คุณสมบัติ ของ หน่วยประสาทสั่งการ

แรงที่กล้ามเนื้อออกไม่ได้ขึ้นอยู่กับจำนวนของหน่วยสั่งการอย่างเดียว แต่ยังขึ้นอยู่กับคุณสมบัติการทำงานของหน่วยสั่งการอีกด้วย คุณสมบัติรวมทั้งความรวดเร็วในการหดเกร็ง แรงที่ออกได้มากที่สุด และความล้าได้/ความทนล้า คุณสมบัติการทำงานของหน่วยสั่งการจะต่าง ๆ กันทั้งภายในกล้ามเนื้อเดียวกันและกล้ามเนื้อต่างกัน หน่วยสั่งการแรกที่ร่างกายจัดเข้าทำงานเมื่อเคลื่อนไหวใต้อำนาจจิตใจเป็นแบบหดเกร็งช้า ออกแรงน้อย แต่ทนล้า และที่จัดเข้าทำงานหลังสุดเป็นแบบหดเกร็งเร็ว ออกแรงมาก และล้าง่าย หน่วยสั่งการของมนุษย์โดยมากเป็นแบบหดเกร็งเร็วปานกลางและออกแรงได้น้อย[4] เพราะเหตุนี้ หน่วยสั่งการจึงจัดเป็นประเภทต่าง ๆ ได้

ประเภทหน่วยสั่งการ

หน่วยสั่งการหนึ่งจะมีเส้นใยกล้ามเนื้อ (muscle fibre) ประเภทเดียวกัน[4] จึงสามารถจัดกลุ่มตามคุณสมบัติต่าง ๆ ของเส้นใยกล้ามเนื้อ

ทางสรีรวิทยา[7]
- ความเร็วการหดเกร็งแบบคงยาว (isometric contraction)
  - อัตราการเพิ่มแรง
  - เวลากว่าแรงกระตุกครั้งหนึ่งจะถึงจุดสูงสุดโดยตอบสนองต่ออิมพัลส์ประสาทหน่วยเดียว

ปัจจัยเหล่านี้แยกแยะใยกล้ามเนื้อเป็น

FF — Fast fatigable (เร็ว ล้าได้) — แรงมาก หดเกร็งเร็ว แต่ล้าภายในไม่กี่วินาที (เส้นใยกล้ามเนื้อปรากฏเป็นสีซีด มีไมโทรคอนเดรียน้อย ถึงขีดเริ่มเปลี่ยนการทำงานต่อเมื่อต้องหดเกร็งกล้ามเนื้อเร็วและออกแรงมาก ใช้สำหรับกิจกรรมที่ต้องออกแรงมากระยะสั้น ๆ เช่น วิ่ง[6])
FR — Fast fatigue resistant (เร็ว ทนล้า) — แรงปานกลาง ทนล้า — หดเกร็งได้เร็วและทนล้า (ไม่เร็วเท่า FF ออกแรงได้มากเป็นประมาณสองเท่าของหน่วย S[6])
FI — Fast intermediate (เร็ว ปานกลาง) — อยู่ระหว่าง FF กับ FR
S หรือ SO — Slow (oxidative) — แรงน้อย หดเกร็งช้า ทนล้าดีมาก (มีไมโอโกลบินมาก มีไมโทคอนเดรียมาก ได้หลอดเลือดฝอยดี เส้นใยกล้ามเนื้อปรากฏเป็นสีแดง มีขีดเริ่มเปลี่ยนการทำงานน้อย ทำงานอย่างต่อเนื่อง [tonic] ใช้สำหรับกิจกรรมที่ใช้กล้ามเนื้ออย่างต่อเนื่อง เช่น ดำรงร่างกายเมื่อยืน[6])

