UNIVERSIDAD DE CASTILLA-LA MANCHA
Departamento en constitución de
Actividad Física y Ciencias del Deporte
CAMBIOS EN LA ARQUITECTURA Y BIOMECÁNICA DEL
MÚSCULO ESQUELÉTICO TRAS UN ENTRENAMIENTO DE
FUERZA EXPLOSIVA
Luis María Alegre Durán
Toledo, 2004
Memoria que presenta el Licenciado Luis María Alegre Durán para optar al grado de Doctor por la
Universidad de Castilla-La Mancha
Toledo, 2004
DEPARTAMENTO EN CONSTITUCIÓN DE
ACTIVIDAD FÍSICA Y CIENCIAS DEL DEPORTE
CAMBIOS EN LA ARQUITECTURA Y BIOMECÁNICA DEL
MÚSCULO ESQUELÉTICO TRAS UN ENTRENAMIENTO DE
El que suscribe, Dr. D.__XAVIER AGUADO JÓDAR____________ Director de la Tesis elaborada por el Doctorando:
Apellidos___ALEGRE DURÁN___________________ Nombre____LUIS MARÍA_________________ D.N.I.__13147888-F____________________
Con el Título:___CAMBIOS EN LA ARQUITECTURA Y BIOMECÁNICA DEL MÚSCULO ESQUELÉTICO TRAS UN ENTRENAMIENTO DE FUERZA EXPLOSIVA_____________
Autoriza su presentación en orden a los trámites previos a su defensa de acuerdo con lo previsto en el R. D. 185/1.985, de 23 de enero.
...Toledo..., a ...18... de ...Diciembre... de 2003 EL DIRECTOR
Fdo.: Xavier Aguado Jódar El que suscribe, Dr. D._ JOSÉ MANUEL GONZALO ORDEN____________ Director de la Tesis elaborada por el Doctorando:
Apellidos___ALEGRE DURÁN______________________ Nombre____LUIS MARÍA______________ D.N.I.__13147888-F____________________
Con el Título:___CAMBIOS EN LA ARQUITECTURA Y BIOMECÁNICA DEL MÚSCULO ESQUELÉTICO TRAS UN ENTRENAMIENTO DE FUERZA EXPLOSIVA_____________
Autoriza su presentación en orden a los trámites previos a su defensa de acuerdo con lo previsto en el R. D. 185/1.985, de 23 de enero.
...León..., a ....18... de ...Diciembre... de 2003 EL DIRECTOR
Fdo.: José Manuel Gonzalo Orden AUTORIZACIÓN DEL TUTOR (cuando el Director no sea Profesor del Departamento) Dr. D.___XAVIER AGUADO JÓDAR_______________________________________ Tutor de la presente Tesis, ratifica la autorización del Director de la misma para su presentación.
...Toledo..., a ....18.... de ...Diciembre... de 2003 EL TUTOR
Quiero expresar mi más profundo agradecimiento a todas las personas e instituciones que han colaborado, directa o indirectamente, en la realización de esta tesis.
A mis directores de tesis, Xavier Aguado Jódar y José Manuel Gonzalo Orden, por la confianza que han depositado en mí, por el tiempo, y por el esfuerzo dedicado por cada uno para que este trabajo saliese adelante.
A Miguel González, Rafael Martín, Fernando Navarro y Julio Tous, por su asesoramiento sobre el entrenamiento de fuerza.
A Alfonso Salguero, por las dudas que me resolvió sobre estadística.
A Iñigo Tomé, por todas las veces que me ha sacado de fiascos informáticos.
A Fernando Jiménez, por habernos prestado su instrumento y su puesto de trabajo para llevar a cabo las ecografías del grupo experimental.
A Pepo y Marta, por la ayuda y los ánimos que me prestaron al comienzo de mi tesis.
A mis compañeros de laboratorio, David y Tomás, por su ayuda durante los tests de saltos.
A José Antonio López Calbet, por la parte que le corresponde en el planteamiento de la idea original de esta tesis.
A Susana Aznar, por su asesoramiento en los cuestionarios de actividad física
arquitectura muscular” y “Valoración de fuerza y arquitectura muscular”, sin los cuales esta tesis no
hubiera podido llevarse a cabo. Muchas gracias por vuestra paciencia y vuestro entusiasmo.
A Sonosite Ibérica, por su cortesía a la hora de proporcionarnos el material para las ecografías del grupo control.
A la Facultad de Ciencias del Deporte de la UCLM, por haberme prestado todo el apoyo necesario para poder llevar a cabo la fase experimental de esta tesis.
Al Departamento de Patología Animal: Medicina Animal, de la Universidad de León, por acogerme durante los años de becario en León.
