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.
Je tilt gewichten op. De eerste keer voelt gemakkelijk, maar elke herhaling kost meer moeite, totdat je niet meer verder kunt. De spieren in je armen die het tillen mogelijk moeten maken kunnen zich niet meer aanspannen. Waarom raken onze spieren vermoeid? We geven vaak de schuld aan melkzuur of een gebrek aan energie, maar dit zijn niet de enige factoren die zorgen voor spiervermoeidheid. Dit speelt ook een belangrijke rol: het vermogen van de spier om te reageren op signalen van de hersenen.
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.
Om de kern van spiervermoeidheid te snappen helpt het te weten hoe een spier aanspant in reactie op een zenuwsignaal. Deze signalen gaan van brein naar spier in een fractie van een seconde via lange, smalle cellen genaamd motoneuronen. Het motoneuroon en de spiercel zijn gescheiden door een piepkleine ruimte en de uitwisseling van deeltjes hier overheen maakt aanspanning mogelijk.
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.
Aan de ene kant van de kloof bevat het motoneuroon een neurotransmitter genaamd acetylcholine. Aan de andere kant staan geladen deeltjes, of ionen, opgesteld langs het membraan van de cel: kalium aan de binnenkant en natrium aan de buitenkant.
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.
Als reactie op een signaal van de hersenen geeft het motoneuroon acetylcholine vrij, dat de poriën op de spier aanspoort het celmembraan te openen. Natrium stroomt naar binnen en kalium naar buiten. De stroom van deze geladen deeltjes is een cruciale stap voor spiercontractie: de verandering in lading creëert een zogenaamd actiepotentieel dat zich door de spiercel verspreidt en de vrijgave van daarin opgeslagen calcium stimuleert. Deze toevoer van calcium zorgt voor samentrekking van de spier, doordat in de spier opgeslagen eiwitten kunnen samenkomen, zich in elkaar vastzetten, en zo de spier strak trekken. De energie die hiervoor nodig is, komt van een molecuul genaamd ATP. ATP helpt daarna ook bij het terugpompen van de ionen, over het membraan heen, zodat het gehalte van natrium en kalium zich aan beide kanten herstelt.
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.
Dit hele proces herhaalt zich elke keer dat een spier samentrekt. Bij iedere samentrekking wordt energie in de vorm van ATP uitgeput, worden afvalproducten zoals melkzuur aangemaakt en ionen weggevoerd van het celmembraan van de spier zodat een kleinere en kleinere groep achterblijft.
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.
Hoewel spiercellen ATP verbruiken bij het herhaaldelijk samentrekken, maken zij dit ook constant aan. Dus meestal hebben zelfs zwaar vermoeide spieren deze energiebron nog niet uitgeput. En hoewel veel afvalproducten zuur zijn, behouden vermoeide spieren een normale pH-waarde, wat erop wijst dat het weefsel deze afvalstoffen effectief opruimt. Maar uiteindelijk, na herhaaldelijke samentrekkingen, is het mogelijk dat er niet voldoende kalium-, natrium- of calciumionen direct beschikbaar zijn in de buurt van het celmembraan om het systeem goed te kunnen resetten. Dus al zendt het brein een signaal uit, de spiercel kan de actie die nodig is voor aanspanning niet uitvoeren.
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.
Zelfs als ionen als natrium, kalium of calcium zijn uitgeput in of rond de spiercel, dan zijn ze er elders in het lichaam nog in overvloed. Na korte tijd zullen zij terugvloeien naar waar ze nodig zijn, soms met behulp van actieve natrium- en kaliumpompen. Dus wanneer je pauzeert en rust, zal spiervermoeidheid afnemen doordat deze ionen aangevuld worden in de spier.
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.
Hoe regelmatiger je traint, hoe langer het steeds duurt voordat spiervermoeidheid intreedt. Dat komt doordat hoe sterker je bent, hoe minder vaak deze cyclus van zenuwsignalen vanuit het brein tot samentrekking van de spier zich hoeft te herhalen om een bepaald gewicht te kunnen liften. Minder cycli betekent ook een tragere uitputting van ionen, dus met een betere lichamelijke conditie kun je langer trainen op dezelfde intensiteit. Veel spieren groeien door te trainen en grotere spieren slaan ook meer ATP op en zijn beter in staat afval op te ruimen waardoor zij nog minder snel vermoeid raken.