ทางชีวเคมี
- ทางมิญชเคมี (histochemical) เป็นวิธีการแยกแยะเส้นใยกล้ามเนื้อทางชีวเคมีที่เก่าแก่สุด[7][8]
  - ทางการทำงานของเอนไซม์สลายกลูโคส เช่น glycerophosphate dehydrogenase (GPD)
  - ทางการทำงานของเอนไซม์เปลี่ยนออกซิเดชัน เช่น succinate dehydrogenase (SDH)
  - ความไวของ Myosin ATPase ต่อกรดและแอลคาไลน์

ปัจจัยเหล่านี้แยกแยะใยกล้ามเนื้อเป็น

I (Slow oxidative, SO) — มีเอนไซม์สลายกลูโคสต่ำและเอนไซม์เปลี่ยนออกซิเดชันสูง, มี myosin ATPase น้อย[upper-alpha 1], ไวต่อแอลคาไลน์
IIa (Fast oxidative/glycolytic, FOG)[9] — มีเอนไซม์สลายกลูโคสสูง, มีเอนไซม์เปลี่ยนออกซิเดชันและ myosin ATPase, ไวต่อกรด
IIb (Fast glycolytic, FG) — มีเอนไซม์สลายกลูโคสสูง, มีเอนไซม์เปลี่ยนออกซิเดชันน้อย, มี myosin ATPase[upper-alpha 1] มาก, ไวต่อกรด
IIi — เป็นเส้นใยกล้ามเนื้อที่มีลักษณะระหว่าง IIa กับ IIb

ประเภททางสรีรวิทยาเทียบกับประเภททางชีวเคมีได้ดังนี้S กับ I, FR กับ IIa, FF กับ IIb, FI กับ IIi

ทางมิญชเคมีภูมิคุ้มกัน (immunohistochemical) ซึ่งเป็นวิธีแยกแยะใยกล้ามเนื้อที่เกิดขึ้นภายหลังจากวิธีที่กล่าวมาแล้ว[10]
- Myosin Heavy Chain (MHC)
- Myosin Light Chain — alkali (MLC1)
- Myosin Light Chain — regulatory (MLC2)

ประเภททางมิญชเคมีภูมิคุ้มกันมีดังต่อไปนี้ โดยประเภท IIa, IIb และ slow เทียบกับประเภททางมิญชเคมี IIa, IIb และ I (slow)

		แสดงออกใน
กลุ่มยีน	ช่วงพัฒนาการ	ใยกล้ามเนื้อแบบเร็ว (II)	ใยกล้ามเนื้อแบบช้า (I)
MHC	Embryonic MHC	MHC IIa	β/slow MHC[upper-alpha 2]
	Neonatal MHC	MHC IIb
		MHC IIx
MLC1 (alkali)	Embryonic	1f	1s
	1f	3f
MLC2 (regulatory)	2f	2f	2s
ตารางทำสำเนามาจาก Schiaffino, Reggiani (1994)[10]

ลักษณะของยีนไมโอซิน [11]

ปัจจุบันรู้จักยีน MHC 15 ประเภทในกล้ามเนื้อ โดยจะมีบางอย่างเท่านั้นที่แสดงออกในเส้นใยกล้ามเนื้อหนึ่ง ๆ ยีนเช่นนี้เป็นส่วนของยีนไมโอซีน ~18 ประเภทโดยจัดว่าเป็น class II แต่ไม่ควรสับสนกับไมโอซิน type II ที่ระบุโดยมิญชเคมีภูมิคุ้มกัน การแสดงออกของยีน MHC หลายอย่างภายในใยกล้ามเนื้อเส้นเดียวเป็นตัวอย่างของภาวะพหุสัณฐาน [11] กรรมพันธุ์และปัจจัยทางชีวภาพอื่น ๆ เช่น กิจกรรม การได้เส้นประสาท และฮอร์โมนโดยส่วนหนึ่งจะเป็นตัวกำหนดการแสดงออกสัมพัทธ์ของไมโอซินประเภทต่าง ๆ เหล่านี้[12]

