บทความทางวิชาการ

บทความทางวิชาการ

เรื่อง   กล้ามเนื้อและการเคลื่อนไหว  

ระบบการเคลื่อนไหวและกล้ามเนื้อ 

ระบบการเคลื่อนไหวของร่างกายอาศัยการทำงานของ กล้ามเนื้อลายเป็นตัวออกแรงทำงาน โดยอาศัยกระดูกเป็นคาน และข้อต่อเป็นจุดหมุน (fulcrum) กล้ามเนื้อในร่างกายมีอยู่ ๓ ชนิด คือ 

๑. กล้ามเนื้อลาย 
๒. กล้ามเนื้อเรียบ 
๓. กล้ามเนื้อหัวใจ

การทำงานของกล้ามเนื้อคือการหดตัวและได้แรงงาน ออกมา โดยทั่วไปกล้ามเนื้อลายทำงานโดยการดึงกระดูกให้ เคลื่อนที่เชิงมุม (angular motion) โดยมีข้อต่อเป็นจุดหมุน นอกจาก กล้ามเนื้อของลิ้นซึ่งทำงานเคลื่อนที่ทางตรง (linear motion) ได้

                     

   ลักษณะกล้ามเนื้อในร่างกาย

(ก) กล้ามเนื้อหัวใจ 

(ข) กล้ามเนื้อเรียบ 

(ค) กล้ามเนื้อลาย

งานที่ได้จากกล้ามเนื้อลาย = แรงดึง x ระยะทาง ส่วนกล้ามเนื้อเรียบและกล้ามเนื้อหัวใจประกอบเป็นผนัง ของอวัยวะกลาง งานที่ทำได้จึงเกิดจากการเปลี่ยนความดันและ ปริมาตรเป็นส่วนใหญ่

กล้ามเนื้อลาย 

นับได้ว่าเป็นอวัยวะที่ใหญ่ที่สุดและมีอยู่ถึงร้อยละ ๔๐ ของน้ำหนักตัว กล้ามเนื้อทั้งมัดประกอบด้วยหลายมัดย่อย (bundle) และแต่ละมัดย่อยประกอบด้วยใย (fiber) ใยกล้ามเนื้อมีขนาดประมาณ ๖๐ ไมครอน และมีความยาวตั้งแต่ ๒-๑๐ เซนติเมตร แต่ละใยประกอบด้วยใยฝอย (fibrill) ซึ่งมีขนาดประมาณ ๑ ไมครอน แต่ละใยฝอยประกอบด้วยไมโอฟิลาเมนท์ (myofilament) อันเป็นหน่วยเล็กที่สุดของกล้ามเนื้อที่ทำงาน ซึ่งประกอบด้วย แอ็คติน (actin) และไมโอซิน (myosin) แอ็คตินเป็นเส้นบาง ยาว ๑ ไมครอน และหนา ๕๐ อังสตรอม ส่วนไมโอซินยาว ๑.๕ ไมครอนและหนา ๑๐๐ อังสตรอม

กลไกการทำงาน 

กล้ามเนื้อลายเป็นอวัยวะใหญ่ ในการทำงานต้องได้รับคำสั่งมาจากระบบประสาทกลาง และเพื่อให้การแผ่คำสั่งไปได้กว้างขวาง และรวดเร็ว จึงต้องอาศัยการเปลี่ยนแปลงทางไฟฟ้า ทั้งการทำงานต้องอาศัยพลังงานอย่างมาก ฉะนั้นการเปลี่ยนแปลงทางเคมี จึงมีความสำคัญไม่น้อย หลังจากนั้นจึงมีการเปลี่ยนแปลงทางโครงสร้าง แล้วจึงตามด้วยการเปลี่ยนแปลงเชิงกล อย่างไรก็ดี การเปลี่ยนแปลงต่างๆ ไม่ได้เป็นไปตามลำดับขั้นที่เดียว มีการเหลื่อมล้ำกันบ้าง

