影响疲劳强度的因素(关于运动性疲劳理论的最新讨论)

Posted 2023-05-26

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影响疲劳强度的因素(关于运动性疲劳理论的最新讨论)

作者：Fernando A.M.S. Pompeu

翻译：刘烨群 / 校对：李新，王宇

运动生理学家正面临着一个重要的认识论问题。一种理论认为，疲劳是因摄氧量达到上限而产生的；而新理论提出，中枢会在内坏境稳态失调之前进行控制。许多生理学家对于自己认同的理论会专门寻找证据支持，即便归纳总结发现真理并非一定如此。当一些研究者无法验证自己的假设时，他们就会利用相对主义再次提出其理论。Timothy D. Noakes 及其同事基于相对主义建立了自己的理论，使其不可能被经验性观察所驳倒。该理论也无法解释最古老的 Hill 理论所能说明的全部现象。Noakes 理论并未像其预期中那样准确。此外，Noakes 没有采用恰当的测试评估摄氧量平台是否真正出现在肌肉中。同时，该理论也并未像科技工作者所期待的那样，提出能够检验人体最大努力时中枢调节的新的测试方法。研究认为，疲劳机制转向 “中枢控制器模型” 理论无任何优势。

认识论问题的历史背景

运动生理学学界一直进行着一场激烈而又无休止的关于认识论的争论。这场辩论始于 1996 年，Noakes 教授在美国运动医学会的年会上进行了一次有争议的讲座。但随后在 1997 年，Bassett 和 Howley 在他们的论文中回应了 Noakes 的观点。他们的论文中总结道:

“…Noakes 的观点没有强有力的科学证据支撑，并且提出了许多悖论和未解决的困境。”

之后，Noakes 在两年后将其充满争议的讲座发表在《Medicine and Science in Sports and Exercise》杂志上，对运动生理学产生了强烈的影响。此外，在 20 世纪末，Noakes 教授在《Scandinavian Journal of Medicine and Science in Sports》上发表了他的理论。他认为，造成运动疲劳的原因包括，能量补充/缺乏模型、肌肉用力/募集模型、生物医学模型、心理模型，并概述了可能限制不同运动条件下运动表现的生理、代谢和生物力学因素。由此，Noakes 教授在教练和其他体育专业人士中广泛传播他的理论。

Noakes 的理论也曾被许多著名的运动生理学家拒绝，例如 Elin Ekblom Bak, Per-Olof Astrand, David R. Bassett, Edward T. Howley 和 Roy shephard。然而，在那个时候，很多人已经相信了 Noakes 的理论，特别是在 Pires 在 2013 年发表了他的论文之后。在这一篇文章中，Pires 指出，反对 Noakes 观点的选择可以通过 Thomas Kuhn 的科学革命结构来解释。如此，这个争论就从运动生理学转向了科学哲学。

Noakes的中枢控制器模型

（来自Noakes讲座的PPT截图，2005年）

2017 年，Robert A. Robergs 教授用 Popper 的科学分界标准回应了 Pires 的论文，并将 Noakes 的理论归为值得怀疑。在他的论文中，Robergs 教授表明，自从 1998 年中枢控制器模型（Central Governor Model, CGM) 首次发表以来，Noakes 提出了多个改变其定义的假说。所以，Noakes 的理论值得怀疑，因为它是一个不可驳倒的假设。当然 Pires 和 Noakes 通过 Kuhn 的相对论也回应了 Robergs 教授。另一方面，Pompeu 在 2018 年发表于《BMJ Open Sports and Exercise Medicine》的一篇社论短文中指出了 Pires 和 Robergs 的论文中存在一些哲学问题。这不仅是因为 Robergs 混淆了 Kuhn 和 Popper 的词汇，也因为 Pires 提出了 Kuhn 令人怀疑的哲学，而这些并不能解决这个问题。

