Can post-activation potentiation induced by high-intensity dynamic and static kinetotherapies enhance muscle explosive power?

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.0817

Abstract

Abstract:

BACKGROUND: Increasing evidence has shown that high-intensity warming up, including dynamic and static kinetotherapies, can improve the performance of muscle explosive power. However, the training scheme to achieve the best effect remains unclear.
OBJECTIVE: To discuss whether the high-intensity dynamic and static kinetotherapies can enhance post-activation potentiation of the upper and lower limbs, so as to fully understand the high-intensity warming up, and thus promote the training efficacy.
METHODS: Ovid Medline, Elsevier SDOL, PubMed, and CBJ databases were retrieved for the articles addressing the post-activation potentiation of high-intensity dynamic and static kinetotherapies published before 2016. The articles were classified in accordance with Oxford Centre for Evidence-based Medicine Levels of Evidence.
RESULTS AND CONCLUSION: The possible mechanisms of the post-activation potentiation include the phosphorylation of myosin regulation light chain, the increase in motor unit recruitment as well as the change of pinnate angle. The resistance exercise at an appropriate mode, including dynamic, static, and dynamic combined with static, significantly induces post-activation potentiation, and improves the explosive force. Post-activation potentiation is impacted by muscle contraction type, amount of exercise, exercise intensity, induction time, and history of the subjects (training experience, absolute muscle force, and muscle fiber composition). High-intensity stimulus of post-activation potentiation may be accompanied by the generation of fatigue, and the inappropriate recovery time may result in the imperfect performance of post-activation potentiation.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

Key words: Sports, Physical Education and Training, Tissue Engineering

CLC Number:

R318

Li Xin-rui1, 2, Luo Jiong1, 2, Song Gang1, 2. Can post-activation potentiation induced by high-intensity dynamic and static kinetotherapies enhance muscle explosive power?[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2018, 22(16): 2601-2606.