Las abreviaturas de los convenios de unidades no se incluyen en esta relación al existir normas internacionalmente aceptadas sobre su uso. Tampoco se han incluido en esta relación las abreviaturas de uso universal en estadística ni las del diccionario de la Real Academia de la Lengua Española.
ABREVIATURA DESCRIPCIÓN
ABK Test de Abalakov, salto con contramovimiento y ayuda de brazos.
ANGPN Ángulo de peneación.
BW Body weight o veces el peso corporal.
CSA Cross-sectional area o área de sección transversal anatómica.
CMJ Counter movement jump o salto con contramovimiento.
FIM Fuerza isométrica máxima.
FT Fast twitch o fibra de contracción rápida.
GL Gastrocnemio lateral.
GM Gastrocnemio medial.
GMUSC Grosor muscular.
GREC Grupo español de cineantropometría.
LFASC Longitud de fascículos.
PCSA Physiological cross-sectional area o área de sección transversal fisiológica.
RM Repetición máxima.
RMN Resonancia magnética nuclear.
SJ Squat jump o salto sin contramovimiento.
SSC Stretch-shortening cycle o ciclo estiramiento-acortamiento. ST Slow twitch o fibra de contracción lenta.
2. ESTADO ACTUAL DE CONOCIMIENTOS
5
2.1. ANATOMÍA Y MECÁNICA DE LA ARTICULACIÓN
7
2.2. DEFINICIÓN DE ARQUITECTURA
MUSCULAR
10
2.3.
VARIABLES
11
2.3.1.Ángulo de peneación 11
2.3.2. Longitud de los fascículos musculares 13
2.3.3. Grosor muscular 15
2.3.4.Área de sección transversal 16
2.3.4.1. Anatómica 16
2.3.4.2. Fisiológica 17
2.4.
MÉTODOS
DE
ESTUDIO
19
2.4.1. Disección 19
2.4.2. Ecografía 19
2.4.3. Resonancia magnética nuclear 20
2.5.
MODELOS
22
2.6. DIFERENCIAS EN LA ARQUITECTURA MUSCULAR
24
2.6.1. Edad 24 2.6.2. Sexo 25 2.6.3. Raza 26 2.6.4. Modalidad deportiva 26 2.6.4.1. Deportes de resistencia 27 2.6.4.2. Deportes de fuerza 28
2.6.4.3. Deportes de fuerza explosiva 30
2.6.5. Entrenamiento 32
2.6.5.1. Fuerza-hipertrofia 33
2.6.5.2. Fuerza isométrica 34
2.6.5.3. Fuerza explosiva 35
2.6.5.4. Atrofia 35
2.7. RELACIONES CON LA FUERZA
MUSCULAR
37
2.7.1. Eficacia de la fuerza 37
2.7.2. Tipo y nivel de activación muscular 38 2.7.2.1. Contracciones isométricas 39 2.7.2.2. Contracciones dinámicas 40 2.7.2.3. Ejercicio en cicloergómetro 40
3. OBJETIVOS
43
3.1.
OBJETIVO
GENERAL 45
3.2.
OBJETIVOS
ESPECÍFICOS
45
4. METODOLOGÍA
47
4.1.
DISEÑO
EXPERIMENTAL
49
4.1.1 Planificación 49 4.1.2 Temporalización 50 4.1.3 Variables 50 4.1.3.1. Antropometría 51 4.1.3.2. Arquitectura muscular 51 4.1.3.3. Fuerza 514.2 SUJETOS
53
4.2.1. Grupo experimental 53 4.2.2. Grupo control 544.3.
PROTOCOLOS 55
4.3.1. Cuestionario de Actividad Física 55
4.3.2. Antropometría 56
4.3.3. Arquitectura muscular 58
4.3.3.1. Metodología de análisis 58
4.3.3.2. Criterios usados 61
4.3.3.3. Estudios de validez y reproducibilidad 62
4.3.4. Manifestaciones de la fuerza 64 4.3.4.1 Metodología de análisis 64 4.3.5. Familiarización 71 4.3.6. Entrenamiento 72
4.4.
TRATAMIENTO
DE
DATOS
75
5. RESULTADOS
77
5.1.
ESTADÍSTICA
DESCRIPTIVA
79
5.1.1. Grupo control 79 5.1.1.1. Pruebas de normalidad 795.1.1.2. Medias, desviaciones y rangos 80
5.1.2. Grupo experimental 82
5.1.2.2. Medias, desviaciones y rangos 82 5.1.2.3. Regresiones simples y correlaciones 85
5.1.2.4. Regresiones múltiples 88
5.2.
ESTADÍSTICA
INFERENCIAL
93
5.2.1. Comparación entre grupos 93
5.2.1.1. Primera medición 93
5.2.1.2. Segunda medición 96
5.2.2. Permanencia del grupo control 99
5.2.3. Cambios en el grupo experimental 102
6.
