Wpływ krótkotrwałego treningu oporowego ekscentrycznego izokinetycznego na adaptacje wywołane przez układ nerwowo-mięśniowy

1.1 Wprowadzenie

Indukowane ćwiczeniami zmiany nerwowo-mięśniowe i funkcjonalne są specyficzne dla trybu. Adaptacje mięśniowe indukowane ćwiczeniami mogą być pod wpływem napięcia mechanicznego, uszkodzeń subkomórkowych i stresu metabolicznego. Skurcz ekscentryczny (ECC) występuje, gdy siła zewnętrzna wywierana na mięsień przekracza chwilową siłę wytwarzaną przez mięsień. W rezultacie siła mięśnia jest wystarczająca, aby pokonać obciążenie lub opór, co powoduje wydłużenie mięśnia. W porównaniu ze skurczami koncentrycznymi (CON) lub izometrycznymi (ISO), trening ECC wywołuje większe obciążenie mechaniczne i mikrouszkodzenia w mięśniach, co może prowadzić do bardziej wyraźnych adaptacji mięśniowych. Ćwiczenia ECC są tradycyjnie wykonywane przeciw stałemu obciążeniu zewnętrznemu lub ze stałą prędkością (izokinetycznie). W zależności od rodzaju treningu, generuje to różne wymagania mechaniczne, prowadząc do odrębnych mechanizmów adaptacji nerwowo-mięśniowej i mięśniowo-ścięgnistej. W przeciwieństwie do skurczów mięśniowych ISO lub CON, ośrodkowy układ nerwowy stosuje odrębną strategię nerwową do sterowania skurczem mięśnia szkieletowego. Różne poziomy aktywacji wśród mięśni synergistycznych podczas skurczów ECC w porównaniu ze skurczami CON oraz preferencyjna rekrutacja jednostek motorycznych szybkokurczliwych to dwa przykłady, jak to się przejawia.

1.2 Sformułowanie problemu i uzasadnienie badania

Nowe dane sugerują, że otyłość jest związana z osłabieniem mięśni i obniżoną jakością mięśni. Wykazano, że regularny trening oporowy (RT) zwiększa maksymalną zdolność regeneracyjną mięśnia. Uważa się, że mechanizmy nerwowe przyczyniają się głównie do początkowych (<2-4 tygodnie) przyrostów siły mięśniowej podczas treningu oporowego, po których następują adaptacje w morfologii mięśni (>5-8 tygodni). Jednakże dowody te opierają się na łączeniu ćwiczeń skurczów zarówno ECC, jak i CON. Badania wykazały, że skurcz ECC wywołuje większą adaptację nerwowo-mięśniową niż skurcz CON. Dlatego RT ECC jest obiecującym podejściem dla osób z osłabieniem mięśni, takich jak osoby otyłe. Stąd postuluje się, że krótkotrwały progresywny ekscentryczny izokinetyczny trening oporowy (ECCISO RT) zwiększy adaptacje nerwowo-mięśniowe u nieprzeszkolonych otyłych kobiet w porównaniu z koncentrycznym izokinetycznym treningiem oporowym (CONISO RT).

2.0 Przegląd literatury

2.1 Wprowadzenie

Większa częstość występowania bólu mięśniowo-szkieletowego, obciążenia mechanicznego, słabej sprawności mięśniowej i innych problemów mięśniowo-szkieletowych jest powiązana z otyłością. Zginacze i prostowniki kończyn dolnych odpowiadają za równowagę, mobilność i zdolność do wykonywania codziennych zadań. Nadmiar masy tłuszczowej (FM) zmienia siłę i wytrzymałość mięśni szkieletowych. Ilość mięśnia w środkowej części uda jest około 2,5 razy większa niż masy tłuszczowej; jednak osoby otyłe mają więcej tłuszczu śródmięśniowego i międzymięśniowego, tłuszczu między komórkami mięśniowymi, co ma szkodliwy wpływ na wytwarzanie siły i niezależność funkcjonalną. Zdolność mięśnia szkieletowego do wytwarzania siły może być wykorzystana do oceny jego zdolności funkcjonalnych. Zdolność do wywierania siły, czyli siła absolutna, jest niezbędna do wykonywania codziennych zadań. Wykazano, że osoby otyłe mają wyższe absolutne maksymalne momenty skurczu dowolnego (MVC) niż osoby o prawidłowej wadze. Niemniej jednak mają również niższą siłę mięśniową względem masy ciała i masy beztłuszczowej (FFM).

