АНАТОМИЯ БЕГА: ДЫХАНИЕ И КОНЦЕПЦИЯ VO2MAX. ЧАСТЬ II

 

А вот и обещанная вторая часть материала о дыхании и концепции Vo2max, с первой вы можете ознакомиться на нашем сайте. Из нового текста Евгения Суборова, к.м.н., доцента кафедры анестезиологии и реаниматологии СЗГМУ им. Мечникова, вы узнаете о том, что такое теория центрального регулятора, какие недостатки есть у концепции VO2max и стоит ли считать этот показатель единственно важным для определения выносливости и тренированности спортсмена.

В одном из обзоров, посвящённых тренировочному процессу, авторы пишут, что «максимальное потребление кислорода (МПК, VO2max) считается единственным важным физиологическим показателем для определения выносливости и тренированности» (1). Большое количество схем тренировок для бегунов на длинные дистанции становятся привязанными только к показателю VO2max, сам тренинг, направленный на улучшение показателя VO2max, обсуждается в многочисленных статьях, а также популярен у многих тренеров. Практически весь тренировочный процесс построен на основании работ на скоростях, соответствующих VO2max или процентам от этого показателя — %VO2max (2). Естественно, при наличии такого «единственно правильного» параметра, на котором основан весь процесс тренировок, должна быть очень тесная связь VO2max с производительностью, выносливостью и утомлением. Однако это не так, и ниже я попытаюсь вам показать те недостатки, которые ограничивают использование VO2max. 

КАК СОЗДАВАЛАСЬ КОНЦЕПЦИЯ VO2MAX (ИЛИ ЕЩЁ РАЗ О САМОМ ГЛАВНОМ)

Возможность измерять потребление кислорода впервые появилась в 1920 году. В 1923 году A.V. Hill и его коллега H. Lupton пришла в голову идея о наличии верхней границы потребления кислорода (3). Они провели эксперимент, в ходе которого измерялось VO2 у атлета, бегущего с разной скоростью на травяном треке (Рис. 1). Было обнаружено, что бегун достигает VO2max 4,080 л/мин при скорости 243 м/мин (4). Несмотря на повышение скорости, VO2 не увеличивался, что привело авторов к выводу о существовании верхней границы потребления кислорода, или фазы плато. Авторы заключили, что «при беге потребность в кислороде постоянно повышается при увеличении скорости, достигая экстремальных значений, тогда как истинное потребление кислорода достигает максимального значения, превысить которое уже невозможно». Скорее всего, описанное плато потребления кислорода может развиваться из-за ограничений со стороны дыхательной и сердечно-сосудистой систем (5). Другими словами, максимальное потребление кислорода, которое определяется при наличии фазы плато, говорит о количестве кислорода, которое может усвоить организм при максимальной работе как дыхательной, так и сердечно-сосудистой систем. 

Рис. 1. Достижение «равновесного состояния» (плато) для потребления кислорода при разных темпах бега с постоянной скоростью. Горизонтальная ось – время от начала каждого бега, вертикальная ось – потребление кислорода (л/мин), превышающее значение в покое. Скорости бега (снизу вверх): 181, 203, 203 и 267 м/мин. Три нижние кривые представляют истинное равновесное состояние, тогда как на верхней кривой потребность в кислороде превосходит измеряемое потребление.

ТЕОРИЯ ЦЕНТРАЛЬНОГО РЕГУЛЯТОРА

Хорошо известно, что измерение VO2max используется как мера выносливости сердечно-сосудистой системы. Однако правомерность его практического применения недавно была поставлена под сомнение. Предметом спора являлось то, что VO2max не характеризует максимальную способность переносить кислород, поскольку сам контролируется центральным регулятором. Модель центрального регулятора, впервые предложенная A. Hill в 1924 году и более детально разработанная T. Noakes в 1997 году определяла ведущую роль головного мозга в регуляции и управлении различными процессами. Согласно теории T. Noakes, центральный регулятор, то есть головной мозг, это то, что ограничивает выносливость путём навязывания интенсивности и длительности упражнений для обеспечения нашего выживания, а также предотвращает необратимое повреждение сердечной мышцы. Головной мозг не даёт нам довести себя до полного истощения, когда защитные системы организма напряжены. Это может выражаться, например, в замедлении бега (та самая стена бегуна), и реализуется путём ограничения кровотока к периферии, когда головной мозг просто регулирует степень вовлечения различных мышц в процесс бега (6). Таким образом, VO2max может отражать лишь степень вовлечённости мышц, а не выносливость. Работа головного мозга во время бега реализуется с помощью сложных механизмов и анализа ситуации, который включает следующие показатели:
— Текущее усилие (которое оценивается с помощью сигналов от внутренних органов, мышц, и так далее);
— Подготовленность организма;
— Предыдущий физический и психологический опыт (тренировки, старты);
— Настоящие окружающие условия (температура, влажность, ветер, тип поверхности);
— Задача, которую предстоит решить (длина дистанции, интенсивность нагрузки, степень соревновательности). 

