林奕贯 叶卫兵
1 浙江旅游职业学院公共教学部(杭州 311231)
2 浙江师范大学体育与健康科学学院(金华 321004)
单侧训练(unilateral training,UNI)是指采用单边肢体动作模式进行的练习。单侧训练的运用与研究已有很长的历史,早在100 多年前研究者就发现了交叉迁移(cross-education)现象,即肢体进行一侧肌力训练后能够引起另一侧同源肌肉力量增长[1,2]。基于此现象,一些研究者将单侧训练应用于骨科损伤和脑卒中后偏瘫患者的康复上,取得了良好的效果[3,4]。
近些年来,单侧训练在运动训练领域中备受关注。一方面是由于功能性训练理论的兴起,训练手段与目标运动方式的一致性被越来越多的人认可[5,6]。大多数竞技运动项目是以单侧肢体发力为主,然而传统体能训练主要采用双侧训练(bilateral taining,BIL),与目标运动不一致,为此一些训练专家认为双侧训练可能无法有效地将训练效益迁移至专项运动表现上[7,8]。另一方面,有研究观察到双侧同源肌肉同时收缩的最大力量小于单独收缩时左右肢体力量之和,即双侧亏损现象(bilateral deficit,BLD)[9,10],因此训练专家认为单侧训练可以让目标肌肉承受更大的负荷,产生更高的训练效益[11];同时,单侧抗阻训练还能够减少外部施加的总重量,减小脊柱负荷,降低损伤风险[12,13]。随着单侧训练在实践中的大量运用,一些研究者对其训练效果提出了质疑,他们认为单侧训练会加剧双侧肢体力量的不对称性,从而影响运动表现,增加损伤风险[14-18];此外,还有研究认为单侧下肢快速伸缩复合训练会增加触地时间,这可能不利于快速力量发展[19,20]。
现阶段,国内外已有大量研究对比了单侧与双侧训练的效果,但由于采用了不同的训练手段、负荷、周期等导致了不同结果的产生,对UNI 的训练效益还存在很大的争议。因此,本文通过检索单侧训练的相关文献,提取下肢最大力量、功率输出、跳跃能力3 个评价指标,比较单侧与双侧训练对下肢爆发力的影响,并探讨其可能机制,以期为单侧训练的实践提供有力的证据支持。
文献检索全程由2名人员采用独立双盲的方式进行,以英文关键词unilateral training、bilateral taining、unilateral jump、one-leg jump 等 在Pubmed、Web of Science 上检索相关文献;以单侧训练、双侧训练、单脚跳、单腿跳等关键词在知网、万方数据资源系统进行检索。对检索文献的参考文献进行二次检索,以更全面地纳入文献资料。最后一次检索时间为2021年10月10日。
纳入标准:(1)文献类型为公开发表的中、英文文献;(2)关于单侧训练的文献;(3)实验对象均为健康人群,不对性别、年龄、训练经验等进行限制。
排除标准:(1)缺乏双侧训练组;(2)缺乏相关指标;(3)仅有摘要,缺乏全文;(4)重复发表;(5)未进行长期干预;(6)学位论文。
文献的搜索和评估由2位研究员分别独立地按照纳入、排除标准进行。首先用关键词进行检索,将检索到的文献用NoteExpress 软件剔除重复的文章;再通过阅读标题进行初次筛选,删除与主题无关的文献;通过阅读余下文献的摘要,排除综述、未进行长期干预、仅有摘要缺乏全文以及非中、英文的文献;将复筛后获得的可能合格的文献进行全文阅读,排除缺乏双侧训练组、学位论文、缺乏相关指标的文献。对最终符合本研究纳入标准的文献进行资料提取,包括作者、发表年份、受试者人数、年龄、实验对象、训练周期与频率、训练手段、训练组数与次数、主要研究结果等。
