Schemat przedstawia czynniki wpływające na czas wstrzymywania oddechu. Część mechanizmów pozwala na świadomą kontrolę wentylacji, a część działa automatycznie bez udziału naszej woli. Wszystkie te mechanizmy wpływają na główne ośrodki oddechowe w pniu mózgu. Ich funkcja polega na zwiększaniu (+) lub zmniejszaniu(-) wentylacji w zależności od aktualnych potrzeb organizmu..

Silne wstrzymywanie powietrza i redukcja oddechu to bardzo interesujący sposób na zwiększenie wydolności organizmu. Jednak zrozumienie mechanizmów związanych ze wstrzymywaniem oddechu wymaga przedstawienia działania fizjologicznych mechanizmów oddychania.
I od tego zacznę ten wpis. 

Trening oddechowy pozwala na subtelną regulację funkcjonowania naszego organizmu przyczyniając się do poprawy zdrowia, samopoczucia i wydajności sportowej. Dziś przedstawiam Ci trening redukcji oddechu – hipowentylację, która w ciekawy sposób wpływa na mechanikę oddychania. 

Kontrola oddychania  

Funkcją mechanizmu oddychania jest utrzymanie prawidłowego i stabilnego składu gazów we krwi. Oddychanie utrzymuje w niej prawidłowe pH oraz prężność tlenu oraz dwutlenku węgla. Wszystko po to by odpowiednia ilość tlenu trafiała do pracujących komórek naszego ciała.

Podstawowy rytm i wzorzec oddechowy jest regulowany przez liczne neurony znajdujące się w pniu mózgu. Jest to tzw. ośrodek oddechowy.  Oddychanie kontrolowane jest przez napływające informacje do ośrodków oddechowych. Informacje te mogą pochodzić z kory mózgowej, z chemoreceptorów oraz z mechanoreceptorów dróg oddechowych. 

Chemoreceptory utrzymują stabilny poziom gazów oddechowych (O2/CO2) we krwi. Wyróżniamy dwa rodzaje tych receptorów:  ośrodkowe i obwodowe. Chemoreceptory ośrodkowe reagują głównie na podwyższony poziom CO2. Z kolei receptory obwodowe są wrażliwe na obniżony poziom O2. Zmiany stężeń tych gazów powodują pobudzenie tych receptorów,  co prowadzi do zwiększenia częstości rytmu oddechowego.

Mechanoreceptory reagują na rozciągnięcie płuc podczas wdechu (mechanoreceptory SAR – Slow Adapting Receptors). Za pośrednictwem nerwu błędnego przekazują informacje do pnia mózgu, który skraca wdech i inicjuje wydech. Wszystko po to by wdech nie skończył się nadmiernym rozciągnięciem płuc.

Ośrodki wyższe w korze mózgowej pozwalają na świadomą kontrolę rytmu oddechowego np. podczas mówienia, śpiewania, wymiotów czy defekacji. Dzięki temu poziomowi zarządzania oddechem mamy możliwość wolicjonalnej (choć ograniczonej) kontroli oddechu. 

Co najbardziej w tym miejscu istotne: świadomy trening wstrzymywania oddechu może powodować przyzwyczajanie się ośrodków oddechowych do odczuwanej duszności przez co zmniejszy się odpowiedź wentylacyjna na zmieniane warunki oddechowe. Nie oznacza to, że wyzwalamy ciągłe uczucie duszności, a że podnosimy próg jej odczuwania. 

Mechanizm ten sugeruje, że techniki i manewry oddechowe, które będą wpływały na wszystkie powyższe mechanizmy kontroli oddechu mogą wydłużać czas wstrzymywania oddechu. Co świadczy o tym, że za pomocą treningu oddechowego możemy gimnastykować ośrodki oddechowe. 

Na czym polega hipowentylacja? 

Trening hipowentylacji polega na wykonywaniu silnych (maksymalnych lub submaksymalnych) wstrzymań oddechu, które redukują częstość oddychania. Metodyka treningu najczęściej obejmuje stosowanie naprzemiennego wstrzymywania oddechu z normalnym oddychaniem. Ćwiczenia te w odpowiedni sposób dodaje się do innych aktywności fizycznych, np.pływania, biegania czy spacerowania. 

Hipowentylacja może być wykonywana na zwiększonej objętości oddechowej (płuca wypełnione powietrzem – po wdechu) oraz na niskiej objętości oddechowej (płuca do połowy pełne – po wydechu).  