Figures/Tables 1

2.1 活化后增能作用的生理机制目前较被接受的关于活化后增能现象的可能机制主要有3种：其一是肌凝蛋白调节轻链磷酸化(phosphorylation of regulatory light chains)，其二是增加运动单位招募(motor units recruitment)，其三是羽状角度(pennation angle)改变等。 2.1.1 肌凝蛋白调节轻链磷酸化机制肌凝蛋白调节轻链磷酸化被认为是诱发活化后增能作用现象的主要机制[13-18]。肌凝蛋白是由2个重链(heavy chain)与4个轻链(light chain)所组成。重链的氨基末端为肌凝蛋白头，1个重链连结2个轻链，轻链包含必需轻链与肌凝蛋白调节轻链。现有研究表明，高强度热身运动诱发活化后增能作用时，会刺激钙离子与调钙素结合，进而活化骨骼肌中的肌凝蛋白轻链激酶，随后肌凝蛋白轻链激酶会催化肌凝蛋白调节轻链，使得肌凝蛋白调节轻链产生磷酸化，最终提高了横桥对钙离子的敏感度[17，19-22]。肌凝蛋白调节轻链的磷酸化也会提高横桥生成的速率，增加肌肉收缩的力量和速度。另一方面，Moore等[23]通过电刺激比目鱼肌(I型肌纤维比例高)及腓肠肌(Ⅱ型肌纤维比例高)，发现腓肠肌中肌凝蛋白轻链激酶活性、肌凝蛋白轻链磷酸化程度及等长牵张收缩张力都较比目鱼肌高。还有研究指出，高强度热身运动诱发活化后增能作用时，肌肉磷酸化程度与牵张收缩力矩峰值呈正相关，即肌肉中若有较多的Ⅱ型肌纤维数量，肌凝蛋白轻链激酶活性及肌凝蛋白调节轻链磷酸化程度将会较高，进而增加肌肉磷酸化程度，产生较高的发力率[6，24]。 2.1.2 增加运动单位招募 Hamada等[25]以1组10 s最大自主收缩方式刺激伸膝肌群，并以肌肉穿刺的方式观察股外侧肌Ⅱ型肌纤维活化的数量与诱发活化后增能作用的效果间的关系，结果发现活化后增能作用效果佳的参与者，股外侧肌Ⅱ型肌纤维活化的数量更多。多项研究表明，当神经冲动产生时，会活化邻近的α运动神经元、提高脊髓中突触接合点的神经冲动传递率，并增加运动单位放电频率，故当下一个神经冲动传入时，便可更容易地达到活化运动单位的阈值[13-14，16-18]。Tillin等[17]推测，活化后增能作用现象造成的运动单位招募增加，可能原因是当神经冲动提高时，突触接合点传递物质的失误率降低的缘故，从而增加了神经传递物质传递效率及数量，活化并征召更高层级的运动单位(Ⅱ型肌纤维)，使肌群产生力量的能力提高，进而提升随后的爆发力运动表现。 2.1.3 改变肌肉羽状角肌肉中的肌纤维与肌肉长轴所构成的夹角，称为羽状角度(用θ表示)。肌肉在收缩时，作用于肌肉长轴方向的力量(亦即肌肉施于肌腱的力量)与θ角的余弦成正比，即θ角越小，传递至肌腱的力量就越大[17-18, 26]。Mahlfeld等[27]使用最大自主收缩的方式诱发活化后增能作用，并利用超音波观察股外侧肌羽状角度的变化，结果发现实施3次3 s的100%最大自主收缩后，股外侧肌的羽状角度相较于诱发前的基准值呈变小趋势，且诱发后3-6 min时的羽状角度会显著低于基准值，而传输至肌腱单位的力量提升了0.9%。Fukunaga等[32-33]采用超音波观察羽状角度及股外侧肌肌纤维长度之间的变化，结果发现当使用10%最大自主收缩时，肌纤维长度由126 mm缩短至67 mm，羽状角度由17°增至21°，且传输至肌腱的力量则减少了4%-7%。可见，刺激的强度会影响羽状角度的改变，增加或减少传输至肌腱上的力，而高强度热身可降低羽状角，增加传输至肌腱单位上力量，进而提升随后的肌肉收缩表现。 2.2 高强度动静态诱发活化后增能作用表现 2.2.1 动态诱发活化后增能作用表现特征从活化后增能作用对上肢表现特征看，French等[7]以仰卧推举1组3 RM(93%1 RM)的方式诱发上肢活化后增能作用，运动后恢复时间为15 s，4，8，12，16以及20 min，随后以弹振式仰卧推举抛接进行检测，结果发现运动后15 s，功率峰值显著下降，接着在恢复时间延长至 8 min时功率峰值显著增加，直至16 min时仍有促进效益。West等[10]及Bevan等[19]以同样方法(仰卧推举3组，3次/组，负荷为87% 1 RM)诱发上肢的活化后增能作用。