Если мозг не может или не хочет посылать мощный сигнал к мышцам, периферия (мышцы) может быть свежей, но работа остановится.

Такое утомление развивается как в связи с периферическими факторам, поступлением в ЦНС информации от тела, так и в силу утомления нейронов ЦНС и накопления метаболитов внутри самого головного мозга.

Сейчас мы рассмотрим все основные факторы и то, как мозг принимает решение остановиться (или отключается при перегрузке).

Во-первых, при длительной работе нейроны отвечающие за управление движением устают (при интенсивной работе) или ингибируются (при накоплении метаболитов).

Среди метаболитов важно понимать роль аденозина, дофамина, аммиака, серотонина и норадреналина. Их баланс определяет основную нейрохимию утомления.
И важен именно их общий баланс, наука давно отошла от концепции “одной молекулы усталости”.

Аденозин — это главный физиологический триггер центрального утомления при интенсивных и длительных нагрузках. Он образуется при потреблении АТФ нейронами и накапливается, особенно когда системы удаления не справляются с его производством.​

При физической нагрузке он растет прежде всего за счёт активности моторной коры, мозжечка, вегетативных центров, систем боли, дыхания, сердечно‑сосудистого контроля и т.д.

Чем выше суммарная активность нейронных сетей (движение, контроль позы, дыхание, боль, терморегуляция, эмоции, сенсорный контроль окружающей среды), тем больше локальное образование аденозина.

Дофамин — важнейший нейромедиатор, который регулирует мотивацию, оценку «выгоды» (стоимости) усилий и готовность терпеть дискомфорт, а не просто «удовольствие».​

При длительной нагрузке дофаминовая система утомляется (метаболический стресс). А также, параллельный рост аденозина (через A2A-рецепторы) снижает эффективность дофамина. Это повышает субъективную стоимость усилия и приближает момент отказа, даже при сохранной мышечной мощности.​

В этом контексте для выносливости полезен кофеин, который блокирует аденозиновые рецепторы отодвигая центральное утомление.

Аммиак (NH₃) производится в мышцах при распаде АМФ, при длительном энергодефиците. Далее, через кровь он проникает в мозг, где потребляя глутамат подавляет возбуждающие сигналы нейронов.

Глутамат — главный возбуждающий нейромедиатор ЦНС. При накоплении аммиака он потребляется для нейтрализации NH₃, что снижает его доступность для передачи возбуждающих сигналов. При длительных нагрузках дефицит глутамата в моторной коре приводит к ингибиции мотонейронов, даже если дофамин и аденозин в норме.

Это проблема именно длительных нагрузок (условно, >90 мин), потому что при краткосрочных нагрузках, мышцам (и в печени, которая может забирать и метаболизировать часть аммиака попавшую в кровоток) хватает глутамата для локальной нейтрализации аммиака.

Именно в связи с этим, при длительных нагрузках, для выносливости помогает прием BCAA.

Проникая в мышечные волокна, они предоставляют мышцам дополнительный глутамат. Этот глутамат работает как «химическая губка»: он перехватывает токсичный свободный аммиак, который лавинообразно образуется при тяжелом распаде АТФ, и связывает его в безопасную транспортную форму — глутамин. Тем самым БЦАА блокируют выход свободного аммиака в кровоток, предотвращая его попадание в головной мозг и развитие токсического утомления ЦНС.

Серотонин (5-HT) долгое время считали важным фактором центрального утомления, так как он растет вместе с нагрузкой и оказывает подавляющее действие на моторную кору (сонливость, снижение мотивации, чувство усталости). Но сейчас определены и его пути по усилению дофамина, что помогает преодолевать усталость.
В сумме, сегодня серотонин считается не фактором утомления, а модулятором двигательного контроля. В утомлении он может оказывать усиливающий эффект для других факторов, но сам по себе особо не значим.

Норадреналин (NA) — это защита от утомления.
Он активно борется с коллапсом организма при экстремальных условиях, особенно при тепловом стрессе, психологическом давлении и интенсивной работе.

Норадреналин выполняет три критические функции при нагрузке:
Первое — поддержание бодрствования и внимания. Здесь он конкурирует с серотонином, позволяя спортсмену оставаться бодрствующим и сосредоточенным.

Второе — терморегуляция при жаре. Он модулирует потоотделение и расширение сосудов кожи для увеличения теплоотдачи. Он не основной регулятор, но при жаре (30+) становится критически важным.

Третье — сердечно-сосудистый контроль. Он увеличивает сердечный выброс, артериальное давление и перераспределяет кровь в пользу мозга, мышц и теплоотдачи, отводя её от других органов.

С другой стороны, он участвует в утомлении повышая ощущение тяжести усилий, из за чего спортсмен чувствует себя хуже (больше осознания жары и боли). 
Но на фоне положительных эффектов, это только защитный сигнал о необходимости остановиться — мозг точнее оценивает опасность и действует эффективнее.

При длительных интенсивных нагрузках, особенно в жарких условиях, норадреналин — это спасатель, который не позволяет мозгу и телу отключиться.

Помимо этих метаболитов для ЦНС крайне важна информация от разных метаболических (температура, pH и др) и механорецепторов (перерастяжения), в ответ на SOS-сигналы которых мозг может принудительно снизить активацию мышц, чтобы уберечь организм от повреждений.

Две ключевых системы, управляющих таким принудительным отключением, называются “центральный регулятор” и “субъективная оценка тяжести усилия”.
Они хорошо объясняют почему когда мышцы кажутся почти истощенными, словесное поощрение, крики, музыка или даже прямая электрическая стимуляция мышц могут увеличить силу их сокращения.

Центральный регулятор (ЦР, CG, Central Governor) — это подсознательный механизм, автоматически снижающий работоспособность для предотвращения опасных ситуаций (истощение, перегрев, перенапряжение и др.).

Он постоянно отслеживает множество параметров (биохимические, психологические, механические) чтобы предсказать угрозу перенапряжения. 

И при превышении некоторого порога — автоматически снижает активность мышц, вызывает чувство усталости, может активировать центры негативных эмоций и усиливать болевые ощущения.

Субъективная оценка тяжести усилия (RPE, Rating of Perceived Exertion) — это система учитывающая в себе всю группу факторов мотивации, страха боли, тревожности и разных психологических барьеров. Под их влиянием мозг может воспринимать одни и те же усилия более или менее тяжелыми.

Этот фактор коррелирует с объективным утомлением. Чем выше физическое утомление, тем активнее возрастает субъективная оценка тяжести.
Как только ощущение тяжести превышает мотивацию и воспринимается как максимальное, спортсмен сознательно сбавляет темп или вообще останавливается. Хотя, физически, еще мог по продолжать работу.

Если ЦР — это автоматическая защита, то RPE — это выбор целесообразности. Нужно ли тратить усилия на действие.

В этом контексте, можно улучшить работоспособность не меняя физиологию мышц, просто изменив восприятие и психологическое состояние. Справляться с утомлением на уровне ЦР и RPE помогает опыт борьбы с усталостью и толерантность к дискомфорту.

Хорошо работают разные психологические факторы:

• Мотивирующая информация (скоро финиш).
• Переключение внимания.
• Мотивация, как внешняя (поддержка трибун) так и внутренняя (визуализация, вербализация).
• Плацебо.

Таким образом, производительность определяется не только физиологией мышц, но и тем, как мозг интерпретирует и решает использовать имеющиеся ресурсы.