Najlepszą efektywność tych ćwiczeń osiągniemy wykonując wstrzymanie powietrza po wydechu (na niskiej objętości oddechowej), które powoduje istotnie podwyższony poziom CO2 i obniżony poziom O2, co jak już wiesz, wpływa na odpowiedź wentylacyjną ośrodków oddechowych. Wstrzymywanie oddechu po wydechu pozwala na tzw. symulowanie treningu wysokogórskiego – prowadzi do obniżenia poziomu O2 we krwi, czyli tzw. hipoksji, którą obserwujemy też podczas przebywania na terenach o dużej wysokości nad poziomem morza. Tak, regularny trening hipoksyczno-hiperkapniczny (obniżenie ilości O2 i podwyższenie ilości CO2) pozwala na „ściągnięcie” Tatr do Warszawy 😀 

Ale dlaczego akurat po wydechu? 

Tutaj należy przypomnieć sobie parę kwestii związanych z metabolizmem pracujących mięśni. 

Podczas intensywnej pracy przemiany metaboliczne w mięśniach prowadzą do wytworzenia CO2, H+ i HCO3- co przy udziale wystarczającej ilości tlenu skutkuje wytworzeniem H2O. 

Przy braku odpowiedniej ilości tlenu prowadzi do wytworzenia kwasu mlekowego. 

Stosowanie podczas ćwiczeń kombinacji wstrzymań oddechu po wydechu powoduje wzrost poziomu CO2 i obniżenie poziomu O2 w płucach, krwi i mięśniach. Zmiany te stymulują produkcję kwasu mlekowego, H+ oraz zakwaszenie organizmu. Równowaga kwasowo-zasadowa zostaje wysoce zaburzona. 

Powtarzająca się ekspozycja na kwasicę zmusza organizm do adaptacji przez co poprawiają się zdolności organizmu do buforowania. Ponadto zmniejsza się wrażliwość chemoreceptorów na CO2 co zmniejsza odpowiedź wentylacyjną centralnych ośrodków. 

Im masz lepszą tolerancję na zwiększony poziom CO2 tym masz lepszą tolerancję na zwiększony wysiłek fizyczny. 

Badania wykazały, że wstrzymywanie powietrza po wdechu (na dużej objętości oddechowej) nie prowadzą do zmian w stężeniach gazów oddechowych, dlatego korzystne mechanizmy wynikające z hipowentylacji w takim przypadku nie zachodzą.

Efekt Bohra – czyli jak ważna jest równowaga

Z równowagą kwasowo-zasadową jest związany jeszcze jeden bardzo ważny mechanizm biochemiczny- tzw. Efekt Bohra. Efekt ten mówi o tym, że im mniejsze stężenie CO2 we krwi tętniczej tym większe powinowactwo tlenu do hemoglobiny. 

Oznacza to, że im mniej CO2 w organizmie tym mniej tlenu odłącza się od krwi przez co mniej jest go transportowane do mózgu, mięśni i wszystkich narządów. Spadek stężenia CO2 wywoływany jest m.in. przez hiperwentylację, podczas której intensywnie wydychamy CO2 aż spada poniżej optymalnego poziomu. 

Efektem spadku CO2 podczas hiperwentylacji jest m.in. zwężenie tętnic mózgowych przez co zmniejsza się przepływ krwi, a tym samym dostawa tlenu do mózgu. W działaniu krótkofalowym objętość oddychania zostanie zmniejszona żeby skumulować CO2 i wrócić do równowagi kwasowo-zasadowej. Problem pojawia się dopiero gdy hiperwentylacja trwa dłużej (stan przewlekły). Do wyrównania pH musi włączyć się wydzielanie nerkowe HCO3-. Czyli mamy do czynienia z kolejną adaptacją wyrównującą zaburzenia pH. Z tego powodu układ ten może nie poradzić sobie już z dodatkowym obciążeniem wentylacyjnym, np. stresem. 

Zauważ, że podczas intensywnego wysiłku, nawet gdy się silnie hiperwentylujesz, twoje ciało wytwarza CO2 co pozwala na względnie efektywniejsze utrzymywanie równowagi kwasowo-zasadowej. Czyli szybszy oddech związany jest z większym zapotrzebowaniem metabolicznym organizmu. Podczas przewlekłej hiperwentylacji, która pojawia się podczas codziennego funkcjonowania, nie dochodzi do tego wyrównania.   

Dlatego też równowaga kwasowo-zasadowa musi być tak ściśle utrzymywana na stałym poziomie. Jeżeli dochodzi do jakichkolwiek przewlekłych zaburzeń nasze ciało będzie wytwarzało adaptacje, by wciąż jak najbardziej efektywnie pracować. Jednak jak zawsze – wszystko ma swoje limity.

Korzyści treningu hipowentylacji 

Wszystkie mechanizmy kontroli oddechu mają na celu ochronę serca, mózgu i innych narządów przed niedotlenieniem. Gdy ćwiczymy za mocno, spadnie poziom tlenu i wzrośnie kwasica – mózg wyśle informacje by nas spowolnić – będziemy czuć zmęczenie, ból mięśni i duszność.