最终我们检索到的文献共5842 篇,除去重复的还剩2773篇。通过对标题的筛选,去除了与主题无关的2341篇文献,剩余432篇。再通过阅读摘要去除综述、内容不相关、未进行长期干预、仅有摘要缺乏全文以及非中、英文发表的文献,最终有52 篇符合本文主题。对剩余的52篇文献进行进一步评价后筛除了32篇,32篇被筛除的具体缘由如下:有6篇研究缺少BIL组;有9篇文献缺乏下肢跳跃表现、功率输出和最大力量指标;有17 篇文献为未经同行评议的学位论文。最终有20篇文献被纳入本系统综述中。文献筛选的具体步骤如图1所示。
图1 文献筛选流程
表1显示,在纳入的20篇文献中,有13篇为近5年内发表,可见单侧训练已是国内外研究者关注的热点内容。在现有研究中,受试者为男性的研究居多,年龄主要集中在13~26 岁,多数为有一定训练基础的运动员和体育专业学生,仅有4 篇文献针对无训练经验者进行研究。训练周期在4~26 周之间,每周2~3 次。在研究设计方面,有11篇文献仅进行抗阻训练,4篇文献仅进行快速伸缩复合训练,5篇文献同时采用了抗阻训练与快速伸缩复合训练,即复合式训练(complex training)。抗阻训练以多关节动作居多,主要有深蹲或弓步蹲,单腿或双腿的硬拉、伸膝、屈膝等练习手段;快速伸缩复合训练包括了单腿或双腿的跳深、下蹲跳、障碍跳、跳箱、跳远等。
表1 纳入研究基本情况
(续表1)
由于纳入文献中缺少训练前后改变值的平均数与标准差,缺乏得出相关系数的条件,无法进行meta 分析,故采用系统综述方式进行描述性分析,纳入分析的指标包括最大力量、功率输出以及跳跃能力相关指标。为更清晰地体现UNI与BIL训练效果的差异,本研究提取了各研究训练前后的平均数±标准差或提高幅度,以及UNI 与BIL 的对比结果,探讨两种训练方式对下肢爆发力发展的影响差异。
2.3.1 对最大力量发展的影响
表2显示,共有10篇文献对比了单侧与双侧训练对下肢最大力量的影响。有8篇文献对比了UNI与BIL对单侧力量的影响,其中有3篇文献对比结果显示UNI在训练后对单侧力量的发展显著高于BIL,3篇对比结果显示组间无显著差异,2篇研究结果未进行组间对比。
表2 UNI 与BIL 对最大力量发展的影响对比
有9篇文献对比了UNI与BIL对双侧力量的影响,其中2 篇对比结果显示UNI 在训练后对双侧力量的发展显著低于BIL,5篇对比结果显示组间无显著差异,2篇未进行组间对比。单侧或双侧最大力量发展具有显著差异的文献中有3 篇采用了复合式训练。总体而言,UNI对单侧力量具有更高的训练效果,而对双侧力量的发展低于BIL组。
2.3.2 对功率输出发展的影响
表3显示,共有7篇文献对比了单侧与双侧训练对下肢功率输出的影响。有6 篇文献对比了UNI 与BIL对单侧下肢功率输出的影响,其中有1 篇文献对比结果显示UNI组在训练后对单侧功率输出的发展显著高于BIL 组,1 篇显示UNI 显著低于BIL,1 篇对比结果显示组间无显著差异,3 篇研究结果未进行组间对比。Nunez 等[26]的研究显示,UNI组优势侧提高幅度显著低于BIL组,UNI组非优势侧提高幅度与BIL相比无显著差异。
表3 UNI 与BIL 对功率输出发展的影响对比
有7 篇文献对比了UNI 与BIL 对双侧下肢功率输出的影响,其中1篇对比结果显示UNI组在训练后对双侧力量的发展显著低于BIL组,1篇显示UNI显著高于BIL 组,2 篇对比结果显示组间无显著差异,3 篇未进行组间比较。从整体的训练前后数据上看,BIL对双侧功率输出发展具有优于UNI的趋势,而UNI与BIL对单侧功率输出的发展各研究间差异较大。
2.3.3 对跳跃能力发展的影响
表4显示,有10篇文献对比了UNI与BIL对单腿跳跃能力的影响,其中有3 篇对比结果显示,UNI 在训练后对单侧跳跃表现发展显著高于BIL,有3篇对比结果显示组间无显著差异,有3组结果未进行组间对比,还有一篇Gonzalo-Skok等[23]的研究显示,UNI对左腿下蹲跳发展显著低于BIL,左腿立定跳远成绩显著高于BIL,右腿的下蹲跳与立定跳远成绩提高幅度都没有显著差异。
