RUNNING ON EMPTY

Running on empty

A revolutionary new theory in sports physiology.

A For almost a century, scientists have presumed, not unreasonably, that fatigue – or exhaustion in athletes originates in the muscles. Precise explanations have varied but all have been based on the ‘limitations theory’. In other words, muscles tire because they hit a physical limit: they either run out of fuel or oxygen or they drown in toxic by-products.

B In the past few years, however, Timothy Noakes and Alan St Clair Gibson from the University of Cape Town, South Africa, have examined this standard theory. The deeper they dig, the more convinced they have become that physical fatigue simply isn’t the same as a car running out of petrol. Fatigue, they argue, is caused not by distress signals springing from overtaxed muscles, but is an emotional response which begins in the brain. The essence of their new theory is that the brain, using a mix of physiological, subconscious and conscious cues, paces the muscles to keep them well back from the brink of exhaustion. When the brain decides its time to quit, it creates the distressing sensations we interpret as unbearable muscle fatigue. This ‘central governor* theory remains controversial, but it does explain many puzzling aspects of athletic performance.

C A recent discovery that Noakes calls the ‘lactic acid paradox’ made him start researching this area seriously. Lactic acid is a by-product of exercise, and its accumulation is often cited as a cause of fatigue. But when research subjects exercise in conditions simulating high altitude, they become fatigued even though lactic acid levels remain low. Nor has the oxygen content of their blood fallen too low for them to keep going. Obviously, Noakes deduced, something else was making them tire before they hit either of these physiological limits.

D Probing further, Noakes conducted an experiment with seven cyclists who had sensors taped to their legs to measure the nerve impulses travelling through their muscles. It has long been known that during exercise, the body never uses 100% of the available muscle fibres in a single contraction. The amount used varies, but in endurance tasks such as this cycling test the body calls on about 30%.

E Noakes reasoned that if the limitations theory was correct and fatigue was due to muscle fibres hitting some limit, the number of fibres used for each pedal stroke should increase as the fibres tired and the cyclist’s body attempted to compensate by recruiting an ever-larger proportion of the total. But his team found exactly the opposite. As fatigue set in, the electrical activity in the cyclists’ legs declined – even during sprinting, when they were striving to cycle as fast as they could.

F To Noakes, this was strong evidence that the old theory was wrong. ‘The cyclists may have felt completely exhausted,’ he says, ‘but their bodies actually had considerable reserves that they could theoretically tap by using a greater proportion of the resting fibres.’ This, he believes, is proof that the brain is regulating the pace of the workout to hold the cyclists well back from the point of catastrophic exhaustion.

G More evidence comes from the fact that fatigued muscles don’t actually run out of anything critical. Levels of glycogen, which is the muscles’ primary fuel, and ATP. the chemical they use for temporary energy storage, decline with exercise but never bottom out. Even at the end of a marathon, ATP levels are 80-90% of the resting norm, and glycogen levels never get to zero.

H Further support for the central regulator comes from the fact that top athletes usually manage to go their fastest at the end of a race, even though, theoretically, that’s when their muscles should be closest to exhaustion. But Noakes believes the end spurt makes no sense if fatigue is caused by muscles poisoning themselves with lactic acid as this would cause racers to slow down rather than enable them to sprint for the finish line. In the new

Cạn kiệt năng lượng

Một lý thuyết mới mang tính cách mạng trong khoa học thể thao.

ATrong gần một thế kỷ, các nhà khoa học đã đoán, không phải vô lý, rằng mệt mỏi – hoặc kiệt sức ở các vận động viên bắt nguồn từ các cơ. Những lời giải thích chính xác có nhiều thay đổi nhưng tất cả đều dựa trên ‘lý thuyết giới hạn’. Nói cách khác, cơ bắp mệt mỏi vì chúng đã đạt đến một giới hạn vật lý: chúng hoặc hết nhiên liệu hoặc ôxy hoặc chúng bị chết đuối trong các sản phẩm phụ độc hại.