การเปลี่ยนแปลงทางไฟฟ้า 

เมื่อมี "ข่าว" หรือ "คำสั่ง" ผ่านจุดประสานระหว่างประสาทกับกล้ามเนื้อ จะมีการดีโปลาไรซ์ที่เยื่อหุ้มกล้ามเนื้อแล้วแผ่ไปตามเยื่อหุ้ม กล้ามเนื้อด้วยความเร็วประมาณ ๕ เมตร/วินาที เยื่อหุ้มกล้ามเนื้อมีศักย์ไฟฟ้า ในภาวะปกติเช่นเดียวกับประสาท คือ ภายในเป็นลบมากกว่าภายนอก ๗๐ มิลลิโวลท์ มีข้อแตกต่างอย่างหนึ่งคือ ความจุไฟฟ้าของเยื่อหุ้มกล้ามเนื้อสูงกว่า ประมาณ ๕ ไมโครฟารัด/ตารางเซนติเมตร (ประสาทมีเพียง ๒ ไมโครฟารัด/ตารางเซนติเมตร) ค่าที่สูงกว่าเนื่องมาจากซาร์โคพลาสมิกเรติคูลัม (sarcoplasmic reticulum) ซึ่งมีหลอดฝอย (transverse tubule) ติดต่อกับพื้นหน้าของเยื่อหุ้ม เมื่อคลื่นดีโปลาไรซ์แผ่ถึง หลอดฝอยนี้จะดีโปลาไรซ์แล้วปล่อยแคลเซียมไอออนออกมา จากนั้นก็เข้าสู่การเปลี่ยนแปลงทางเคมี

การเปลี่ยนแปลงทางเคมี 

การเปลี่ยนแปลงทางเคมีในกล้ามเนื้ออาจแบ่งได้ ๒ อย่างคือ

ก) การเปลี่ยนแปลงทางเคมีที่เกี่ยวกับการหดตัว สารเคมีที่สำคัญใน กล้ามเนื้อที่เกี่ยวข้องกับการหดตัวคือ โปรตีน

การหดตัว (contractile protein) มีอยู่ ๓ ชนิด คือ

๑) แอ็คติน มีอยู่ร้อยละ ๑๕ เป็นส่วนประกอบของเส้นใยชนิดบาง (thin filament)

๒) ไมโอซิน มีอยู่ร้อยละ ๓๕ เป็นเอนไซม์อะดีโนซีนไตรฟอสฟาเทส (adenosine triphosphatase - ATP - ase) ซึ่งเป็นส่วนประกอบ ของเส้นใยชนิดหนา (thick filament)

๓) โทรไปไมโอซิน (tropomyosin) มีอยู่ร้อยละ ๑๐ บทบาทยัง ไม่ทราบแน่ แต่เชื่อว่าทำหน้าที่คล้ายสวิตช์ทำให้มีการหดตัวและหยุดหดตัว

เชื่อว่าเมื่อแอ็คตินรวมกับไมโอซินจะได้แอ็คโตไมโอซิน (actomyosin) แต่การรวมนี้ต้องอาศัยอะดีโนซีนไตรฟอสฟาเทสจึงจะทำให้ มีการหดตัวของกล้ามเนื้อตามมา

ข) การเปลี่ยนแปลงทางเคมีที่เกี่ยวกับการใช้พลังงาน

๑) อะดีโนซีนไตรฟอสฟาเทส เป็นสารที่จำเป็นสำหรับการหดตัว ของกล้ามเนื้อและให้พลังงานมาก แต่มีเก็บไว้ในกล้ามเนื้อน้อยมาก มีเพียง ๓ มิลลิโมลต่อกล้ามเนื้อหนึ่งกิโลกรัม และใช้สำหรับการหดตัวของกล้ามเนื้อ ได้เพียง ๘ ครั้งเท่านั้น

๒) ครีเอตีนฟอสเฟต (creatine phosphate) เป็นแหล่งสะ สมพลังงานในกล้ามเนื้อที่สามารถนำออกมาใช้ได้ทันทีเปรียบเทียบได้กับแบต เตอรี่ที่เก็บไฟฟ้าของระบบเครื่องยนต์ครีเอตีนฟอสเฟตมีอยู่ในกล้ามเนื้อ ๒๐ มิลลิโมล/กิโลกรัม ซึ่งทำให้กล้ามเนื้อหดตัวได้ประมาณ ๑๐๐ ครั้ง

๓) ไกลโคเจนในกล้ามเนื้อ เป็นต้นตอที่สำคัญของพลังงานที่กล้าม เนื้อใช้ มีอยู่ถึง ๑๐๐ มิลลิโมล/กิโลกรัม (ของน้ำตาลเฮ็กโซส) ซึ่งกล้ามเนื้อ สามารถใช้หดตัวได้ถึง ๒๐,๐๐๐ ครั้ง

การสลายไกลโคเจนเพื่อให้ได้พลังงานมานั้นมี ๒ วิธีด้วยกัน คือ

ก. การสลายโดยไม่ใช้ออกซิเจน (anaerobicglycolysis)

