基于PAP效應的熱身方案在鉛球項目訓練與比賽中的應用

楊 坤，宦承妤

在競技體育領域，運動員的賽前準備狀態對運動成績有著重要影響，科學合理的熱身方案能夠有效幫助運動員將賽前準備狀態調整至最佳水平進而有效提高運動表現。近年來，以PAP效應為基礎的新型熱身方案廣泛引起學術界的關注。PAP（post-activation potentiation）即激活后增強效應（也有學者將其譯為預激活增強效應），是一種通過預先短時間最大強度或次最大強度抗阻訓練（resistance training）使肌肉快速力量或爆發力急劇增加的一種生理現象。推鉛球作為一個以力量為基石，出手速度為關鍵的速度力量型投擲項目，鉛球出手的速度、高度、與角度是決定運動成績的三個基本因素，其中，出手速度作為主導因素主要受到肌肉峰值功率（Peak power）的影響。因此將基于PAP效應主導的熱身方案納入鉛球運動員訓練與比賽中能夠有效提高其運動表現。

20世紀90年代國外就已有針對PAP對肌肉爆發力影響相關研究，并已經將其用于實踐訓練過程中，如通過肌肉抗阻訓練、超等長訓練（plyometric training）相結合以提高運動員爆發力表現，將抗阻力量訓練賽前熱身方案相結合形成PAP熱身方案等。目前國內現有投擲項目熱身方案類文獻研究中鮮有涉及這一“激活—增強”現象，運動訓練實踐中PAP類熱身方案也一直未能得到廣泛應用。究其原因，在于PAP研究在我國還是一個新興研究方向，處于初步探索階段，且在實踐應用時影響因素過多具有一定復雜性。鑒于此，本研究將從實踐出發結合前人研究成果，在厘清PAP效應生理機制與影響因素的基礎上提出基于PAP效應的科學化熱身方案，力求提高鉛球運動員在訓練與競賽中的運動表現。

1 PAP的生理機制

自1982年美國生物學家manning通過大鼠跖伸肌實驗初次觀測到肌肉的“激活—增強”現象以來，學術界就對其背后生理機制不斷進行探索，但對于導致肌肉產生這種“增強”狀態的原因尚未達成一致，當前最具有代表性的解釋主要有3種：（1）肌肉在受到大強度刺激后強化了肌球蛋白調節輕鏈（Myosin Regulatory Light Chains，MRLC）的磷酸化作用。（2）負荷刺激使運動神經興奮性增強運動神經元募集運動單位數量增加。（3）負荷刺激使肌纖維羽狀角度（Pinnation Angle，PA）發生改變。

1.1 肌球蛋白調節輕鏈的磷酸化作用

1864年德國生理學家Kuehne發現一組與骨骼肌收縮密切相關的蛋白質，后將其命名為肌球蛋白（Myoson）。肌球蛋白又名肌凝蛋白，是一種分子馬達蛋白。其分子結構呈“Y”形，由兩條長肽鏈（重鏈）和兩對短肽鏈（調節輕鏈，RLC和必需輕鏈，ELC）構成。

肌球蛋白輕鏈激酶（myosin light chain kinase，MLCK）在肌細胞收縮過程中起著關鍵的調節作用，可由進入肌質的鈣離子與鈣調節蛋白結合后激活。激活后的MLCK與肌球蛋白調節輕鏈上的絲氨酸發生磷酸化作用，激活肌球蛋白頭部的ATP酶，此酶與ATP發生反應釋放能量，使橫橋擺動拖引細肌絲向粗肌絲發生滑動，肌細胞收縮。大強度負荷刺激可提高鈣調節蛋白與鈣離子結合的敏感性，使流入肌質的鈣離子濃度增加，使激活的MLCK數量增多，肌球蛋白頭部ATP酶的激活能力得到增強，最終使APT能量釋放速度加快，跨橋循環率的增加，肌肉收縮速度得到提高。最終使力量—速度曲轉向右移動（圖1），使機體的快速力量得到提升。

