Intense inspanning stelt het vermogen van de meeste organen van het lichaam op de proef, en zelfs de vitale functies van het hart en het ademhalingssysteem worden aangetast. In dat opzicht nemen de hersenen een interessante positie in, en in dit deel van Experimental Physiology tonen Ross et al. (2007) aan dat centrale vermoeidheid, ten opzichte van de neuromusculaire junctie, ontstaat na een marathonloop. De hersenen activeren de spieren, maar aan de andere kant vormen de spieren een sterke concurrent (“de slapende reus”, L. B. Rowell) voor de voortdurende toevoer van zuurstof en substraat waarvan de hersenen afhankelijk zijn. Centrale vermoeidheid is aangetoond voor bijzonder langzame spiercontracties tijdens zeer intense inspanning van korte duur met verlaging van de zuurstofspanning in de hersenen (Rasmussen et al. 2007) en centrale vermoeidheid is niet beperkt tot voorspelbare situaties, zoals wanneer inspanning een verhoogde hersentemperatuur of een lage bloedglucosespiegel uitlokt (Nybo & Secher, 2004). Hoewel het mechanisme of de mechanismen die betrokken zijn bij centrale vermoeidheid onbekend blijven, is opheldering over hoe, wanneer en waarom centrale vermoeidheid zich tijdens inspanning ontwikkelt belangrijk. Centrale vermoeidheid kan worden beschouwd als een veiligheidsmaatregel voor het actieve organisme om de functie van verschillende organen in evenwicht te houden. Omgekeerd is een belangrijk effect van training het verlichten van centrale vermoeidheid tijdens intensieve inspanning. Bovendien kan inzicht in mechanismen die verantwoordelijk zijn voor centrale vermoeidheid relevant zijn voor de behandeling van patiënten die lijden aan ziekten die gepaard gaan met chronische vermoeidheid.
Het is fascinerend hoe de hersenen urenlang het lichaam kunnen belasten, zelfs nadat het ‘de muur heeft geraakt’ tijdens een marathonloop. Dit is nog indrukwekkender in een laboratoriumomgeving. De marathon heeft fysiologen gefascineerd sinds het begin van de moderne Olympische Spelen, als het voorbeeld van extreme inspanning. Het is een klassieke waarneming dat de loopsnelheid duidelijk afneemt wanneer het spierglycogeenniveau daalt tot een kritisch niveau, waardoor de activeringsstrategie dienovereenkomstig moet veranderen. De afbraak van de loopstijl suggereert dat de spieren niet langer ideaal worden geactiveerd en met behulp van elektrofysiologische technieken verschaffen Ross et al. (2007) een eerste inzicht in de fenomenen binnen het centrale zenuwstelsel (CZS) die ongetwijfeld door langdurige inspanning worden beïnvloed.
Ross e.a. (2007) gebruiken twitch interpolatie om de centrale activeringsefficiëntie bij het recruteren van de spieren uit te drukken. Totdat Gandevia en collega’s voorzichtig transcraniële magnetische stimulatie (TMS) introduceerden voor twitch interpolatie (Todd et al. 2003), werd de meting van vrijwillige activatie geëvalueerd door elektrische stimulatie van de motorische zenuw (Merton, 1954). TMS biedt het voordeel van toegang tot cellen binnen de motorische cortex bij wakkere mensen en daardoor een schatting van de activiteit in de motoneuronale paden. Hoewel het effect van TMS complex is (Petersen et al. 2003), opent TMS wel een venster voor de evaluatie van de rekrutering van spiervezels; er blijft echter een behoefte aan zorgvuldige interpretatie van de resultaten.
De motorische zenuw naar de tibialis anterior spier ligt in de nabijheid van de tak van de n. peroneus communis, en elektrische stimulatie gericht op het activeren van de tibialis anterior spier kan de peroneale spieren activeren (Gandevia & McKenzie, 1988), zodat de interpretatie van zijn rol in de productie van draaimoment rond het enkelgewricht complex zal zijn. Ross et al. (2007) stimuleerden de perifere zenuw met magnetische stimulatie, en het moet nog worden vastgesteld hoe deze stimulus de verschillende takken van de n. peroneus communis omvat.
