ZNS-Ermüdung durch hohe Intensitäten: Ein Mythos.

Das zentrale Nervensystem besteht aus dem Gehirn und dem Rückenmark. Es ist der Auslöser der willkürlichen Motorik, also den quergestreiften ansteuerbaren Skelettmuskeln. Eine Ermüdung dieses Systems würde also in einer Verringerung der Ansteuerbarkeit resultiert.

Definition von Ermüdung:

"Fatigue can be generally defined as a decrease in physical performance related to a rise within the real/perceived difficulty of a task or exercise, as well as the inability of the muscles to keep up with the specified level of strength during exercises"
(Tornero-Aguilera et al., 2022, p. 1)

Definition von ZNS-Ermüdung:

Eine Reduktion der Aktivität des zentralen Nervensystems, welche zu einer geringeren Erregung der motorischen Einheiten führt.

Je größer also diese Ermüdung des Nervensystems, desto geringere Ansteuerung der Muskulatur durch das ZNS (Abd-Elfattah et al., 2015).
Obwohl die Muskulatur an sich nicht ermüdet ist, wird dadurch trotzdem weniger Kraft, also ermüdungslos möglich wäre, produziert.

1. Periphere Ermüdung:
   Die Ermüdung durch periphere Faktoren auf die Muskulatur (z.B. verringerte kontraktile Kraft innerhalb der Muskelfasern, Hemmung durch Metaboliten) während körperlicher Aktivität ist schon seit dem 20. Jahrhundert aufgekommen und hat länger den Einzug in die Wissenschaft bekommen (Bergström et al., 1967).
   
   Diese Form der Ermüdung kann durch Veränderungen der Stärke der Muskelzuckung festgestellt werden (Adam & De Luca, 2003).
   
2. Zentrale Ermüdung:
   Zusätzlich hat sich der Begriff der zentralnervösen Ermüdung breit gemacht. Diese Ermüdung wird durch zentrale Faktoren auf die Muskulatur (z.B. Größe der willkürlichen Erregbarkeit des Motoneuronenpools).
   
   Gründe für die Verringerung der Erregung der Motoneurone werden dem Motor Cortex (Todd et al., 2007) und den afferenten Impulsen auf spinaler Höhe (Gandevia, 2001).

"At a spinal level this produces competing excitatory and inhibitory influences on the motoneuron pool, many of which could contribute to the decline in motor unit firing rate observed during maximal isometric contractions" (Gandevia, 2001, p. 1772)

Nein. Das zentrale Nervensystem wird hauptsächlich durch Ausdauertraining ermüdet (Behm & St-Pierre, 1997; Yoon et al., 2007; Thomas et al., 2015, 2016). Im Krafttraining scheint die Ermüdung größtenteils peripherer Natur zu sein (Yoon et al., 2007).

"Specifically, the data suggest a task-dependent contribution of peripheral and central fatigue; peripheral fatigue is exacerbated with increases in exercise intensity, whereas central fatigue tends to increase as exercise intensity decreases and duration increases."
(Thomas et al., 2016, p. 1756)

Die Literatur zeigt gegen die bisherige Annahme, dass Krafttraining mit hohen Intensitäten auch eine hohe Ermüdung des ZNS erzeugt. Yoon et al. (2007) konnte sogar feststellen, dass einem Training mit geringer Kontraktionsstärken (20% MVC), daher mit geringer Intensität, zu einer höheren ZNS-Ermüdung führt als das Krafttraining mit höheren Intensitäten (80% MVC). Die Bewältigung von Bewegungen mit geringen Kraftanforderungen scheinen mehr zentrale Ermüdung zu erzeugen als Aufgaben mit hohen Kraftanforderungen.

"The magnitude of reduction in voluntary activation was greater after the low-intensity task (14%) than the high-force, short-duration task (5%)"
(Yoon et al., 2007, p. 523)

Kreuzheben gleich ermüdend wie Kniebeuge und Bankdrücken?

Kreuzheben ist genauso ermüdend auf das ZNS wie Kniebeugen oder Bankdrücken (Barnes et al., 2019; Bechler et al., 2019).

Eine Untersuchung von Barnes und Kollegen (2019) mit 10 trainierten Probanden (Squat 1RM = 116 158.2 ± 23.4kg, Deadlift 1RM = 191.5 ± 31.4 kg) ist zu folgender Schlussfolgerung gekommen:

"The greater peripheral fatigue observed after squat exercise may be due to the greater work completed by the quadriceps with this exercise. These results suggest that separate periodization, tapering, and programming considerations may be unnecessary when using the squat and deadlift to develop muscular strength."
(Barnes et al., 2019, p. 2)

Die Kontraktionsart und Dauer der Belastung der Muskulatur ist wichtiger als die involvierte Muskelmasse, wenn es um die Bestimmung der Ermüdung des ZNS geht.

Eine Untersuchung von Lum und Kollegen (2023) kam zu dem Schluss, dass ein intensives dynamisches Krafttraining das neuromuskuläre System länger einschränkt als ein isometrisches Krafttraining.

Conclusion

Der Grad der Ermüdung des ZNS korreliert sehr stark mit dem erzeugten Muskelschaden (Endoh et al., 2005).

Bei submaximalen willkürlichen Kontraktionen wird die erfahrene Ermüdung nur peripheren Faktoren zugeschrieben, nicht durch einer Ermüdung des ZNS (Contessa et al., 2016).

