Cargas y actividad muscular lumbar durante los ejercicios de piernas con barra y flywheel

Durante los vuelos espaciales de larga duración, la atrofia de los músculos posturales presenta un problema médico significativo para los astronautas (Bailey 2018, Lochr 2015). El entorno sin peso o casi sin peso da como resultado una carga muy reducida de los músculos extensores tanto en las piernas como en la parte inferior de la espalda en comparación con un entorno terrestre, con un riesgo asociado de pérdida marcada de masa muscular y fuerza. Entre los músculos de la espalda, se ha informado que el erector de la columna y el multífido lumbar sufren una atrofia sustancial después de la ingravidez simulada (Holt 2005) y real (Bailey 2018). Para contrarrestar el desacondicionamiento muscular, los astronautas deben realizar un entrenamiento de fuerza utilizando dispositivos de ejercicio de resistencia independientes de la gravedad. Uno de estos dispositivos se basa en la inercia rotacional del flywheel y proporciona resistencia a través de ciclos repetidos de aceleración-desaceleración de un disco giratorio. Durante la acción muscular principalmente concéntrica, el disco se pone en rotación tirando de una correa unida y enrollada alrededor del eje del disco. Cuando está completamente desenrollada, la correa se rebobina, para ser nuevamente desacelerada e invertida por la acción de los músculos, en su mayoría excéntrica. La carga inercial proporciona una resistencia que depende de la masa, el radio de giro y la aceleración angular del disco, imponiendo así una resistencia variable sobre la repetición del ejercicio, donde la demanda es particularmente alta durante la fase de acción muscular excéntrica (Berg 1994, Petre 2018).

Investigaciones anteriores indican que el entrenamiento de la fuerza con flywheel es comparable, o incluso superior, al entrenamiento tradicional con pesas libres para la activación de los músculos extensores de la rodilla (Alkner 2019, Norrbrand 2011) y el aumento de la fuerza (Petre 2018) en personas bien entrenadas. Además, la resistencia del ejercicio de flaywheel ha demostrado ser efectiva para reducir la atrofia en los músculos extensores de la espalda (Holt 2005), así como en los músculos extensores de la rodilla y flexores plantares del tobillo (Alkner 2004, Murach 2018) durante la ingravidez simulada mediante reposo sostenido en cama a largo plazo. Por lo tanto, se anticipa que los futuros vuelos espaciales de larga duración incluirán el ejercicio con flywheel (Norrbrand 2011, Ploutz-Snyder 2018).

Otra preocupación durante los vuelos espaciales de larga duración es la desmineralización de los huesos que soportan peso, como la columna lumbar (LeBlanc 2000). Por lo tanto, es crucial que el ejercicio de fuerza proporcione cargas de compresión suficientes para contrarrestar o prevenir el desacondicionamiento de las vértebras lumbares. Sin embargo, los astronautas a menudo reportan incidentes de dolor lumbar durante el vuelo (Bailey 2018, Green 2018, Sayson 2013). Aunque sus mecanismos subyacentes siguen sin estar claros, el dolor ha dado lugar a dudas a la hora de implementar altas cargas de ejercicio espinal en los actuales regímenes de entrenamiento de contramedidas en vuelo (Shackelford 2004).

Se aplica un razonamiento similar para el entrenamiento de la fuerza lumbar en el atletismo y la rehabilitación en entornos terrestres. El objetivo principal generalmente es optimizar la eficacia y la especificidad de un ejercicio elegido mediante el fortalecimiento de los músculos de la columna y los tejidos conectivos, comúnmente con el objetivo de prevenir el dolor lumbar (Hamlyn 2007). Sin embargo, a menudo existe la preocupación de sobrecargar las estructuras de la columna o incluso causar lesiones graves (Hartmann 2016). Este equilibrio puede ser difícil de obtener y administrar. Los datos de seguimiento para atletas y astronautas son limitados y se basan en estudios biomecánicos existentes de entrenamiento de la fuerza intenso (Cappozzo 1985, Hartmann 2016, Holt 2005).

