Szkolny HIIT i efekty reakcji na dawkę (PEER-HEART)

I. Kontekst Częstość występowania nadwagi i otyłości jest dobrze udokumentowana w literaturze. Dotyczy to zarówno dorosłych, jak i osób starszych, ale coraz częściej także dzieci i młodzieży w wieku szkolnym. Podobnie jak w przypadku tkanki tłuszczowej, stale wzrasta odsetek młodych osób z podwyższonym ciśnieniem krwi. Ponadto dzieci i młodzież systematycznie zmniejszają swoją wydolność fizyczną. Wszystkie te cechy służą jako wskaźniki ogólnego stanu zdrowia, określanego jako sprawność związana ze zdrowiem (HRF). Pomiary obrazują potencjał zdrowotny, jaki młodzież wnosi w dorosłość, co jest ściśle związane z jej sprawnym funkcjonowaniem w życiu rodzinnym i zawodowym.

W walce z chorobami cywilizacyjnymi w okresie dojrzewania rośnie tendencja do podejmowania intensywnych wysiłków krótkoterminowych. Dowody z licznych badań potwierdzają skuteczność treningu interwałowego o wysokiej intensywności (HIIT) w redukcji masy ciała, poprawie wskaźnika masy ciała (BMI), redukcji tkanki tłuszczowej i obniżeniu spoczynkowego ciśnienia krwi. Ze względu na niechęć dzieci i młodzieży do podejmowania aktywności fizycznej w czasie wolnym, coraz częściej wdraża się systemowo zajęcia HIIT na lekcjach wychowania fizycznego, aby zapewnić powszechność ćwiczeń fizycznych wśród uczniów.

Osobną kwestią jest brak reakcji na ćwiczenia u niektórych osób (tzw. non-responders). Istnieje kilka badań, które próbują znaleźć optymalną dawkę ćwiczeń, aby wywołać reakcję u jak największej liczby uczestników, najlepiej u wszystkich uczestników (zależność dawka-odpowiedź). Jednak skuteczność treningu oparta na czasie trwania ćwiczeń i odstępach między odpoczynkami, rodzaju ćwiczeń (wytrzymałość, opór itp.) i intensywności ćwiczeń jest nadal nieznana.

II. Cele projektu badawczego

Dlatego cele tego badania są dwojakie:

1. zbadanie skuteczności różnych form krótkotrwałych, intensywnych ćwiczeń interwałowych w zakresie redukcji tkanki tłuszczowej i spoczynkowego ciśnienia krwi oraz poprawy wytrzymałości fizycznej tlenowej i beztlenowej;
2. po zidentyfikowaniu osób niereagujących i zastosowaniu procedur dawka-odpowiedź, opracować modyfikacje do standardowego programu HIIT i zweryfikować skuteczność tych modyfikacji w wywoływaniu wyżej wymienionych pozytywnych zmian.

Hipoteza 1. Trening interwencyjny o wysokiej intensywności, prowadzony systematycznie podczas regularnych zajęć aktywności fizycznej, wpłynie na skład ciała redukując tkankę tłuszczową (poprzez wzmożenie procesów utleniania tłuszczu podczas bardzo intensywnych ćwiczeń) oraz poprawi proporcje masy tłuszczowej do masy mięśniowej. U uczestników grupy eksperymentalnej z podwyższonym ciśnieniem krwi zaobserwowana zostanie poprawa ciśnienia krwi, co wiąże się z kilkoma fizjologicznymi reakcjami sercowo-naczyniowymi. Po trzecie, intensywny trening fizyczny w krótkich odstępach czasu poprawi wydolność krążeniowo-oddechową.

Hipoteza 2. Istnieje duża liczba uczestników, którzy nie zyskają innych rezultatów programu interwencyjnego.

Hipoteza 3. Programy interwencji HIIT, indywidualnie dostosowane do osób niereagujących, uwzględniające różne determinanty, wywołują oczekiwane zmiany w ww. efektach.

III. Projekt badań i plan pracy Projekt ma charakter podłużny i jest zaplanowany na dwa lata studiów. Obydwa lata, zwane cyklami, są badaniami z randomizacją klastrów (innymi słowy – badaniami z randomizacją grupową, w których uczestnicy badania nie są przydzielani do interwencji niezależnie, ale jako grupa).

Każdy cykl studiów składa się z dwóch części. Pierwsza część (zwana Common-HIIT) ma dwie części: eksperymentalną i kontrolną, natomiast druga część (zwana Dawką-Reakcją) ma cztery części: dwie eksperymentalne i dwie kontrolne.