表4 UNI 与BIL 对跳跃能力发展的影响对比
(续表4)
有13篇文献对比了UNI与BIL对双腿跳跃表现的影响,其中有1 篇结果显示,UNI 在训练后对双腿跳跃表现发展显著低于BIL,有1篇结果显示UNI 在训练后对双腿跳跃表现发展显著高于BIL,有8篇结果显示组间无显著差异,还有3篇结果未进行组间对比,从详细数据上看BIL 对双腿跳跃表现发展略优于UNI。单腿或双腿跳跃表现发展具有显著差异的文献中有3篇采用了复合式训练。总体上,UNI 对单腿跳跃表现具有更高的训练效果,而对双腿跳跃表现的发展低于BIL。
综合最大力量、跳跃表现以及功率输出指标评价结果可知,UNI更有助于提高单侧爆发力,对双侧爆发力发展弱于BIL。基于此结果,本研究分别从训练手段、训练负荷以及周期3个方面进行讨论。
3.1.1 训练手段
本综述纳入的研究中训练手段主要为多关节动作,通过肌电研究显示,采用下肢及全身的多关节练习动作时,单侧快速伸缩复合训练对股内侧肌、腓肠肌、比目鱼肌的激活程度更高[35,36],单侧抗阻训练对腹外斜肌、臀中肌、腘绳肌的激活程度更高,而对股直肌、臀大肌以及竖脊肌的激活程度相对较低[37-40]。可见UNI与BIL所动员的肌肉是不同的,总体上UNI对原动肌的刺激程度较低,对稳定肌与协同肌的刺激程度较大[12,41],而单侧爆发力对稳定性的要求更高,需要更高效的神经肌肉控制,因此单侧训练对单侧爆发力发展有更大的促进作用[42]。从另一角度看,由于UNI处于一个相对不稳定的状态,在练习中需要分散力量来控制身体姿态,可能会限制绝对力量的提高[8,20,43],从而降低了对双侧爆发力的发展。
多关节动作的肌电研究可以说明整体动作中各肌群的参与度,而单关节动作更能够体现单一肌肉内运动单位的激活程度。Vandervoort 等[44]通过下肢伸膝测试发现,UNI比BIL主动肌激活程度更高;Botton等[11]的研究显示,UNI 干预后更能够显著提高单侧肢体的肌电活动,他们认为这与UNI 能够快速调动高阈值运动单位有关,因此采用单侧单关节练习动作能够使主动肌承受更大的重量。然而,进行长期训练干预的研究发现,虽然UNI组单侧力量有了更大的提高,但两者肌肉横截面积的增加幅度却没有很大差异[11,16,45],可见UNI和BIL的训练效果差异与神经适应有很大关联。
从本研究统计的结果中还可以看到,UNI与BIL对比具有显著差异的研究多采用复合式训练。复合式训练可分为两种,一种是先进行一组抗阻训练,通过短间歇后进行一组快速伸缩复合训练;二是在抗阻训练的组数全部完成后,再进行快速伸缩复合训练[46],本研究纳入的文献所采用的复合式训练多数为后者。现已有研究证明,相对于单一的抗阻训练或快速伸缩复合训练,复合式训练能够更高效地发展运动员的爆发力[47,48]。研究认为抗阻训练后高阈值运动单位被募集,增加了后激活增强效应(post-pctivation potentiation,PAP),从而提高之后的运动表现[49],促进爆发力发展。复合式训练可能是由于其高效性增加了UNI 与BIL 训练效果的差异。
综上所述,UNI与BIL对单侧和双侧爆发力发展的差异与不同肌群激活程度有关,复合式训练能够增强两者训练效果的特异性。Ramírez-campillo等[28]研究建议在训练中采用UNI与BIL相结合的形式,这能够均衡地发展单侧与双侧爆发力,减小单一训练的缺陷。未来研究需要针对不同项目的特点,进一步细化UNI 与BIL的训练比例。
3.1.2 训练负荷
负荷包括了训练量与强度,是影响训练效果的重要因素。为保证UNI与BIL负荷一致,一些研究缩减了UNI 的组数或次数,但由于肢体两侧的力量差异,在UNI 中两侧肢体能够承受的负荷不同,因此相比于BIL,UNI负荷更难以把握。