圖1 力量—速度曲線

1.2 運動神經元募集運動單位數量增加

神經系統的調控能力是影響肌肉收縮力量與收縮速度的重要因素。運動神經發出神經沖動募集脊髓前角α運動神經元所支配的骨骼肌纖維引起肌肉收縮。這種募集方式遵循“大小”和“順序”兩個原則，即運動強度低時小的α運動神經元控制的少量肌纖維先被募集，隨著肌肉力量的增加，大的α運動神經元支配的大量的肌纖維再被募集。熱身活動可以在中樞神經系統上留下興奮性提高的痕跡，并使肌肉活性增強，運動神經元募集能力提升。如朱雨等人通過肌電數據監控低氧、常氧條件下抗阻練習對短跑 運動員下肢肌肉運動單位募集發現低氧條件下抗阻訓練可有效促進運動單位的募集從而提高爆發力。現有投擲類等爆發力運動項目中熱身活動普遍負荷強度較低，高層次運動單位未被募集，熱身效果并未達到最大化。

此外，預先進行大強度負荷刺激可引發突觸前易化（presynaptic facilitation）效果，在之后的活動中使神經肌肉接點突觸釋放遞質質量、數量增加，引起突觸后電位幅值加大，突觸后神經元興奮性提高，對高階運動單位募集能力提高。此時，肌肉力量得到增強，這一過程可維持數分鐘。

1.3 肌纖維羽狀角度發生改變

羽狀肌肌腱軸線與肌纖維線之間會形成一定的夾角θ，現代解剖學中把這個夾角稱之為“羽狀角”。大部分羽狀肌夾角都在0到30°之間。肌肉的總拉力約等于單位橫斷面積肌纖維拉力*cosθ（圖2），肌肉羽狀角減小時，肌肉向肌腱和骨的力量傳導效率會提高，肌肉總拉力提高。肌纖維處于牽拉狀態時還會受到周圍肌纖維的相互擠壓，這種擠壓產生的側向拉力會降低其正向應力，此時肌纖維表現為更具抗拉。此外，單位橫斷面積肌肉羽狀肌肌纖維的數目也總是多于梭形肌等肌肉。Mahlfeld等人實驗發現股外側肌肉在經過3S最大強度負荷刺激3～6分鐘后，羽狀角從收縮前的16.2度減少至14.4度（P＜0.05），這一角度變化使肌腱力量傳輸效率增加了約0.9%，作者認為羽狀角度的改變對PAP作出了貢獻。Fukunaga等人利用超聲波掃描儀對志愿者的股外側肌束進行掃描成像，分析計算得出羽狀角的變化對力的影響約為4%～7%。

圖2 羽狀角度與肌纖維

2 影響PAP的變量

PAP具有高度個性化，運動員的個人特點、訓練水平、訓練的類型強度都對PAP的效果產生重要影響。教練員需保持清醒的頭腦，準確把握影響PAP的各種因素，才能將其成功應用于比賽與訓練中。

2.1 個體因素

2.1.1 運動水平

高水平運動員在訓練與比賽中抗負荷能力、恢復能力、神經肌肉系統的協調工作能力等大都優于低水平運動員，這些因素正是影響PAP效應產生的關鍵，因此高水平運動員更易通過誘導產生PAP現象。

如Seitz等人對從事爆發力項目的高水平運動員和業余運動員分別進行5組90%1RM杠鈴深蹲的PAP誘導實驗，結果顯示高水平組運動員垂平均直跳躍高度增加了2%～3.2%，業余組下降約2%～4.2%。Chiu等人對一組至少有六個月抗阻訓練經歷的志愿者進行90%1RM的PAP誘導訓練，利用帶有傳感器的平臺對其彈跳功率進行評估，一組未經過抗阻訓練的普通組執行對照測試。實驗發現有訓練經驗的志愿者組平均跳躍下蹲峰值功率均有所提高（P＜0.05），普通組未見明顯提高（P＞0.05）。

2.1.2 力量水平

運動員的力量水平也是影響PAP的一個重要因素。梁美富等人針對兩組力量水平不同的運動員進行負荷量為一組三次90%1RM杠鈴靜態半蹲跳（static squat jump）的PAP誘導實驗，發現優勢組運動員半蹲跳高度峰值變化（11.44%）高于普通組（7.98%），且峰值出現時間（6min）比普通組（3min）晚，結果具有顯著差異性（P＜0.05）。Duthie等人研究發現，在3組3個1RM半蹲訓練后，體格強壯組受試者跳躍下蹲時的峰值力量和峰值功率都有所提高。體格較弱組受試者在峰值力量和峰值功率方面表現出溫和的下降。