การแยกแยะหน่วยสั่งการได้ทำหลายรอบหลายคราวจนรู้แล้วว่า เส้นใยกล้ามเนื้อต่าง ๆ มีไมโอซินหลายประเภทผสมต่าง ๆ กันโดยไม่อาจจัดเข้ากลุ่มใดกลุ่มหนึ่งได้ง่ายดังนั้น กลุ่ม 3-4 กลุ่มที่จัดเป็นแบบฉบับจึงเพียงแสดงคุณสมบัติต่าง ๆ แบบสุดขีดของใยกล้ามเนื้อ แต่ละกลุ่มกำหนดโดยคุณสมบัติทางชีวเคมี

ผลของการออกกำลังกาย

ดูข้อมูลเพิ่มเติมที่: การออกกำลังกาย § ผลต่อสุขภาพ และ Motor unit plasticity

การออกกำลังกายอาจเปลี่ยนคุณสมบัติของหน่วยสั่งการรวมทั้งความรวดเร็วในการหดเกร็ง แรงที่ออกได้มากที่สุด และความล้าได้/ความทนล้า ซึ่งมีผลจนถึงอายุ 90 ปีแม้จะลดลงตามอายุ คือ[13]

การลดการออกแรงกล้ามเนื้อ เช่น เมื่ออายุมากขึ้น นอนป่วย ตรึงแขนขาไว้ สภาพไร้น้ำหนักเช่นในอวกาศ จะลดสมรรถภาพของคุณสมบัติทั้งสาม
การออกกำลังกายเพื่อเพิ่มความแข็งแรง (เช่นเล่นกล้าม) และเพื่อเพิ่มความอดทน (เช่นวิ่งทางไกล) จะมีผลต่างกัน คือ
- แบบเพิ่มความแข็งแรง ที่ออกกำลังกล้ามเนื้อหนักหลายครั้งต่อสัปดาห์จะเพิ่มความเร็วการหดเกร็งและเพิ่มแรงที่ออกได้มากสุด
- แบบเพิ่มความอดทน ที่ออกแรงไม่หนักแต่นานจะเพิ่มความทนล้าของกล้ามเนื้อ

การเพิ่มความเร็วการหดเกร็งกล้ามเนื้อมีเหตุจากสมรรถภาพที่ดีขึ้นของโปรตีน myosin ในเส้นใยกล้ามเนื้อ แรงออกได้มากขึ้นเพราะเส้นใยกล้ามเนื้อใหญ่ขึ้นและเพราะมีโปรตีนหดเกร็ง (contractile protein) มากและหนาแน่นขึ้น การเพิ่มความทนล้ามีเหตุหลายอย่างรวมทั้งเส้นเลือดหนาแน่นขึ้น, ไมโทคอนเดรียหนาแน่นขึ้น, เส้นใยฝอยกล้ามเนื้อ (myofibril) ตอบสนองต่อกระแสประสาทได้ดีขึ้นคือมีสภาพ "excitation-contraction coupling" ที่ดีขึ้น และมีสมรรถภาพทางเมแทบอลิซึมที่ดีขึ้น[13]

อัตราส่วนของเส้นใยกล้ามเนื้อแบบ Slow Oxidative (SO) ต่อ Fast Glycolytic (FG) ในกล้ามเนื้อ quadriceps femoris[upper-alpha 3] ของนักกีฬาผู้ชาย[14]
กลุ่มบุคคล	SO	FG
นักวิ่งมาราธอน	82%	18%
นักว่ายน้ำ	74%	26%
ชายธรรมดา	45%	55%
นักวิ่งเร็วและนักกระโดด	37%	63%

การออกกำลังกายทั้งสองแบบไม่มีผลต่ออัตราส่วนของเส้นใยกล้ามเนื้อแบบ I ต่อแบบ II แต่มีผลต่ออัตราส่วนของเส้นใยกล้ามเนื้อแบบ II ประเภทย่อยต่าง ๆ คือ[13]