DISCUSIÓN
105
6.1. REPRODUCIBILIDAD DE LA METODOLOGÍA
107
6.2.
PERFIL
DE
FUERZA
110
6.2.1. Introducción 110
6.2.2. Interrelación de las variables 110
6.2.3. Comparación con otras poblaciones 114
6.2.4. Relación con la cineantropometría 116
6.2.5. Relación con la arquitectura 117
6.3.
PERFIL
DE
ARQUITECTURA 120
6.3.1. Introducción 120
6.3.2. Interrelación de las variables 120
6.3.3. Comparación con otras poblaciones 122
6.3.4. Relación con la cineantropometría 126
6.4. CAMBIOS EN LA FUERZA Y ARQUITECTURA
127
6.4.1. Fuerza muscular 127
6.4.1.1. Modificaciones en los valores 127 6.4.1.2. Modificaciones en las correlaciones 133
6.4.2. Arquitectura 135
6.4.2.1. Modificaciones en los valores 135 6.4.2.2. Modificaciones en las correlaciones 144 6.4.3. Modificaciones en la relación fuerza-arquitectura 146 6.4.4. Modificaciones en la eficacia mecánica 148
7.
CONCLUSIONES
151
Conclusiones metodológicas 153
Perspectivas de futuro 155
8.
BIBLIOGRAFÍA 157
9.
ANEXOS 169
ANEXO 1: CUESTIONARIO DE ACTIVIDAD
FÍSICA
171
ANEXO 2: CARTA DE CONSENTIMIENTO
175
Anexo 2.1: Carta de consentimiento del grupo experimental 175 Anexo 2.2: Carta de consentimiento del grupo control 181
ANEXO 3: PLANILLA DE ENTRENAMIENTO
187
Los primeros estudios de las implicaciones funcionales de la arquitectura de la musculatura esquelética humana, hechos en cadáveres, aparecen en el siglo XIX (Weber, 1851, citado por Huijing, 1985) y, en España, encontramos los primeros trabajos en los años 50 (García, 1959), aunque hasta los años 70 y 80 del pasado siglo no se consolida la investigación en este campo (Alexander y Vernon, 1975; An y cols., 1981; Wickievicz y cols., 1983, 1984).
Recientemente, y aprovechando el desarrollo de nuevas tecnologías, como la ecografía y la resonancia magnética, han aparecido las primeras investigaciones en las que se determina la arquitectura muscular in vivo (Griffiths, 1987; Henriksson-Larsen y cols., 1992; Kawakami y cols., 1993; Rutherford y Jones, 1992; Scott y Engstrom, 1993). Estos avances han abierto nuevas líneas de trabajo que permiten profundizar en el comportamiento del músculo esquelético, su estructura y sus cambios.
Aunque se han iniciado estas líneas de investigación todavía se plantean numerosos interrogantes, especialmente en lo que se refiere a los cambios producidos por el entrenamiento y desentrenamiento, tanto a corto como a largo plazo. Las nuevas investigaciones en este campo deberán ir orientadas a clarificar el orden, la cantidad y las consecuencias funcionales de las adaptaciones del músculo.
El capítulo ha sido estructurado en aspectos básicos en la anatomía y mecánica de las articulaciones, definición de arquitectura, variables, métodos de estudio, modelos, diferencias en la arquitectura y relaciones de ésta con la fuerza muscular.
Tipo de músculo
Recto Fusiforme Penniforme DeltoideoSignificado
Huso Pluma AbanicoEjemplo
Recto abdominal Bíceps braquial Vasto lateral DeltoidesFigura
Tabla 1: Clasificación de los tipos de músculos atendiendo a la orientación de sus fibras.
El objetivo de este capítulo es mostrar la diferente bibliografía publicada sobre arquitectura muscular y fuerza, comentándola, explicando las metodologías de análisis, discutiendo los estudios publicados e identificando aquellas lagunas que quedan por estudiar.
2.1. ANATOMÍA Y MECÁNICA DE LA ARTICULACIÓN
En anatomía se diferencian, macroscópicamente, varios tipos de músculos en cuanto a la orientación de sus fibras, según se puede ver en la Tabla 1.
En cambio, si atendemos sólo a su arquitectura, es suficiente con clasificar los músculos en 2 grupos (Figura 1):
1. Músculos rectos, compuestos de fibras paralelas al eje mecánico.
2. Músculos de fibras en dirección oblicua, que están orientadas en un ángulo relativo al eje mecánico.
Los músculos de fibras oblicuas permiten almacenar mayor cantidad de material contráctil en el mismo espacio, de forma que pueden ejercer más fuerza (Enoka, 1994; Kawakami y cols., 1998; Rutherford y Jones, 1992).
Figura 1: Clasificación de los tipos de músculos atendiendo
a su arquitectura.