BTuy nhiên, trong vài năm qua, Timothy Noakes và Alan St Clair Gibson từ Đại học Cape Town, Nam Phi, đã xem xét lý thuyết tiêu chuẩn này. Càng đào sâu, họ càng tin rằng sự mệt mỏi về thể chất đơn giản không giống như một chiếc xe hết xăng. Họ lập luận rằng mệt mỏi không phải do tín hiệu đau đớn phát ra từ các cơ hoạt động quá mức, mà là một phản ứng cảm xúc bắt đầu trong não. Bản chất của lý thuyết mới của họ là bộ não, sử dụng sự kết hợp của các tín hiệu sinh lý, tiềm thức và ý thức, vận động các cơ để giữ chúng trở lại khỏe mạnh khỏi bờ vực kiệt sức. Khi bộ não quyết định thời gian để nghỉ, nó sẽ tạo ra cảm giác đau đớn mà chúng ta hiểu là sự mỏi cơ không thể chịu đựng được. Lý thuyết ‘điều khiển tập trung* này vẫn còn gây tranh cãi, nhưng nó giải thích nhiều khía cạnh khó hiểu về hiệu suất thể thao.

CMột khám phá gần đây mà Noakes gọi là ‘nghịch lý axit lactic’ đã khiến ông bắt đầu nghiên cứu lĩnh vực này một cách nghiêm túc. Axit lactic là sản phẩm phụ của quá trình tập thể dục, và sự tích tụ của nó thường được coi là nguyên nhân gây ra mệt mỏi. Nhưng khi các đối tượng nghiên cứu tập thể dục trong các điều kiện mô phỏng độ cao, thì họ trở nên mệt mỏi mặc dù mức axit lactic vẫn ở mức thấp. Hàm lượng oxy trong máu của họ cũng không giảm quá thấp để họ tiếp tục hoạt động. Rõ ràng, Noakes đã suy luận, một điều gì đó khác đang khiến họ mệt mỏi trước khi họ đạt đến một trong hai giới hạn sinh lý này.

DThăm dò thêm, Noakes đã tiến hành một thí nghiệm với bảy người đi xe đạp có gắn cảm biến vào chân để đo các xung thần kinh truyền qua cơ của họ. Từ lâu người ta đã biết rằng trong quá trình tập luyện, cơ thể không bao giờ sử dụng hết 100% các sợi cơ có sẵn trong một lần co cơ. Lượng sử dụng khác nhau, nhưng trong các nhiệm vụ về độ bền như bài kiểm tra đạp xe này, thì cơ thể sẽ tăng khoảng 30%.

ENoakes lý luận rằng nếu lý thuyết giới hạn là đúng và sự mệt mỏi là do các sợi cơ chạm đến một giới hạn nào đó, thì số lượng sợi cơ được sử dụng cho mỗi hành trình đạp xe sẽ tăng lên khi các sợi này mệt mỏi và cơ thể của người đi xe đạp sẽ cố gắng bù đắp bằng cách thu nhận một tỷ lệ ngày càng lớn hơn trong tổng số sợi cơ. Nhưng nhóm của ông đã tìm thấy điều hoàn toàn ngược lại. Khi sự mệt mỏi bắt đầu xảy ra, hoạt động điện ở chân của người đi xe đạp giảm dần – ngay cả khi đang chạy nước rút, khi họ đang cố gắng đạp xe nhanh nhất có thể.

FĐối với Noakes, đây là bằng chứng mạnh mẽ cho thấy lý thuyết cũ đã sai. Ông nói: “Những người đi xe đạp có thể đã hoàn toàn cảm thấy kiệt sức, nhưng cơ thể của họ thực sự có một lượng dự trữ đáng kể mà về mặt lý thuyết, họ có thể khai thác bằng cách sử dụng một tỷ lệ lớn hơn các sợi cơ nghỉ ngơi.” Ông tin rằng điều này là bằng chứng cho thấy bộ não đang điều chỉnh tốc độ tập luyện để giữ cho những người đi xe đạp trở lại khỏe mạnh sau khi kiệt sức nghiêm trọng.

GNhiều bằng chứng đến từ thực tế rằng cơ bắp mệt mỏi không thực sự gây ra bất cứ điều gì nguy hiểm. Mức độ glycogen, là nhiên liệu chính của cơ và ATP. hóa chất họ sử dụng để lưu trữ năng lượng tạm thời, suy giảm khi tập thể dục nhưng không bao giờ cạn kiệt. Ngay cả khi kết thúc một cuộc chạy marathon, mức ATP vẫn bằng 80-90% mức nghỉ ngơi và mức glycogen không bao giờ về không.

HHỗ trợ thêm cho bộ điều khiển tập trung đến từ thực tế là các vận động viên hàng đầu thường cố gắng đi nhanh nhất ở cuối cuộc đua, mặc dù về mặt lý thuyết, đó là lúc cơ bắp của họ gần như kiệt sức. Nhưng Noakes tin rằng việc bứt tốc về cuối sẽ không có ý nghĩa gì nếu sự mệt mỏi là do cơ bắp tự