通过这种方式，本论文将更深入地探讨 Popper 的学说，以直面新旧运动生理学的理论。其次，我们将讨论为什么 Kuhn 的学说不适合用来解决这个问题。

科学的理论

理论是由某个人提出的用来解释现象或现实的猜想。科学理论的特点是对未来观测的精确预测。因此，这一理论必须具有普遍性和可驳倒性。这就是说，科学理论必须完全包含整个现象，也可因其预测的错误而予以否定。因此，科学与伪科学的分界标准是科学理论可以被观测事实驳倒。

为了使知识继续进步，旧的科学理论应该被一个更好的理论完全取代，或者通过改正它的错误部分进行改进。在科学革命中，一个旧的理论会被另一个更精确的或更多的信息理论所取代。例如，可以这样推断:

进行长距离和中距离跑时，随着有氧代谢率的提高，需要提高摄氧量。当我跑 1600 m 的时候，我的吸氧量从静息时的 0.25 L/min 增加到 4.05 L/min。

实验结果或具体的命题，显示了预测和描述了效果。在上面的命题中，效果是增加摄氧量，这是由跑 1600 m 引起细胞呼吸速率的增加所致。因此，可以通过因果关系原理来演绎推测。但总有另一个因素引发此原因，这就产生了无穷无尽的回归。因此，一方面，当假设是对现实世界的描述时，它的最终原因在于形而上学。另一方面，当命题是一个逻辑分析时，它是一个重复的断言。此外，科学家只能看到一个现象发生的过程及其结果，换而言之，看到的是两个先后发生的事件。因此，因果之间的联系只是一种抽象。

科学家应该在方法论上引导自己的工作，通过一个连贯的理论体系来找到普遍规律。一个普遍命题可以是成立 (有) 和否定 (没有)。这种命题不能被证明是正确的，只有在限制空间和时间区域的情况下才能被拒绝。成立命题的一个例子是: 人体可以被测量的最大摄氧量是 4.0 L/min。

当一个存在命题被加上时间和空间的限制时，它可以被称为“纯命题”或“严格”命题。如果某物的存在与全称命题相悖时，我们只能通过一个严格的命题来证明其错误，例如:在我的实验室里，现在，有一位桨手的最大摄氧量达到了 6.15 L/min。

此外，重要的是要强调科学是归纳推理。这种推理是从一个特定的真理到一个普遍的真理。例如，研究人员观察一个现象 1，2，3……，100……，1000…次，然后宣布他或她的假设为自然法则；但只要有一个相反的例子就足以驳倒这个理论。这就是所谓的 “归纳法问题”。解决这个问题的办法是用概率代替真理。如今，科学家们提出了如下假设：在显著性水平为 α ≤ 0.05，人类的最大摄氧量最高为 4.0 L/min。

逻辑推理的规则显示了一种有效的推理方法。当一个人从事实或命题中得到前提时，他或她就能得到结论。如果结论被观察证实，那么它就被认为是正确的。因此，前提也是真前提，因为在有效的逻辑推理中，真结论不可能来自假前提。与结论相反的观察结果表明，这些前提不是真的，或者这些假设是假的。

在这个理论讨论中错误使用逻辑规则或谬论的一个例子，是 Noakes 提出的反驳摄氧量平台的理由。作者认为摄氧量平台一定是因达到了心输出量平台所致。因此，摄氧量平台会引起心肌缺血。这是一个无效的推论，因为在该假设中，把前提和结论联系起来时未考虑多个现象，例如：骨骼肌和心肌在大小数量和血管弹性、氧扩散梯度、线粒体密度、心肌细胞代谢率变时性和变力性调整因素等的差异。换句话说，前提不能直接与结论联系在一起。因此，这个错误是由归纳跳跃引起的，因为结论也不是真的，所以前提不为真。

如果有人想要提出一个新的理论体系，那么他或她必须问一下自己的新体系是否会促进科学知识的进步。仅仅对实验结果进行逻辑分析是无法解决这个疑问的。对比理论的基本命题可能会更有用。因此，一个经验理论可以被明确证明是错误的。因此，至少一个普遍事件或基本命题来反驳一个经验系统。这样，就有必要知道所有与这一理论不相容的基本命题。此外，为了解支持该理论的证据，提出与该理论兼容的基本命题也是有用的。许多研究者，当他们不能证实自身理论时，就用相对论的、非理性的和模糊的论点来为其失败而辩解。正如我们在下面的 Pires 关于 CGM 理论的文章中所看到的：

