Un approccio integrato per lo studio degli effetti dell’Elettrostimolazione Neuromuscolare nell’uomo.Introduzione
La NMES (elettrostimolazione neuromuscolare) consiste nell’attivazione di fibre nervose attraverso l’applicazione di impulsi elettrici tramite elettrodi posizionati sulla cute sovrastante il muscolo di interesse. L’onda elettrica, generata dall’apparecchiatura provoca una contrazione sincronizzata di tutte le fibre muscolari innervate dagli assoni motori che sono stati “investiti”, quindi eccitati, dal campo elettrico prodotto.
L’elettromiografia (EMG) misura i potenziali elettrici che si formano in un muscolo durante la sua contrazione. Esistono due tipologie di EMG, quella ad ago elettrodo dove i singoli potenziali rispecchiano l’attività di una singola unità motoria e quella di superficie (sEMG) la quale fornisce informazioni più globali inerenti il muscolo in esame ed evita i rischi impliciti all’uso di aghi. L’ sEMG oggi permette sofisticate analisi non invasive della performance muscolare.
La ricerca sperimentale oggetto di questa tesi ha avuto lo scopo di determinare un protocollo specifico d’elettrostimolazione neuromuscolare, verificare gli effetti di un allenamento con NMES, specifico per la forza, sulle proprietà funzionali, strutturali e morfologiche sia delle singole fibre muscolari scheletriche che del muscolo in toto. In modo del tutto innovativo è stata valutata la correlazione tra un parametro funzionale osservabile “in vivo” ed alcuni parametri funzionali osservabili “in vitro” al fine di poter determinare quali sono le caratteristiche delle fibre muscolari scheletriche nell’uomo utilizzando un esame poco invasivo come l’elettromiografia di superficie in sostituzione della biopsia muscolare.
Soggetti e piano sperimentale
Lo studio è stato compiuto su 14 volontari di sesso maschile che godevano di buona salute e di età compresa tra i 19 e i 35 anni. Nessuno di loro era stato impegnato in un allenamento sistematico di potenza o era stato mai sottoposto a elettrostimolazione nei 12 mesi precedenti all’esperimento. I muscoli quadricipiti femorali di entrambe le gambe sono stati allenati per 8 settimane. Test neuromuscolari e ago biopsia del vasto laterale sono stati effettuati 4 giorni prima della prima sessione di allenamento e 4 giorni dopo l’ultima sessione.
Programma di allenamento
Il programma di allenamento ha previsto 25 sessioni di elettrostimolazione nuromuscolare isometrica (bilaterale), ognuna della durata di 18 minuti e caratterizzata da 40 contrazioni isometriche della durata di 6.25s. I soggetti sono stati allenati 3 o 4 volte a settimana per un periodo di 8 settimane. Durante la stimolazione, i soggetti erano seduti su una macchina leg extension, con l’articolazione del ginocchio fissata ad un angolo di 75° rispetto alla sua massima estensione. L’elettrodo positivo, con proprietà depolarizzanti, era localizzato il più vicino possibile al punto motore dei muscoli vasto laterale e mediale; quello negativo distava invece 5-7cm dal legamento inguinale. La corrente è stata generata da uno stimolatore portatile dotato di batteria. Le onde quadrate venivano pulsate ad una frequenza di 75Hz per 400μs, con un tempo di salita di 1.5s, il tempo di stimolazione, al tetano, era di 4s con un tempo di caduta di 0.75s. Il tempo totale della contrazione durava 6.25s. L’intensità è stata monitorata on-line e gradualmente aumentata durante la sessione di allenamento fino al livello massimo tollerato.
Indagini strutturali e funzionali “in vitro”
Sono stati analizzati i seguenti parametri strutturali e funzionali delle miofibrille:
Determinazione delle dimensioni cellulari delle singole fibre muscolari scheletriche, CSA (Cross Sectional Area)
Determinazione della forza specifica (P0/CSA) e della massima velocità di accorciamento (V0) attraverso slack test
Distribuzione delle isoforme delle catene pesanti della miosina mediante densitometria
Indagini strutturali, funzionali e morfologiche “in vivo”
Per quanto riguarda lo studio inerente diversi parametri funzionali, strutturali e morfologici del muscolo in toto sono stati valutati:
La quantità di massa grassa del vasto laterale e del vasto mediale tramite plicometria
Lo spessore del vasto laterale tramite ecografia
Il valore di forza ottenuto durante una contrazione volontaria massimale (MVC) tramite elettromiografia di superficie (sEMG)
La velocità di conduzione (VC) delle unità motorie tramite sEMG
Le relazioni VC vs CSA, V0, P0/CSA
Risultati ottenuti “in vitro”
Dimensioni cellulari: CSA. Le dimensioni fibrali hanno registrato un netto e generale incremento dei valori medi della CSA al termine dell’allenamento con NMES. In particolare è risultato statisticamente significativo il solo aumento dell’isoforma miosinica intermedia 2A.