2.2 Wpływ otyłości na skład i siłę mięśni szkieletowych

Chociaż całkowita masa mięśniowa jest wyższa u osób z nadwagą i otyłych, względna siła mięśniowa osób z nadwagą i otyłych jest znacznie niższa niż u osób zdrowych, co może prowadzić do zmniejszenia funkcji fizycznej. Otyłość może zwiększyć absolutną siłę i moc mięśni obciążanych kończyn dolnych z powodu zwiększonego zapotrzebowania (Marte Johannson, 2021). Jednakże, gdy produkcja siły i moc są normalizowane do całkowitej masy ciała, obserwuje się spadek przy wyższym BMI, co skutkuje obniżoną jakością mięśni i odpornością na zmęczenie. Ponadto, negatywny wpływ metabolicznych adaptacji zależnych od tkanki tłuszczowej, takich jak stres oksydacyjny, stan zapalny i insulinooporność, szkodzi metabolizmowi masy mięśniowej.

Proporcja włókien mięśniowych różni się u osób otyłych. Istnieje pozytywna zależność między otłuszczeniem ciała a stosunkiem włókien mięśniowych typu II, przy czym u osób z nadwagą odnotowano wyższą zawartość włókien typu IIX. Włókna mięśniowe typu II często mają mniejszą liczbę mitochondriów, mioglobiny i naczyń włosowatych niż włókna wolnokurczliwe, co czyni je bardziej podatnymi na zmęczenie. Włókna typu IIX (znane również jako typu IIB) generują maksymalną siłę; jednak są one wysoce nieefektywne ze względu na wysoką aktywność miozyny ATPazy, niską zdolność oksydacyjną i zależność od metabolizmu beztlenowego. Włókna typu IIA, powszechnie nazywane włóknami mięśniowymi pośrednimi, łączą włókna typu I i IIX z równoważnym napięciem. Te włókna, które mogą wykorzystywać zarówno źródła energii tlenowej, jak i beztlenowej, mają większą zdolność oksydacyjną i męczą się wolniej niż włókna typu IIX. Zwiększony udział mięśni typu II jest związany ze zwiększonym (a) oporem na insulinę, (b) ryzykiem hiperinsulinemii, (c) zmniejszoną odpornością na zmęczenie/tolerancją wysiłku, (d) wytrzymałością i (e) mobilnością.

Zarówno badania na ludziach, jak i na zwierzętach wykazały, że włókna mięśniowe typu II (szczególnie IIx) są bardziej podatne na uszkodzenia po aktywności ECC – zwiększona ilość włókien typu IIx i siedzący tryb życia są związane z większym uszkodzeniem mięśni wśród osób z nadwagą podczas treningu ECC. Pojedyncza sesja ćwiczeń ECC o wysokiej sile zwiększa zawartość komórek satelitarnych (SCs) włókien mięśniowych i status aktywacji w typie II. SCs są niezbędne w wzroście, naprawie i regeneracji tkanki mięśni szkieletowych. Stąd trening ECC jest obiecującą techniką ćwiczeń dla osób z ograniczeniami funkcji fizycznych, w tym osób z nadwagą i otyłych.

2.3 Wpływ ekscentrycznego treningu oporowego na adaptację nerwowo-mięśniową

W porównaniu z tradycyjnym (CON) ćwiczeniem, trening ćwiczeń ECC znacząco zwiększa siłę mięśniową. Przyrosty siły mięśniowej w treningu ECC są prawdopodobnie przypisywane kombinacji czynników neurologicznych, morfologicznych i anatomicznych. Badania wykazały, że skurcz ECC wywołuje większą adaptację nerwowo-mięśniową niż skurcz CON. Chociaż ostatnia metaanaliza nie wykazała statystycznie istotnych różnic w przyrostach siły między treningiem ECC i CON, trening ćwiczeń ECC również wykazywał tendencję do większych popraw w sile CON niż ćwiczenia CON. To demonstruje specyficzność trybu adaptacji nerwowo-mięśniowych i funkcjonalnych spowodowanych ćwiczeniami ECC. Trening ECC zwiększył aktywność elektromiograficzną powierzchniową (EMG) podczas skurczów, ale nie podczas skurczów CON. Jednak zgłaszano sprzeczne wyniki. Uważa się, że elektryczna stymulacja mięśnia jest reprezentowana przez maksymalne EMG (tj. wartości szczytowe średniej kwadratowej [RMS] i zintegrowane napięcie z EMG [iEMG]) po treningu (Douglas i in., 2017). Na to wpływają ilość i rozmiar (tj. włókna typu I vs typu II) rekrutowanych jednostek motorycznych, częstotliwość wyładowań jednostek motorycznych i synchronizacja jednostek motorycznych.

