight. The energy used to power the contraction comes from a molecule called ATP. ATP also helps pump the ions back across the membrane afterward, resetting the balance of sodium and potassium on either side.
در پاسخ به یک سیگنال از مغز، نورون حرکتی، استیل کولین آزاد میکند، که منافذ روی غشای سلول ماهیچهای را باز میکند. سدیم به درون ریخته و پتاسیم به بیرون میریزد. ریزش این ذرات باردار برای انقباض ماهیچه مهم است: تغییر در بار، سیگنالی الکتریکی به نام پتانسیل عمل ایجاد میکند که در خلال ماهیچه منتشر شده، کلسیمِ ذخیره شده را تحریک به آزاد شدن میکند. جریان کلسیم با چِفت کردنِ پروتئینهای مستتر در بافت ماهیچه به هم، و گیر دادنشان به هم، باعث انقباض ماهیچه شده، آن را محکم میکشد. انرژیای که در انقباض استفاده میشود، از پروتئینی به نام ATP میآید. ATP سپس به برگرداندن یونها به سطح غشا نیز کمک و مجددا تعادل میان سدیم و پتاسیم را در هر طرف ایجاد میکند.
This whole process repeats every time a muscle contracts. With each contraction, energy in the form of ATP gets used up, waste products like lactic acid are generated, and some ions drift away from the muscle’s cell membrane, leaving a smaller and smaller group behind.
کل این فرایند هربار که ماهیچه منقبض میشود روی میدهد. با هر انقباض، انرژی به صورت ATP مصرف میشود، مواد بیفایدهای چون اسیدلاکتیک تولید و یونهایی از غشای سلول ماهیچه حذف شده، میزان کمتر و کمتری بر جای میماند.
Though muscle cells use up ATP as they contract repeatedly, they are always making more, so most of the time even heavily fatigued muscles still have not depleted this energy source. And though many waste products are acidic, fatigued muscles still maintain pH within normal limits, indicating that the tissue is effectively clearing these wastes. But eventually, over the course of repeated contractions there may not be sufficient concentrations of potassium, sodium or calcium ions immediately available near the muscle cell membrane to reset the system properly. So even if the brain sends a signal, the muscle cell can’t generate the action potential necessary to contract.
گر چه سلولهای ماهیچه وقتی مکررا منقبض میشوند ATP مصرف میکنند، آنها همیشه بیشتر میشوند، پس بیشتر مواقع حتی ماهیچههای خیلی خسته هنوز منبع انرژیشان تمام نشده. و گرچه بسیاری از مواد زائد اسیدی هستند، ماهیچههای خسته، هنوز pH لازم را حفظ میکنند، در حالی که بافت، مواد زائد را کاملا پاکسازی میکند. ولی نهایتا، در طول انقباضات پشت سر هم، ممکن است مقادیر کافی سدیم و پتاسیم یا یونهای کلسیم فورا نزدیک غشای سلول در دسترس نباشند که مجدد به درستی تنظیم شوند. پس حتی اگر مغز سیگنال بفرستد، سلول ماهیچه نمیتواند عملی را انجام دهد که بالقوه برای انقباض لازم است.
Even when ions like sodium, potassium or calcium are depleted in or around the muscle cell, these ions are plentiful elsewhere in the body. With a little time, they will flow back to the areas where they’re needed, sometimes with the help of active sodium and potassium pumps. So if you pause and rest, muscle fatigue will subside as these ions replenish throughout the muscle.
حتی وقتی یونهایی مثل سدیم، پتاسیم یا کلسیم داخل یا اطراف سلولهای ماهیچه تمام شده باشند، این یونها در جاهای دیگر بدن زیادند. طی زمان کوتاهی، به جاهایی که نیاز است برمیگردند، گاهی با کمک پمپ سدیم فعال و پتاسیم. پس اگر وقفه بیندازید و استراحت کنید، خستگی ماهیچه با جایگزین کردن یونها فروکش میکند.
The more regularly you exercise, the longer it takes for muscle fatigue to set in each time. That’s because the stronger you are, the fewer times this cycle of nerve signal from the brain to contraction in the muscle has to be repeated to lift a certain amount of weight. Fewer cycles means slower ion depletion, so as your physical fitness improves, you can exercise for longer at the same intensity. Many muscles grow with exercise, and larger muscles also have bigger stores of ATP and a higher capacity to clear waste, pushing fatigue even farther into the future.
هر چه دفعات ورزش منظمتر باشد، هر دفعه خستگی عضلانی دیرتر روی میدهد. چون هرچه قویتر باشید، این چرخه سیگنال عصبی که از مغز میآید و عضله را منقبض میکند، برای غلبه به وزنی معین، کمتر نیاز به تکرار دارد. چرخه کمتر یعنی کاهش سرعت کم شدن یون، پس همچنان که تناسب فیزیکیتان بهتر میشود، میتوانید با همان شدت طولانیتر ورزش کنید. خیلی ماهیچهها با ورزش بزرگ میشوند و ماهیچههای بزرگتر، حاوی ذخایر بیشتر ATP و گنجایش بیشتری برای دفع اضافات هستند، که حتی دفعات بعد خستگی را بیشتر عقب میاندازد.