Среди аргументов, говорящих в пользу этой модели, отмечается тот факт, что усталость редко является такой катастрофой, какой её описывают традиционные модели. Наш организм просто использует механизмы обратной связи и прошлый опыт для подбора оптимальной мощности или темпа бега. Например, факт финишного ускорения и различий в регулировании темпа, которые могут зависеть от погодных условий, тоже хорошо описываются теорией центрального регулятора (7). Согласно существующим теориям усталости, повышение активности мышц, наблюдающееся во время финальных сегментов гонки, было бы абсолютно невозможно. Гипотеза T. Noakes состоит в том, что во время финальной части гонки, механизм обратной связи говорит телу, что «уже почти финиш», и поэтому можно ускориться. 

Применительно к бегу на длинные дистанции, T. Noakes отмечает, что модель центрального регулятора может определять время финиша путём подсознательного контроля функционирования организма. Это делается для того, чтобы мозг был уверен, что атлет финиширует в состоянии физиологического гомеостаза, то есть функция внутренних органов и тканей не нарушена необратимо. Эта модель также говорит о том, что на момент финиша у организма есть некоторый физиологический резерв, что позволяет части атлетов ускоряться перед финишем (8). 

Другой интересной темой в обсуждении концепции центрального регулятора стало влияние гипоксии (недостатка кислорода) на сердечный выброс. Упражнения в условиях гипоксии продемонстрировали снижение пиковых значений сердечного выброса в результате уменьшения частоты сердечных сокращений и ударного объёма (9). Переводя это на простой язык – занятия в условиях высокогорья или со специальной маской могут привести к снижению производительности сердца. Интересно, что в соответствии с классическим подходом, сердечный выброс не должен снижаться, поскольку он регулируется потребностью мышц в кислороде. Однако согласно теории центрального регулятора снижение сердечного выброса в условиях гипоксии будет происходить по причине уменьшения активности мышц, причём, когда спортсмен получает кислород дополнительно (скажем, дышит кислородной смесью), сердечный выброс немедленно восстанавливается (10). 

ЛАБОРАТОРНАЯ ОЦЕНКА VO2MAX – ОГРАНИЧЕНИЕ МЕТОДА

Важнейшим условием при тестировании спортсмена и определения его VO2max является достижение фазы плато, которая показывает максимальное потребление кислорода. Однако при проведении теста со ступенчатым повышением нагрузки (классический тест для определения VO2max) фаза плато достигается не всегда. Например, в исследовании, проведённом на велогонщиках мирового класса, только у 47% отмечалась фаза плато (5). Кроме этого, в нескольких исследованиях у испытуемых были получены разные цифры VO2max при проведении двух тестов – классического и теста с супрамаксимальной (превышающей максимум) нагрузкой. Этот факт является довольно интересным, и может говорить о том, что классический тест не всегда показывает наивысший VO2max. Помимо этого, важным фактором, влияющим на возникновение вариаций VO2max во время тестирования, может быть активация мышечных групп (11). 

Принимая во внимание вышесказанное, использование VO2max как центрального параметра, характеризующего выносливость сердечно-сосудистой системы, довольно спорно. 

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ТРЕНИРОВОК, ОСНОВАННЫХ НА VO2MAX

С увеличением количества исследований, посвящённых VO2max, основанный на этом показателе тренировочный процесс развивался по двум направлениям. Во-первых, тренировки на скорости, соответствующей VO2max стали некоей «магической» пулей, которая должна приводить к значимым улучшениям выносливости, скорости и производительности. Во-вторых, тренировки, основанные на процентах от VO2max стали модным способом определять интенсивность тренинга. 

В одном из обзоров было показано, что наибольший прирост VO2max и выносливости происходит при тренировках со скоростями, соответствующими этому показателю, вне зависимости от длительности тренировки у всех групп атлетов (12). Однако в данном обзоре есть две проблемы. Во-первых, результаты исследований были обобщены у всех атлетов. Очевидно, что прирост VO2max будет тем меньше, чем более тренирован атлет. Во-вторых, показатель VO2max не всегда характеризует выносливость сердечно-сосудистой системы и, определённо, это не единственный показатель, характеризующий выносливость. 

