Az intenzív testmozgás a szervezet legtöbb szervének teljesítőképességét próbára teszi, és még a szív és a légzőrendszer létfontosságú funkcióit is befolyásolja. Ebben a tekintetben az agy érdekes helyzetben van, és az Experimental Physiology ezen kötetében Ross és munkatársai (2007) bemutatják, hogy a központi fáradtság, a neuromuszkuláris csomóponthoz képest, maratoni futást követően alakul ki. Az agy aktiválja az izmokat, másrészt azonban az izmok erős versenytársat (“alvó óriás”, L. B. Rowell) jelentenek a folyamatos oxigén- és szubsztrátellátásért, amelyre az agy támaszkodik. A központi fáradtságot kimutatták különösen lassú izomösszehúzódások esetén nagyon intenzív, rövid ideig tartó edzés során az agy oxigénfeszültségének csökkenésével (Rasmussen et al. 2007), és a központi fáradtság nem korlátozódik kiszámítható helyzetekre, például amikor az edzés emelkedett agyi hőmérsékletet vagy alacsony vércukorszintet idéz elő (Nybo & Secher, 2004). Bár a központi fáradtságban szerepet játszó mechanizmus(ok) továbbra sem ismertek, fontos annak tisztázása, hogy hogyan, mikor és miért alakul ki központi fáradtság edzés közben. A központi fáradtság az aktív szervezet számára biztonsági óvintézkedésnek tekinthető a különböző szervek működésének kiegyensúlyozása érdekében. Ezzel szemben az edzés fontos hatása a központi fáradtság enyhítése az intenzív edzés során. Továbbá a központi fáradtságért felelős mechanizmusok megismerése fontos lehet a krónikus fáradtsággal járó betegségekben szenvedő betegek kezelése szempontjából.
Lenyűgöző, hogy az agy órákon keresztül hogyan képes megterhelni a szervezetet, még akkor is, ha egy maratoni futás során “falba ütközik”. Ez laboratóriumi környezetben még lenyűgözőbb. A maratoni futás a modern olimpiai játékok kezdete óta lenyűgözi a fiziológusokat, mint az extrém testmozgás példája. Klasszikus megfigyelés, hogy a futósebesség jelentősen csökken, amikor az izmok glikogénszintje kritikus szintre csökken, ami megköveteli, hogy az aktiválási stratégia ennek megfelelően megváltozzon. A futóstílus összeomlása arra utal, hogy az izmok már nem aktiválódnak ideális módon, és az elektrofiziológiai technikák alkalmazásával Ross és munkatársai (2007) első ízben nyújtanak betekintést a központi idegrendszeren (CNS) belüli jelenségekbe, amelyeket kétségtelenül befolyásol a hosszan tartó edzés.
Ross és munkatársai (2007) a rángatózási interpolációt használják az izmok rekrutációjában a központi aktivációs hatékonyság kifejezésére. Amíg Gandevia és munkatársai óvatosan be nem vezették a transzkraniális mágneses stimulációt (TMS) a twitch interpolációhoz (Todd et al. 2003), az önkéntes aktiváció mérését a motoros ideg elektromos stimulációjával értékelték (Merton, 1954). A TMS előnye, hogy éber emberben a motoros kéregben lévő sejtekhez fér hozzá, és ezáltal a motoneuronális pályák aktivitásának becslését teszi lehetővé. Bár a TMS hatása összetett (Petersen et al. 2003), a TMS ablakot nyit az izomrostok rekrutációjának értékelésére; az eredmények gondos értelmezésére azonban továbbra is szükség van.
A tibialis anterior izom motoros idege a közös peronealis ideg ágának közelében fekszik, és a tibialis anterior izom aktiválására irányuló elektromos ingerlés aktiválhatja a peronealis izmokat (Gandevia & McKenzie, 1988), így a bokaízület körüli nyomatéktermelésben betöltött szerepének értelmezése összetett lesz. Ross és munkatársai (2007) mágneses ingerléssel stimulálták a perifériás idegeket, és még meg kell állapítani, hogy ez az ingerlés hogyan foglalja magában a közös peroneus ideg különböző ágait.
