Intensiivinen liikunta haastaa useimpien elinten toimintakyvyn, ja jopa sydämen ja hengityselinten elintärkeät toiminnot kärsivät. Tässä suhteessa aivot ovat mielenkiintoisessa asemassa, ja tässä Experimental Physiology -lehden numerossa Ross ym. (2007) osoittavat, että maratonjuoksun jälkeen kehittyy keskeinen väsymys suhteessa hermo-lihasliitokseen. Aivot aktivoivat lihakset, mutta toisaalta lihakset ovat voimakas kilpailija (”nukkuva jättiläinen”, L. B. Rowell), joka kilpailee jatkuvasti hapen ja substraatin saannista, josta aivot ovat riippuvaisia. Sentraalinen väsymys on osoitettu erityisen hitaiden lihassupistusten yhteydessä hyvin intensiivisen ja lyhytkestoisen liikunnan aikana, jolloin aivojen happijännitys laskee (Rasmussen ym. 2007), eikä sentraalinen väsymys rajoitu ennustettaviin tilanteisiin, kuten silloin, kun liikunta aiheuttaa aivojen kohonneen lämpötilan tai alhaisen verensokeritason (Nybo & Secher, 2004). Vaikka sentraaliseen väsymykseen liittyviä mekanismeja ei edelleenkään tunneta, on tärkeää selvittää, miten, milloin ja miksi sentraalinen väsymys kehittyy liikunnan aikana. Sentraalista väsymystä voidaan pitää aktiivisen elimistön varotoimenpiteenä, jolla tasapainotetaan eri elinten toimintaa. Sitä vastoin harjoittelun tärkeä vaikutus on lievittää keskusväsymystä intensiivisen harjoittelun aikana. Lisäksi keskusväsymyksestä vastaavien mekanismien ymmärtämisellä voi olla merkitystä krooniseen väsymykseen liittyvistä sairauksista kärsivien potilaiden hoidossa.
On kiehtovaa, miten aivot voivat tuntikausien ajan rasittaa kehoa jopa sen jälkeen, kun ne ovat ”osuneet seinään” maratonjuoksun aikana. Tämä on vielä vaikuttavampaa laboratorioympäristössä. Maratonjuoksu on kiehtonut fysiologeja nykyaikaisten olympialaisten alusta lähtien esimerkkinä äärimmäisestä liikunnasta. Klassinen havainto on, että juoksunopeus laskee huomattavasti, kun lihasten glykogeenitaso laskee kriittiselle tasolle, mikä edellyttää, että aktivointistrategiaa on muutettava vastaavasti. Juoksutyylin hajoaminen viittaa siihen, että lihakset eivät enää aktivoidu ihanteellisella tavalla, ja Ross ym. (2007) tarjoavat elektrofysiologisia tekniikoita käyttäen ensimmäisen näkemyksen keskushermostossa (CNS) esiintyvistä ilmiöistä, joihin pitkäkestoinen harjoitus epäilemättä vaikuttaa.
Ross ym. (2007) käyttävät nykäisyinterpolaatiota ilmaistakseen keskushermoston aktivaatiotehokkuuden lihasten rekrytoinnissa. Ennen kuin Gandevia ja kollegat ottivat varovasti käyttöön transkraniaalisen magneettistimulaation (TMS) nykäisyinterpolaatiota varten (Todd ym. 2003), vapaaehtoisen aktivaation mittaamista arvioitiin motorisen hermon sähköisellä stimulaatiolla (Merton, 1954). TMS:n etuna on pääsy hereillä olevien ihmisten motorisen aivokuoren soluihin ja siten arvio motoneuronireittien aktiivisuudesta. Vaikka TMS:n vaikutus on monimutkainen (Petersen ym. 2003), TMS avaa ikkunan lihassäikeiden rekrytoinnin arvioimiseksi; tuloksia on kuitenkin edelleen tulkittava huolellisesti.
Tibialis anterior -lihaksen liikehermo sijaitsee yhteisen peroneushermon haaran läheisyydessä, ja tibialis anterior -lihaksen aktivointiin tähtäävä sähköinen stimulaatio saattaa aktivoida peroneuslihaksia (Gandevia & McKenzie, 1988), joten tulkinta sen roolista vääntömomentin tuottamisessa nilkkanivelen ympärillä on monimutkainen. Ross ym. (2007) stimuloivat perifeeristä hermoa magneettistimulaatiolla, ja vielä on selvitettävä, miten tämä stimulaatio sisältää yhteisen peroneushermon eri haaroja.
