Resumen
La influencia de la carga en la hipertrofia muscular se ha estudiado previamente en roedores mediante la eliminación de los músculos sinérgicos o varios regímenes de levantamiento de peso. Presentamos un modelo novedoso, evocando hipertrofia en el músculo de tibial de rata anterior (TA) mediante un estimulador nervioso eléctrico de un solo canal implantado. La cantidad de carga experimentada por el TA se midió en experimentos agudos en ratas anestesiadas con contracciones en un rango de frecuencia de estimulación y amplitud. Una nueva configuración de electrodos nos permitió obtener contracciones concéntricas, isométricas y excéntricas dentro de la misma configuración. Esto se logró mediante la estimulación de ‘derramamiento’ en la que ajustamos la cantidad de coactivación de los factores plantares antagonistas más fuertes al aumentar el estímulo por encima del nivel que causó el reclutamiento total de los músculos dorsiflexores. El efecto de la carga sobre la hipertrofia de la TA se probó en experimentos de estimulación de 3 a 4 semanas en dos grupos de ratas que se mueven libremente, con un protocolo que se asemeja a un entrenamiento de resistencia típico en humanos. Un grupo realizó contracciones concéntricas sin co-contracción antagonista (descargada, UNL, n = 5). En el otro grupo, el TA se cargó por co-contracción simultánea de los factores plantares de actuación antagonística (derrame, n = 5). La masa húmeda de la TA estimulada aumentó en ambos grupos; en 5.4 ± 5.5% para el grupo UNL y 13.9 ± 2.9% para el grupo indirecto, con un aumento significativamente mayor en el grupo indirecto (P <0.05). Nuestros resultados se correlacionan bien con los valores reportados en la literatura, lo que demuestra que la estimulación del indirigido es un modelo adecuado para estudiar la hipertrofia muscular. Incluso mayores ganancias en la masa muscular pueden ser posibles al optimizar y ajustar los parámetros de estimulación de acuerdo con los principios del entrenamiento de resistencia progresiva.
Introducción
Los organismos vivos tienen una habilidad notable para adaptarse a una amplia gama de cambios ambientales. Esta capacidad se puede utilizar para desencadenar las respuestas deseadas. En sujetos sanos, un aumento coordinado en la cantidad diaria de actividad física puede inducir cambios dentro del sistema cardiovascular (1), aumentos en la fuerza muscular y la resistencia (2), composición corporal alterada (3), y funcionamiento cognitivo y psicológico (4) que conduce a una aptitud y bienestar mejorados. En el músculo esquelético de los mamíferos, el entrenamiento de resistencia progresiva orientado a objetivos puede inducir adaptaciones de la biología celular, la fisiología y el control neuromuscular del músculo (5) para cumplir eficientemente las demandas de una tarea de locomoción particular. El American College of Sports Medicine (ACSM), como ejemplo, proporciona pautas de entrenamiento para características musculares como fuerza, hipertrofia (masa muscular), potencia y resistencia (2). Sin embargo, todavía existe la necesidad de una comprensión más explícita de la biología celular con respecto a la relación entre la actividad, la carga y la respuesta celular.
En una sociedad cada vez más sedentaria, el mantenimiento de la masa y la fuerza musculares es un factor crucial para garantizar la calidad de vida. La síntesis de proteínas y la degradación de proteínas están influenciadas por la actividad diaria del músculo (6). Al apuntar a aumentos en la masa de un músculo particular (hipertrofia), alta tensión, estiramiento y daño muscular (6) son señales anabólicas bien conocidas que conducen a una mayor síntesis de proteínas. La recomendación de ACSM para hipertrofia es realizar ejercicios a una intensidad del 75-85% del máximo de repetición, con 8-12 repeticiones, en 1–3 conjuntos por sesión con un resto de 1–2 minutos entre cada conjunto. Se recomienda que dicha capacitación se repita de 2 a 3 veces por semana. Si bien tales recomendaciones se basan principalmente en estudios realizados en adultos jóvenes sanos, los principios subyacentes para la población envejecida o los sujetos con trastornos musculoesqueléticos son menos claros y requieren una mayor investigación. La sarcopenia, una pérdida de masa del músculo esquelético, relacionada con la edad, se identifica que es una causa principal de disminución funcional y pérdida de independencia en adultos mayores (7). Necesitamos comprender la biología celular de la hipertrofia muscular para proporcionar estrategias de capacitación racional (8) para contrarrestar la atrofia muscular.
