Đặc điểm sinh cơ học của cơ và thần kinh cơ

Cập nhật lần cuối vào ngày 12/05/2023

Cơ là một mô kích thích được và có vai trò quan trọng trong việc tạo ra sức mạnh để vận động. Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu về các vấn đề sinh cơ học liên quan đến cơ xương.

Bạn đang xem: Đặc điểm sinh cơ học của cơ và thần kinh cơ

Các đặc tính và chức năng của cơ

Các đặc tính của cơ

Có một số đặc tính chung của cơ, bao gồm cơ trơn, cơ vân và cơ tim.

• Tính có thể kích thích (Irritability): Tính có thể kích thích là khả năng của cơ đáp ứng với kích thích từ điện hoặc cơ học. Cơ xương rất nhạy cảm và chỉ sau mô thần kinh.

• Tính co thắt (Contractility): Tính co là khả năng của cơ tạo ra sức căng và co lại khi nhận được kích thích. Cơ có thể co lại đến 50% – 70% so với chiều dài ban đầu khi nghỉ (trung bình là 57%).

• Tính kéo dãn được (Extensibility): Tính kéo dãn được là khả năng của cơ dài ra hoặc kéo căng vượt quá chiều dài ban đầu khi nghỉ. Tuy nhiên, cơ không thể tự kéo dài mà cần có hoạt động của cơ khác hoặc lực từ bên ngoài. Độ kéo dãn của cơ được xác định bởi mô liên kết xung quanh và trong cơ.

• Tính đàn hồi (Elasticity): Tính đàn hồi là khả năng của sợi cơ trở về chiều dài ban đầu sau khi không còn bị kéo căng. Tính đàn hồi của cơ phụ thuộc vào mô liên kết trong cơ. Đặc tính đàn hồi và tính kéo dãn của cơ là những cơ chế bảo vệ giúp duy trì sự toàn vẹn và chiều dài cơ. Tính đàn hồi cũng góp phần tạo nên lực co cơ (lực đàn hồi) khi cơ bị kéo căng.

Các chức năng của cơ

• Tạo ra vận động: Vận động của xương được tạo ra bởi hoạt động của cơ tạo ra sức căng (lực) truyền đến xương thông qua gân.

• Duy trì tư thế: Cơ có thể được sử dụng để duy trì tư thế của cơ thể. Hoạt động duy trì tư thế thường ở mức độ nhẹ hơn và liên tục.

• Làm vững khớp: Cơ cũng đóng vai trò làm vững khớp (thành phần làm vững động). Ví dụ, ở khớp vai và khớp gối.

• Các chức năng khác: Các cơ cũng thực hiện 4 chức năng khác không liên quan trực tiếp đến vận động của con người, bao gồm: nâng đỡ và bảo vệ các cơ quan nội tạng, bảo vệ các mô bên trong khỏi chấn thương; cơ tạo ra sức căng có thể thay đổi và kiểm soát áp lực trong các khoang; cơ góp phần duy trì nhiệt độ cơ thể bằng cách tạo nhiệt; tham gia vào việc đi vào và đi ra (nuốt, tiểu tiện).

Thành phần và cấu trúc của cơ xương

Cơ thể con người có khoảng trên 600 cơ, chiếm 40-45% tổng trọng lượng cơ thể người lớn. Trong số đó, có 75 cặp cơ có trách nhiệm cho các vận động của cơ thể và tư thế.

Cấu trúc một cơ

Cấu trúc của một cơ được mô tả như sau:

• Mỗi sarcomere có các đường Z, đường M, dải A (sợi myosin), dải I (sợi actin) và vùng H.

Các loại sợi cơ

Mỗi cơ bao gồm nhiều sợi kết hợp, và các sợi được phân thành sợi co chậm (type I) và sợi co nhanh (type II). Sức căng tối đa của các sợi co nhanh đạt được trong thời gian ngắn hơn 1/7 so với sợi co chậm. Thành phần mỗi sợi cơ khác nhau ở mỗi cơ và ở mỗi người.

• Loại sợi co chậm (type I): Các sợi này chứa nhiều myoglobin trong cơ, có thời gian co chậm và phù hợp cho các công việc cường độ thấp, kéo dài. Các vận động viên sức bền có tỷ lệ số sợi co chậm cao.

• Các sợi co nhanh (type II): Có thể chia thành type IIa và type IIb. Sợi type IIa là sợi co đỏ, còn được gọi là sợi co nhanh trung gian vì nó có thể hoạt động trong một khoảng thời gian dài. Sợi type IIb là sợi màu trắng có khả năng tạo lực nhanh và nhanh mỏi hơn.

