Sự co bóp cơ học của cơ vân

Đơn vị vận động - tất cả các sợi cơ phân bố bởi một sợi thần kinh duy nhất. Mỗi nơron vận động mà rời khỏi tủy sống được phân bố cho nhiều sợi cơ, với số lượng các sợi phân bố tùy thuộc vào loại cơ. Tất cả các sợi cơ phân bố bởi một sợi thần kinh duy nhất được gọi là một đơn vị vận động. Nhìn chung, các cơ nhỏ mà phản ứng nhanh chóng và có điều khiển chính xác phải được có các sợi thần kinh nhiều hơn cho ít các sợi cơ hơn (ví dụ, một vài như hai hoặc ba sợi cơ trên một đơn vị vận động ở một số của các cơ thanh quản). Ngược lại, các cơ lớn mà không đòi hỏi phải điều khiển tốt, chẳng hạn như cơ dép, có thể có vài trăm sợi cơ trong một đơn vị vận động. Một con số trung bình cho tất cả các cơ bắp của cơ thể là còn nghi vấn, nhưng một phỏng đoán tốt sẽ là khoảng 80-100 sợi cơ cho một đơn vị vận động.

Các sợi cơ ở mỗi đơn vị vận động không tụ lại tất cả trong cơ mà chồng lên các đơn vị vận động khác trong các vi bó của 3 đến 15 sợi. Sự cài vào nhau này cho phép các đơn vị vận động riêng biệt để co bóp hỗ trợ cho một số khác chứ không phải là các phân khúc hoàn toàn riêng biệt.

Sự co cơ của lực khác nhau - tổng lực

Tổng co nghĩa là cộng với nhau của các co giật cơ riêng rẽ để tăng cường độ của co cơ tổng thể. Tổng diễn ra theo hai cách: (1) bằng cách tăng số lượng của các đơn vị vận động co bóp cùng một lúc, nó được gọi là tổng nhiều sợi, và (2) bằng cách tăng tần số của co bóp, được gọi là tổng tần số và co thể dẫn đến co cứng cơ.

Hình. Một đơn vị vận động bao gồm một nơron vận động và nhóm của các sợi cơ vân nó phân bố. Một sợi trục vận động đơn có thể chia nhánh để phân bố cho một vài sợi cơ mà cùng chức năng với nhau như một nhóm. Mặc dù mỗi sợi cơ được phân bố bởi một nơron vận động duy nhất, toàn bộ một cơ có thể nhận đầu vào từ hàng trăm nơron vận động khác nhau.

Tổng nhiều sợi

Khi hệ thống thần kinh trung ương gửi một tín hiệu yếu để co bóp một cơ, các đơn vị vận động nhỏ hơn của cơ có thể được kích thích trong ưu tiên với các đơn vị vận động lớn hơn. Sau đó, khi cường độ của tín hiệu tăng, lớn hơn và các đơn vị vận động lớn hơn cũng bắt đầu được kích thích, với các đơn vị vận động lớn nhất thường có nhiều gấp 50 lần lực co bóp của các đơn vị nhỏ nhất. Hiện tượng này, được gọi là nguyên lý kích thước, rất quan trọng vì nó cho phép sự thay đổi từ từ lực của cơ trong khi co bóp yếu xảy ra trong các bước nhỏ, trong khi mà các bước trở nên dần dần lớn hơn khi một lượng lớn lực được yêu cầu.

Nguyên lý kích thước này xảy ra bởi vì các đơn vị vận động nhỏ hơn được điều khiển bởi các sợi thần kinh vận động nhỏ, và các nơron vận động nhỏ trong tủy sống nhiều dễ bị kích thích hơn so với những nơron lớn hơn, nên tất nhiên chúng bị kích thích đầu tiên.

Một tính năng khác quan trọng của tổng nhiều sợi là các đơn vị vận động khác nhau được điều khiển không đồng bộ bởi tủy sống; kết quả là, luân phiên co bóp giữa các đơn vị vận động sau một đơn vị khác, do đó cung cấp co bóp nhịp nhàng ngay cả ở các tần số thấp của tín hiệu thần kinh.

Tần số tổng và sự co cứng

Hình cho thấy các nguyên lý của tổng tần số và sự co cứng. Sự co thắt riêng lẻ xảy ra sau một co thắt khác ở tần số thấp của kích thích được hiển thị bên trái.

