Effekte kurzer isokinetischer exzentrischer Widerstandstrainings auf neuromuskulär induzierte Anpassungen

1.1 Einführung

Bewegungsinduzierte neuromuskuläre und funktionelle Veränderungen sind modalitätsspezifisch. Bewegungsinduzierte muskuläre Anpassungen können durch mechanische Spannung, subzelluläre Schäden und metabolischen Stress beeinflusst werden. Exzentrische (ECC) Kontraktion tritt auf, wenn die auf den Muskel ausgeübte externe Kraft die momentane vom Muskel erzeugte Kraft übersteigt. Infolgedessen ist die Kraft des Muskels ausreichend, um die Last oder den Widerstand zu überwinden, die den Muskel verlängern. Im Vergleich zu konzentrischen (CON) oder isometrischen (ISO) Kontraktionen löst ECC-Training eine größere mechanische Belastung und Mikroläsionen in den Muskeln aus, was zu ausgeprägteren muskulären Anpassungen führen kann. ECC-Übung wird traditionell gegen eine konstante externe Last oder mit konstanter Geschwindigkeit (isokinetisch) durchgeführt. Abhängig von der Trainingsart erzeugt dies unterschiedliche mechanische Anforderungen, was zu unterschiedlichen neuromuskulären und Muskel-Sehnen-Anpassungsmechanismen führt. Im Gegensatz zu ISO- oder CON-Muskelkontraktionen setzt das zentrale Nervensystem eine spezifische neuronale Strategie ein, um die Skelettmuskelkontraktion zu steuern. Unterschiedliche Aktivierungsniveaus bei synergistischen Muskeln während ECC-Kontraktionen im Vergleich zu CON-Kontraktionen und die bevorzugte Rekrutierung von schnellzuckenden motorischen Einheiten sind zwei Beispiele, wie sich dies zeigt.

1.2 Problemstellung & Studienbegründung

Aufkommende Daten deuten darauf hin, dass Adipositas mit Muskelschwäche und verminderter Muskelqualität assoziiert ist. Regelmäßiges Krafttraining (RT) hat sich als förderlich für die maximale regenerative Kapazität eines Muskels erwiesen. Es wird angenommen, dass neuronale Mechanismen primär zu den anfänglichen (<2-4 Wochen) Gewinnen in der Muskelkraftproduktion während des Krafttrainings beitragen, gefolgt von Anpassungen in der Muskelmorphologie (>5-8 Wochen). Diese Evidenz basiert jedoch auf der Kombination von ECC- und CON-Kontraktionsübungen. Studien haben gezeigt, dass ECC-Kontraktion eine größere neuromuskuläre Anpassung auslöst als CON-Kontraktion. Daher ist ECC RT ein vielversprechender Ansatz für Personen mit Muskelschwäche, wie z.B. Adipöse. Daher wird postuliert, dass kurzes progressives exzentrisches isokinetisches Krafttraining (ECCISO RT) im Vergleich zu konzentrischem isokinetischem Krafttraining (CONISO RT) neuromuskuläre Anpassungen bei adipösen untrainierten Frauen erhöhen wird.

2.0 Literaturübersicht

2.1 Einführung

Die höhere Prävalenz von muskuloskelettalen Schmerzen, mechanischer Belastung, schlechter Muskel Fitness und anderen muskuloskelettalen Problemen ist mit Adipositas verbunden. Die Flexoren und Extensoren der unteren Gliedmaßen sind für Gleichgewicht, Mobilität und die Fähigkeit verantwortlich, tägliche Aufgaben auszuführen. Die Stärke und Ausdauer der Skelettmuskeln werden durch überschüssige Fettmasse (FM) verändert. Die Muskelmenge im Oberschenkel ist etwa 2,5-mal so hoch wie die Fettmasse; adipöse Personen haben jedoch mehr intra- und intermuskuläres Fett, Fett zwischen Muskelzellen, was sich nachteilig auf die Kraftproduktion und funktionelle Unabhängigkeit auswirkt. Die kraftproduzierende Fähigkeit eines Skelettmuskels kann zur Bewertung der funktionellen Kapazität des Muskels verwendet werden. Die Fähigkeit, Kraft auszuüben, die absolute Stärke, ist notwendig, um tägliche Aufgaben zu erfüllen. Adipöse Personen haben höhere absolute maximale willkürliche Kontraktions (MVC) Drehmomente als normalgewichtige Personen gezeigt. Dennoch haben sie auch eine geringere Muskelkraft relativ zum Körpergewicht und zur fettfreien Masse (FFM).