การเล่นกล้ามเนื้อขา 2-3 เดือนอาจ
- เพิ่มขนาดของเส้นใยกล้ามเนื้อทั้งแบบ I (0-20%) และ II (20-60%)
- เปลี่ยนสัดส่วนของเส้นใยกล้ามเนื้อแบบ II
การออกกำลังแบบฝึกความอดทน
- เปลี่ยนสัดส่วนของเส้นใยกล้ามเนื้อแบบ II

ส่วนการนอนป่วยหรือการตรึงแขนขา

ไม่มีผลต่ออัตราส่วนของเส้นใยกล้ามเนื้อแบบ I ต่อแบบ II
ลดขนาดของเส้นใยกล้ามเนื้อและสมรรถภาพการออกแรง

อย่างไรก็ดี สภาพไร้น้ำหนักเช่นในอวกาศมีผลลดสัดส่วนของเส้นใยกล้ามเนื้อแบบ I[13]อนึ่ง การควบคุมการทดลองและตีความงานศึกษาการออกกำลังกายในสิ่งมีชีวิตเป็นเรื่องยาก[15]มีงานศึกษาที่พบสัดส่วนของเส้นใยกล้ามเนื้อต่าง ๆ กันในบุคคลต่าง ๆ[6]ตามตารางที่แสดง

อัตราการมีเส้นประสาทไปเลี้ยง

ในสัตว์มีกระดูกสันหลังที่โตแล้วโดยมาก เส้นใยกล้ามเนื้อหนึ่ง ๆ จะได้แอกซอนจากเซลล์ประสาทสั่งการเพียงเซลล์เดียว อัตราเส้นใยกล้ามเนื้อต่อแอกซอนเซลล์ประสาทสั่งการหรืออัตราการมีเส้นประสาทไปเลี้ยง (innervation ratio) จะต่าง ๆ กันสำหรับกล้ามเนื้อขึ้นอยู่กับหน้าที่ ในมนุษย์นี่เริ่มจาก 5 ที่กล้ามเนื้อตาจนถึงเกือบสองพันที่กล้ามเนื้อขา เพราะค่านี้ระบุจำนวนเฉลี่ยเส้นใยกล้ามเนื้อภายในหน่วยสั่งการหนึ่ง ๆ จึงเท่ากับระบุว่า เมื่อเพิ่มการออกแรงโดยจัดหน่วยสั่งการหนึ่งเข้าทำงาน แรงที่ออกเพิ่มจะมากขึ้นเท่าไรโดยเฉลี่ย (ค่ายิ่งมากก็แสดงว่าการจัดหน่วยสั่งการหนึ่งเข้าทำงานก็จะเพิ่มการออกแรงมากขึ้นเท่านั้น) และก็ระบุด้วยว่า กล้ามเนื้อหนึ่ง ๆ สามารถออกแรงได้อย่างละเอียดแค่ไหน (ค่ายิ่งน้อยก็แสดงว่าสามารถออกแรงกล้ามเนื้อนั้นได้อย่างละเอียดขึ้นเท่านั้น)[3]

ค่าประเมินอัตราส่วนเส้นประสาทในหน่วยสั่งการของกล้ามเนื้อมนุษย์
กล้ามเนื้อ	จำนวน แอกซอนสั่งการ	จำนวน เส้นใยกล้ามเนื้อ	Innervation ratio	อ้างอิง
ไบเซ็ปส์ที่ต้นแขน	774	580,000	750	Buchtal, 1961[16]
เบรคิโอเรเดียลิสที่ปลายแขน	315	129,000	410	Feinstein et al[16]
dorsal interosseous แรกที่มือ	119	40,500	340	Feinstein et al[16]
medial gastrocnemius ที่ปลายขา	579	1,120,000	1,934	Feinstein et al[16]
tibialis anterior ที่เท้า	445	250,200	562	Feinstein et al[16]
rectus lateralis ที่ตา	4,150	22,000	5	[17]