Massima velocità di accorciamento: V0. I valori di V0 di tutte le fibrocellule muscolari presentano una tendenza all’aumento. Valori statisticamente significativi di aumento di V0 sono stati ottenuti per l’isoforma lenta della miosina, MHC-1 (58,42%), e anche per quella intermedia MHC-2A (18.54%).
Forza specifica: P0/CSA. Anche per i valori di P0/CSA si può generalmente considerare una sostanziale tendenza all’aumento dei valori anche se per alcuni fenotipi fibrali non si può affermare lo stesso con precisione statistica a causa di un numero di campioni troppo esiguo (2X; 1-2A-2X; 1-2A). Statisticamente significativo è l’aumento di P0/CSA per l’isoforma 2A, + 12,12%.
Analisi qualitativa e quantitativa del contenuto MHC su singola fibra e su campione bioptico misto. L’analisi della distribuzione percentuale delle MHC mostra come i 14 soggetti hanno registrato un significativo aumento percentuale della isoforma intermedia 2A a scapito di un decremento sia dell’isoforma lenta, tipo 1, che di quella rapida glicolitica, 2X. Si è quindi verificato uno shift fibrale bidirezionale verso il fenotipo intermedio, nell’ordine: 1→2A←2X. La successiva analisi quantitativa del contenuto MHC sul campione bioptico misto ha confermato il cambiamento fibrale. Si è infatti registrato un aumento del 26,05% del contenuto dell’isoforma 2A e contemporanea diminuzione dell’isoforma 1 e 2X. La determinazione dell’influenza dell’allenamento con NMES sul fenotipo muscolare risulta essere di fondamentale importanza per classificare questo tipo di allenamento. La NMES rappresenta quindi uno stimolo in grado di indurre modificazioni muscolari tipiche sia di un allenamento alla forza che di un allenamento alla resistenza.
Risultati ottenuti “in vivo”
Un importante cambiamento della composizione corporea. Si è potuto osservare come vi sia una piccola riduzione della massa grassa di circa il 4% sia del tessuto adiposo soprastante il vasto mediale che quello laterale. Inoltre si sono apprezzate modificazioni della massa muscolare ovvero ipertrofia della muscolatura “in vivo” mediamente del 16%, dimostrando ulteriormente quanto questa tipologia di allenamento posso essere utile nel trattamento della sarcopenia oltre che come valido supporto all’allenamento classico.
Un aumento della forza. Si è potuto osservata dall’analisi della MVC che oltre ad essere influenzato dallo shift fenotipico è presumibilmente determinato da cambiamenti neurogeni e adattamenti fenotipici dimensionali (CSA).
Un presunto aumento della VC post-training rispetto a quella pre-training. Questo parametro è ancora in fase di elaborazione presso il Centro di Bioingegneria (Lisin) del Politecnico di Torino che ha collaborato con il Dipartimento di Fisiologia Umana di Pavia per l’analisi dei risultati. Presumibilmente questo valore dovrebbe aumentare in quanto, grazie ad uno studio parallelo a questo lavoro di tesi condotto sempre presso il Dipartimento di Fisiologia Umana di Pavia, è già certa una variazione del fenotipo (verso le MHC-2A), un aumento della CSA, della V0 e della P0/CSA in seguito ad allenamento con NMES.
Significatività delle correlazioni. Analizzando la correlazione tra la VC pre-NMES e la media delle CSA pre-NMES, delle V0 e delle P0/CSA delle fibre di tipo 1 di ogni soggetto si può affermare che essa risulti significativa per bassi livelli di contrazione (10-20% MVC), mentre la correlazione tra VC pre-NMES e la media degli stessi tre parametri studiati “in vitro” delle fibre di tipo 2 di ogni soggetto mette in evidenza una significatività della correlazione per alti livelli di contrazione (40-60-70-100% MVC). Questo dimostra come vi sono finestre d’indagine differenti per lo studio delle fibre di tipo 1 rispetto a quelle di tipo 2 e che il contributo fornito da un tipo di fibre è strettamente legato alla percentuale di MVC che viene espressa.
Giuseppe D’ANTONA, Fabio CANE, Giuseppe PINTAVALLE