TMS:n käytön etuna säärilihaksen (tibialis anterior) aktivoinnissa on se, että sen kynnys on matala ja, mikä on tärkeää, matalampi kuin antagonistin (soleus-lihas) kynnys. Tällä on merkitystä erityisesti silloin, kun arvioidaan ärsykkeen aiheuttamaa lisävoimaa verrattuna vapaaehtoiseen ponnistukseen. Tibialis anterior -lihaksen vapaaehtoinen aktivoituminen oli alle 90 prosenttia sen TMS:n aiheuttamasta voimasta, mikä on alhaisempi kuin mitä on havaittu sähköistä stimulaatiota käyttävissä tutkimuksissa. Maraton kuitenkin vähensi merkittävästi kykyä aktivoida lihas maksimaaliseen suorituskykyyn. On syytä huomauttaa, että keskeinen väsymys, jota mitataan nykimisinterpolointitekniikalla, palautuu nopeasti harjoituksen jälkeen (Gandevia ym. 1996). Ross ym. (2007) havaitsivat kuitenkin, että tibialis anterior -lihaksen tahdonalainen aktivoituminen väheni selvästi 20 minuutin kuluessa maratonin jälkeen ja hävisi 4 tunnin kuluttua, mikä osoittaa kortikaalisen tuoton muuttuneen.
Vaikka esitetyt tulokset ovat vaikuttavia, keskusväsymyksen kehittymisen taustalla olevia mekanismeja ei ole selvitetty. On houkuttelevaa käsitellä tällaisia mahdollisia mekanismeja. Aivojen aktivointi lisää aivoverenkiertoa, koska neuraalinen aineenvaihdunta tehostuu, mikä ilmenee aivojen hapen (CMRO2) ja hiilihydraatin (CMRCHO) aineenvaihduntanopeuksina. CMRO2:n ja CMRCHO:n välisen suhteen pieneneminen, joka levossa on ∼6, on ominaista aivojen aktivoinnille, ja rasittava liikunta lisää hiilihydraattien ottoa suhteessa hapen ottoon (Dalsgaard, 2006). Liikunnan aikana kehittynyt CMRO2:n ja CMRCHO:n pienentynyt suhde identifioi liikunnan voimakkaana aivojen aineenvaihdunnan aktivaattorina ja osoittaa, että liikunta aiheuttaa merkittävää häiriötä aivojen aineenvaihdunnassa. Kun otetaan huomioon, että aivoilla on vain vähän kapasiteettia anaerobiseen aineenvaihduntaan, aktivoinnin aikana otetun ylimääräisen hiilihydraatin kohtalo on mitä todennäköisimmin se, että se metaboloituu, vaikka ammoniakkipuhdistuman osuus voi olla noin 10 prosenttia otetusta ylimääräisestä hiilihydraatista (Dalsgaard, 2006).
Kuntoilun aikana lihakset vapauttavat ja aivot ottavat ammoniakkia. Aivoilla ei ole tehokasta ureakiertoa ja ne ovat riippuvaisia glutamiinin synteesistä glutamaatista ammoniakin poistamiseksi. Ammoniakin poistuminen voi vähentää kiihottavien välittäjäaineiden glutamaatin ja γ-aminovoihapon pitoisuuksia, ja tällainen häiriö voi olla aivojen toimintahäiriöiden ja kroonisen väsymyksen taustalla maksasairauksissa, mikä viittaa siihen, että ammoniakki voi olla ”väsyttävä aine” liikunnan aikana (Nybo & Secher, 2004). Myös serotonergiset ja dopaminergiset järjestelmät ovat kiinnostavia (Newsholme ym. 1987). Serotoniinilla on merkitystä kiihtymykseen, uneliaisuuteen ja mielialaan, ja vaikka serotoniinin aineenvaihdunnan kinetiikkaa ei voida arvioida aivojen arteriovenoosierojen avulla, sen esiaste, tryptofaani, voi antaa tällaista tietoa. Dopamiini osallistuu liikkeen hallintaan, ja aivojen alueellinen dopamiiniaineenvaihdunta tehostuu liikunnan aikana eläimillä. Samoin dopamiinin valtimopitoisuus nousee rasittavan liikunnan aikana; vapautumisessa aivoissa ei kuitenkaan havaittu muutosta (Nybo & Secher, 2004).
Keskeisen väsymyksen havainnollistaminen kortikaalisen eksitaation muutoksena on suuri edistysaskel. Sovellettavia menetelmiä, kuten TMS:ää, valtimoiden välisiä eroja ja kuvantamistekniikoita, on kuitenkin yhdistettävä, jotta kortikaalisen herätettävyyden muutokset voidaan yhdistää aivojen hiilihydraatti-, aminohappo- ja välittäjäainevaihdunnan muutoksiin sekä aivojen ja lihasten väliseen aineenvaihdunta- ja hormoniviestintään. Kysymys kuuluu siis, mikä on kana ja mikä muna? Siksi syy-seuraus-suhteiden selvittämiseksi kuvailevan työn on siirryttävä kokeelliseen fysiologiaan ja integroiviin fysiologisiin tutkimuksiin, joissa on mukana ihmisiä.