Các cơ thường chứa cả hai loại sợi. Ví dụ, cơ rộng bên ngoài có 1/2 sợi co nhanh và 1/2 sợi co chậm. Tập luyện có thể thay đổi tỷ lệ các loại sợi trong cơ. Ví dụ, các vận động viên nhảy cao và nhảy xa thường có tỷ lệ sợi co nhanh cao hơn trong các cơ thường sử dụng như cơ bụng chân. Ngược lại, vận động viên chạy đường dài thường có nhiều sợi co chậm hơn.

Đơn vị vận động và sự kiểm soát thần kinh – cơ

Khái niệm về đơn vị vận động (motor unit)

Cơ xương được tổ chức thành các nhóm chức năng được gọi là đơn vị vận động. Một đơn vị vận động bao gồm một nhóm sợi cơ được phân bố bởi cùng một tế bào thần kinh vận động. Số sợi cơ được kiểm soát bởi một tế bào thần kinh được gọi là tỷ lệ phân bố (innervation ratio). Các sợi cơ có tỷ lệ phân bố cao thường kiểm soát vận động thô, trong khi các sợi cơ có tỷ lệ phân bố thấp thường kiểm soát vận động tinh vi. Mỗi tế bào thần kinh có thể kiểm soát từ vài sợi cơ đến hàng ngàn sợi cơ.

Các loại đơn vị vận động

Có ba loại đơn vị vận động, tương ứng với ba loại sợi cơ.

• Đơn vị vận động co nhanh đường phân (type IIb): Đơn vị vận động này có kích thước lớn và được kiểm soát bởi neuron vận động anpha. Loại này co cơ tạo ra hoạt động co nhanh, mạnh và nhanh mỏi. Những đơn vị vận động này thường có tỷ lệ tế bào thần kinh/sợi cơ cao và được tìm thấy trong các cơ lớn như cơ đùi.

• Đơn vị vận động co nhanh oxy hóa (type IIa): Loại này cũng có thời gian co nhanh và kháng mệt tốt hơn so với đơn vị vận động đường phân. Điều này cho phép đơn vị vận động này tạo ra sức căng vừa phải trong thời gian dài hơn. Các đơn vị vận động này thường được tìm thấy trong các hoạt động như bơi, đạp xe và làm việc trong nhà máy.

• Đơn vị vận động co chậm oxy hóa (type I): Loại này có thời gian co chậm hơn, có thể duy trì sức căng trong thời gian dài. Đơn vị vận động co chậm, loại đơn vị nhỏ nhất, rất hữu ích để duy trì tư thế, làm vững khớp và thực hiện các hoạt động lặp đi lặp lại.

Motor Pool

Tập hợp các neuron trong tủy sống phân bố cho một cơ duy nhất được gọi là motor pool. Kích thước của motor pool thay đổi tùy thuộc vào kích thước của cơ. Các tế bào thần kinh trong motor pool có các đặc tính điện học khác nhau, độ lớn xung động mà chúng nhận và các đặc tính co thắt (tốc độ, tạo lực, sự kháng mệt).

Tín hiệu co cơ được truyền từ neuron vận động đến cơ được gọi là điện thế hoạt động. Khi một neuron vận động bị kích thích đủ để gây co, tất cả các sợi cơ được neuron vận động đó kiểm soát đều co trong vòng vài mili giây. Kích thước điện thế hoạt động và hoạt động co cơ tương ứng với số sợi trong đơn vị vận động. Gia tăng lực cơ cần gia tăng số đơn vị vận động được hoạt hóa.

Các sợi cơ trong cùng một đơn vị vận động thường xen kẽ nhau, làm cho lực tác động lên gân không đổi ngay cả khi các sợi cơ khác nhau đang co hoặc giãn. Trương lực cơ ở trạng thái nghỉ được duy trì bằng hoạt động co một cách ngẫu nhiên của các đơn vị vận động.

Hoạt động của đơn vị vận động phụ thuộc vào các xung động mà nó nhận được từ các neuron vận động anpha, cũng như các xung động kích thích và ức chế từ các neuron khác.

Các đặc tính của gân cơ và khái niệm đơn vị cơ-gân

Các đặc tính sinh cơ học của gân cơ

Gân chuyển lực từ cơ đến xương. Gân nối với cơ thông qua các nút gân-cơ, nơi sợi cơ xen kẽ vào sợi collagen của gân. Gân mạnh và truyền lực tải lớn đến xương thông qua kết nối với xương. Gân có thể kháng lại sức căng, mềm dẻo và có thể chuyển góc khi đi qua sụn, xương chêm hoặc bao hoạt dịch. Gân có thể được sắp xếp như một dây hoặc thành dải và có thể có hình tròn, bầu dục hoặc dẹt.