Otro punto fundamental en la mecánica de una articulación es el momento de la fuerza con el que actúa el músculo. El momento es el producto de la distancia perpendicular desde el eje mecánico del músculo a la articulación por la fuerza que ejerce. El momento va a depender tanto de la fuerza que produzca el mismo, como de la distancia y ángulo con los que se inserte en la articulación. Las posibilidades de ejercer un momento mayor o menor respecto a la articulación varían a lo largo del recorrido articular (Figura 2).
Por ello, un músculo con un diseño arquitectónico para velocidad insertado a mucha distancia de la articulación, sólo será capaz de generar pequeñas velocidades angulares (Lieber y Fridén, 2000; 2001). Igualmente, si se inserta un músculo diseñado para ejercer fuerza muy cerca de la articulación, conseguiremos grandes velocidades angulares, pero no aprovecharemos al máximo las posibilidades del músculo, en lo que a la producción de fuerza se refiere.
Ángulo (rad) Momento (N·m) Ángulo (rad) Momento (N·m) Ángulo (rad) Momento (N·m)
Figura 2: Modelos de evolución del momento respecto de la articulación que producen los músculos in vivo, al
2.2. DEFINICIÓN DE ARQUITECTURA MUSCULAR
En la bibliografía encontramos distintas definiciones para la arquitectura muscular, que a continuación se exponen:
9 Disposición geométrica de las fibras musculares (Fukunaga y cols., 1997a; Kawakami y cols., 2000a).
9 Disposición física de los elementos contráctiles (Enoka, 1994).
9 Disposición de las fibras musculares dentro de un músculo relativa al eje de generación de fuerza (Lieber y Fridén, 2000).
La definición por la que nos decantamos es la de Lieber y Fridén pues hace referencia al eje mecánico del músculo, y es fundamental señalar con relación a qué estamos midiendo longitudes y ángulos, aspecto que en las otras definiciones se omite.
Según varios trabajos, las diferencias arquitectónicas entre músculos determinan mejor que otros factores la capacidad para generar fuerza (Burkholder y cols., 1994; Lieber y Fridén, 2000; Wickiewicz y cols., 1983).
2.3. VARIABLES
Es necesario caracterizar y definir los diferentes componentes de la arquitectura de un músculo para poder analizarla, estudiar sus modificaciones y prever las consecuencias que sus cambios van a tener en la manifestación de la fuerza. A estos componentes se les suele denominar variables de la arquitectura muscular. Las principales variables de la arquitectura muscular referidas en la bibliografía son: el ángulo de peneación, la longitud de los fascículos, el grosor muscular, el área de sección transversal anatómica y el área de sección transversal fisiológica.
2.3.1. Ángulo de peneación
El ángulo de peneación es definido de dos formas distintas:
1. Un primer grupo de autores lo considera como el ángulo entre los fascículos musculares y el eje mecánico del músculo (Enoka, 1994; Lieber y Fridén, 2000; Murray y cols., 2000; Scott y cols., 1993).
2. Un segundo grupo lo considera como el ángulo de inserción de los fascículos musculares y la aponeurosis del músculo (Abe y cols., 1998, 1999; Calbet y cols., 1999; Fukunaga y cols., 1997a, 1997b; Ichinose y cols., 1998b; Ito y cols., 1998, Kawakami y cols., 1993, 1998, 2000a).
El ángulo de peneación influye en la transmisión de fuerza en los músculos con fibras en dirección oblicua respecto al eje mecánico, puesto que, al aumentar, disminuye la eficacia en esta transmisión (Figura 3). La segunda definición, aunque muy similar a la primera, podría presentar un problema: en los músculos donde el tendón tiene una línea de acción distinta a la del eje mecánico del músculo, el ángulo de inserción de los fascículos en la aponeurosis no será igual al ángulo de estos con este eje mecánico. Sin embargo, Kawakami y cols. (1998) justifican esta forma de medida, señalando que la influencia de la
Figura 3: Influencia del ángulo
de peneación en la transmisión efectiva de la fuerza al eje mecánico del músculo. F:
Fuerza transmitida al eje mecánico. F’: Fuerza desarrollada por las fibras musculares. α: ángulo de peneación. GMUSC: Grosor muscular. (Modificado de Calbet
y cols., 1999).
angulación de la aponeurosis en la transmisión de fuerza de los fascículos al tendón es despreciable y, por ello, el ángulo fascículos-aponeurosis puede ser considerado ángulo de peneación. Además, la determinación exacta de la línea de acción de un músculo es muy difícil (Ito y cols., 1998). Por todo ello, en este trabajo, utilizaremos el término ángulo de peneación refiriéndonos al ángulo de los fascículos con la aponeurosis del músculo.