Con el objetivo de una comprensión más profunda de los mecanismos involucrados en la hipertrofia, se usaron varios modelos animales en el pasado en el que aumentó la carga promedio por día de músculos particulares. Algunos modelos investigaron el efecto de la hipertrofia compensatoria mediante la eliminación quirúrgica (9–11) o denervación (12) de músculos sinérgicos, produciendo una sobrecarga constante. Este enfoque bastante invasivo demuestra la notable capacidad del músculo esquelético para reaccionar ante un aumento crónico en la carga al aumentar rápidamente su masa, pero no es directamente aplicable al entrenamiento de resistencia para la salud humana.
Otros grupos utilizaron estrategias de elevación de peso para establecer un protocolo de entrenamiento en ratas intactas con la intención de imitar el entrenamiento de resistencia humana para estudiar la influencia del aumento del esfuerzo muscular. Se alentó a los animales a ejecutar ejercicios con forma de sentadilla pesada (13–16) o para subir escaleras con pesas unidas a su cola (17–19). Antes del entrenamiento real, los animales estaban preparados para ejecutar el ejercicio correctamente. Para motivar a los animales a cumplir con el protocolo, los métodos como la recompensa de los alimentos después de un período de suministro de alimentos reducido (14,16) o la aplicación de descargas eléctricas para iniciar el movimiento (13,15) se aplicaron. Sigue siendo difícil garantizar la ejecución completa y reproducible de la tarea exigida. Además, debe considerarse que la restricción de alimentos como un factor motivador podría haber influido en el resultado de la respuesta hipertrófica (20).
Alternativamente, se puede utilizar la estimulación del nervio eléctrico para obtener contracciones. Aunque el orden de reclutamiento de las fibras musculares difiere de la activación natural de los músculos (21), es una herramienta poderosa en investigación y terapia. La estimulación del nervio motor eléctrico para activar los músculos se ha utilizado en estudios de hipertrofia para entrenar animales anestesiados (22–24), para garantizar una ejecución confiable y comparable del protocolo de entrenamiento previsto. Desafortunadamente, las técnicas propuestas aún requieren mucha interacción manual y múltiples períodos de anestesia para realizar el experimento, lo que conduce a un mayor estrés para el animal y puede afectar la respuesta hipertrófica.
Los avances en la microelectrónica moderna han permitido la miniaturización progresiva de los generadores de pulso implantables (IPG) al tiempo que aumenta su funcionalidad y vida útil. Dichos dispositivos implantables minimizan la cantidad de perturbación al modelo animal y ofrecen una gran variedad de posibles aplicaciones. Mientras que los primeros dispositivos produjeron una simple serie de estímulos constantes a una frecuencia fija (25,26), los dispositivos modernos pueden ofrecer patrones de estimulación diarios complejos de forma autónoma (27).
Nuestro objetivo principal era investigar y validar un nuevo modelo de hipertrofia que utiliza una co-contracción antagonista ajustable mediante estimuladores eléctricos implantables, para producir contracciones cargadas (resistidas) del músculo tibial anterior (TA) en ratas en movimiento libremente. Si bien ciertas pautas para el entrenamiento de resistencia humana ya están bien establecidas, todavía no existe un acuerdo general sobre los parámetros óptimos cuando se utilizan la estimulación eléctrica funcional para el entrenamiento. Para diseñar un protocolo de capacitación apropiado, es esencial saber el tipo de carga que se puede lograr con esta técnica. La fuerza de tracción transmitida por el ta-tendon, que es equivalente a la fuerza experimentada por el músculo TA, se evaluó en experimentos agudos utilizando una nueva célula de carga en línea en miniatura. Las fuerzas medidas durante las contracciones descargadas (UNL) e isométricas (ISO) con la activación a través del nervio peroneo común (estimulación de CPN) se compararon con las fuerzas que se lograron al activar simultáneamente el CPN totalmente reclutado y algunos de los axones en el nervio tibial (estimulación espeluznante). El nervio tibial suministra los músculos de plantarflexor que actúan antagonísticamente a través de la articulación del tobillo y, por lo tanto, resisten la contracción de la TA.