อย่างไรก็ดี ก็ใช่ว่าหน่วยสั่งการทั้งหมดของกล้ามเนื้อหนึ่ง ๆ จะมีเส้นใยกล้ามเนื้อเท่า ๆ กัน เช่น กล้ามเนื้อมือคือ first dorsal interosseous muscle (dorsal interossei) มีอัตราการมีเส้นประสาทไปเลี้ยงระหว่าง 21-1,770 ดังนั้น หน่วยสั่งการที่มีเส้นใยกล้ามเนื้อมากที่สุด (จึงแข็งแรงสุด) จึงสามารถออกแรงเกือบเท่าหน่วยสั่งการโดยเฉลี่ยของกล้ามเนื้อขาคือ medial gastrocnemius[3]

คุณสมบัติอธิบายความต่างของกล้ามเนื้อ

คุณสมบัติของหน่วยสั่งการประเภทต่าง ๆ และอัตราการมีเส้นประสาทไปเลี้ยงสามารถอธิบายความแตกต่างบางอย่างของกล้ามเนื้อต่าง ๆ ยกตัวอย่าง เช่น

กล้ามเนื้อ soleus muscle ที่น่องซึ่งหดเกร็งช้า (การกระตุก [twitch] อาจใช้เวลานานถึง 100 มิลลิวินาที) มีหน่วยสั่งการเล็กกว่า มีเซลล์ประสาทสั่งการเล็กกว่าซึ่งกระตุ้นได้ง่ายกว่า ออกแรงได้น้อยกว่า มีเส้นใยกล้ามเนื้อเล็กกว่า สังเคราะห์เอทีพีโดยใช้ออกซิเจน ทนล้า สลายเอทีพีด้วยน้ำช้า มีไกลโคไลซิสปานกลาง มีไมโอโกลบินมาก มีไกลโคเจนน้อย มีไมโทคอนเดรียใหญ่และมาก มีเส้นเลือดฝอยมาก มีสีแดง[18] มีอัตราการมีเส้นประสาทไปเลี้ยงที่ 180 เป็นกล้ามเนื้อสำคัญในการดำรงกิริยาท่าทาง[6]
กล้ามเนื้อ gastrocnemius muscle ที่น่องเช่นกัน แต่หดเกร็งเร็ว (การกระตุกอาจสั้นเพียง 7.5 มิลลิวินาที) มีหน่วยสั่งการใหญ่กว่า มีเซลล์ประสาทสั่งการใหญ่กว่าซึ่งกระตุ้นได้ยากกว่า ออกแรงได้มากกว่า มีเส้นใยกล้ามเนื้อใหญ่กว่า สังเคราะห์เอทีพีโดยไม่ใช้ออกซิเจน ไม่ทนล้า สลายเอทีพีด้วยน้ำเร็ว มีไกลโคไลซิสเร็ว มีไมโอโกลบินน้อย มีไกลโคเจนมาก มีไมโทคอนเดรียเล็กกว่าและน้อยกว่า มีเส้นเลือดฝอยน้อยกว่า มีสีซีด[18] มีอัตราการมีเส้นประสาทไปเลี้ยงระหว่าง 1,000-2,000 เป็นกล้ามเนื้อที่สามารถออกแรงเพื่อเปลี่ยนกิริยาท่าทางได้อย่างทันที[6]
กล้ามเนื้อตา มีลักษณะต่าง ๆ คล้าย gastrocnemius muscle[18] แต่มีอัตราการมีเส้นประสาทไปเลี้ยงแค่ 3 มีเส้นใยกล้ามเนื้อที่หดเกร็งได้ด้วยความเร็วสูงสุดในสัดส่วนสูง สามารถขยับตาได้อย่างรวดเร็วและแม่นยำด้วยแรงน้อย[6]