Sau đó, khi tần số tăng, đến một điểm khi nào mỗi co bóp mới xảy ra trước co bóp ở trước là nhiều hơn. Kết quả là, co bóp thứ hai thêm một phần cho co bóp đầu tiên, và do đó tổng cường độ co bóp tăng dần với sự tăng tần số. Khi tần số đạt đến một mức độ giới hạn, các co bóp liên tiếp cuối cùng trở nên quá nhanh đến nỗi chúng hợp nhất với nhau và cả sự co cơ xuất hiện là hoàn toàn nhịp nhàng và liên tục, như thể hiện trong hình. Quá trình này được gọi là sự co cứng. Ở một tần số cao hơn một chút, cường độ của co bóp đạt mức tối đa của nó, và do đó bất kỳ sự tăng lên thêm trong tần số vượt quá điểm này không có hiệu quả thêm trong việc tăng lực co bóp. Tetani xảy ra bởi vì đủ các ion canxi được duy trì trong cơ tương của cơ, thậm chí giữa các điện thế hoạt động, do đó trạng thái đầy đủ co bóp được duy trì mà không cho phép bất kỳ sự nghỉ ngơi nào giữa các điện thế hoạt động.

Hình. Tần số tổng và sự co cứng.

Cường độ tối đa của co bóp

Cường độ tối đa của co cứng cơ của một cơ hoạt động ở một chiều dài cơ bình thường trung bình giữa 3 và 4 kg cho mỗi cm vuông của cơ, hay 50 pound cho mỗi inch vuông. Bởi vì một cơ tứ đầu có thể có đến 16 inch vuông của phần bụng cơ, nhiều như là 800 pound của sức căng có thể áp dụng cho gân bánh chè. Vì vậy, ta có thể dễ dàng hiểu được làm thế nào nó có thể cho cơ kéo các gân của chúng ra khỏi chỗ dính của chúng vào xương.

Những thay đổi trong cường độ cơm lúc bắt đầu của co bóp - hiệu ứng bậc thang (Treppe)

Khi một cơ bắt đầu co bóp sau một thời gian dài nghỉ ngơi, cường độ co bóp ban đầu của nó có thể ít hơn một nửa cường độ 10-50 co giật cơ của nó sau đó. Đó là, cường độ của co bóp tăng lên tới một cao nguyên, một hiện tượng gọi là hiệu ứng bậc thang, hoặc treppe.

Mặc dù tất cả nguyên nhân có thể của hiệu ứng bậc thang chưa được biết, nó được cho là gây ra chủ yếu bởi sự tăng các ion canxi trong bào tương vì sự giải phóng của ngày càng nhiều các ion từ lưới cơ tương với mỗi điện thế hoạt động cơ liên tiếp và thất bại của cơ tương để chiếm lại các ion ngay lập tức.

Trương lực cơ vân

Ngay cả khi lúc cơ nghỉ ngơi, một lượng nhất định của sức căng thường vẫn còn, mà được gọi là trương lực cơ. Vì các sợi cơ vân bình thường không co bóp mà không có một điện thế hoạt động để kích thích các sợi, trương lực cơ vân có kết quả hoàn toàn từ một tỷ lệ thấp của xung động thần kinh đến từ tủy sống. Các xung động thần kinh này, lần lượt, được kiểm soát một phần bởi các tín hiệu truyền từ não đến các nơron vận động thích hợp trước tủy sống và một phần bởi các tín hiệu có nguồn gốc trong các thoi cơ nằm trong chính cơ đó.

Sự mỏi cơ

Co bóp kéo dài và mạnh của một cơ dẫn đến trạng thái được nhiều người biết đến của sự mỏi cơ.

Các nghiên cứu ở các vận động viên chỉ ra rằng sự mỏi cơ tăng lên theo tỷ lệ gần như trực tiếp với tỷ lệ cạn kiệt của glycogen trong cơ. Vì vậy, mệt mỏi có kết quả chủ yếu từ sự bất lực của co bóp và các quá trình trao đổi chất của các sợi cơ để tiếp tục cung cấp sản lượng đầu ra tương tự. Tuy nhiên, các thí nghiệm cũng cho thấy rằng truyền tải của tín hiệu thần kinh thông qua khớp thần kinh cơ, có thể giảm ít nhất là một lượng nhỏ sau khi hoạt động cơ kéo dài ở cường độ cao, do đó tiếp tục làm giảm bớt sự co cơ. Gián đoạn của lưu lượng máu qua một cơ co bóp dẫn đến sự mỏi cơ gần như hoàn toàn trong vòng 1 hoặc 2 phút vì sự mất mát cung cấp dinh dưỡng, đặc biệt là sự mất mát của oxy.