Se usó un patrón de estimulación de alta intensidad que se basó en el resultado de estas mediciones de fuerza en una segunda serie de experimentos, para entrenar el músculo TA durante un período de varias semanas. Presumimos que la mayor tensión generada durante las contracciones indirectas causaría mayores ganancias en la hipertrofia que en las contracciones relativamente descargadas.
Material y métodos
Animales
Todos los experimentos se realizaron bajo el permiso de la Ley de Animales (Procedimientos científicos) de 1986 y aprobados por el Ministerio del Interior Británico (PPL 40/3280). Este estudio utilizó 15 ratas wistar adultas machos que fueron criadas dentro de nuestra unidad animal local. Todos los animales fueron alojados en el grupo manteniendo un ciclo alternativo de 12 h de luz de 12 h de oscuridad. La comida y el agua se suministraron ad libitum y todas las ratas se sometieron a controles de salud diarios por nuestro personal local. Las 15 ratas se dividieron en tres grupos de 5 animales cada una.
Un grupo (no entrenado, 83 ± 11 días, masa corporal = 316 ± 15 g) sirvió como control y se usó para realizar mediciones fisiológicas bajo anestesia durante los experimentos agudos. Los animales de los otros dos grupos se sometieron a un entrenamiento de alta intensidad de resistencia mediante estimulación nerviosa eléctrica durante 3 a 4 semanas destinadas a inducir hipertrofia del músculo TA.
El primer grupo de entrenamiento (UNL, n = 5, edad: 47 ± 2 días, masa corporal = 310 ± 8 g) recibió estimulación aislada del nervio peroneo común (dos electrodos bajo CPN), lo que resultó en contracciones acortadas relativamente descargadas del músculo TA.
En el otro grupo de animales entrenados (derrame, n = 5, edad: 198 ± 52 días, la masa corporal = 450 ± 21 g) se logró la estimulación a través de una colocación de electrodos diferente. El cátodo se colocó debajo del CPN mientras el ánodo se colocó debajo del nervio tibial. La estimulación del derrame aprovecha los diferentes umbrales de estimulación para la estimulación anódica y catódica. El umbral de estimulación más bajo en el cátodo da como resultado un reclutamiento inicial de todos los axones de la CPN seguido de una despolarización adicional de algunas motoronas dentro del nervio tibial a amplitudes de estimulación más altas. Establecimos una amplitud que proporcionó suficiente activación de los factores de plantar para resistir la acción de los dorsiflexores para que el ángulo del tobillo no disminuyó. Las fuerzas producidas por los músculos de plantar más fuertes se transmitieron a través de la articulación del tobillo y causaron una carga adicional en las contracciones auxotónicas del músculo TA.
Los músculos de la extremidad posterior TA, extensor Digitorum longus (EDL), plantar (PLA), Soleus (SOL) y Gastrocnemius (Gast) se cosecharon del lado izquierdo y derecho de todos los animales y se pesaron inmediatamente después de la terminación del experimento.
Mediciones fisiológicas agudas
Procedimiento quirúrgico.
Todos los procedimientos quirúrgicos se realizaron con el animal anestesiado utilizando una mezcla gaseosa de isoflurano y o2. Se usó una concentración inicial del 4% para la inducción y se ajustó individualmente a niveles de 1 a 2% para mantener una anestesia adecuada. Buprenorfina (Temgesic, Indivior, Slough, Reino Unido) a una dosis de 0.05 mg kg-1 La masa corporal, se administró para analgesia.
Se colocaron tres electrodos de bucle, formados a partir de cables de acero inoxidable aislados de PVC (compañía de ventas de Cooner, Chatsworth, California, EE. UU.) Como se muestra en 1-A. Se colocaron dos electrodos debajo del nervio peroneo común con el electrodo más distal como cátodo. Se usó un tercer electrodo, colocado debajo del nervio tibial, simultáneamente para activar partes de la musculatura del flexor plantar (estimulación indirecta). El cátodo era el mismo en ambas configuraciones de electrodos. La incisión se cerró en capas después de la colocación del electrodo para mantener el nervio en su entorno natural.
Para medir las fuerzas transmitidas a través del tendón TA, se unió una celda de carga personalizada como se describió anteriormente (28). Debido a su posición (ver Fig. 1B) En la serie con la vía natural de la transmisión de la fuerza, es posible medir las fuerzas que generan el TA en sí, como …