ข. การสลายโดยไม่ใช้ออกซิเจน ไกลโคเจนจะสลายเป็นคาร์บอนได ออกไซด์และน้ำ ทำให้ได้พลังงานมากมาย จากการทดลองถ้าให้กล้ามเนื้อทำงานในที่ไม่มีออกซิเจน จะทำงาน ได้น้อย คือหดตัวได้เพียง ๖๐๐ ครั้งเท่านั้น

การเปลี่ยนแปลงทางโครงสร้าง 

เมื่ออะดีโนซีนไตรฟอสฟาเทส สลายให้พลังงานออกมาจะไปเร่งปฎิกิริยาเคมี ทำให้เส้นใยชนิดหนา และเส้นใยชนิดบางซึ่งประสานกันอยู่เลื่อนเข้าไปหากัน จึงทำให้กล้ามเนื้อสั้นเข้าไป

การเปลี่ยนแปลงเชิงกล 

เมื่อกล้ามเนื้อมีการเปลี่ยนแปลงตามลำดับขั้นจนถึงมีการเปลี่ยนแปลงเชิงกล คือ การหดตัว ในการทดลอง ถ้าตัดกล้ามเนื้อออกมา แล้วทำการกระ ตุ้นเพื่อบันทึกความยาวหรือความตึงของกล้ามเนื้อ โดยบันทึกคลื่นกล้ามเนื้อ (myogram) เปรียบเทียบความสัมพันธ์กับศักย์ไฟฟ้าของกล้ามเนื้อที่เกิดขึ้นด้วย จะเห็นว่าศักย์ไฟฟ้าของกล้ามเนื้อเกิดขึ้นก่อนการเปลี่ยนแปลงเชิงกล เมื่อ กระตุ้นกล้ามเนื้อ จะต้องใช้เวลาจำนวนหนึ่งก่อนที่จะมีการเปลี่ยนแปลงใน ความยาวหรือความตึงเรียกว่า ระยะแฝง (latency period) ซึ่งกิน เวลาประมาณ ๑๐ มิลลิเสค จึงเข้าสู่ระยะหดตัว (contraction period) และระยะคลายตัว (relaxation period) ซึ่งกินเวลาประมาณ ๔๐ และ ๕๐ มิลลิเสค ตามลำดับ

ชนิดของการหดตัวเชิงกล 

การหดตัวเชิงกล อาจแบ่งได้เป็น ๒ อย่าง คือ

๑) การหดตัวแบบไอโซเมตริก (isometric contraction) การหดตัวชนิดนี้ ความยาวของกล้ามเนื้อคงที่ แต่ความตึงเปลี่ยนไป
๒) การหดตัวแบบไอโซโทนิก (istotnic contraction) การ หดตัวชนิดนี้ ความตึงของกล้ามเนื้อคงที่ แต่ความยาวเปลี่ยนไป

อาจช่วยให้เข้าใจการทำงานทั้งสองชนิดนี้ได้โดยคิดถึงการทำงานของกล้ามเนื้อในร่างกายจริงๆ เมื่อใช้มือขวายกน้ำหนักโดยพยายามใช้กล้ามเนื้อไบเซพส์ (biceps) ออกแรงดึง เพื่อให้ข้อศอกงอ ในระยะแรกที่แรงของกล้ามเนื้อน้อยกว่าน้ำหนักของวัตถุ จะยังยกวัตถุไม่ขึ้น ความยาวของกล้ามเนื้อไบเซลล์จะไม่เปลี่ยน แต่ความตึงจะเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ การทำงานของกล้ามเนื้อในระยะนี้จะเป็นชนิดไอโซเมตริก ต่อมาเมื่อแรงดึงของกล้ามเนื้อมากกว่าน้ำหนักของวัตถุ แขนจะงอ และยกน้ำหนักขึ้น กล้ามเนื้อ จะสั้นเข้า การหดตัวในระยะนี้เป็นชนิด ไอโซโทนิก ฉะนั้นการทำงาน ของกล้ามเนื้อในร่างกายส่วนใหญ่มักจะมีการทำงานทั้งสองชนิดนี้ร่วมกัน นอกจากการทำงานบางระยะที่มีการหดตัวเพียงชนิดเดียว

หน่วยยนต์ (motor unit) 

