Intensywny wysiłek fizyczny stanowi wyzwanie dla możliwości większości organów ciała, a nawet wpływa na funkcje życiowe serca i układu oddechowego. W tym względzie, mózg zajmuje interesującą pozycję, a w tym tomie Experimental Physiology, Ross et al. (2007) wykazują, że centralne zmęczenie, w stosunku do złącza nerwowo-mięśniowego, rozwija się po biegu maratońskim. Mózg aktywuje mięśnie, ale z drugiej strony mięśnie stanowią silnego konkurenta („śpiącego olbrzyma”, L. B. Rowell) w ciągłym dostarczaniu tlenu i substratów, na których opiera się mózg. Centralne zmęczenie zostało wykazane dla szczególnie powolnych skurczów mięśni podczas bardzo intensywnych ćwiczeń o krótkim czasie trwania z obniżeniem napięcia tlenu w mózgu (Rasmussen et al. 2007) i centralne zmęczenie nie jest ograniczone do przewidywalnych sytuacji, takich jak gdy ćwiczenie prowokuje podwyższoną temperaturę mózgu lub niski poziom glukozy we krwi (Nybo & Secher, 2004). Chociaż mechanizm(y) zaangażowane w centralne zmęczenie pozostaje(ą) nieznany(e), wyjaśnienie jak, kiedy i dlaczego centralne zmęczenie rozwija się podczas ćwiczeń jest ważne. Centralne zmęczenie może być uważane za środek bezpieczeństwa dla aktywnego organizmu w celu zrównoważenia funkcji różnych narządów. I odwrotnie, ważnym efektem treningu jest złagodzenie centralnego zmęczenia podczas intensywnych ćwiczeń. Ponadto, wgląd w mechanizmy odpowiedzialne za zmęczenie centralne może być istotny dla leczenia pacjentów cierpiących na choroby związane z chronicznym zmęczeniem.

To fascynujące, jak mózg, przez wiele godzin, może stresować ciało, nawet po „uderzeniu w ścianę” podczas biegu maratońskiego. Jest to jeszcze bardziej imponujące w warunkach laboratoryjnych. Bieg maratoński fascynował fizjologów od początku nowożytnych Igrzysk Olimpijskich, jako przykład ekstremalnego wysiłku fizycznego. Klasyczną obserwacją jest to, że prędkość biegu wyraźnie spada, gdy poziom glikogenu mięśniowego obniża się do krytycznego poziomu, co wymaga odpowiedniej zmiany strategii aktywacji. Załamanie stylu biegu sugeruje, że mięśnie nie są już aktywowane w sposób idealny, a przy użyciu technik elektrofizjologicznych, Ross et al. (2007) zapewniają pierwszy wgląd w zjawiska zachodzące w centralnym układzie nerwowym (CNS), na które bez wątpienia mają wpływ długotrwałe ćwiczenia.

Ross et al. (2007) używają interpolacji twitch do wyrażenia centralnej skuteczności aktywacji w rekrutacji mięśni. Do czasu, gdy Gandevia i współpracownicy ostrożnie wprowadzili przezczaszkową stymulację magnetyczną (TMS) dla interpolacji twitcha (Todd i wsp. 2003), pomiar dobrowolnej aktywacji był oceniany przez elektryczną stymulację nerwu ruchowego (Merton, 1954). Zaletą TMS jest dostęp do komórek w obrębie kory ruchowej u obudzonych ludzi, a tym samym możliwość oszacowania aktywności w szlakach motoneuronalnych. Chociaż efekt TMS jest złożony (Petersen i wsp. 2003), TMS otwiera okno dla oceny rekrutacji włókien mięśniowych; pozostaje jednak potrzeba ostrożnej interpretacji wyników.

Nerw ruchowy do mięśnia piszczelowego przedniego leży w pobliżu gałęzi wspólnego nerwu okostnowego, a stymulacja elektryczna mająca na celu aktywację mięśnia piszczelowego przedniego może aktywować mięśnie okostnej (Gandevia & McKenzie, 1988), tak więc interpretacja jego roli w produkcji momentu obrotowego wokół stawu skokowego będzie złożona. Ross i wsp. (2007) stymulowali nerw obwodowy za pomocą stymulacji magnetycznej i pozostaje do ustalenia, w jaki sposób bodziec ten obejmuje różne gałęzie nerwu okoruchowego wspólnego.