早期研究显示,上肢单关节运动中双侧同时发力时,优势手的力量下降了3%,而非优势手的力量没有变化[10];Vandervoort 等[44]对下肢运动的研究同样发现,双侧运动时优势腿的肌电活动少于单侧运动。因此,一些研究者认为单侧训练中优势侧能够承受更大的负荷,这可能会加剧双侧肢体不对称。此外,还有研究观察到,受试者在单侧训练中表现出了更大的疲劳感[41,44]。疲劳的产生与训练负荷有很大关系,训练量上,UNI在总体的组数与次数上多于BIL,如深蹲仅需进行一组练习,而单腿蹲则需要分为两组进行练习;强度上,单侧快速伸缩复合训练需要单腿承受全身的重量,同时一侧训练后进行另一侧训练间歇的时间很短,也会增加练习者的疲劳感。以上现象引发了一个新的问题,即在单侧训练中,后训练的一侧肢体如处于相对疲劳的状态下,可能也会影响两侧肢体的均衡发展。现已有研究表明双侧肢体力量相差10%以上是诱发损伤及降低运动表现的重要因素之一[14,50,51]。
本研究观察到,UNI 组两侧肢体跳跃表现与功率输出差距有增加的趋势,而BIL 组则没有表现出这种趋势[9,15,27,41,52],研究显示双侧对称性与双腿纵跳能力显著相关[53,54]。在双腿纵跳中优势侧与非优势侧发力并非是同步、均匀的[55,56],两侧的不对称性越大,越容易导致在双腿跳中两侧发力不同步,从而降低双腿纵跳高度[57,58],这在一定程度上也解释了UNI对双侧爆发力发展效果低于BIL的现象。然而,Gonzalo-Skok等[23,24]的研究中却得出了相反的结论,他们认为UNI能够更有效地降低双侧肢体的不对称性,这可能与UNI 干预中两侧肢体练习的顺序有关。Gonzalo-Skok 等[59]进一步对三种单侧训练模式进行对比,结果发现在单侧离心力量训练中先从非优势侧开始训练的效果优于先从优势侧开始训练的效果,非优势侧双倍训练量能够显著降低双侧不对称。有研究显示,一侧肢体疲劳后会引起对侧肢体乃至全身的力量下降[60,61],因此单侧训练的先后顺序在训练实践中是必需要考虑的因素。此外,还有研究认为,若要更高效地降低双侧不对称,则需要侧重非优势侧训练[62],这对于增强双侧力量与爆发力也有重要作用[63]。
综上所述,由于两侧肢体力量的差异,单侧训练更容易导致双侧肢体不对称性增加,从而影响双侧爆发力发展。在训练实践中需要注重两侧肢体训练的顺序以及负荷,以更高效地促进爆发力发展。而如何优化两侧训练负荷以提高训练效益,仍需进一步研究。
3.1.3 周期
人体机能发生适应性变化通常需要进行一定时间的持续性训练,因此训练周期也是单侧与双侧训练效益产生差异的重要因素。
Makaruk等[20]对34名无训练经验的女性进行12周单侧与双侧快速伸缩复合训练干预的研究发现,UNI组在前6 周训练后单、双腿跳跃能力显著增强,但后6周训练结束时双腿跳跃表现却没有发生改变,而BIL组则在12周训练中单、双腿跳跃能力均表现出持续增长的状态。同样,针对有一定训练经验的男性受试者的研究也观察到了类似的现象[9,64],即UNI在训练早期对力量和爆发力的发展显著高于BIL,而随着训练时间的延长,UNI 的训练效益逐渐降低。这可能与日常训练中大多采用双侧训练有关,单侧训练对于训练者而言是一个全新的刺激,会更大程度产生神经适应,快速增长训练者的力量与爆发力。由于神经适应主要发生在训练早期[65],因此进行一定周期的单侧训练后爆发力增长速度减缓。此外,上文提到单侧多关节训练对主动肌的刺激程度较小,可能限制了后期的肌肉力量发展,导致训练效益下降。由此可见,短期UNI干预可能还对双侧爆发力有良好的迁移效果。