Về cấu trúc, gân bao gồm một bó sợi collagen không đàn hồi được sắp xếp song song theo hướng của lực tác động của cơ. Mặc dù không đàn hồi, gân có khả năng phản hồi như một loại đàn hồi nhờ vào tính đàn hồi của mô liên kết. Gân có thể chịu được lực căng cao của cơ và có tính chất keo-đàn hồi khi chịu tải. Ví dụ, gân Achilles có thể chịu được lực căng cao tương đương hoặc lớn hơn thép cùng kích thước.

Đáp ứng lực tải – biến dạng của gân có dạng keo-đàn hồi, có nghĩa là đáp ứng không tuyến tính và có tính trễ (hysteresis). Gân tương đối cứng và mạnh hơn nhiều so với các cấu trúc khác. Sự cứng này được cho là do tỷ lệ collagen cao trong gân. Gân cũng rất đàn hồi và ít trơ hoặc mất năng lượng. Những đặc tính này là cần thiết cho chức năng của gân.

Gân phải đủ cứng và mạnh để chuyển lực đến xương mà không biến dạng nhiều. Nhờ tính trễ thấp, gân có thể lưu trữ và giải phóng năng lượng đàn hồi. Khi một lực bên ngoài tác động vào cơ, gân có thể kháng lại lực đó nhưng cơ vẫn bị kéo dài ra. Đáp ứng đàn hồi không chủ động này được tạo nên bởi các cấu trúc song song với cơ thay vì cấu trúc liên tục với cơ. Chúng được gọi là thành phần đàn hồi song song (PEC), ví dụ như các mô liên kết bao quanh cơ. PEC cũng có tính chất đàn hồi không tuyến tính cao và gia tăng độ cứng khi cơ kéo dài ra. Cả hai cũng đáp ứng như lò xo trong quá trình hoạt động nhanh.

Mô hình cơ học của cơ: Đơn vị cơ-gân

Hill đã mô hình hoá hoạt động cơ-gân gồm ba thành phần: thành phần co thắt (contractile component – CC), thành phần đàn hồi liên tiếp (series elastic component – SEC) và thành phần đàn hồi song song (parallel elastic component – PEC). Mô hình Hill cho phép hiểu rõ hơn về cơ chế hoạt động của cơ và làm việc tạo nên sức căng.

Thành phần co thắt là thành phần chuyển kích thích từ hệ thần kinh thành lực và phản ánh sự làm ngắn của cơ thông qua cấu trúc actin và myosin. Thành phần co thắt có các đặc tính cơ học xác định hiệu quả của hoạt động co, chẳng hạn như mối quan hệ giữa kích thích và hoạt hóa, mối quan hệ lực-tốc độ và mối quan hệ lực-độ dài.

Thành phần đàn hồi trong cơ được chia thành hai thành phần: thành phần đàn hồi liên tiếp (SEC) và thành phần đàn hồi song song (PEC). SEC liên tục kết nối với thành phần co thắt, và lực tạo ra bởi thành phần co thắt cũng tác động lên SEC. SEC có tính đàn hồi không tuyến tính cao, ví dụ như gân cơ.

Cơ thể biểu diễn đặc tính đàn hồi ngay cả khi không tạo lực. Cơ có kháng lực khi bị kéo dài và có khả năng co lại khi được kéo căng. Đáp ứng đàn hồi không chủ động này được tạo ra bởi những cấu trúc song song với cơ thay vì là thành phần liên tục với cơ. Chúng được gọi là thành phần đàn hồi song song (PEC), ví dụ như các mô liên kết bao quanh cơ. PEC cũng có đặc tính đàn hồi không tuyến tính cao và gia tăng độ cứng khi cơ dài ra. Cả hai đáp ứng như lò xo trong quá trình hoạt động nhanh.

Các hoạt động cơ và vai trò của cơ trong vận động

Các hoạt động cơ (các loại co cơ)

Chúng ta có thể chia sự co cơ thành ba loại dựa trên sự thay đổi chiều dài của cơ: co cơ đẳng trường, co cơ hướng tâm và co cơ ly tâm.

• Co cơ đẳng trường: Đây là các hoạt động co mà cơ tạo nên sức mạnh nhưng không thay đổi tư thế khớp.

• Co cơ hướng tâm: Đây là các hoạt động co mà lực cơ tạo ra đồng hướng với thay đổi góc khớp, có nghĩa là các cơ đồng vận đang kiểm soát cơ. Sự vận động này tạo ra lực dương vì cơ co thường chống lại trọng lực hoặc một sức kháng bất kỳ.

• Co cơ ly tâm: Khi cơ chịu một lực xoay bên ngoài lớn hơn của cơ tạo ra. Cơ bị kéo dài ra và co ly tâm. Trong co cơ ly tâm, lực cơ tạo ra sức căng ngược hướng với thay đổi góc khớp, có nghĩa là các cơ đối vận đang điều

Nguồn: https://izumi.edu.vn/
Danh mục: Tài liệu điện