A TMS használatának előnye a tibialis anterior izom aktiválásához az, hogy alacsony küszöbértékkel rendelkezik, és ami fontos, alacsonyabb küszöbértékkel, mint az antagonista (soleus izom). Ez különösen akkor lényeges, ha az inger által kiváltott többleterőt értékeljük az önkéntes erőfeszítéshez képest. A tibialis anterior izom önkéntes aktivációja kevesebb mint 90%-a volt a TMS által kiváltott erőnek, ami alacsonyabb, mint amit az elektromos stimulációt alkalmazó vizsgálatokban találtak. Mindazonáltal a maraton jelentősen csökkentette az izom maximális teljesítményre történő aktiválásának képességét. Ki kell emelni, hogy a központi fáradás, ahogyan azt a twitch interpolációs technikával mérik, gyorsan helyreáll az edzés után (Gandevia és mtsai. 1996). Mindazonáltal Ross és munkatársai (2007) a maraton után 20 perccel a tibialis anterior akaratlagos aktivációjának egyértelmű csökkenését találták, amely 4 óra elteltével megszűnt, ami a kortikális teljesítmény változását bizonyítja.
Noha a bemutatott eredmények lenyűgözőek, a központi fáradtság kialakulásának mögöttes mechanizmusai nem tisztázottak. Csábító, hogy ilyen lehetséges mechanizmusokkal foglalkozzunk. Az agy aktiválása növeli az agyi véráramlást, mert az idegi anyagcsere fokozódik, amit az agyi oxigén- (CMRO2) és szénhidrát- (CMRCHO) metabolikus ráták fejeznek ki. A CMRO2 és a CMRCHO közötti arány csökkenése, amely nyugalmi állapotban ∼6, az agyi aktiváció jellemzője, és a megerőltető testmozgás növeli a szénhidrátfelvételt az oxigénfelvételhez képest (Dalsgaard, 2006). A terhelés során kialakult CMRO2 és CMRCHO közötti csökkent arány a testmozgást az agyi anyagcsere erőteljes aktivátoraként azonosítja, és azt mutatja, hogy a terhelés az agyi anyagcsere jelentős perturbációját okozza. Tekintettel arra, hogy az agynak kevés kapacitása van az anaerob anyagcserére, az aktiválás során felvett többlet szénhidrát sorsa nagy valószínűséggel az, hogy metabolizálódik, bár az ammónia kiürülése a felvett többlet szénhidrát mintegy 10%-át teheti ki (Dalsgaard, 2006).
Az edzés során az izmok felszabadítják és az agy felveszi az ammóniát. Az agynak nincs hatékony karbamidciklusa, és az ammónia eltávolítása a glutamátból történő glutaminszintézistől függ. Az ammónia kiürülése csökkentheti az izgalmi neurotranszmitterek, a glutamát és a γ-aminovajsav koncentrációját, és ez a zavar állhat az agyi diszfunkció és a krónikus fáradtság hátterében májbetegségekben, ami arra utal, hogy az ammónia “fárasztó szer” lehet a testmozgás során (Nybo & Secher, 2004). Ugyancsak érdekes a szerotonerg és a dopaminerg rendszer (Newsholme és mtsai. 1987). A szerotonin az arousalban, az álmosságban és a hangulatban játszik szerepet, és bár a szerotonin metabolizmusának kinetikája nem értékelhető az agyra vonatkozó artériás különbségek révén, előanyaga, a triptofán ilyen információt nyújthat. A dopamin részt vesz a mozgás szabályozásában, és a regionális agyi dopamin-anyagcsere fokozódik testmozgás során állatokban. Hasonlóképpen, a dopamin artériás koncentrációja megnő megerőltető testmozgás során; azonban az agyban történő felszabadulásban nem tapasztaltak változást (Nybo & Secher, 2004).
A központi fáradtságnak az agykérgi gerjesztés változásaként való ábrázolása nagy előrelépés. Az alkalmazható módszereket, mint például a TMS, az arteriovénás különbségek és a képalkotó technikák, azonban kombinálni kell annak érdekében, hogy az agykérgi ingerlékenység változásai összekapcsolhatók legyenek az agyi szénhidrát-, aminosav- és neurotranszmitter-anyagcserében, valamint az agy és az izmok közötti metabolit- és hormonális jelátvitelben bekövetkező változásokkal. A kérdés tehát az, hogy mi a tyúk és mi a tojás? Ezért az ok-okozati összefüggések megvilágításához a leíró munkának át kell térnie a kísérleti fiziológiára és az embereket érintő integratív élettani vizsgálatokra.