前者发现在运动后恢复时间为8 min，弹振式仰卧推举抛接功率峰值显著提升，而后者在运动后15 s发现功率峰值显著下降，但随后恢复的8 min钟时，功率峰值与杠铃抛接高度均显著增加。Liossis等[30]以仰卧推举1组，5次/组，负荷为85%1 RM，于运动后4 min测试弹振式仰卧推举抛接功率输出显著下降，但恢复时间延长至8 min时，弹振式仰卧推举抛接功率输出显著增加。也有学者获得研究结果不一致，如Farup等[31]以5组1 RM的运动刺激，在休息2-20 min后，发现弹振式仰卧推举抛接最大功率没有提升。综上，多数研究认为，以1-3组，每组3-5次，负荷为85%-93%1 RM，并休息 8-12 min的活化后增能作用诱发方式，对促进随后的上肢爆发力有益。从活化后增能作用对下肢表现特征看，Linder等[32]研究结果发现，在热身活动中，额外进行高强度(4 RM)的蹲举运动，可以在蹲举运动后9 min时，100 m冲刺跑的成绩提升约0.19 s。Rixon等研究[9]通过高强度 (5 RM)的动态蹲举运动，结果发现在蹲举运动后3.0- 4.0 min时下蹲跳高度显著增加。Lowery等[33]进行3种运动量相同，但运动强度不同(56%1 RM，70%1 RM和93%1 RM)的蹲举运动，结果发现中高强度蹲举后对诱发活化后增能作用现象最显著。其他研究结果也支持Lowery等观点，在进行高强度阻力运动后(≥90% 1 RM)皆能诱发显著的活化后增能作用现象[34-35]，但在中等强度(80%-85%1 RM)及低强度(40%1 RM)的阻力运动后并未发现活化后增能作用现象[36-37]。 2.2.2 静态诱发活化后增能作用特征静态诱发活化后增能作用现象对下肢有提升效果的研究中，目前基本上一致认为3-5组，每组3-5 s的最大自主收缩，能有效地诱发下肢爆发力[7，9-10，14，17]。相较于下肢的活化后增能作用研究，利用高强度静态热身方式诱发上肢活化后增能作用的相关文献比较少。Tsolakis等[10]以击剑运动员为对象，通过仰卧推举姿势，实施3组3 s最大自主收缩的收缩方式进行活化后增能作用诱发，并在运动后立即、4，8与12 min时进行弹振式仰卧推举抛接检测，结果发现在各时间点弹振式仰卧推举抛接功率输出与诱发前基本一致。Esformes等[38]以男性橄榄球选手为对象，采用仰卧推举，维持等长收缩7 s的方式诱发活化后增能作用，运动后恢复时间的12 min进行弹振式仰卧推举抛接检测发现，功率峰值显著上升。由此可见有关静态诱发活化后增能作用现象的研究成果仍存分歧。这可能由于各学者诱发方式及刺激后恢复时间不同，故研究结果互异。目前有关高强度静态热身诱发活化后增能作用的效益还有待于未来进一步探讨。 2.2.3 动静结合诱发活化后增能作用特征 Rixon等[9]以30位成年人为对象，男女各半，分别执行1组3 RM的动态后蹲与3组3 s后蹲最大自主收缩，结果显示肌力程度较好的男性受试者以1组3 RM动态后蹲进行下肢活化后增能作用诱发后的恢复期3 min时，下蹲跳功率峰值与诱发前相比显著上升；以3组3 s后蹲最大自主收缩进行下肢活化后增能作用诱发后，在运动后恢复3 min时下蹲跳的跳跃高度以及功率峰值与诱发前相比，均显著上升，且均高于动态后蹲诱发后下蹲跳跳跃高度以及功率峰值。相较于男性，肌力相对较差的女性，2种不同的收缩方式对下肢进行活化后增能作用诱发均无明显效果。同样地，Esformes等[39]针对男性橄榄球选手分别进行仰卧推举维持等长收缩7 s与1组3 RM的动态方式诱发上肢活化后增能作用，运动后休息12 min进行弹振式仰卧推举抛接检测，结果发现在运动后恢复12 min时，以仰卧推举维持等长收缩7 s的方式，功率峰值显著上升。总之，目前关于动、静结合热身方式诱发活化后增能作用研究论文数量有限，仍有许多问题尚未厘清，值得未来更多的研究加以探讨。 2.3 高强度动、静态诱发不同活化后增能作用效应的原因分析 2.3.1 受诱发活化后增能作用强度的影响 McBride等[35]使用刺激强度为90%1 RM的动态蹲举，随后的冲刺表现上发现有显著提升，而其他学者使用90%1 RM的刺激强度亦有相同的发现[32, 40]，故推论90%1 RM的刺激强度可能有效提升冲刺表现。Wilson等[3]建议刺激强度为60%-84%1 RM，原因可能是该学者在搜集文献时将上、下诱发活化后增能作用一并放入分析所导致。