2.2 Die Auswirkung von Adipositas auf Skelettmuskelzusammensetzung und -stärke

Obwohl die Gesamtmuskelmasse bei übergewichtigen und adipösen Personen höher ist, ist die relative Muskelstärke von Übergewichtigen und Adipösen signifikant niedriger als bei gesunden Personen, was zu einer Abnahme der körperlichen Funktion führen kann. Adipositas kann die absolute Kraft und Leistung der gewichttragenden Muskeln in den unteren Extremitäten aufgrund erhöhter Anforderung erhöhen (Marte Johannson, 2021). Wenn jedoch Kraftproduktion und Leistungsabgabe auf die Gesamtkörpermasse normalisiert werden, wird ein Rückgang mit höherem BMI beobachtet, was zu verminderter Muskelqualität und Ermüdungsresistenz führt. Darüber hinaus schadet der negative Einfluss von adipositasabhängigen metabolischen Anpassungen, wie oxidativem Stress, Entzündung und Insulinresistenz, dem Muskelmasse-Stoffwechsel.

Der Anteil der Muskelfasern unterscheidet sich bei adipösen Personen. Es besteht eine positive Assoziation zwischen Körperfettanteil und dem Typ-II-Muskelfaser-Verhältnis, mit höherem Typ-IIX-Faseranteil bei Übergewichtigen. Typ-II-Muskelfasern haben oft geringere Zahlen von Mitochondrien, Myoglobin und Kapillaren als langsamzuckende Fasern, was sie anfälliger für Ermüdung macht. Typ-IIX (auch als Typ IIB bekannt) Fasern erzeugen die maximale Kraft; sie sind jedoch aufgrund ihrer hohen Myosin-ATPase-Aktivität, geringen oxidativen Kapazität und Abhängigkeit von anaerobem Stoffwechsel sehr ineffizient. Typ-IIA-Fasern, häufig als intermediäre Muskelfasern bezeichnet, kombinieren Typ I- und IIX-Fasern mit äquivalenter Spannung. Diese Fasern, die sowohl aerobe als auch anaerobe Energiequellen nutzen können, haben eine größere oxidative Kapazität und ermüden langsamer als Typ-IIX-Fasern. Ein erhöhter Anteil von Typ-II-Muskel ist assoziiert mit erhöhter (a) Insulinresistenz, (b) Risiko von Hyperinsulinämie, (c) verminderter Ermüdungsresistenz/Belastungstoleranz, (d) Ausdauer und (e) Mobilität.

Sowohl Human- als auch Tierstudien haben gefunden, dass Typ-II (insbesondere IIx) Muskelfasern anfälliger für Verletzungen nach ECC-Aktivität sind - erhöhte Typ-IIx-Fasern und Bewegungsmangel sind mit größerem Muskelschaden bei übergewichtigen Personen mit ECC-Training assoziiert. Eine einzelne Einheit hochkraftvoller ECC-Übung erhöht den Gehalt und Aktivierungsstatus von Muskelfaser-Satellitenzellen (SCs) in Typ II. SCs sind wesentlich für Wachstum, Reparatur und Regeneration von Skelettmuskelgewebe. Daher ist ECC-Training eine vielversprechende Übungstechnik für Personen mit eingeschränkter körperlicher Funktion, einschließlich übergewichtiger und adipöser Personen.

2.3 Auswirkungen von exzentrischem Krafttraining auf neuromuskuläre Anpassung

Im Vergleich zu traditioneller (CON) Übung erhöht ECC-Übungstraining signifikant die muskuläre Stärke. Muskelkraftgewinne im ECC-Training sind wahrscheinlich auf eine Kombination von neurologischen, morphologischen und anatomischen Faktoren zurückzuführen. Studien haben gezeigt, dass ECC-Kontraktion eine größere neuromuskuläre Anpassung auslöst als CON-Kontraktion. Obwohl eine aktuelle Metaanalyse keine statistisch signifikanten Unterschiede in Kraftgewinnen zwischen ECC- und CON-Training fand, zeigte ECC-Übungstraining auch einen Trend zu größeren Verbesserungen in CON-Stärke als CON-Übung. Dies demonstriert die Modalitätsspezifität der durch ECC-Übung verursachten neuromuskulären und funktionellen Anpassungen. ECC-Training hat die Oberflächenelektromyographie (EMG)-Aktivität während Kontraktionen erhöht, aber nicht während CON-Kontraktionen. Es wurden jedoch widersprüchliche Ergebnisse berichtet. Die elektrische Stimulation des Muskels wird durch das maximale EMG (d.h. Spitzen-Root-Mean-Square [RMS]-Werte und integrierte Spannung vom EMG [iEMG]) nach Training repräsentiert (Douglas et al., 2017). Dies wird beeinflusst durch die Menge und Größe (d.h. Typ I vs Typ II Fasern) rekrutierter motorischer Einheiten, Entladungsrate motorischer Einheiten und Synchronie motorischer Einheiten.