Gdy będziemy stosować trening hipowentylacji nauczymy mózg i ośrodki oddechowe na zwiększenie tolerancji na silną kwasicę. Dzięki temu układ nerwowy pozwala naszemu ciału na intensywniejszą pracę. Podobne efekty można osiągnąć poprzez wykonywanie ćwiczeń anaerobowych, co wiąże się jednak z większym obciążeniem. Trening hipowentylacji może być dobrym rozwiązaniem na podniesienie wydolności u sportowców po kontuzjach układu ruchu ponieważ pozwala na trening wydolnościowy przy umiarkowanej intensywności nie obciążając przy tym układu mięśniowo-szkieletowego. 

Gdy jesteśmy przy mięśniach – głównym wykonawcą poleceń ośrodków oddechowych jest przepona i inne mięśnie oddechowe. Jeżeli nasz organizm, z powodu np.: słabego wytrenowania, ma silną reakcję wentylacyjną to mięśnie te będą szybko ulegały zmęczeniu co ograniczy ich wydolność wysiłkową. Zmęczone mięśnie oddechowe będą wymagały większych dostaw krwi z tlenem – będą więc podkradać energię innym mięśniom. W końcu najważniejsze jest byśmy się nie udusili 😉 Treningowe wstrzymywanie powietrza wywołuje obciążeniowy stres hiperkapniczny i mechaniczny mięśni oddechowych oraz przepony co prowadzi do ich wzmocnienia. 

Ponadto zmniejszenie ilości tlenu we krwi podczas silnych wstrzymań oddechu jest również sygnałem dla nerek by wydzieliły większą ilość erytropoetyny (tzw. EPO). Hormonu, który pobudza wytwarzanie czerwonych krwinek krwi, które to przy pomocy wspomnianej wcześniej hemoglobiny, transportują tlen do mięśni. Im więcej czerwonych krwinek tym więcej małych transporterów tlenu, a więc więcej energii dla pracujących mięśni. 

Jak widzisz korzyści jest naprawdę wiele, a wszystkie oparte są o podstawowe mechanizmy, które nasze ciało wytworzyło w celu kontroli oddechu. 

W tym miejscu należy jednak nadmienić, że badania jednoznacznie nie potwierdzają, że trening hipowentylacji poprawia wydolność tlenową. Na tym polu są konieczne dalsze badania. 

Podsumowując: stosowanie powtarzanych silnych wstrzymań powietrza niesie ze sobą liczne, w tym długofalowe,  efekty takie jak: 

  • zwiększenie ilości hemoglobiny we krwi
  • spowolnienie metabolizmu
  • zwiększenie stężenia EPO
  • poprawa ekonomii biegania 
  • poprawę w zakresie powtarzalnej zdolności do sprintu (intensywne wysiłki interwałowe)   
  • poprawa wyników podczas krótkich i średnich wysiłków (bieganie, pływanie, sporty walki, sporty zespołowe) 
  • zwiększenie siły mięśni oddechowych.

Należy również pamiętać o wpływie zredukowanego, wolnego oddychania na modulację i kontrolę autonomicznego układu nerwowego, co wpływa w znacznym stopniu na ergonomię pracy serca i dostosowanie pracy ciała na wysiłek fizyczny – przeczytasz o tym więcej w tym wpisie. 

Jak ćwiczyć?

Protokołów treningowych jest wiele i w zależności od uprawianej dyscypliny trening hipowentylacji będzie wyglądał inaczej. W dużej mierze trening ten uzależniony jest od indywidualnej wydolności. Dla niektórych osób o niskiej wydolności, dla potrzeb rekreacyjnych, treningiem redukującym będzie już oddychanie tylko przez nos podczas całej jednostki treningowej. Osoby bardziej wytrenowane mogą sobie pozwolić na dłuższe wstrzymywania oddechu podczas intensywnych wysiłków. Np. kilkukrotne silne wstrzymanie powietrza podczas sprintu przeplatane normalnym oddychaniem. 

Trening ten najlepiej jest traktować jako oddzielne, ukierunkowane na hipowentylację treningi. Dobrze jest dołączyć protokoły redukujące oddech do rozgrzewki przedtreningowej. Raczej nie poleca się stosowania hipowentylacji podczas ważnych zawodów. W takich sytuacjach bardziej istotne będzie wcześniejsze przygotowanie mentalne oparte o ćwiczenia wolnego oddechu. 

Pamiętaj też, że najlepsze efekty osiąga się poprzez pracę nad codziennym wzorcem oddechowym, który ćwiczy ośrodki oddechowe by były w jak najlepszym działaniu wyjściowym (spoczynkowym).  

W eBooku „21 Dni z Oddechem” znajdziesz dwa ćwiczenia wprowadzające silne wstrzymania powietrza: ćwiczenie na odblokowanie nosa oraz tzw. duże kroki – znajdziesz je w części z Atlasem Ćwiczeń. 