“…可能被证明是一场科学革命的事物，始于反常发现累计的自然结果。在这些不同的发现面前，新的想法导致了 “危机”，推动了运动科学的科学革命——Kuhn 称之为范式转变。CGM (Central Governor Model, 中枢控制器模型) 可能促进了人们对一种新的解释的接受，一种中枢监管的发力模型，以理解运动上限。…”

当我们意识到一个事实也就是知道真相时，真理的概念可能会被误解。例如，我们可能会相信真相是我们可以衡量的一切。这是一种实用主义的现实观点。在这种情况下，我们误解了有用性和真理的概念。另一个例子是，当真相被认为等同于科学家之间的共识时，就混淆了确定性和真理的概念。真理也可以通过以下标准被接受，即它的来源、成功的频率，甚至无法用另一种方式理解。一般来说，这些关于真理的想法是主观的，依赖于每个人的信仰或其他特点。但接近真相的一个重要线索是寻找连贯性和一致性。尽管这些都不是真理的标准，但它们的缺失却一定是错误。

“中枢控制器模型”的科学革命

在运动生理学领域，关于最大强度运动时的氧气供应和需求一直存在争论。最完整的理论是 Hill 在 1921 年到 1924 年提出的，并且该理论的架构一直在被修改与演进 Hill 理论的基本思想是，当身体摄入和输送的氧气不能满足肌肉代谢率时，将产生乳酸以补充能量。Hill 称这种现象为 “缺氧”。解释 “缺氧” 的重要证据是运动强度最大时会出现摄氧量平台。在这种情况下，即使一个人可以通过无氧代谢承受更高的运动负荷，但是摄氧量不会继续增加。

然而，Noakes 指出了 Hill 理论中的一个逻辑冲突：1）摄氧量平台的出现意味着无氧代谢正在发生，而未出现摄氧量平台则意味着肌肉摄氧量充足；2）然而实际中，最大运动强度时并不一定会出现摄氧平台；3）无氧代谢都不限制所有受试者的运动强度，或者说无论是否出现摄氧平台，无氧代谢都限制了最大运动强度。基于这一矛盾，Noakes 提出了 “中枢控制器模型” (CGM)。这意味着大脑在整合了一些躯体信息后阻止了最大的运动强度，以避免“内稳态的灾难性损害”。

问题是哪种理论更好呢？在回答这个问题之前，我们需要确定一个理论进步的潜在标准。例如，能够包含更多信息的理论可能更好。如果一个科学家深入研究这个理论进步的标准，那么他应该选择有更多实证数据的理论。

在 Noakes 的第一篇文章中，他没有展示实证数据来检验或支持 CGM。相反，Noakes 选择对其他作者的实验做出新的解释。如上述，研究者提出的假设至少应该包含一个可驳倒的全称命题，并且这个假设必须在一个专门设计的实验中进行检验，以证明它是错误的。仅仅使用早期文献中的实验数据和基于其他研究目的的文献进行新的分析是不够的。Noakes 教授应该提出与 CGM 不相容的观察结果并进行测试。

此外，Noakes 在 2012 年提出了一种假说，即疲劳是大脑为保护自身内稳态免受损害而产生的一种情绪。在这篇论文中，Noakes 试图提出证据来支持他的中枢控制器假说。他认为大脑通过反馈和前馈神经驱动来控制运动，但他并不能清晰地描述大脑整合感觉和运动的机械现象。他杂乱无章地列举了许多刺激，如：营养状态、睡眠不足、药物摄入、神经递质、免疫内分泌信号等来解释他的理论。他无法解释每一个变量的相对重要性；比如它们什么时候工作，什么样的运动将由他们控制。另一方面，Hill 的理论已经积累了 90 年的独立进行的实验证据。此外 Hill 理论中还提供了关于现象的经验信息，从肌肉纤维代谢到循环和呼吸系统，但未包括大脑。