Las sentadillas y el press de piernas son 2 ejercicios que se realizan con frecuencia para provocar hipertrofia y ganancias de fuerza en la musculatura de las extremidades inferiores en el entrenamiento regular de fuerza (Escamilla 2002, Rossi 2018) y para prevenir el desacondicionamiento musculoesquelético en la ingravidez real o simulada prolongada (Petersen 2016, Ploutz-Snyder 2018, Thompson 2015). Prácticamente todos los ejercicios de fuerza multiarticulares dirigidos a las extremidades inferiores implican una carga considerable en la parte inferior de la espalda, al igual que los regímenes de sentadillas y press de piernas, independientemente de si la carga externa se aplica a los hombros, como en el levantamiento de pesas convencional, o al tórax mediante un arnés, como en ejercicio de flywheel (Hamlynn 2007, Sjoberg 2020). Para diseñar rutinas de ejercicios de fuerza eficientes pero seguras, es imperativo que se conozca la distribución de la carga interna impuesta por el ejercicio (Loehr 2015). Las mediciones in vivo de las cargas espinales son invasivas y poco prácticas; por lo tanto, son preferibles los métodos alternativos que son factibles para las cuantificaciones indirectas, como los modelos biomecánicos y las mediciones de la actividad muscular (Ashton-Miller 1988, Dreischarf 2016). Mediante el uso de análisis de movimiento y modelado biomecánico de dinámica inversa, se pueden calcular los ángulos articulares, los momentos articulares, las fuerzas de contacto articular y las fuerzas en los músculos individuales de las piernas y la espalda.

Mientras que la biomecánica durante la sentadilla trasera con barra con peso libre ha sido reportada en varios estudios (Cappozzo 1985, Escamilla 2001, Lander 1990, Russell 1989), dicha información es escasa con respecto a las cargas articulares durante la sentadilla con flywheel y el press de piernas (Chiu 2006, Sjoberg 2020). De hecho, parece que hasta la fecha no se ha realizado ningún estudio para examinar específicamente la carga lumbar durante el ejercicio máximo de piernas en un dispositivo flywheel.

Por lo tanto, Recientemente Maria Sjoberg del Swedish Aerospace Physiology Center (suecia), llevó a cabo un estudio al respecto cuyo objetivo fue examinar las fuerzas de contacto articulares y las actividades musculares en la parte inferior de la espalda durante un press de piernas con flywheel casi máxima (FWLP) y una sentadilla con flywheel (FWS) y, para comparar, durante la sentadilla trasera convencional con barra con peso libre (BBS) (Figura 1).

Ocho sujetos entrenados en fuerza realizaron 8 repeticiones máximas de FWLP, FWS y BBS. Se utilizaron análisis de movimiento y modelado musculoesquelético basado en dinámica inversa para calcular las cargas articulares y las fuerzas musculares. Las actividades musculares se midieron con electromiografía (EMG).

En el nivel de L4-L5, la fuerza de compresión vertebral máxima fue similarmente alta en todos los modos de ejercicio, mientras que la fuerza de cizallamiento póstero-anterior vertebral máxima fue mayor (p <0.05) en FWLP y Ben BBS que en FWS. Entre los músculos extensores de la espalda, el erector espinal ejerció la mayor fuerza máxima, sin diferencias entre los ejercicios. La fuerza máxima en el multífido lumbar fue menor (p <0.05) durante FWLP que durante FWS y BBS. La actividad EMG máxima en los músculos extensores lumbares osciló entre el 31 y el 122% de la contracción isométrica voluntaria máxima en todos los músculos y modos de ejercicio, con los mayores niveles en el multífido lumbar.

Las fuerzas de compresión vertebral y las activaciones musculares durante los ejercicios de flywheel fueron lo suficientemente altas como para suponer que al implementar dicho ejercicio en regímenes de contramedidas espaciales, pueden ser capaces de prevenir la atrofia muscular y la desmineralización vertebral en la región lumbar.

Aplicaciones prácticas

El estudio actual reveló fuerzas de compresión lumbar altas y similares en FWLP, FWS y BBS, lo que sugiere que los regímenes de ejercicios de fuerza para piernas con flywheel serían capaces de contrarrestar la desmineralización de las vértebras lumbares en futuras misiones espaciales de larga duración. Aunque las fuerzas estaban de hecho cerca de la zona de riesgo de fracturas vertebrales por compresión, como se determinó en experimentos in vivo, los autores del estudio postulan que ninguna de las modalidades de ejercicio estudiadas está asociada con el riesgo de fracturas vertebrales, ya que no existen relatos de fracturas vertebrales durante el ejercicio de sentadilla con barra pesada de uso común, en la que la carga vertebral de compresión fue similar a la de los ejercicios con flywheel. Del mismo modo, estos resultados indican una participación muscular de extensión de la espalda suficientemente alta en los ejercicios de flywheel para suponer que cuando se implementan en regímenes de contramedidas espaciales, pueden ser capaces de prevenir la atrofia muscular lumbar. El músculo multífido lumbar, cuyo deterioro se ha asociado con dolor lumbar tanto en entornos terrestres como espaciales, mostró menos compromiso en FWLP que en FWS y en BBS, lo que se atribuyó al efecto estabilizador del conjunto de asiento y riel en el FWLP.