Các hệ thống đòn bẩy của cơ thể

Các cơ hoạt động bằng cách áp dụng sức căng tới các điểm của chúng mà bám vào xương, và các xương lần lượt hình thành các loại khác nhau của hệ thống đòn bẩy. Hình cho thấy hệ thống đòn bẩy kích hoạt bởi cơ nhị đầu để nâng cẳng tay. Nếu chúng ta giả định rằng một cơ nhị đầu lớn co diện tích mặt cắt ngang 6 inch vuông, lực tối đa của co bóp sẽ vào khoảng 300 pound. Khi cẳng tay vuông góc với cánh tay trên, gân bám của cơ nhị đầu là khoảng 2 inch phía trước với điểm tựa ở khuỷu tay, và tổng chiều dài của đòn bẩy cẳng tay khoảng 14 inch. Do đó, lượng của sức nâng của cơ nhị đầu ở tay sẽ chỉ là một phần bảy của 300 pound của lực cơ, hoặc khoảng 43 pound. Khi cánh tay hoàn toàn mở rộng, sự bám của cơ nhị đầu ít hơn nhiều so với 2 inch phía trước của điểm tựa, và lực mà bàn tay có thể đưa được về phía trước cũng ít hơn nhiều so với 43 pound.

Hình. Hệ thống đòn bẩy kích hoạt bởi cơ nhị đầu

Tóm lại, một phân tích của các hệ thống đòn bẩy của cơ thể phụ thuộc vào kiến thức về (1) điểm bám của cơ, (2) khoảng cách của nó từ điểm tựa của đòn bẩy, (3) chiều dài của cánh tay đòn bẩy, và (4) vị trí của đòn bẩy. Nhiều loại của chuyển động được yêu cầu trong cơ thể, một số trong đó cần cường độ rất lớn và những cái khác trong đó cần những khoảng cách lớn của chuyển động. Vì lý do này, có rất nhiều loại khác nhau của cơ; một số thì dài và co bóp một khoảng cách dài, và một số thì ngắn nhưng có  diện tích mặt cắt ngang lớn và có thể cung cấp cường độ cực độ của co bóp trên khoảng cách ngắn. Nghiên cứu về các loại khác nhau của cơ, các hệ thống đòn bẩy, và chuyển động của chúng được gọi là vận động học và là một thành phần quan trọng của khoa học sinh lý giải phẫu người.

“Định vị” của một bộ phận cơ thể bằng co bóp của các cơ chủ vận và đối kháng trên các mặt đối diện của một khớp - “Đồng kích hoạt” của các cơ đối kháng

Hầu như tất cả các chuyển động cơ thể được gây ra bởi sự co đồng thời của các cơ chủ vận và đối kháng trên các mặt đối diện của các khớp. Quá trình này được gọi là đồng kích hoạt của các cơ chủ vận và đối kháng, và nó được điều khiển bởi trung tâm điều khiển vận động của não và tủy sống.

Vị trí của mỗi phần riêng biệt của cơ thể, chẳng hạn như một cánh tay hoặc một chân, được xác định bởi mức độ liên quan của co bóp của bộ chủ vận và đối kháng của các cơ. Ví dụ như, chúng ta hãy giả định rằng một cánh

tay hoặc một chân là được đặt ở một vị trí tầm trung. Để đạt được vị trí này, các cơ chủ vận và đối kháng được kích thích đến khoảng một mức độ ngang nhau. Hãy nhớ rằng một cơ co bóp dài ra sẽ với lực nhiều hơn làm một cơ rút ngắn, cho thấy cường độ tối đa của co bóp ở chiều dài cơ chức năng đầy đủ và hầu như không có cường độ của co bóp lúc chiều dài một nửa bình thường. Do đó, cơ dài ra trên một mặt của một khớp có thể co bóp với lực lớn hơn nhiều so với cơ ngắn hơn ở mặt đối diện. Khi một cánh tay hoặc chân di chuyển về phía vị trí giữa của nó, cường độ của cơ dài hơn giảm xuống, trong khi đó cường độ của cơ ngắn hơn tăng lên cho đến khi hai cường độ tương đương với nhau.

Tại điểm này, chuyển động của cánh tay hoặc chân dừng lại. Do đó, bằng cách thay đổi tỷ lệ của mức độ kích hoạt của các cơ chủ vận và đối kháng, hệ thần kinh chỉ đạo việc định vị của cánh tay hoặc chân.