另一个可以用来选择哪个理论更好的标准是倾向一个更有趣或更冒险的问题。关于大脑会阻止身体免受崩溃或 “灾难性伤害” 的猜想已经存在。1923 年，Hill & Lupton 提出中枢神经系统 (CNS) 可能在控制运动中断中起重要作用。

马拉松起源故事的跑者Pheidippides

（图片来源：runnersworld.com）

所以，我们可以预期，人类可以抵抗他们的生物决定因素。就像 Pheidippides（斐迪庇第斯）的故事一样，当时 “中枢控制” 并没有避免 “灾难性的损伤”。这个故事讲的是 Pheidippides 为传达希腊人在马拉松打败波斯军队的消息，跑了很长一段距离后牺牲。

Noakes 提出了以下证据来反驳 Hill 的理论：

（1）Hill 的理论是失败的，因为只有 50% 的受试者在最大运动强度时出现了摄氧量平台。Noakes 批评 Taylor 等人的测功实验，因为他们几乎所有研究对象中都显示出了摄氧平台。Noakes 认为，跑步机的工作负荷是通过坡度而不是速度来增加的，导致错误的产生。根据 Noakes 的说法，Taylor 等的方案改变了正常的运动模式（实验对象在场地奔跑），从而导致了摄氧平台出现。但这是一个错误的论点，因为研究人员应该测试摄氧平台现象，而不是测试当受试者在操场或跑步机上跑步时，运动模式是否发生了变化。

（2）Noakes 研究了一种抑制 CNS 的阿片类药物，它可以在运动过程中增加一些不适感。因此，这种药物可能会导致过早的运动中断。即使这个证据可能是正确的，它也不能反驳 Hill 的理论。在生理条件下，摄氧量平台的主要原因仍然是摄氧量的上限效应。

（3）Noakes 的结论是，骨骼肌氧合的失败并不是运动中断的明确原因。他得出这个结论是因为肌肉细胞没有进入无氧状态这一“不容置疑”的事实。他将肌肉内的平均氧分压高于线粒体内临界氧分压作为一个证据。问题是，如果不考虑差异大小，平均值就解释不了什么现象。将体外或在体研究的结论转移至活体研究时的技术问题，例如：肌肉组织学、活检深度、参与特定运动的整个肌肉群的样本代表性，以及非常高的氧扩散阻力，都会导致这些结果存在很大的差异。因此，这不是一个不容置疑的结论。

（4）另一个支持 CGM 的论点是关于发力过程中的脑氧合。Noakes 的分析基于近红外光谱 (Near to Infrared Spectroscopy, NIRS) 测试。他指出，在这项研究中，来自肯尼亚卡伦津部落的 15 名跑步者在 10 km 比赛中成绩为 28.7 ± 0.4 min。他们进行力竭测试，在跑步机上以 5 km 比赛中最佳速度的 105% 反复跑 1km，坡度为 1%，间隔 30 s，直到无法保持当前功率。这些研究人员采集了大脑左侧前额叶的 NIRS 数据。作者发现，大脑氧合随测试进行而下降 (α ≤ 0.01效应量 [ES] = 4.59)，大脑氧合与速度呈负相关 (α≤ 0.017, r2 = -0.37)，并且跑了 5 次或更少的运动员（56.0 ± 20.5%）和那些超过 6 次的运动员（48.4 ± 20.9%）在大脑氧合下降程度上也有显出差异 ( ES = 0.36)。尽管这项研究没有对照组，也没有考虑到近红外光谱数据通常差异较大，但这些研究者得出的结论是存在一个触发疲劳的大脑氧合阈值。同样，作者也没有解释左前额叶皮层为什么会以及如何导致疲劳。此外，即使这种脑氧衰竭有可能发生，它也不能反驳 Hill 的理论。Noakes 需要将大脑氧合不足与疲劳联系起来，无论是否伴有摄氧平台。