Lowery等[33]认为中等强度(70%1 RM)与高强度(93%1 RM)的蹲举运动后诱发活化后增能作用的效果最为显著。Wilson等[3]在其整合性研究中指出，中强度的阻力运动(60%-84%1 RM)比起高强度的阻力运动(大于85%1 RM)更能诱发活化后增能现象，以提升随后爆发力的表现。其可能原因在于高强度的阻力运动会引起较大程度的肌肉疲劳现象，亦即肌肉疲劳现象大于活化后增能现象，因此，中强度的阻力运动可能比较适合作为活化后增能现象的诱发。 2.3.2 受诱发活化后增能作用刺激量的影响采用动态蹲举方式的多数学者，使用1组3-5次的刺激量皆成功地提升冲刺表现[32, 41-42]，McBride等[35]使用1组3次的刺激量，发现在随后的40 m分段冲刺速度表现上有显著的提升，Lim等[43]采用1组3次的刺激量，结果发现在10，20及30 m无法提升冲刺表现，即单一组数的刺激量在冲刺表现上研究结果不一致。作者认为可能是受试者的绝对肌力水平较低，导致实验误差较大。少数学者利用多组数刺激量方式诱发活化后增能作用对冲刺表现的影响中，Chatzopoulos等[40]采用10组1次的方式诱发活化后增能作用，结果在10和30 m的冲刺表现上都有显著进步。Chiu等[34]采用5组1次反复(90% 1 RM)蹲举，随后的蹲跳表现明显提升。Wilson等[3]针有训练经验与专业运动员在多组数与单组数相比较时发现，受过训练或专业运动员从单组数提升为多组数刺激量时能增加活化后增能作用效益。在等长最大自主收缩阻力运动时，研究结果指出1组7 s的仰卧推举能提升随后仰卧推掷的表现[39]，但1组5 s或1组10 s的等长最大自主收缩却无法提升随后的爆发力表现[44-45]。也有研究发现进行3组3 s的等长最大自主收缩后，能显著诱发活化后增能作用的现象[7,9]，但Behm等[49]更发现在进行3组10 s的等长最大自主收缩后，反而会降低随后爆发力的表现。由此可见，未来针对诱发活化后增能作用后的10 m冲刺表现还需进一步探讨。 2.3.3 受诱发产生活化后增能作用现象所需恢复时间的影响 Chatzopoulos等[40]研究中发现5 min与3 min的恢复时间更能有效提升10 m和30 m运动表现；Lim等[43]研究发现4 min的恢复时间不能提升随后的冲刺表现。但也有学者认为4 min恢复时间有助于随后的冲刺表现[35，41-42]。Sale[1]提出活化后增能作用与疲劳共存现象，指出更长的恢复时间，可消除更多疲劳，但也流失更多活化后增能作用的能力，Linder等[32]采用9 min的恢复时间，虽发现在100 m冲刺速度显著加快，但因恢复时间越久活化后增能作用的效应也随之降低。而Jensen等[46]研究指出，从事完5 RM的蹲举后只休息10 s，下蹲跳的高度比蹲举前显著下降，而在1-4 min的恢复过程中，蹲举运动对下蹲跳的表现并没有任何帮助。Young等[47]发现在5 RM的蹲举后休息4 min，即可改善随后的下蹲跳的表现。Bevan等[19]让参与者在从事3组3 RM的仰卧推举后，结果发现爆发力的表现仅在8 min时才有显著改善。Kilduff等[2]认为抗阻力运动后，若想改善随后的爆发力表现，8-12 min的恢复时间是必要的。可见，阻力运动后若立即进行爆发力运动，运动表现会受到肌肉疲劳的影响而降低，至少4 min的恢复时间才能减少肌肉疲劳的现象，但仍然维持着活化后增能作用的现象。至于活化后增能作用现象对改善随后的爆发力表现能持续多久，需要更多的研究来探讨。 2.3.4 受被试对象个体差异的影响 Gourgoulis等[48]发现当参与者有较大的绝对肌力表现时，其活化后增能现象较为显著，即随后下蹲跳表现改善显著大于绝对肌力较小参与者。作者认为有较大绝对肌力者或较高阻力训练经验者，在进行高强度阻力运动后，运动单位的征召速度更快及运动单位的激发频率更高，进而诱发出更显著的活化后增能作用现象。Chiu等[34]原本并未发现活化后增能作用现象，随后依据参与者的训练经验，将其分成有、无爆发力训练者两组时，结果发现阻力训练后，有训练者在随后的爆发力表现上显著优于无训练者。还有研究发现肌纤维类型与活化后增能作用现象有显著相关性，Ⅱ型肌纤维含量较高者其活化后增能作用现象也较为明显[25]。有关深层原因未能获得解释，有待于进一步探讨。"