Несмотря на эти неточности, тренировки, основанные на показателе VO2max, стали популярными, а количество исследований или обзоров на эту тему возрастало лавинообразно. Некоторые исследователи даже говорили о том, что чем больше времени тренируешься на VO2max, тем больше польза от таких тренировок (1). Предлагались различные варианты интервальных тренировок, единственной целью которых было проводить как можно больше времени в зоне интенсивности, соответствующей VO2max. Это довольно интересный подход, поскольку целью тренировок было улучшение одного показателя, а не производительности в целом. Теория, популярная в то время, гласила, что для улучшения VO2max надо тренироваться на уровне интенсивности, соответствующем VO2max. Например, исследование влияния интенсивности тренировок на прирост показателя VO2max показало, что высокоинтенсивные тренировки приводят к большему увеличению VO2max по сравнению с тренировками на низкой интенсивности (Рис. 2) (13). 

Рис. 2. Процент изменения VO2max после бега с умеренной (moderate), сильной (vigorous) и околомаксимальной (near-maximal) интенсивностью. % increase VO2max – процент повышения VO2max.

Однако ряд исследований не подтверждал справедливость такого подхода. Например, в исследовании V.L. Billat, после 4-х недель интервальных тренировок на VO2max, у атлетов не наблюдалось повышения этого показателя, а также выносливости (14). Кроме того, было показано, что улучшение VO2max при тренировках с высокой интенсивностью не зависит от объёма тренировок (14). Несмотря на эти факты, ряд тренеров продолжал настаивать на том, что количество времени, проведённое на VO2max, является главным фактором, улучшающим выносливость, даже если исследования и не подтверждают эту концепцию. 

Использование %VO2max для определения интенсивности тренинга является общепринятой практикой в исследованиях и многочисленных тренировочных программах, например, у J. Daniels и J. Vigil. Проблема в данном подходе состоит в том, что значения максимального потребления кислорода изменяются в широких пределах, даже если тренировки проходят на одинаковом проценте от VO2max, что происходит из-за индивидуальных физиологических особенностей. Например, порог лактата (анаэробный порог) может развиваться при различных значениях %VO2max даже у хорошо тренированных атлетов (15). Другими словами, если два тренированных бегуна делают работу с фиксированной интенсивностью 80% VO2max, один может находиться ниже порога лактата, а второй выше. Отмечалось, что у некоторых атлетов может наблюдаться уменьшение выносливости и производительности при тренировках с фиксированным %VO2max (17). 

Все описанные выше изменения VO2max не были связаны с изменением производительности. 

ЭТО ГОВОРИТ О ТОМ, ЧТО В ПРОЦЕССЕ ТРЕНИРОВОК НАДО ОРИЕНТИРОВАТЬСЯ НА УЛУЧШЕНИЕ ВЫНОСЛИВОСТИ И ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ, А НЕ ЗНАЧЕНИЯ КАКОГО-ТО ОДНОГО ФИЗИОЛОГИЧЕСКОГО ПОКАЗАТЕЛЯ.

ТРЕНИРОВКИ И VO2MAX

Исследования показали, что тренировки на скорости, соответствующей VO2max, способствуют повышению значения этого показателя. Этот факт долго использовался для построения тренировок на основании VO2max, поскольку он традиционно считался мерой выносливости. Логика была очевидна – повышается VO2max, улучшается выносливость и производительность. 

Однако возникает вопрос, легко ли улучшить VO2max у тренированных атлетов? Не всегда. Множество исследований показало несоответствие VO2max и производительности. Отдельные работы показали улучшение производительности без изменения значений VO2max (18), или наоборот, повышение VO2max без улучшения производительности (19). В исследовании большой группы элитных атлетов, где изменения VO2max отслеживались в течение трёх лет, было показано, что улучшение производительности на 1—2% не сопровождалось изменением VO2max (20). Интересно, что у олимпийских бегунов улучшение времени на 3000 метрах на 46 секунд сопровождалось снижением VO2max с 72 мл/кг/мин до 66 мл/кг/мин (21). В исследовании D.A. Smith и T.V. O’Donnel оценивались изменения VO2max у новичков за первые 36 недель тренировок. Отмечалось повышение VO2max на 13,6%, однако эти изменения происходили в первые 24 недели, тогда как в оставшиеся 12 недель показатель потребления кислорода не рос (22). Схожие данные были получены в исследовании J.T. Daniels, где повышение VO2max у нетренированных атлетов было максимальным в первые 4 недели тренировок (18). 

Итак, выстраивание тренировок на основании изменений VO2max не совсем корректно, поскольку аэробная производительность и VO2max не связаны напрямую. Однако, учитывая всё вышесказанное, можно ли использовать показатель VO2max в тренировочном процессе, или он полностью бесполезен? Очевидно, что лучше перестроить тренировочный процесс и вместо фокусирования на отдельных показателях, среди которых есть и VO2max, сосредоточиться на улучшении производительности, выносливости и результативности. 