Mehrere Studien haben gefunden, dass ECC RT Muskelkraft verbessert, gemessen hauptsächlich durch Unterkörper-Sprungvarianten. Gesunde, trainierte Männer (N=24) wurden zufällig Gruppen zugewiesen: ECC RT (n=12) und CON RT (n=12). Die maximale willkürliche isometrische Kontraktion (MVCISO) des Quadrizeps, vertikales Springen und mehrkanalige Oberflächen-EMG-Signale wurden vor und nach RT gemessen. Roh-EMG-Signale wurden verwendet, um Muskelfaserleitgeschwindigkeit (MFCV) und Root Mean Square (RMS) zu berechnen. Nach ECC RT gab es einen statistisch signifikanten Anstieg in vertikalem Springen und MVCISO-Prozenten im Vergleich zu CON RT. Ebenso erhöhte ECC RT EMG MFCV und RMS mehr als konzentrische Übung.

Zwanzig gesunde männliche Probanden unterzogen sich 12 Wochen ECCISO RT auf einem isokinetischen Dynamometer, und neuromuskuläre Bewertungen der Kniestrecker wurden alle 4 Wochen durchgeführt. Die ECCISO RT umfasste 3 Sätze von 10 Wiederholungen während Wochen 1-4, 4 Sätze in Wochen 5-8 und 5 Sätze in Wochen 9-12. Eine 1-minütige Ruheperiode wurde zwischen Sätzen eingehalten. Signifikante Verbesserungen wurden beobachtet in muskulärer Stärke [PTECC (29 %), PTISO (24 %) & PTCON (15 %)], elektromyographischer Aktivität [ΣEMGECC (33 %), EMGISO (29 %)] und Muskelmasse [Kniestrecker-Muskeldicke (ΣMT 10 %) und anatomische Rektus-femoris-anatomische Querschnittsfläche (ACSA rf 19 %)] nach Training. ECC- und ISO-Aktivierung erhöhten sich bei 4 bzw. 8 Trainingswochen, während CON-Aktivierung sich nicht änderte. Diese Befunde implizieren, dass der proportionale Anstieg in neuronaler Aktivierung und Muskelmasse für ECC- und ISO-Kraftgewinne durch 8 Trainingswochen verantwortlich ist, während andere Prozesse an den Zunahmen in den letzten 4 Trainingswochen beteiligt zu sein scheinen. Mittlerweile war der relative Anstieg in PTCON vernachlässigbar und nicht mit neuronaler Anpassung nach ECCISO RT verbunden.

Synergistische Muskeln zeigen unterschiedliche morphologische und neurophysiologische Anpassungen in Reaktion auf ECCISO RT. Gesunde Männer (N=20) wurden auf neuronale und muskuläre Anpassung in Vastus medialis (VM) und Vastus lateralis (VL) nach progressiver ECCISO RT für 12 Wochen bewertet. Morphologische und neuronale Anpassungen wurden mittels Ultraschallmessungen der VL- und VM-Muskeldicke in Ruhe und elektromyographischen Messungen während MVCISO evaluiert. Nach Training erhöhte sich die Dicke beider Muskeln signifikant (VL: 6,9%; VM: 15,8%). Es gab jedoch signifikante Anstiege in Muskelaktivität in VM (47,8%; p = .003) aber nicht in VL (19,8%).

2.4 Schlussfolgerung

Die frühen negativen Effekte von exzentrischer Übung umfassen subzelluläre Muskelschädigung, Beschwerden, verminderte Fasererregbarkeit und anfängliche muskuläre Schwächung. Ein effektiver Stimulus zur Auslösung physiologischer und neuronaler Trainingsantworten ist Dehnung und Überlastung, wie in exzentrischen Kontraktionen. Verbesserung in Muskelfunktion resultiert aus Anpassungen induziert durch exzentrische Übung, einschließlich Muskelwachstum, erhöhter kortikaler Aktivität und Modifikationen im Verhalten motorischer Einheiten.