References

[1] Sale DG. Postactivation potentiation: role in human performance. Exerc Sport Sci Rev. 2002;30(3):138-143.

[2] Kilduff LP, Finn CV, Baker JS, et al. Preconditioning strategies to enhance physical performance on the day of competition. Int J Sports Physiol Perform. 2013;8(6):677-681.

[3] Wilson JM, Duncan NM, Marin PJ, et al. Meta-analysis of postactivation potentiation and power: effects of conditioning activity, volume, gender, rest periods, and training status. J Strength Cond Res. 2013;27(3):854-859.

[4] Comyns TM, Harrison AJ, Hennessy L, et al. Identifying the optimal resistive load for complex training in male rugby players. Sports Biomech. 2007;6(1):59-70.

[5] Esformes JI, Keenan M, Moody J, et al. Effect of different types of conditioning contraction on upper body postactivation potentiation. J Strength Cond Res. 2011;25(1):143-148.

[6] Ferreira SL, Panissa VL, Miarka B, et al. Postactivation potentiation: effect of various recovery intervals on bench press power performance. J Strength Cond Res.2012;26(3):739-744..

[7] French DN, Kraemer WJ, Cooke CB. Changes in dynamic exercise performance following a sequence of preconditioning isometric muscle actions. J Strength Cond Res. 2003;17(4): 678-685.

[8] Arabatzi F, Patikas D, Zafeiridis A, et al. The post-activation potentiation effect on squat jump performance: age and sex effect. Pediatr Exerc Sci. 2014;26(2):187-194.

[9] Rixon KP, Lamont HS, Bemben MG. Influence of type of muscle contraction, gender, and lifting experience on postactivation potentiation performance. J Strength Cond Res. 2007;21(2): 500-505.

[10] Tsolakis C, Bogdanis GC, Nikolaou A, et al. Influence of type of muscle contraction and gender on postactivation potentiation of upper and lower limb explosive performance in elite fencers. J Sports Sci Med. 2011;10(3):577-583.

[11] Ebben WP, Watts PB. A review of combined weight training and plyometric training modes: Complex training. J Strength Cond Res. 1998;20(5):18-27.

[12] Adams K, O’Shea J, O’Shea K, Climstein M. The effect of six weeks of squat, plyometric and squat-plyometric training on power production. J Applied Sport Sci Res. 1992;6(1):36-41.

[13] DeRenne C. Effects of postactivation potentiation warm-up in male and female sport performances: A brief review. Strength Cond J. 2010;32(6):58-64.

[14] Hodgson M, Docherty D, Robbins D. Post-activation potentiation: underlying physiology and implications for motor performance. Sports Med. 2005;35(7):585-595.

[15] Rassier DE, Macintosh BR. Coexistence of potentiation and fatigue in skeletal muscle. Braz J Med Biol Res. 2000;33(5): 499-508.

[16] Sale D. Postactivation potentiation: role in performance. Br J Sports Med. 2004;38(4):386-387.

[17] Tillin NA, Bishop D. Factors modulating post-activation potentiation and its effect on performance of subsequent explosive activities. Sports Med. 2009;39(2):147-166.

[18] Xenofondos A, Laparidis K, Kyranoudis A, et al. Post-activation potentiation: Factors affecting it and the effect on performance. J Physic Educ Sport. 2010;28(3):32-38.

[19] Bevan HR, Owen NJ, Cunningham DJ, et al. Complex training in professional rugby players: influence of recovery time on upper-body power output. J Strength Cond Res. 2009;23(6): 1780-1785.

[20] Gossen ER, Sale DG. Effect of postactivation potentiation on dynamic knee extension performance. Eur J Appl Physiol. 2000;83(6):524-530.

[21] Stull JT, Kamm KE, Vandenboom R. Myosin light chain kinase and the role of myosin light chain phosphorylation in skeletal muscle. Arch Biochem Biophys. 2011;510(2):120-128.

[22] Szczesna D, Zhao J, Jones M, et al. Phosphorylation of the regulatory light chains of myosin affects Ca2+ sensitivity of skeletal muscle contraction. J Appl Physiol (1985). 2002;92(4):1661-1670.

[23] Moore RL, Stull JT. Myosin light chain phosphorylation in fast and slow skeletal muscles in situ. Am J Physiol. 1984;247(5 Pt 1): C462-471.

[24] Güllich A, Schmidtbleicher D. MVC-induced short-term potentiation of explosive force. New Studies Athletics. 1996;11(4): 67-81.

[25] Hamada T, Sale DG, MacDougall JD, et al. Postactivation potentiation, fiber type, and twitch contraction time in human knee extensor muscles. J Appl Physiol (1985). 2000;88(6):2131-2137.