Het voordeel van het gebruik van TMS voor activering van de tibialis anterior spier is dat deze een lage drempel heeft en, belangrijk, een lagere drempel dan de antagonist (soleus spier). Dit is relevant, vooral wanneer de door de stimulus geïnduceerde extra kracht, vergeleken met een vrijwillige inspanning, wordt beoordeeld. De vrijwillige activering van de m. tibialis anterior was minder dan 90% van de door TMS geïnduceerde kracht, wat lager is dan wat is gevonden in studies met elektrische stimulatie. Niettemin verminderde de marathon het vermogen om de spier tot een maximale prestatie te activeren aanzienlijk. Er zij op gewezen dat centrale vermoeidheid, zoals gemeten met de twitch interpolatie techniek, zich snel herstelt na inspanning (Gandevia et al. 1996). Ross e.a. (2007) vonden niettemin een duidelijke vermindering van de vrijwillige activering van de tibialis anterior binnen 20 min. na de marathon, die na 4 uur verdwenen was, hetgeen een verandering in de corticale output aantoonde.
Hoewel de gepresenteerde resultaten indrukwekkend zijn, zijn de onderliggende mechanismen voor de ontwikkeling van centrale vermoeidheid niet opgehelderd. Het is verleidelijk op dergelijke mogelijke mechanismen in te gaan. Activering van de hersenen verhoogt de cerebrale doorbloeding omdat het neurale metabolisme wordt versterkt, zoals uitgedrukt door de cerebrale stofwisselingssnelheden van zuurstof (CMRO2) en koolhydraten (CMRCHO). Een afname van de verhouding tussen CMRO2 en CMRCHO, die ∼6 is in rust, is een kenmerk van cerebrale activering, en bij zware inspanning neemt de koolhydraatopname in verhouding tot die van zuurstof toe (Dalsgaard, 2006). De verminderde verhouding tussen CMRO2 en CMRCHO die tijdens inspanning wordt ontwikkeld, identificeert inspanning als een krachtige activator van het cerebrale metabolisme en illustreert dat inspanning een duidelijke verstoring van het cerebrale metabolisme veroorzaakt. Aangezien de hersenen weinig capaciteit hebben voor anaërobe stofwisseling, is het lot van het overtollige koolhydraat dat tijdens de inspanning wordt opgenomen hoogstwaarschijnlijk dat het wordt gemetaboliseerd, hoewel ammoniakklaring goed kan zijn voor ongeveer 10% van het overtollige koolhydraat dat wordt opgenomen (Dalsgaard, 2006).
Tijdens de inspanning geven de spieren ammoniak af en nemen de hersenen ammoniak op. De hersenen hebben geen effectieve ureumcyclus en zijn voor de verwijdering van ammoniak afhankelijk van de synthese van glutamine uit glutamaat. Verwijdering van ammoniak kan de concentratie van de prikkelende neurotransmitters glutamaat en γ-aminoboterzuur verlagen, en een dergelijke verstoring zou ten grondslag kunnen liggen aan cerebrale disfunctie en chronische vermoeidheid bij leverziekten, wat suggereert dat ammoniak een “vermoeiend middel” zou kunnen zijn tijdens de inspanning (Nybo & Secher, 2004). Ook van belang zijn de serotonerge en dopaminerge systemen (Newsholme et al. 1987). Serotonine speelt een rol bij opwinding, slaperigheid en stemming, en hoewel de kinetiek van het serotoninemetabolisme niet via arterioveneuze verschillen voor de hersenen kan worden beoordeeld, kan zijn precursor, tryptofaan, dergelijke informatie wel verschaffen. Dopamine is betrokken bij de controle van beweging, en het regionale cerebrale dopaminemetabolisme is verhoogd tijdens lichaamsbeweging bij dieren. Evenzo neemt de arteriële dopamineconcentratie toe tijdens zware inspanning; er werd echter geen verandering in de afgifte in de hersenen waargenomen (Nybo & Secher, 2004).
De illustratie van centrale vermoeidheid als een verandering in corticale excitatie is een grote stap voorwaarts. De toepasselijke methoden, zoals TMS, arterioveneuze verschillen en beeldvormingstechnieken, moeten echter worden gecombineerd om veranderingen in corticale exciteerbaarheid te koppelen aan die in cerebraal koolhydraat-, aminozuur- en neurotransmittermetabolisme, alsmede aan metaboliet- en hormonale signalering tussen de hersenen en de spieren. De vraag is dan, wat is de kip en wat is het ei? Om de oorzakelijke verbanden te verduidelijken, moet het beschrijvende werk dus verschuiven naar experimentele fysiologie en integratieve fysiologische studies met mensen.