La peneación permite a las fibras funcionar en la zona óptima de sus curvas
tensión /deformación (Mc Comas, 1996; Blazevich, 2000; Abe y cols., 2001), pues en los
músculos de fibras en dirección oblicua se acortan menos para un determinado recorrido del tendón, debido a que, al acortarse, rotan al mismo tiempo, lo que permitiría a los sarcómeros trabajar más cerca de su longitud óptima durante la contracción. No obstante, presentan la desventaja mecánica que supone el ángulo de peneación, pues sólo una parte de esta fuerza revierte en el eje del músculo (Figura 3).
Eje mecánico del músculo
Figura 4: Modelo mecánico que
muestra que, al tener más sarcómeros activados en serie, se consigue mayor velocidad de acortamiento en la contracción muscular. V es la velocidad desarrollada por la fibra, n es el número de sarcómeros en serie, I es la velocidad de acortamiento generada por cada sarcómero y F es la fuerza total producida.
2.3.2. Longitud de los fascículos musculares
Los fascículos musculares son fibras (células musculares) agrupadas y envueltas por el perimisio. La fibra muscular está formada por sarcómeros en serie de una longitud constante, que son considerados la unidad funcional del músculo, pero el cálculo de su número in vivo presenta dificultades debido a su pequeño tamaño. Por ello, los estudios sobre arquitectura muscular miden la longitud de los fascículos musculares, que sí son visibles in vivo. En principio, podría ser un problema asimilar la longitud de los fascículos a la longitud de las fibras y, por tanto, al número de sarcómeros en serie; sin embargo, las fibras están conectadas en serie y el comportamiento real de un fascículo es equivalente al de una única fibra de su misma longitud (Lieber y Fridén, 2000). Así, el fascículo muscular puede ser considerado la unidad funcional del músculo (Lieber y Fridén, 2000; Kawakami y cols., 2000b; Kumagai y cols., 2000a). Esta distinción es importante, pues la longitud de las fibras musculares y, por tanto, de los fascículos, correlaciona con la velocidad de acortamiento del músculo al que pertenecen (Fukunaga y cols., 1992; Lieber y Fridén, 2000; Wickievicz y cols., 1983) e, incluso, con el rendimiento en pruebas de velocidad en atletismo (Abe y cols., 2000, 2001; Kumagai y cols., 2000a). Tener mayor número de sarcómeros en serie (que poseen los fascículos más largos) proporciona mayor acortamiento por unidad de tiempo (Fukunaga y cols., 1992; Kumagai y cols., 2000a; Lieber y Fridén, 2000; 2001) y por lo tanto una mayor velocidad de acortamiento del músculo (Wickievicz y cols., 1983, 1984) (Figura 4).
Figura 5: Modelo mecánico que compara la
curva fuerza-velocidad de una fibra larga y otra corta. Las fibras largas se acortan a mayor velocidad, ejerciendo la misma fuerza que las cortas. A una misma velocidad, las fibras largas estarán ejerciendo más fuerza que las cortas.
Figura 6: Para conseguir un mismo
preestiramiento en un músculo que ha crecido por alargamiento, sus sarcómeros (A) no precisan estirarse tanto como los de un músculo con fascículos más cortos, que se
Por otro lado, los fascículos largos tienen desplazada la curva fuerza-velocidad hacia la derecha, ganando velocidad el músculo (Figura 5).
Este modelo permitiría, también, lo que en la bibliografía se ha descrito como “la posibilidad de que los sarcómeros puedan trabajar en una zona óptima de su curva de
fuerza-estiramiento” (Abe y cols., 2001). Si quisiéramos forzar a fascículos no alargados a que mostrasen el mismo acortamiento durante la contracción, deberíamos preestirarlos en exceso (Figura 6), lo que nos situaría en el lado derecho de la curva fuerza-estiramiento, sobrepasando la zona central, en la que se puede lograr la mayor fuerza del componente contráctil muscular (Figura 7).
Figura 7: En un músculo con fascículos largos, los sarcómeros pueden encontrarse en
una zona de preestiramiento óptima, mientras que si un músculo con fascículos cortos pretendiese trabajar con ese preestiramiento, sobrepasaría su zona en la que podría conseguir la máxima fuerza.
2.3.3. Grosor muscular
El grosor muscular es la distancia perpendicular entre la aponeurosis superficial
y profunda de un músculo (Abe y cols., 1998; Chow y cols., 2000; Maganaris y cols., 1998;
Narici y cols., 1996b). Es una medida lineal, obtenida normalmente de un corte mediante ecografía. Esta variable correlaciona con el área de sección transversal anatómica (CSA) (Brechue y Abe, 2002) y ha sido utilizada para monitorizar variaciones producidas por el entrenamiento (Blazevich y Giorgi, 2001; Kawakami y cols., 1995). Combinada con medidas antropométricas ha sido empleada, recientemente, para el cálculo de volúmenes musculares (Esformes y cols., 2002; Fukunaga y cols., 2001; Miyatani y cols., 2000, 2002).