由于单侧训练的特异性,UNI 在停训后效果的维持时间也受到了研究者们的关注。Makaruk 等[20]研究显示,停训4周后UNI下肢爆发力下降幅度比BIL更为显著,因此他们建议在非赛季的准备期需以双侧训练为主,以维持训练效益;在赛前阶段则要加强单侧训练,促进整体运动表现提升。停训早期的肌力下降同样与神经机制有关,若完全停止训练可能易导致单侧训练后的效益快速下降。然而,还有研究显示,先进行4周快速伸缩复合训练再停训4周后,单腿快速伸缩复合训练的网球运动员下肢爆发力表现仍具有优于双腿快速伸缩复合训练的趋势[34]。Appleby等[21]以橄榄球运动员为实验对象,在停训阶段每周保持一次抗阻训练,结果显示UNI 组在减量训练3 周后维持训练效益的作用略高于BIL组。可见,UNI同样能够较好地维持训练效益,但目前对此方面UNI 与BIL 对比的相关研究较少,还无法明确其差异受到何种因素影响。
综上所述,短期UNI 干预对单侧爆发力发展具有较高的训练效益,并且更可能对双侧爆发力产生良好的迁移效果。由于各研究中受试者基础水平、训练经验、性别、干预手段等因素不同,具体多长周期的单侧训练能够产生较高的训练效益以及停训后运动能力的维持状态仍不明确,需更多的实证研究进行对比以论证。
人体在长期训练后主要产生两种机能适应:神经适应和肌肉适应[66]。对单侧训练的一系列研究表明,导致UNI 与BIL 训练效果产生差异的主导因素非肌肉适应,而是以神经适应为主[11,16,45,67-71]。当前对神经适应的研究主要集中在大脑皮层、皮质脊髓束、胼胝体等部位,本研究结合现阶段研究成果探讨UNI与BIL训练效果差异的可能机制。
3.2.1 大脑两半球间兴奋与抑制传递
大脑两半球由胼胝体连接,胼胝体调节两个半球的机制有两个相对立的观点:兴奋模型与抑制模型[72]。
兴奋模型的一个有力依据是单侧训练后的交叉迁移现象,大脑皮质功能性磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRI)与经颅磁刺激(transcranial magnetic stimulation,TMS)研究显示,单侧训练能够激活大脑皮质双侧的初级运动皮层(M1),这主要是训练侧皮质兴奋通过胼胝体扩散到未训练侧的结果[73-75]。大强度单侧训练会反复地加强两侧M1 兴奋性,降低短时间间隔皮层内抑制(short interval intracortical inhibition,SICI))与半球间抑制(inter-hemispheric inhibition,IHI),重复交叉激活可能导致长期适应,巩固两侧M1兴奋性的增加[76]。据此模型,两侧大脑皮质反复激活增强兴奋性,理论上UNI 对双侧力量与爆发力应有更大的促进效果,然而,本系统综述的结果显示,UNI对双侧力量与爆发力的发展弱于BIL,因此该现象可能更需要通过抑制模型进行解释。
抑制模型理论认为两半球之间维持着一种恒定的彼此抑制关系,当身体一侧进行运动时,会产生半球间抑制,即训练侧M1 通过跨胼胝体途径抑制未训练侧M1,这种现象被认为是为了防止镜像运动(mirror movements)的发生[77,78],并消除未训练侧M1 中存在的任何抑制,进一步提高训练侧半球的兴奋性输出[79,80]。有研究推测,长期单侧训练可能会加强半球间抑制,让每侧半球的独立性更强[81,82]。而双侧同时发力时,由于两半球收到了相同的信号同时被激活,长期训练可能会减弱半球间抑制,甚至产生半球间易化作用[83-85]。Howard 等[86]的研究观察到举重(双侧发力)运动员出现双侧增益现象(bilateral facilitation),而跳远(单侧发力)运动员表现出了更大的双侧力亏损,这在一定程度上支持了该理论。
进一步研究提示,胼胝体对半球间兴奋与抑制传递并非对立关系,而是一个积极主动的过程,在肢体负荷较小时半球间抑制较为明显,在负荷较大时半球间抑制减弱,单侧训练时肌肉承受的阻力越大则越可能导致镜像运动发生[87]。Hortobágyi 等[76]研究显示,长期单侧训练显著降低了半球间抑制,但非训练侧的镜像运动并没有明显增加,他们认为两半球可能存在不同回路之间更复杂的相互联系,如局部γ-氨基丁酸(gamma-aminobutyric acid,GABA)的浓度变化[88,89]、IHI 与SICI的交互作用等[87],其具体机制仍需进一步研究。
