你累了嗎？簡述肌肉疲勞的機制

肌肉疲勞(Fatigue)的現象，根據定義是指肌肉在收縮的情況下其最大產生的張力下降，也就是指在Sliding filament theory中肌肉橫橋的形成週期發生了困難。然而肌肉疲勞的現象卻絕非是只有因為單一個原因而發生，通常伴隨著多重的原因，例如神經上、血管上、或是能量代謝上的影響往往都會影響著肌肉收縮的能力還有其發生疲勞的程度。根據文中附圖可以清楚的指示出肌肉在體內（in vivo）的收縮機制會因為許多上游的因素發生了問題而導致肌肉疲勞的產生，也同時說明了肌肉的疲勞現象是一個多重原因影響的現象，需要藉由動物實驗以及觀察人類的研究去深入探討。

影響肌肉收縮的過程：

中樞神經影響：肌肉收縮的訊號根源處，由中樞神經發出，形成了初步對肌肉收縮訊號的調控，包括收縮程度、訊號頻率以及收縮部位的決定，該訊號形成後往周邊傳入對應的部位。

周邊神經活化：來自中樞的訊號傳入後，周邊的運動神經活化並且開始支配肌肉細胞，鈣離子通道開啟並且引發在Neuromuscular junction的突觸前神經元釋放出大量的Ach (Acetylcholine)傳至肌肉細胞，此過程在膜電位上改變引發的動作電位還有傳訊速率上都會調控了肌肉收縮。

肌肉細胞本身的調控：肌肉細胞接受訊號刺激後，會進行所謂的E-C coupling(Excitation contraction coupling)，將訊號的刺激轉化為實際上的收縮運動，此過程會因為肌肉Myosin和Actin形成橫橋的過程，還有鈣離子的濃度影響actin結合位的暴露決定了肌肉收縮的張力還有速率。

能量代謝上的調控：許多生化代謝途徑能提供肌肉收縮的動力源，然而這些代謝的副產物的累積同時也會對於肌肉收縮產生抑制性的回饋，給予氧氣或是排除這些能量代謝物的副產物能更有效的恢復肌肉的收縮能力並且延遲疲勞的發生。

不同的研究方法測定肌肉疲勞的不同面向：

調控	研究方法
收縮能力的變化	Voluntary and electrically stimulated contraction
神經上的調控	Transcranial magnetic stimulation/ complex EMG electrode array
胞內能量上的調控	in vivo MRS

深度探討：高強度收縮下肌肉細胞的特殊能量代謝變化：

肌肉細胞和其他細胞最為特別的不同點在於，其在高強度的運動下會面臨著將近數百倍的能量消耗率，而在一般的有氧運動下則是約為20倍以上。這些情形甚至還要考慮到在運動狀態下，肌肉細胞同時還得面對因為大量能量消耗而造成的整體肌肉細胞低濃度ATP環境，而面對這些處境，肌肉細胞演化出了一套十分精緻的能量調控系統，可以將產能以及耗能的區域間隔化（compartmentalization），以達成更好的能量使用效率。這些隔間可以限制能量代謝的副產物進入以及有著更高效率的ATPase活動，使得這些區域的能量使用率和整體的相比大相徑庭。

能量代謝對於EC coupling在肌肉疲勞下的調控機制

如同先前所提，肌肉在刺激訊號傳入到收縮的過程稱為ECC（Excitation contraction coupling），而這個過程有許多步驟是根據肌肉能量代謝的狀態下去調控的，可以分為直接調控以及非直接調控。

直接調控的位點包括Transverse tubular system(T- tubule, 感受動作電位傳入的特化細胞膜區域)還有Sacrolemma (肌肉細胞)上面的ion pumping以及Myosin的ATPase活性、SR上的Ca2+ ATPase都是受到ATP還有代謝副產物（ADP, Pi等）濃度直接的調控。另外，除了以上直接調控的鈉鉀幫浦、鈣離子幫浦等，也有許多離子通道也是受到肌肉細胞能量狀態所影響。

Reference:

1.    Kent, Jane A., et al. "No Muscle Is an Island: Integrative Perspectives on Muscle Fatigue." Medicine and science in sports and exercise 48.11 (2016): 2281-2293.

2.    Bigland‐Ritchie, B. W. J. J., and J. J. Woods. "Changes in muscle contractile properties and neural control during human muscular fatigue." Muscle & Nerve: Official Journal of the American Association of Electrodiagnostic Medicine 7.9 (1984): 691-699.