2.3.4. Área de sección transversal
La fuerza que un músculo puede producir es proporcional a su área de sección transversal (Fukunaga y cols., 2001; Lieber y Fridén, 2000; 2001). Sin embargo, es importante matizar, puesto que, en los músculos de fibras oblicuas se pueden considerar dos tipos de área de sección transversal, en función de que se realice un corte perpendicular al eje mecánico del músculo o al de las fibras musculares. Estos tipos de área de sección transversal son el CSA y el área de sección transversal fisiológica (PCSA).
2.3.4.1. Anatómica
El CSA es la superficie resultante de un corte perpendicular al eje mecánico de un músculo. Ha sido ampliamente utilizado en la bibliografía, debido a la relativa facilidad con la que se obtiene y a que es un buen indicador del tamaño real del músculo (Kawakami y cols., 1995), especialmente si se mide en varios lugares de éste (Narici y cols., 1996a), o si buscamos el corte en el que el músculo presenta el máximo CSA (Bamman y cols., 2000). Incluso, se ha utilizado como indicador de la máxima fuerza que puede desarrollar un músculo y para medir su tensión específica (Bamman y cols., 2000; Fukunaga y cols., 2001; Narici y cols. 1996a). Este uso ha sido criticado, puesto que el CSA puede minusvalorar el área total de las fibras que componen el músculo y, por lo tanto, no correlacionar bien con la máxima fuerza que un sujeto es capaz de ejercer (Fukunaga y cols., 1996, 2001; Giannini y cols., 1990).
Sin embargo, es más fácil calcular el CSA que el PCSA y, por eso, se utiliza más en la bibliografía. Autores como Bamman y cols. (2000) afirman que el CSA hallado mediante resonancia magnética nuclear (RMN) es más práctico que hallar el PCSA, puesto que se necesita menos tiempo de escaneo y de posterior análisis de las imágenes, siendo similares las correlaciones con la máxima fuerza. De todas formas, en los casos en los que se utilice
fascículo
del
Longitud
·cos
muscular
Volumen
α
=
PCSA
varios lugares para reducir al mínimo los posibles errores asociados al uso de esta variable (Figura 8).
2.3.4.2. Fisiológica
El PCSA es el área resultante de un corte perpendicular a la dirección de todas
las fibras en paralelo que forman un músculo. El PCSA es igual al CSA en los músculos
rectos, pero no es así en los músculos de fibras oblicuas. Esta variable arquitectónica es
directamente proporcional a la máxima fuerza generada por el músculo (Aagaard y cols.,
2001; Lieber y Fridén, 2000, Wickievicz y cols., 1983) (Figura 9) aunque presenta el problema de que no puede ser medida directamente in vivo (Bamman y cols., 2000) y debe ser calculada a partir de otros parámetros (Akima y cols., 2001b; Fukunaga y cols., 1996, 2001; Kawakami y cols., 2002a) (Ecuación 1).
Figura 8: Marcaje del perímetro en el gastrocnemio medial, sobre el que se
ha calculado el área de sección transversal anatómica en una imagen de resonancia magnética nuclear (16.33 cm2).
Ecuación 1: Cálculo del área de sección transversal
fisiológica (PCSA) y variables necesarias para ello. cos α es el coseno del ángulo de peneación.
Figura 9: Modelo mecánico que explica la
proporción que existe entre la fuerza y el número de sarcómeros en paralelo activados. Cuando un músculo se hipertrofia, aumenta el número de sarcómeros en paralelo. F es la fuerza total producida, n es el número de sarcómeros en paralelo y E es la fuerza producida por cada uno de ellos.
Figura 10: El efecto sobre la fuerza del
crecimiento por hipertrofia hace que la gráfica fuerza-velocidad se separe hacia arriba. PCSA:
área de sección transversal fisiológica.
Los músculos con mayor PCSA tienen desplazada la curva fuerza-velocidad hacia arriba; es decir, ganan, básicamente, fuerza (Figura 10).
El PCSA es usado por varios autores para determinar la tensión específica de un músculo (Aagaard y cols., 2001; Bamman y cols., 2000; Fukunaga y cols., 1996, 2001; Giannini y cols., 1990; Kanehisa y cols., 2002; Kawakami y cols., 1994, 1995, 2002a; Narici y cols., 1992). El PCSA será la opción a escoger cuando queramos hacer cálculos exactos de la fuerza por unidad de tejido contráctil.
gran PCSA
2.4. MÉTODOS DE ESTUDIO
Los métodos más utilizados para visualizar la arquitectura muscular son tres: uno directo, la disección y dos indirectos, las imágenes de ecografía y de RMN.