3.2.2 大脑两半球功能不对称性
大脑半球功能具有不对称性,优势半球有更高的皮质脊髓兴奋性[90]、更短的胼胝体传导延迟(transcallosal conduction delay,TCD)[91],在单侧运动中优势半球对非优势半球的抑制强于非优势半球对优势半球的抑制,优势侧在非优势侧运动时会有更大的参与度,更可能产生镜像运动干扰非优势半球兴奋输出[92,93]。因此,在进行单侧训练时,即便两侧肢体采用相同的负荷,也会令优势侧获得更多的刺激,从而出现肢体不对称性增加的现象,尤其是进行较为复杂的多关节练习时。
另一方面,现已有大量研究证明,在两侧同源肌肉同时收缩时,优势侧力量显著下降,而非优势侧受到的影响较小[10,63,94]。对于这一现象,Oda 等[95]观察到,在双侧练习中,大脑皮层神经细胞的兴奋发放频率和时间进程更为同步,有研究推测这可能与半球间抑制有关,半球间跨胼胝体调节机制让双侧肢体产生对称的力量,促进肢体间同步运动[63,83,96,97]。然而,现阶段对于这种调节是如何产生并相互作用的,其内在传导机制仍不明确。
基于以上结果可见,双侧力量大小似乎受到了非优势侧力量的限制,因此增加对非优势侧训练会产生怎样的效益也引起了研究者们的关注。研究发现,加强非优势侧训练能够降低优势侧对非优势侧的半球间抑制[98],并干扰优势侧皮质兴奋性,增进两半球之间的对称性[99],这种相对平衡状态可能有助于增强双侧力量[63]以及肢体协调性[100]。
3.2.3 大脑皮层激活范围
当前对肢体单侧与双侧运动的研究大多针对M1进行,但参与运动控制的皮层并非只有M1,次级运动皮层也同样具有重要的作用,它包括运动前区(PMA)与辅助运动区(SMA),已有研究表明次级运动皮层高度参与肢体的双侧控制[101,102]。
Toyokura 等[103]的研究显示,进行复杂的手指运动时,双侧运动比单侧运动更显著地激活了辅助运动区。Donchin 等[104]对猴子大脑初级运动皮层与辅助运动皮层的研究发现,双侧运动的运动诱发电位(movement evoked potentials,MEP)总是大于单侧运动,因此认为双侧运动的整体皮质激活范围更大。Noble等[79]采用fMRI 技术进一步对比了单侧与双侧比目鱼肌收缩时大脑皮层的激活状态,结果显示,双侧运动整体大脑皮层激活范围超出了左、右两个单侧运动激活的总和,他们认为双侧同步收缩时来自下肢的感觉信号会增加,从而激活更大范围的大脑皮层以进行双侧协调运动。大脑皮层具有可塑性,长期、反复地训练能够使大脑皮层定位图发生变化,增强与运动任务相关的神经高效性[105,106]。因此,大脑皮层激活范围的不同,意味着两者都具有其特定的神经活动状态,对长期训练后大脑皮层可塑性有特定的影响[107]。
双侧肢体动作具有特定的皮层激活表征,并不是两个单侧动作的简单叠加[104],那么当采用更复杂的多关节动作乃至复合式训练时必然会引起更大的差异。然而,目前针对长期单侧与双侧训练后大脑皮层功能改善的差异相关研究较为缺乏,需更多的研究进行验证。
研究认为:1)UNI更有助于提高单侧爆发力,对双侧爆发力发展弱于BIL,复合式训练能够增强两者训练效果的特异性;2)UNI 更容易导致双侧肢体不对称性增加,从而影响双侧爆发力发展,在实施单侧训练时需要注重两侧肢体训练的顺序及负荷;3)短期UNI 干预对单侧爆发力发展具有较高的训练效益,并且更可能对双侧爆发力产生良好的迁移效果;4)UNI与BIL效果的差异可能机制为大脑两半球间兴奋和抑制传递的改变,两半球功能不对称性产生变化以及大脑皮层激活范围不同。