Список использованной литературы:
1) A.W. Midgeley, L.R. McNaughton, M. Wilkinson. Is there an optimal training intensity for enhancing maximal oxygen uptake of distance runners? empirical research findings, current opinions, physiological rationale and practical recommendations. Sports Med, 2006: 36(2), 117–132.
2) J. Daniels. Running Formula. 2005, Champaign, IL: Human Kinetics.
3) A.V. Hill and H. Lupton. Muscular exercise, lactic acid, and the supply and utilization of oxygen. Q. J. Med. 16:135–171, 1923.
4) D.R. Bassett, E.T. Howley. Limiting factors for maximum oxygen uptake and determinants of endurance performance. Medicine and Science in Sports and Exercise 2000: 32, 70–84.
5) T.D. Noakes. How did A.V. Hill understand the VO2max and the “plateau phenomenon”? Still no clarity? Br J Sports Med 2008: 42(7); 574-580.
6) T.D. Noakes, F.E. Marino. Point: counterpoint: maximal oxygen uptake is/is not limited by a central nervous system governor. J Appl Physiol 2009: 106; 338-339.
7) T.D. Noakes. Commentary to accompany training and bioenergetic characteristics in elite male and female Kenyan runners. Med Sci Sports Exerc 2003: 35(2); 305-306.
8) T.D. Noakes. The Central Governor model of exercise regulation applied to the marathon. Sports Med 2007; 37 (4-5): 374-377.
9) J.A. Calbet, R. Boushel, G. Radegran, H. Sondergaard, P.D. Wagner, B. Saltin. Determinants of maximal oxygen uptake in severe acute hypoxia. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol 2003: 284(2); 291-303.
10) T.D. Noakes, J.A. Calbet, R. Boushel, H. Sondergaard, G. Radegran, P.D. Wagner, B.Saltin. Central regulation of skeletal muscle recruitment explains the reduced maximal cardiac output during exercise in hypoxia. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol 2004; 287(4): R996-999.
11) L.C. Dalleck, L. Kravitz, R.A. Robergs. Maximal exercise testing using the elliptical crosstrainer and treadmill. Journal of the Exercise Physiology 2004; 7(3): 94-101.
12) H.A. Wenger, G.J. Bell. The interactions of intensity, frequency and duration of exercise training in altering cardiorespiratory fitness. Sports Med 1986; 3(5):346-356.
13) S.E. Gormley, D.P. Swain, R. High, R.J. Spina, E.A. Dowling, U.S. Kotipalli, R. Gandrakota. Effect of intensity of aerobic training on VO2max. Med Sci Sports Exerc 2008; Jul;40(7):1336-43.
14) V.L. Billat, B. Fletchet, B. Petit, G. Muriaux, J.P. Koralsztein. Interval training at VO2max effects on aerobic performance and overtraining markers. Med Sci Sports Exerc 1999: 31; 156-163.
15) G.A. Brooks, T.D. Fahey, K. Baldwin. Exercise Physiology: Human bioenergetics and its application. McGrawHill. 2004.
16) ScharhagRosenberger, F., Meyer, T., Gabler, N., Faude, O., & Kindermann, W. (2009). Journal of Science and Medicine in Sport, in press.
17) N.B.J. Vollaard, D. Constantin-Teodosiu, K. Fredriksson, O. Rooyackers, E. Jansson, P.L. Greenhaff, J.A. Timmons, C.J. Sundberg. Systematic analysis of adaptations in aerobic capacity andsubmaximal energy metabolism provides a unique insight into determinants of human aerobic performance. J Appl Physiol 2009; 106: 1479–1486.
18) J.T. Daniels, R.A. Yarbrough, C. Foster. Changes in VO2 max and running performance with training. Eur J of Appl Physiol 1978; 39(4):249-254.
19) T.P. Smith, J.S. Coombes, D.P. Geraghty. Optimising high-intensity treadmill training using the running speed at maximal O2 uptake and the time for which this can be maintained. Eur J Appl Physiol 2003; 89(34): 337-343.
20) A. Legaz Arrese, E. Serrano Ostáriz, J.A. Jcasajús Mallén, D. Munguía Izquierdo. The changes in running performance and maximal oxygen uptake after long-term training in elite athletes. J Sports Med Phys Fitness 2005; 45(4): 435–40.
21) A.M. Jones. A five year physiological case study of an Olympic runner.Br J Sports Med 1998; 32: 39–43.
22) D.A. Smith, T.V. O’Donnel. The time course during 46 weeks’ endurance training of changes in Vo2max and anaerobic threshold as determined with a new computerized method. Clin Sci 1984; 67(2):229-236. 

Оригинальный пост на странице Евгения Суборова
Фото: marine_corps, Peter Miller, Sangudo, John Hoey