"In conclusion, our analysis does not directly refute the concept of central fatigue. However, it raises troubling questions about the interpretation of the proposed causes of central fatigue, and it shows that the attributes assigned to central fatigue can be explained solely by peripheral factors." (Contessa et al., 2016, p. 975)

Nehmen wir trotzdem an, dass zentrale Ermüdung während hoch intensiven willkürlichen Kontraktionen so wie im Krafttraining stattfindet:
Bei den meisten intensiven Bewegungen (mindestens 80-90%) wird ein Verlust der Muskelkraft üblicherweise der peripheren Ermüdung zugeschrieben. Die beobachtete Verringerung der Erregung durch das ZNS ist typischerweise sehr klein, 5-10% (Eichelberger & Bilodeau, 2007). Diese Tatsachen stellen den Begriff einer "zentralen" Ermüdung durch das Nervensystem sehr in Frage.

Literaturverzeichnis:

1. Abd-Elfattah, H. M., Abdelazeim, F. H., & Elshennawy, S. (2015). Physical and cognitive consequences of fatigue: A review. Journal of advanced research, 6(3), 351-358.
2. Yoon, T., Schlinder Delap, B., Griffith, E. E., & Hunter, S. K. (2007). Mechanisms of fatigue differ after low- and high-force fatiguing contractions in men and women. Muscle & nerve, 36(4), 515–524. https://doi.org/10.1002/mus.20844
3. Thomas, K., Elmeua, M., Howatson, G., & Goodall, S. (2016). Intensity-Dependent Contribution of Neuromuscular Fatigue after Constant-Load Cycling. Medicine and science in sports and exercise, 48(9), 1751–1760. https://doi.org/10.1249/MSS.0000000000000950
4. Thomas, K., Goodall, S., Stone, M., Howatson, G., St Clair Gibson, A., & Ansley, L. (2015). Central and peripheral fatigue in male cyclists after 4-, 20-, and 40-km time trials. Medicine and science in sports and exercise, 47(3), 537–546. https://doi.org/10.1249/MSS.0000000000000448
5. Behm, D. G., & St-Pierre, D. M. (1997). Effects of fatigue duration and muscle type on voluntary and evoked contractile properties. Journal of applied physiology (Bethesda, Md. : 1985), 82(5), 1654–1661. https://doi.org/10.1152/jappl.1997.82.5.1654
6. Barnes, M. J., Miller, A., Reeve, D., & Stewart, R. J. C. (2019). Acute Neuromuscular and Endocrine Responses to Two Different Compound Exercises: Squat vs. Deadlift. Journal of strength and conditioning research, 33(9), 2381–2387. https://doi.org/10.1519/JSC.0000000000002140
7. Daniel J. Belcher, Colby A. Sousa, Joseph P. Carzoli, Trevor K. Johnson, Eric R. Helms, Nishant P. Visavadiya, Robert F. Zoeller, Michael Whitehurst, and Michael C. Zourdos. 2019. Time course of recovery is similar for the back squat, bench press, and deadlift in well-trained males. Applied Physiology, Nutrition, and Metabolism. 44(10): 1033-1042. https://doi.org/10.1139/apnm-2019-0004
8. Endoh, T., Nakajima, T., Sakamoto, M., & Komiyama, T. (2005). Effects of muscle damage induced by eccentric exercise on muscle fatigue. Medicine and science in sports and exercise, 37(7), 1151–1156. https://doi.org/10.1249/01.mss.0000170098.26968.eb
9. Contessa, P., Puleo, A., & De Luca, C. J. (2016). Is the notion of central fatigue based on a solid foundation?. Journal of neurophysiology, 115(2), 967–977. https://doi.org/10.1152/jn.00889.2015
10. Tornero-Aguilera, J.F.; Jimenez-Morcillo, J.; Rubio-Zarapuz, A.; Clemente-Suárez, V.J. Central and Peripheral Fatigue in Physical Exercise Explained: A Narrative Review. Int. J. Environ. Res. Public Health 2022, 19, 3909. https://doi.org/10.3390/ijerph19073909
11. Lum, D., Howatson, G. Comparing the Acute Effects of a Session of Isometric Strength Training with Heavy Resistance Training on Neuromuscular Function. J. of SCI. IN SPORT AND EXERCISE (2023). https://doi.org/10.1007/s42978-023-00241-0
12. Bergström, J., Hermansen, L., Hultman, E., & Saltin, B. (1967). Diet, muscle glycogen and physical performance. Acta physiologica scandinavica, 71(2‐3), 140-150.
13. Adam, A., & De Luca, C. J. (2003). Recruitment order of motor units in human vastus lateralis muscle is maintained during fatiguing contractions. Journal of neurophysiology, 90(5), 2919-2927.
14. Todd, G., Taylor, J. L., Butler, J. E., Martin, P. G., Gorman, R. B., & Gandevia, S. C. (2007). Use of motor cortex stimulation to measure simultaneously the changes in dynamic muscle properties and voluntary activation in human muscles. Journal of Applied Physiology, 102(5), 1756-1766.
15. Gandevia, S. C. (2001). Spinal and supraspinal factors in human muscle fatigue. Physiological reviews, 81(4), 1725-1789.
16. Bigland-Ritchie, B., Johansson, R., Lippold, O. C., & Woods, J. J. (1983). Contractile speed and EMG changes during fatigue of sustained maximal voluntary contractions. Journal of neurophysiology, 50(1), 313-324.
17. Eichelberger, T. D., & Bilodeau, M. (2007). Central fatigue of the first dorsal interosseous muscle during low-force and high-force sustained submaximal contractions. Clinical physiology and functional imaging, 27(5), 298–304. https://doi.org/10.1111/j.1475-097X.2007.00751.x