Do klasyfikacji klas na eksperymentalne i kontrolne stosuje się proste losowanie bez zastępowania. Operat losowania to zestawienie klas z identyfikatorami specyficznymi dla każdej szkoły (np. 1a, 1b, 2a itd.). Proces randomizacji przeprowadzany jest przez badaczy tego badania przy użyciu określonej biblioteki w języku R.

W projekcie biorą udział dwa typy grup uczniowskich: eksperymentalna (EG) – po ok. 4 klasach w każdej szkole i kontrolna (CG) – po ok. 4 klasach w każdej szkole. W części Common-HIIT EG wykonuje interwencję w zakresie treningu fizycznego, podczas gdy CG bierze udział tylko w typowych lekcjach WF. W części Dawka-Reakcja osoby, które nie odpowiedziały (zidentyfikowane jako osoby, które nie uzyskają efektów w pierwszej części) zostaną losowo (ta sama procedura jak w pierwszej części) podzielone na grupę eksperymentalną (NRs-E) i grupę kontrolną (NRs- C), natomiast respondenci (zidentyfikowani jako osoby, które odniosą efekty w pierwszej części) również zostaną losowo (ta sama procedura jak w części pierwszej) podzieleni na grupę eksperymentalną (Rs-E) i kontrolną (Rs-C).

W części Common-HIIT wszyscy uczestnicy są badani podczas pomiarów przedinterwencyjnych, pointerwencyjnych i kontrolnych. Natomiast w części Dawka-Reakcja są one badane dwukrotnie: przedinterwencyjną i pointerwencyjną interwencją typu dawka-odpowiedź.

IV. Metodologia badań IV.1 Charakterystyka przedmiotu. Wielkość próby obliczono na podstawie badań pilotażowych przy użyciu oprogramowania G*Power v. 3.1, w wyniku czego minimalna wielkość próby wynosiła 310 osób (z 5% marginesem rezygnacji). W badaniu biorą udział uczniowie klas I i IV, którzy realizują projekt odpowiednio na I i II stopniu. Do badania wybrano dwie szkoły ponadgimnazjalne na terenie Wrocławia. Uczestnicy podzieleni są na grupy płci, co jest związane z regulaminem szkoły.

IV.2. Procedury interwencyjne. W projekcie zastosowano schemat badań w grupach równoległych (2 szkoły) w trzech powtórzeniach. W każdej szkole realizowana będzie inna forma interwencji, oparta ogólnie na zasadach programu HIIT. W jednej szkole planowany jest wariant klasyczny, w drugiej wariant wykorzystujący mechanizm plyometryczny.

W projekcie zastosowano intensywną, przerywaną interwencję ćwiczeniową. W jednej szkole planowany jest program standardowy, w drugiej modyfikacja polegająca na ćwiczeniach plyometrycznych. Wybrany program interwałowy o wysokiej intensywności jest bardzo przydatny w środowisku szkolnym ze względu na prostotę realizacji i krótki czas. Można go łatwo wdrożyć na lekcji, nie zakłócając w znaczący sposób przebiegu lekcji i realizacji zadań programowych nauczyciela. Podczas interwencji wykonuje się 8 serii ćwiczeń po 20 sekund i 10 sekund przerwy.

Całkowity czas trwania ćwiczenia wynosi 4 minuty. Kluczem jest wykonanie ćwiczenia z intensywnością 90%-100% maksymalnego wysiłku. Krótki czas trwania oraz możliwość stosowania różnych form ćwiczeń czyni je atrakcyjnymi w opinii uczestników i pozytywnie wpływają na motywację do ćwiczeń. W pierwszej części badania, niezależnie od form ćwiczeń realizowanych w obu szkołach, zastosowany zostanie standardowy program interwencyjny HIIT. Część interwencyjną poprzedzi standardowa 10-minutowa rozgrzewka przed sesją. Następnie uczestnicy rozpoczną program główny i wykonają intensywną pracę trwającą 20 sekund z 10-sekundową przerwą na odpoczynek. W ciągu pierwszych czterech tygodni wystąpią od czterech do sześciu serii, a celem kolejnych czterech tygodni będzie wykonanie pełnego cyklu ośmiu serii. Po wykonaniu wszystkich serii w danym cyklu następuje 5-minutowa przerwa. Następnie nauczyciel przechodzi do zaplanowanych zadań lekcyjnych wynikających z podstawy programowej.