2.4.1. Disección
La disección es un método con el que se adquiere la información directamente, evitando los errores originados por la falta de precisión de los instrumentos de medida y los de la interpretación de la información (Chleboun y cols., 2001; Friedrich y Brand, 1990; García, 1959; Huijing, 1984; Kawakami y cols., 1993; Murray y cols., 2000; Martin y cols., 2001; Narici y cols., 1992; 1996b; Scott y cols., 1993; Wickiewicz y cols., 1983; Zuurbier y cols., 1992). Su principal inconveniente es la dificultad para extrapolar los datos obtenidos a seres vivos, especialmente cuando los músculos se encuentran activados, pues los procedimientos de fijación y los tratamientos aplicados a los músculos disecados pueden producir cambios morfológicos en los tejidos (Huijing, 1984; Ito y cols., 1998; Kawakami y cols., 1994; Maganaris y cols., 1998; Martin y cols., 2001; Narici y cols., 1996b; Rutherford y Jones, 1992). Debido a estos problemas, son más aplicables para el análisis y la modelización biomecánica los datos obtenidos in vivo.
2.4.2. Ecografía
Las imágenes de ecografía son el método más utilizado para la visualización de la arquitectura muscular in vivo. Se basan en la captación de los ecos que producen los espacios entre los fascículos, diferenciando los distintos tipos de tejidos: adiposo, muscular y óseo. Es un método relativamente barato de análisis no invasivo y se usa tanto en reposo como durante la contracción. Presenta una validez (Chleboun y cols., 2001; Kawakami y cols., 1993; Narici y cols., 1996b;) y una reproducibilidad aceptables (Alegre y cols., 2001, 2002; Bleakney y Maffulli, 2002; Fukunaga y cols., 1997a).
Como factor limitante, encontramos que la ecografía requiere protocolos estrictos para asegurar la reproducibilidad. Debido a esto, se pueden encontrar errores en las mediciones de estudios longitudinales. Rutherford y Jones (1992), Maganaris y cols. (1998) y Narici y cols. (1996b) exponen trabajos en los que los coeficientes de variación entre distintas medidas son relativamente altos (del orden del 10%), aunque otros autores obtienen coeficientes sensiblemente menores. A pesar de ello, es la técnica más versátil para la visualización y análisis de la arquitectura muscular in vivo, por su precio e inocuidad.
Recientemente, se han realizado estudios que prueban su validez y fiabilidad al calcular volúmenes musculares, tanto en músculos del miembro inferior como el tibial anterior (Esformes y cols., 2002) y los extensores de las rodillas (Miyatani y cols., 2002), como en músculos del miembro superior (Miyatani y cols., 2000). De esta forma, se cubre una de las limitaciones de esta técnica y se amplía, más todavía, su polivalencia.
2.4.3. Resonancia magnética nuclear
La imagen por RMN se basa en la interacción de los núcleos de los átomos de hidrógeno, muy abundantes en los seres vivos, y los campos magnéticos generados por un imán de alto campo.
La RMN es el método no invasivo de referencia para calcular el CSA y el volumen de un músculo o grupo muscular. Presenta grandes ventajas, como su alta resolución al diferenciar vientres musculares y distintos tejidos (Cerretelli y Binzoni, 1997; Kawakami y cols., 1994; Scott y cols., 1993). Otras ventajas son la capacidad para obtener imágenes en los tres planos del espacio, poder realizar reconstrucciones rápidas del volumen muscular, lograr imágenes basadas en referencias internas y la inocuidad para el sujeto (Housh y cols., 1992). En cuanto a los inconvenientes, además del enorme coste de los equipos,
debemos señalar la imposibilidad de observar la arquitectura muscular con distintos niveles de contracción. Sin embargo, los nuevos equipos, especialmente los de alto campo, puede que sean capaces de resolver este problema en un futuro cercano.
2.5. MODELOS
Cuando se busca clasificar un músculo como especialista en fuerza o velocidad, deberemos considerar los parámetros de la arquitectura muscular (ángulo de peneación, longitud de las fibras, PCSA), los factores neuromusculares (tipo de motoneuronas, coordinación inter e intramuscular), los factores histoquímicos (tipo de fibras musculares) y los factores mecánicos (momentos respecto a las articulaciones, forma del músculo que provoque más o menos inercia angular). Considerando globalmente todos estos factores, se podrá conocer de forma precisa las posibilidades funcionales de un músculo determinado.
Además de la clasificación general mostrada al inicio de este capítulo podemos encontrar varias categorías dentro de los músculos de fibras oblicuas, basándonos en la relación entre la longitud de las fibras y el PCSA. Así, tenemos músculos preparados para generar grandes fuerzas, con fibras cortas y grandes PCSAs, como los que componen el cuádriceps. El sóleo también es un ejemplo de un músculo diseñado para ejercer fuerza (Fukunaga y cols., 1992; Lieber y Fridén, 2000, Wickievicz y cols., 1983). Esto concuerda bien con su función postural y estabilizadora. En otro extremo, encontramos los músculos preparados para generar velocidad con fibras largas y PCSAs medias, que les permiten largos recorridos al contraerse con fuerzas relativamente bajas, como, por ejemplo, los isquiotibiales.