Czy to dla każdego?

Hipowentylacja ze wstrzymywaniem oddechu to bardzo wymagający fizycznie trening. Nie jest na pewno przeznaczona dla niewytrenowanych sportowców oraz osób z problemami oddechowymi i sercowo-naczyniowymi. Hipowentylacja niesie z sobą dużą ingerencję w mechanikę oddychania i pracę układu nerwowego co może wywoływać bóle i zawroty głowy. Jednak korzyści związane z wydajnością i wydolnością treningową na pewno powinny być wzięte pod uwagę w treningu wyczynowych sportowców.  

Źródła:
Godfrey S, Campbell EJM. The control of breath holding. Respir Physiol 5: 385– 400, 1968.
Casey K, Duffin J, McAvoy GV. The effect of exercise on the centralchemoreceptor threshold in man. J Physiol (Lond) 383: 9 –18, 1987.
Ostrowski, A., Strzała, M., Stanula, A., Juszkiewicz, M., Pilch, W., and Maszczyk, A. (2012). The role of training in the development of adaptive mechanisms in freedivers. J. Hum. Kinet. 32, 197–210.
Alpher VS, Nelson RB 3rd, Blanton RL. Effects of cognitive and psychomotor tasks on breath-holding span. J Appl Physiol 61: 1149 –1152, 1986
Nielsen M, Smith H. Studies on the regulation of respiration in acute hypoxia; preliminary report. Acta Physiol Scand 22: 44 – 46, 1951.
Woorons X, Mucci P, Richalet JP, Pichon A. Hypoventilation Training at Supramaximal Intensity Improves Swimming Performance. Med Sci Sports Exerc. 2016 Jun;48(6):1119-28
Woorons, Xavier; Bourdillon, Nicolas; Vandewalle, Henri; Lamberto, Christine; Mollard, Pascal; Richalet, Jean-Paul; Pichon, Aurélien (2010). „Exercise with hypoventilation induces lower muscle oxygenation and higher blood lactate concentration: Role of hypoxia and hypercapnia”. European Journal of Applied Physiology
Woorons, Xavier; Gamelin, François-Xavier; Lamberto, Christine; Pichon, Aurélien; Richalet, Jean Paul (2014). „Swimmers can train in hypoxia at sea level through voluntary hypoventilation”. Respiratory Physiology & Neurobiology. 190: 33–9. 
Woorons, X.; Bourdillon, N.; Lamberto, C.; Vandewalle, H.; Richalet, J.-P.; Mollard, P.; Pichon, A. (2011). „Cardiovascular Responses During Hypoventilation at Exercise”. International Journal of Sports Medicine. 32 (6): 438–45. 
Kapus, Jernej; Ušaj, Anton; Kapus, Venceslav; Štrumbelj, Boro (2005). „The influence of training with reduced breathing frequency in front crawl swimming during a maximal 200 metres front crawl performance” Kinesiologia Slovenica. 11 (2): 17–24.
Darija Baković, Zoran Valic, Davor Eterović, Ivica Vuković, Ante Obad, Ivana Marinović-Terzić,Zeljko Dujić. Spleen volume and blood flow response to repeated breath-hold apneas. Journal of Applied Physiology.2003;(vol. 95 no. 4):1460-1466
Woorons, Xavier; Mollard, Pascal; Pichon, Aurélien; Duvallet, Alain; Richalet, Jean-Paul; Lamberto, Christine (2008). „Effects of a 4-week training with voluntary hypoventilation carried out at low pulmonary volumes”. Respiratory Physiology & Neurobiology. 160 (2): 123–30.
Lemaître F, Joulia F, Chollet D. Apnea: a new training method in sport? Med Hypotheses. 2010;(Mar;74(3)):413-5
See: Lavin, K. M.; Guenette, J. A.; Smoliga, J. M.; Zavorsky, G. S. Controlled-frequency breath swimming improves swimming performance and running economy. Scandinavian Journal of Medicine & Science in Sports 2013 Oct 24
Dajana KARAULA 1, Jan HOMOLAK 2, Goran LEKO. Effects of hypercapnic-hypoxic training on respiratory muscle strength and front crawl stroke performance among elite swimmers. Turkish Journal of Sport and Exercise. Year: 2016 – Volume: 18 – Issue: 1 – Pages: 17-24 
Burtch AR1 , Ogle BT, Sims PA, Harms CA, Symons TB, Folz RJ, Zavorsky GS. Controlled Frequency Breathing reduces Inspiratory Muscle Fatigue. J Strength Cond Res. 2016 Aug 16. 
The Effects of Inspiratory Muscle Training on Anaerobic Power in Trained Cyclists By Courtenay McFadden Accepted in Partial Completion of the Requirements for the Degree Master of Science