กล้ามเนื้อในร่างกายมีการทำงานเป็นหน่วย หน่วยเล็กที่สุดที่จะทำงานได้เรียกว่า หน่วยยนต์ ซึ่งประกอบด้วยประสาทยนต์หนึ่งเส้น กับใยกล้ามเนื้อจำนวนหนึ่ง ซึ่งเลี้ยงด้วยใยประสาทยนต์นั้น (ในร่างกายมนุษย์มีกล้ามเนื้อ ๒.๗ x ๑๐ ยกกำลัง ๘ ใย และมีประสาทยนต์ประมาณสี่แสนเส้น) ขนาดของหน่วยยนต์แตกต่างกันตามตำแหน่ง และงานที่กล้ามเนื้อต้องทำ กล้ามเนื้อที่ต้องทำงานละเอียด เช่น กล้ามเนื้อลูกตา หน่วยยนต์ประกอบด้วยกล้ามเนื้อ เพียง ๔-๕ ใย แต่ถ้าเป็นกล้ามเนื้อมัดใหญ่ที่ไม่ต้องทำงานละเอียด จะมีใยกล้ามเนื้อหลายร้อยหรือเป็นพันใย เช่น กล้ามเนื้อน่อง (gastrocnemius) จะมีใยกล้ามเนื้อ ๑,๐๐๐ - ๒,๐๐๐ ใย 

งานของกล้ามเนื้อลาย กล้ามเนื้อลายในร่างกายสามารถออกแรงดึงได้มาก เช่น กล้ามเนื้อ ในร่างกายซึ่งมีถึง ๒.๗ x ๑๐ ยกกำลัง ๘ ใย สามารถดึงน้ำหนักได้รวมกัน ถึง๒๕ ตัน หรือกล้ามเนื้อน่องขณะวิ่งจะยกน้ำหนักได้ถึง ๖ เท่าของน้ำหนักตัว

การทำงานของกล้ามเนื้อไบเซพส์และไตรเซพส์ เมื่อเหยียดแขนกล้ามเนื้อไตรเซพส์จะหดตัว ส่วนกล้ามเนื้อไบเซพส์คลายตัว ในทางตรงกันข้าม เมื่องอแขนกล้ามเนื้อไบเซพส์จะหดตัว ส่วนกล้ามเนื้อไตรเซพส์จะคลายตัว

มีผู้ได้ศึกษาแรงดึงของกล้ามเนื้อและพบว่า แรงดีของกล้ามเนื้อใน ชายเฉลี่ย ๖.๓ กิโลกรัม ต่อพื้นที่ภาคตัดของกล้ามเนื้อ ๑ ตารางเซนติเมตร ในหญิงได้ค่าไม่แตกต่างจากชาย

แต่การทำงานจริงๆ ในร่างกายนั้นกล้ามเนื้อต้องเสียเปรียบอยู่มาก เช่น ในการงอข้อศอก กล้ามเนื้อไบเซพส์ต้องดึงกระดูกที่อยู่ห่างจุดหมุนถึง ๑๐-๒๐ เท่า นอกจากนั้นทิศทางของใยกล้ามเนื้อไม่ได้อยู่ในแนวของแรงดึง อีกด้วย การเสียเปรียบดังกล่าวนี้ร่างกายต้องยอม เพื่อประโยชน์บางประ การ เช่น เพื่อลดรูปร่างของร่างกายให้เหมาะสมและดูสวยงาม

กล้ามเนื้อเรียบ

กล้ามเนื้อเรียบมีลักษณะทางกายวิภาคศาสตร์ และ คุณสมบัติทางสรีรวิทยาแตกต่างกันเองมาก ไม่เป็นแบบฉบับ เดียวกันเช่นกล้ามเนื้อลาย จึงเป็นการยากที่จะอธิบายสรีรวิทยา ของกล้ามเนื้อเรียบแบบเดียวที่อาจถือเป็นตัวแทนของกล้ามเนื้อ เรียบทั้งหมด อย่างไรก็ดี กล้ามเนื้อเรียบมีลักษณะทั่วไปทาง สรีรวิทยา ซึ่งเหมือนกัน ๓ ประการ คือ

๑) สามารถหดตัวได้ช้า นาน และสิ้นเปลืองพลังงาน น้อย
๒) ประสาทยนต์ที่มาเลี้ยง มาจากระบบประสาท อัตบาล
๓) มีความตึงตัวอยู่เองภายในกล้ามเนื้อ

กล้ามเนื้อหัวใจ

กล้ามเนื้อหัวใจเป็นกล้ามเนื้อที่มีลาย แต่ทำงานอยู่นอก อำนาจจิต (involuntary) คล้ายกล้ามเนื้อเรียบ การทำงานรวมกัน เป็นหน่วยเดียวกัน และมีตัวคุมจังหวะ (pacemaker) อยู่บริเวณ ปุ่มไซโน - เอเทรียล หรือปุ่ม เอส - เอ (sino - atrial node, SA node)