Kilka badań wykazało, że RT ECC poprawia moc mięśniową, mierzoną głównie za pomocą wariantów skoków dolnej części ciała. Zdrowi, przeszkoleni mężczyźni (N=24) zostali losowo przydzieleni do grup: RT ECC (n=12) i RT CON (n=12). Maksymalny dowolny skurcz izometryczny (MVCISO) mięśnia czworogłowego uda, skoki pionowe i wielokanałowe sygnały EMG powierzchniowe były mierzone przed i po RT. Surowych sygnałów EMG użyto do obliczenia prędkości przewodzenia włókien mięśniowych (MFCV) i średniej kwadratowej (RMS). Po RT ECC nastąpił statystycznie istotny wzrost procentowy skoków pionowych i MVCISO w porównaniu z RT CON. Podobnie, RT ECC zwiększył EMG MFCV i RMS bardziej niż ćwiczenie koncentryczne.

Dwudziestu zdrowych mężczyzn przeszło 12 tygodni RT ECCISO na dynamometrze izokinetycznym, a oceny nerwowo-mięśniowe prostowników kolana były przeprowadzane co 4 tygodnie. RT ECCISO obejmował 3 serie po 10 powtórzeń w tygodniach 1-4, 4 serie w tygodniach 5-8 i 5 serii w tygodniach 9-12. Przestrzegano 1-minutowej przerwy między seriami. Zaobserwowano znaczące poprawy w sile mięśniowej [PTECC (29 %), PTISO (24 %) & PTCON (15 %)], aktywności elektromiograficznej [ΣEMGECC (33 %), EMGISO (29 %)] i masie mięśniowej [Grubość mięśnia prostownika kolana (ΣMT 10 %) i anatomiczny przekrój poprzeczny mięśnia prostego uda (ACSA rf 19 %)] po treningu. Aktywacja ECC i ISO wzrosła odpowiednio w 4 i 8 tygodniu treningu, podczas gdy aktywacja CON nie uległa zmianie. Te odkrycia sugerują, że proporcjonalny wzrost aktywacji neuronalnej i masy mięśniowej odpowiada za przyrosty siły ECC i ISO przez 8 tygodni treningu, podczas gdy inne procesy wydają się być zaangażowane w przyrosty w ostatnich 4 tygodniach treningu. Tymczasem względny wzrost PTCON był znikomy i nie związany z adaptacją nerwową po RT ECCISO.

Mieśnie synergistyczne wykazują odrębne adaptacje morfologiczne i neurofizjologiczne w odpowiedzi na RT ECCISO. Zdrowi mężczyźni (N=20) byli oceniani pod kątem adaptacji nerwowej i mięśniowej w mięśniu obszernym przyśrodkowym (VM) i mięśniu obszernym bocznym (VL) po progresywnym RT ECCISO przez 12 tygodni. Adaptacje morfologiczne i nerwowe były oceniane za pomocą pomiarów ultrasonograficznych grubości mięśnia VL i VM w spoczynku oraz pomiarów elektromiograficznych podczas MVCISO. Po treningu grubość obu mięśni znacząco wzrosła (VL: 6,9%; VM: 15,8%). Jednak nastąpiły znaczące wzrosty aktywności mięśniowej w VM (47,8%; p = 0,003), ale nie w VL (19,8%).

2.4 Wnioski

Wczesne niekorzystne efekty ćwiczeń ekscentrycznych obejmują subkomórkowe uszkodzenie mięśni, dyskomfort, zmniejszoną pobudliwość włókien i początkowe osłabienie mięśni. Skutecznym bodźcem do wywołania fizjologicznych i neuronalnych odpowiedzi treningowych jest rozciąganie i przeciążenie, jak w skurczach ekscentrycznych. Poprawa funkcji mięśni wynika z adaptacji indukowanych przez ćwiczenia ekscentryczne, w tym wzrostu mięśni, zwiększonej aktywności korowej i modyfikacji zachowania jednostek motorycznych.