Zaletą zastosowania TMS do aktywacji mięśnia piszczelowego przedniego jest to, że ma on niski próg i, co ważne, niższy próg niż antagonista (mięsień podeszwowy). Jest to istotne, zwłaszcza gdy ocenia się dodatkową siłę indukowaną przez bodziec, w porównaniu z wysiłkiem dobrowolnym. Dobrowolna aktywacja mięśnia piszczelowego przedniego wynosiła mniej niż 90% jego siły indukowanej przez TMS, co jest wartością niższą od stwierdzonej w badaniach z użyciem stymulacji elektrycznej. Niemniej jednak maraton istotnie zmniejszał zdolność do maksymalnej aktywacji mięśnia. Należy zaznaczyć, że zmęczenie centralne, mierzone techniką interpolacji skurczów, szybko powraca do normy po wysiłku (Gandevia i wsp. 1996). Niemniej jednak Ross i wsp. (2007) stwierdzili wyraźne zmniejszenie dobrowolnej aktywacji mięśnia piszczelowego przedniego w ciągu 20 min po maratonie, które ustąpiło po 4 h, co świadczy o zmianie wyjścia korowego.

Chociaż przedstawione wyniki są imponujące, mechanizmy leżące u podstaw rozwoju centralnego zmęczenia nie zostały wyjaśnione. Kuszące jest zajęcie się takimi możliwymi mechanizmami. Aktywacja mózgu zwiększa mózgowy przepływ krwi, ponieważ zwiększa się metabolizm neuronów, wyrażony przez mózgowe wskaźniki metabolizmu tlenu (CMRO2) i węglowodanów (CMRCHO). Zmniejszenie stosunku CMRO2 do CMRCHO, wynoszącego ∼6 w spoczynku, jest charakterystyczne dla aktywacji mózgu, a intensywny wysiłek fizyczny zwiększa pobór węglowodanów w stosunku do poboru tlenu (Dalsgaard, 2006). Zmniejszony stosunek pomiędzy CMRO2 i CMRCHO powstały podczas ćwiczeń identyfikuje ćwiczenia jako silny aktywator metabolizmu mózgowego i ilustruje, że ćwiczenia powodują wyraźne perturbacje metabolizmu mózgowego. Biorąc pod uwagę, że mózg ma małą zdolność do metabolizmu beztlenowego, los nadwyżki węglowodanów pobranych podczas aktywacji jest najprawdopodobniej taki, że są one metabolizowane, chociaż klirens amoniaku może stanowić około 10% pobranej nadwyżki węglowodanów (Dalsgaard, 2006).

Podczas ćwiczeń mięśnie uwalniają, a mózg pobiera amoniak. Mózg nie ma skutecznego cyklu mocznikowego i zależy od syntezy glutaminy z glutaminianu w celu usunięcia amoniaku. Eliminacja amoniaku może zmniejszyć stężenie pobudzających neuroprzekaźników glutaminianu i kwasu γ-aminomasłowego, a takie zaburzenia mogą leżeć u podstaw dysfunkcji mózgu i przewlekłego zmęczenia w chorobach wątroby, sugerując, że amoniak może być „czynnikiem zmęczenia” podczas ćwiczeń (Nybo & Secher, 2004). Interesujące są również układy serotoninergiczny i dopaminergiczny (Newsholme i wsp. 1987). Serotonina odgrywa rolę w pobudzeniu, senności i nastroju, a podczas gdy kinetyka metabolizmu serotoniny nie może być oceniana poprzez różnice tętniczo-żylne dla mózgu, jej prekursor, tryptofan, może dostarczyć takich informacji. Dopamina jest zaangażowana w kontrolę ruchu, a regionalny mózgowy metabolizm dopaminy jest zwiększony podczas ćwiczeń fizycznych u zwierząt. Podobnie tętnicze stężenie dopaminy wzrasta podczas intensywnych ćwiczeń, jednak nie zaobserwowano zmian w jej uwalnianiu w mózgu (Nybo & Secher, 2004).

Zobrazowanie centralnego zmęczenia jako zmiany w pobudzeniu korowym jest dużym krokiem naprzód. Jednak stosowane metody, takie jak TMS, różnice tętniczo-żylne i techniki obrazowania, muszą zostać połączone w celu powiązania zmian w pobudliwości korowej z tymi w mózgowym metabolizmie węglowodanów, aminokwasów i neuroprzekaźników, jak również z metabolizmem i sygnalizacją hormonalną między mózgiem a mięśniami. Powstaje więc pytanie, co jest kurą, a co jajkiem? Dlatego, aby wyjaśnić przyczyny i związki skutkowe, praca opisowa musi przesunąć się do fizjologii eksperymentalnej i integracyjnych badań fizjologicznych z udziałem ludzi.

.