Osiągnięcie prawidłowej intensywności ćwiczeń jest kluczowym czynnikiem w interwencjach typu HIIT. Biorąc jednak pod uwagę, że interwencja będzie odbywać się w środowisku szkolnym, założono, że uczestnicy będą utrzymywać wysiłek na poziomie co najmniej 80% HRmax przez cały 8-tygodniowy okres. Tętno będzie mierzone za pomocą opasek Polar Verity Sense. Nauczyciel kontroluje w czasie rzeczywistym i motywuje wysiłek ucznia w miarę spadku intensywności.

W drugiej części badań wprowadzone zostaną modyfikacje interwencyjne zmieniające dawki bodźców programów. Szczegóły projektu tych modyfikacji zostaną zaczerpnięte z wyników uzyskanych w pierwszej części badań. Zmodyfikowane zostaną proporcje przerw pracy i odpoczynku, struktura i/lub forma ćwiczeń. Osoby niereagujące (które w pierwszej części nie zareagowały na ćwiczenia w postaci obniżenia tkanki tłuszczowej i/lub ciśnienia krwi i/lub poprawy wydolności fizycznej) oraz te, które nie utrzymają efektu przez okres 8 tygodni, zostaną przydzieleni do podgrup, w których będą szkoleni zgodnie z odpowiednią modyfikacją. do podgrup, w których szkolenie zostanie odpowiednio zmodyfikowane.

Wartości tętna tworzące szereg czasowy zostaną zapisane w aplikacji i wyeksportowane do bazy danych po zakończeniu projektu. Wyniki te zostaną zestawione z danymi pomiarowymi i ankietowymi i wykorzystane do szczegółowych analiz.

IV. 3. Pomiary. Pomiary zaplanowano w trzech obszarach: morfologicznym, sercowo-naczyniowym i wydolności fizycznej. Przeprowadzone zostaną pomiary podstawowych cech morfologicznych. Pomiar wysokości ciała odbywać się będzie za pomocą antropometru z dokładnością do 0,1 cm (GPM Anthropological Instruments). Pomiar masy ciała odbywać się będzie na wadze elektronicznej (urządzeniu do pomiaru składu ciała) z dokładnością do 0,1 kg. Mierzony będzie także skład ciała. Urządzenie do pomiaru składu ciała wykorzystuje metodę impedancji bioelektrycznej. Zmierzona zostanie masa tłuszczowa, masa mięśniowa i woda. Na podstawie zmierzonych cech morfologicznych i składu ciała obliczane są wskaźniki: względna masa ciała (BMI), względna masa tłuszczowa (FMI), względna masa mięśniowa (SMI) oraz stosunek mięśni do tkanki tłuszczowej (MMI), mięśnie do tłuszczu współczynnik (MFR).

Cechy hemodynamiczne krążenia krwi zostaną określone na podstawie spoczynkowych pomiarów skurczowego i rozkurczowego ciśnienia krwi oraz częstości akcji serca. Stosowany będzie elektroniczny ciśnieniomierz naramienny. Do pomiaru wydolności fizycznej tlenowej i beztlenowej przewiduje się badania populacyjne (odpowiednio wielopoziomowy bieg wahadłowy, tzw. beep test).

Uzupełnieniem pomiarów będzie zbiór danych ankietowych. Dane te będą zmiennymi towarzyszącymi w szczegółowych, pogłębionych analizach. Planowane są badania: sytuacji ekonomiczno-społecznej rodzin uczniów (skala FAS), aktywności fizycznej (kwestionariusz IPAQ) oraz częstotliwości spożywania posiłków (kwestionariusz KomPAN). Dodatkowo po każdej jednostce lekcyjnej uczniowie będą wypełniać ankiety zawierające skalę subiektywnego poczucia zmęczenia (RPE) oraz skalę atrakcyjności lekcji (PACES).

V. Analiza statystyczna Ocenione zostaną rozkłady zebranych danych. W zależności od rodzaju rozkładu stosowane będą metody parametryczne i nieparametryczne. W wielowymiarowych procedurach eksploracyjnych dane niespełniające warunku normalności rozkładu zostaną poddane transformacji i skalowaniu. Zakłada się porównania między wieloma grupami z powtarzanymi pomiarami (MANOVA/ANOVA efektów mieszanych), badanie korelacji (analiza regresji w modelach mieszanych), badanie podobieństw (analizy skupień) i współwystępowania (analizy korespondencji).

Do analizy zależności dawka-odpowiedź planuje się wykorzystanie prostej regresji liniowej, regresji wielomianowej (wielomian drugiego i trzeciego stopnia) oraz różnych procedur porównań wielokrotnych (rodzina procedur wielokrotnego porównania).

Obliczenia zostaną przeprowadzone w środowisku R [43] i innym oprogramowaniu statystycznym.