2.1.3 項目類型

PAP效應在由快速力量、爆發性力量等作為主導的運動項目中作用較為顯著。有觀點認為其作用原理可能主要與肌肉中肌纖維類型及其占比等原因有關。一般來說，肌肉中II型肌纖維的含量越多，占比越高，通過激活產生的PAP效應越明顯。Hamada等人在其研究中證實了這種觀點，實驗通過對20名青年男性的膝關節伸肌進行10s的最大自主等長收縮（MVC）訓練來誘發PAP。并分別對四名PAP最高與最低的受試者進行股外側肌針刺活檢，以確定肌纖維類型的分布，結果顯示，與PAP最低的四個受試者相比，PAP最大的四個受試者的II型纖維比例更高，肌肉收縮時間更短。Moore等人的實驗結果也支持了Hamada的觀點。

2.1.4 性別年齡

性別年齡會對機體中樞神經系統的調控能力、肌纖維類型比例、細胞分子水平活性等因素產生重要影響。這些因素是影響PAP的關鍵。多個研究表明PAP與年齡呈倒“U”型關系，即PAP效果會隨年齡的增長而增加，當到達一定階段會轉而下降。由于男女之間在肌纖維類型含量，肌肉體積等方面存在的差異，一般男性PAP效果高于女性。男女在不同年齡階段身體與力量發育也有不同，年齡效應在女性中表現要弱于男性。

2.2 影響PAP效果的訓練學因素

2.2.1 激活方法手段

與后續運動項目相似的運動模式的激活訓練是引起PAP強大生理效應的重要因素之一。不同運動項目運動員在執行運動程序時所需肌群與運動單位募集程度和肌肉放電順序等均不相同，選擇與運動員技術動作相似的誘導訓練模式能使PAP得到高效激活。

肌肉的收縮形式也會對PAP效果產生影響。Rixon等人認為采用等長收縮形式（MVC）比等動收縮（DS）誘導PAP效果更好，且等長收縮代謝成本更低，產生的疲勞更少。Joseph等人對10名男子橄欖球運動員進行不同肌肉收縮形式的臥推實驗，并用肌電儀對運動員三角肌、胸大肌等肌電信息進行檢測記錄。實驗結果顯示，采用等長收縮形式的臥推組運動員PAP效果大于其他收縮形式組。因此，肌肉的等長收縮形式可作為PAP激活的首選方案。

2.2.2 激活負荷量度

一般力量水平、運動能力等越高的運動員所能承受的負荷強度越多，激活所需的負荷強度越大［9］，值得注意的是負荷強度過高時會使肌肉產生疲勞或損傷。Fukutani等人實驗發現45%～90%1RM負荷訓練都能激發肌肉產生增強效應，增強效率會隨負荷強度的增加而增加。Wilson等人對32個研究結果進行META分析后評估發現，中等強度即60%～84%1RM抗阻訓練產生的PAP效果最為理學，這一強度范圍能既能有效激活PAP又能避免肌肉因過高強度刺激產生疲勞或損傷。

在負荷數量上，中等強度刺激下多次重復抗阻訓練產生的PAP效果要大于單次大強度抗阻訓練［28］。一般情況下，當誘導強度為60%～84%1RM可以重復4～5次抗阻訓練，誘導強度為86%～93%1RM時，重復次數可降低至1～3次［27］。

2.2.3 激活休息時間

PAP效果經常被稱為“Goldilocks”原則，國內學者將其譯為“機會窗口”，這主要是由PAP效果的持續時間和機體由疲勞恢復到正常狀態所需的時間決定的。PAP在激活后立刻達到峰值，在1min中內迅速下降，隨后緩慢下降。由于疲勞始終存在于之前的負荷刺激過程中，當休息時間過少時，機體尚處在疲勞狀態，運動表現會降低。休息時間過長時，PAP效果減弱，同樣不能促使運動表現得到提升。這種狀態可用適應—疲勞模型來表示（圖3），負荷刺激后疲勞占據主導地位使運動表現下降，經過休息過后機體恢復，PAP占據優勢，機會窗口出現，運動表現得到提高。

圖3 適應—疲勞模型

在未經訓練、受過訓練和運動員等不同群體中經過負荷刺激后PAP效果最大化所需的休息時間不同，Wilson等人研究分析多個實驗結果在激活訓練后的立刻（＜2min）、短時間（3～7min）、中等時間（7～10min）、長時間（＞10min）休息后對PAP的影響（圖4）。結果顯示采用中等休息時長（7～10min）PAP效果最為理想。