[26] Folland JP, Williams AG. The adaptations to strength training : morphological and neurological contributions to increased strength. Sports Med. 2007;37(2):145-168.

[27] Mahlfeld K, Franke J, Awiszus F. Postcontraction changes of muscle architecture in human quadriceps muscle. Muscle Nerve. 2004;29(4):597-600.

[28] Fukunaga T, Ichinose Y, Ito M, et al. Determination of fascicle length and pennation in a contracting human muscle in vivo. J Appl Physiol (1985).1997;82(1):354-358.

[29] 金季春.运动生物力学高级教程[M].北京:北京体育大学出版社, 2007:158-159.

[30] Liossis LD, Forsyth J, Liossis C, et al. The acute effect of upper-body complex training on power output of martial art athletes as measured by the bench press throw exercise. J Hum Kinet. 2013;39:167-175.

[31] Farup J, Sørensen H. Postactivation potentiation: upper body force development changes after maximal force intervention. J Strength Cond Res. 2010;24(7):1874-1879.

[32] Linder EE, Prins JH, Murata NM, et al. Effects of preload 4 repetition maximum on 100-m sprint times in collegiate women. J Strength Cond Res. 2010;24(5):1184-1190.

[33] Lowery RP, Duncan NM, Loenneke JP, et al. The effects of potentiating stimuli intensity under varying rest periods on vertical jump performance and power. J Strength Cond Res. 2012;26(12): 3320-3325.

[34] Chiu LZ, Fry AC, Weiss LW, et al. Postactivation potentiation response in athletic and recreationally trained individuals. J Strength Cond Res. 2003;17(4):671-677.

[35] McBride JM, Nimphius S, Erickson TM. The acute effects of heavy-load squats and loaded countermovement jumps on sprint performance. J Strength Cond Res. 2005;19(4):893-897.

[36] Hanson ED, Leigh S, Mynark RG. Acute effects of heavy- and light-load squat exercise on the kinetic measures of vertical jumping. J Strength Cond Res. 2007;21(4):1012-1017.

[37] Khamoui AV, Brown LE, Coburn JW, et al. Effect of potentiating exercise volume on vertical jump parameters in recreationally trained men. J Strength Cond Res. 2009;23(5):1465-1469.

[38] Esformes JI, Bampouras TM. Effect of back squat depth on lower-body postactivation potentiation. J Strength Cond Res. 2013;27(11):2997-3000.

[39] Esformes JI, Keenan M, Moody J, et al. Effect of different types of conditioning contraction on upper body postactivation potentiation. J Strength Cond Res. 2011;25(1):143-148.

[40] Chatzopoulos DE, Michailidis CJ, Giannakos AK, et al. Postactivation potentiation effects after heavy resistance exercise on running speed. J Strength Cond Res. 2007;21(4):1278-1281.

[41] Comyns TM, Harrison AJ, Hennessy LK. Effect of squatting on sprinting performance and repeated exposure to complex training in male rugby players. J Strength Cond Res. 2010;24(3):610-618.

[42] Yetter M, Moir GL. The acute effects of heavy back and front squats on speed during forty-meter sprint trials. J Strength Cond Res. 2008;22(1):159-165.

[43] Lim JJ, Kong PW. Effects of isometric and dynamic postactivation potentiation protocols on maximal sprint performance. J Strength Cond Res. 2013;27(10):2730-2736.

[44] Batista MA, Roschel H, Barroso R, et al. Influence of strength training background on postactivation potentiation response. J Strength Cond Res. 2011;25(9):2496-2502.

[45] Behm DG, Button DC, Barbour G, et al. Conflicting effects of fatigue and potentiation on voluntary force. J Strength Cond Res. 2004;18(2):365-372.

[46] Jensen RL, Ebben WP. Kinetic analysis of complex training rest interval effect on vertical jump performance. J Strength Cond Res. 2003;17(2):345-349.

[47] Young WB, Jenner A, Griffiths K. Acute enhancement of power performance from heavy load squats. J Strength Cond Res. 1998;12(2):82-84.

[48] Gourgoulis V, Aggeloussis N, Kasimatis P, et al. Effect of a submaximal half-squats warm-up program on vertical jumping ability. J Strength Cond Res. 2003;17(2):342-344.