（5）Noakes 也用乳酸悖论来反驳 Hill 的理论。这一悖论指出，受试者在高海拔的不适环境中几天后，血乳酸浓度会降低。众所周知，当肾上腺素刺激糖原磷酸化酶时，可以产生乳酸，使得线粒体外代谢比线粒体内代谢更快。此后，由于质量作用定律，这个过程产生乳酸。但在其他情况下，乳酸也会产生，如当血液循环受阻时、或在等容量贫血条件下、或者当某人呼吸混有一氧化碳气体 (产生碳氧血红蛋白) 时、以及其他氧气输送减少的情况。因此，乳酸悖论并不能反驳 Hill 的理论。这一现象并不能排除摄氧量平台期无氧代谢产生乳酸的可能性。

（5）此外，Noakes 还研究了受试者在高海拔运动时，肌电图活动减少的现象。Noakes 将这一结果解释为 CNS 活动降低的证据。然而，中枢疲劳或外周疲劳可以引起这一现象，但肌电图不能显示中枢疲劳。

根据这个列表，似乎 Noakes 一直试图通过推翻 Hill 的理论来证明他的理论。这是一种否定假言推理。对此可以作一个类比：1）如果在下雪，路就滑了；2）没有下雪；3）所以路不滑。或 1）如果 Hill 的理论是正确的，那么 CGM 就是错误的；2）的理论是不正确的；3）所以 CGM 是正确的。假言推理方式只能在肯定的命题中有效。很容易看出，没有雪的道路也可能因为其他原因会很滑。

最后的斟酌和结论

通过回答以下问题，我们可以得出哪个理论是最好的：

（1）Noakes 是否通过他的理论做出了比 Hill 更精确的预测？

答：否! Noakes 基于对文献中已经存在的数据进行新的解释，提出了“中枢控制器”模型。因此，精度不能再提高。

（2）Noakes 的理论是否比 Hill 的理论考虑了更多的事实？

答：否! Hill 的理论是一个涉及细胞、生物组织和器官系统现象的整体，但 Noakes 的理论并没有考虑到所有这些结构。

（3）Noakes 的 CGM 是否比 Hill 的理论解释了更多的事实？

答：否! Noakes 只提到了一个事实，那就是 CNS 在触发疲劳的过程中发挥了作用。另一方面，当前版本的 Hill 理论解释了从细胞代谢到整体系统的几个事实。

（4）Noakes 的理论是否能够经受住更多反驳 Hill 理论的事实考验？

答：否! Noakes 没有采用合适的能量测试对摄氧量平台进行测试。因此，为了使在口腔进行的气体交换测试能实际代表细胞新陈代谢，有必要在没有先前工作负荷的情况下，使用有较大的肌肉群参与，并且持续时间超过 2 min 的运动测试。Noakes 未在这些条件下并证明摄氧平台不会出现或用 CGM 来解释力竭。

（5）Noakes 的理论是否提出并经受住了 Hill 在他的理论中没有考虑到的新的测试考验？

答：否! Noakes 没有证据表明 CGM 是因最大运动强度导致的疲劳，无论摄氧平台是否出现。

（6）Noakes 理论显示的问题是孤例么？

答：是的! 但目前还没有新的测试能在最大强度运动下直接且有效的测试大脑状况。

因此，可以得出这样的结论：从现有的 Hill 理论转变为 Noakes 提出的 CGM 理论没有太多的学术优势。

此最新研究由来自巴西里约热内卢联邦大学的 Fernando A.M.S. Pompeu 教授完成，成果刊登在中国体育科学学会会刊《运动医学与健康科学（英文）》（Sports Medicine and Health Science, SMHS）2022 年第 1 期上（封面文章）。关于这个经典议题的更多讨论和故事，请留意 SMHS 上的后续文章。

参考文献：

Pompeu FAMS. Why Pheidippides could not believe in the 'Central Governor Model': Popper's philosophy applied to choose between two exercise physiology theories. Sports Med Health Sci. 2021;4(1):1-7.

https://doi.org/10.1016/j.smhs.2021.10.001

Robergs RA, Opeyemi O, Torrens S. How to be a better scientist: Lessons from scientific philosophy, the historical development of science, and past errors within exercise physiology. Sports Med Health Sci. 2022;4(2):140-146.

https://doi.org/10.1016/j.smhs.2022.04.001

来源：运动科学论坛