圖4 休息時長與PAP

國內也有學者得出相似的結論，如郭文霞等對不同力量水平的田徑運動員進行90%1RM三次杠鈴半蹲PAP誘導實驗，間隔15s，3min、6min、9和12 min測試其縱跳高度，實驗發現負荷后3、6、9min時結果具有顯著差異性（P＜0.05），6min時表現為峰值高度。

3 基于PAP效應的熱身方案

PAP類熱身方案在國內并未得到廣泛應用，如何在比賽中成功應用PAP是當前研究亟需解決的問題。由于PAP本身特有的“機會窗口”與激活形式等使得PAP激活手段只能放準備活動的最后一個環節。因此，我們可以將PAP誘導措施與傳統的賽前熱身策略進行融合，形成基于PAP效應的“4+”式熱身方案。即采用“+有氧練習（Aerobic exercises）+動態拉伸（dynamic stretching）+專項熱身（special warm-up）+PAP激活練習（PAP activation exercises）”的形式。在制定激活處方時需要教練員對負荷量、休息時間、運動員的狀態等進行精準把控。

3.1 激活方式

目前國內外頂級鉛球運動員在比賽中普遍使用背向滑步推鉛球和旋轉式推鉛球兩種技術。鉛球項目世界紀錄正是由旋轉式推鉛球技術所創造的（1990.5；蘭迪·巴恩斯；23m12）。

要選擇理想的激活手段，首先要對兩種技術發力階段的肌肉活動特征進行分析。韓岳洋等人采用高速攝像機與遙測機電儀對不同級別鉛球運動員（健將、一級、二級）背向滑步推鉛球技術最后發力階段進行測試，實驗結果顯示在最后用力階段，運動員優勢側的豎脊肌（564 uvs）、肱三頭肌（405uvs）、胸大肌（393 uvs）和腹直肌（377 uvs）的電位值較大，為主要發力肌。張海龍等人利用便攜式肌電儀對4名健將級運動員1名一級運動員在背向滑步推鉛球最后用力階段的肌電特征進行分析，實驗發現5名運動員的右三角肌肌電信號值最高、其次為右胸大肌和右斜方肌。孫威等人采用表面肌電（sEMG）監測技術對山東省田徑隊鉛球高水平運動員16塊肌肉行肌電監測，分析運動員在旋轉式推鉛球最后用力階段各肌肉肌電貢獻率。實驗結果顯示最后用力階段主要發力肌為右腹外斜肌、左右股直肌、左右腓腸肌、三角肌和胸大肌。這與尹華跟等人的研究結果相似。

由此我們可以看出兩種推鉛球技術中的最后用力階段，三角肌、胸大肌表現最為興奮，是幫助肩關節積極外展、伸肘發力的主要原動肌，這在生物力學特征上與臥推杠鈴時肌肉特征相似。因此在激活手段的選擇上，可采用最大MVC刺激形式的杠鈴臥推方案作為誘導。下肢肌群雖也有參與，但主要功能還是以維持軀體平衡為主，故不必進行PAP激活。

3.2 負荷量度

從先前的分析中我們已經參考了數個關于PAP的經典研究案例，在進行激活時可以采用4～5次60～84%1RM或1～3次86%～93%1RM的杠鈴臥推作為誘導手段。教練員也要根據運動員的個人特點和當天的運動狀態等進行適時調整，運動水平高的運動員可進行較大負荷多次刺激，運動水平低的運動員可對負荷質量與數量進行適當減少。運動員比賽當日狀態好時可適量增加，狀態低時則相反。

3.3 休息時間

根據現有研究結果顯示一般采用7分鐘～10分鐘的中等休息時長產生的PAP效果最好，既能使疲勞消退運動員機體得到恢復，又能使PAP效果占據主導地位，運動表現得到提升。但并非一成不變的，教練員在實際訓練中可以采用以下量表作為參考（表1）。

表1 休息時長參考量表

4 結語

盡管學術界已經對PAP進行了大量研究。但PAP作為一種高度個性化的方案，總是會受到運動員的個人特點、身體狀態和心理狀態等因素的影響，在使用時并不容易掌控。在先前的研究中我們已經知道了PAP應用時的最佳負荷量度、休息時長和影響因素等，倘若想使PAP達到最佳理想效果，還需教練員在日常訓練過程中針對每一位運動員進行大量測試尋找最佳刺激負荷與休息時長，量身制作最佳的個性化PAP方案，積累PAP應用技巧與經驗。這可能會浪費一些時間與精力，但對于人類在競技運動中越來越逼近人體運動能力極限的今天而言，我想是值得的。