Sin embargo, Blazevich (2000) señala las paradojas entre el diseño arquitectónico de un músculo y el tipo histológico de fibras que lo componen: el músculo gastrocnemio tiene una arquitectura favorable para una producción grande de fuerza a velocidades pequeñas, pero su tipo de fibra predominante es FT o de contracción rápida. La explicación del autor es que el tipo de fibra determinaría los aspectos de velocidad, mientras que la arquitectura sería determinante en la fuerza. El gastrocnemio, que es un músculo de pequeño recorrido, se usa, no obstante, en la carrera y en los saltos, donde se requieren altas fuerzas y
velocidades. Además, la capacidad anaeróbica de las fibras FT sería útil cuando existen altas presiones intramusculares que impiden un flujo de sangre (y por tanto de O2). Por otra
parte, Kawakami y cols. (1998) exponen que las diferencias en la velocidad de acortamiento y fuerza máxima de los gastrocnemios medial (GM) y lateral (GL) estarían determinadas, principalmente, por las características arquitectónicas de estos músculos, puesto que ambos presentaban los mismos porcentajes de fibras musculares lentas y rápidas.
2.6. DIFERENCIAS EN LA ARQUITECTURA MUSCULAR
A continuación, se describen las modificaciones que experimenta la arquitectura en función de la edad, sexo, raza, nivel de activación muscular, modalidad deportiva y nivel de entrenamiento.
2.6.1. Edad
La fuerza aumenta desde la niñez hasta la edad adulta y vuelve a decrecer según envejecemos. Estas modificaciones están relacionadas con múltiples factores, y uno de ellos es la arquitectura muscular. La arquitectura muscular del gastrocnemio medial experimenta grandes modificaciones con la evolución del sistema músculo-esquelético. El ángulo de
peneación y el grosor muscular aumentan desde el nacimiento hasta el final de la
adolescencia, donde alcanzan un valor estable (Binzoni y cols., 2001). Los pequeños ángulos de peneación que aparecen en las primeras etapas cumplirían la función de proteger los tendones y las inserciones en las aponeurosis de una excesiva tensión. En la misma línea, Kubo y cols. (2001) sugieren que la menor rigidez del tejido tendinoso en niños, comparada con adultos jóvenes, actuaría evitando lesiones asociadas con un sistema músculo esquelético inmaduro.
Por otro lado, no todos los músculos siguen la misma dinámica durante el envejecimiento. Kubo y cols. (2003) han encontrado que, con la edad, se produce una mayor disminución en el grosor muscular y el ángulo de peneación del vasto lateral (VL) que en el GM o el tríceps braquial. Según los autores, las diferencias del VL con el GM se originarían en la menor activación relativa del primero en las tareas cotidianas, como la marcha. En cuanto a la comparación con el tríceps braquial, debemos tener en cuenta que la musculatura del miembro inferior sufre antes las pérdidas de fuerza que la el miembro superior, lo que hace suponer que los cambios arquitectónicos seguirán la misma dinámica.
2.6.2. Sexo
Se han encontrado diferencias en el ángulo de peneación, que suele ser mayor en los hombres (Abe y cols., 1998; Ichinose y cols., 1998a; Chow y cols., 2000). Se han formulado dos hipótesis respecto al origen de estas diferencias.
Un primer grupo de autores explica estas diferencias simplemente porque los hombres tienen más masa muscular (Abe y cols., 1998; Ichinose y cols., 1998a), pues se ha demostrado que los músculos hipertrofiados presentan mayores ángulos de peneación (Kawakami y cols., 1993). El mayor CSA en los hombres, que se correlaciona significativamente con mayores ángulos de peneación, sería el responsable de estas diferencias. Abe y cols. (2001) van más allá e indican que las diferencias en los tiempos de la prueba de 100 m entre velocistas de élite masculinos y femeninos no parecen provenir de arquitecturas musculares distintas.
Sin embargo, un segundo grupo de autores (Chow y cols., 2000) atribuyen a los hombres mayores ángulos de peneación, mayor grosor muscular y menor longitud de los fascículos. Así, concluyen que los músculos de los hombres tienen una arquitectura que les dota de una mayor capacidad para producir fuerza. También, Akima y cols. (2001a) indican que la tensión específica del cuádriceps experimenta distinta evolución en hombres y mujeres con la edad, disminuyendo en hombres y manteniéndose en mujeres.
Creemos que se necesitaría profundizar más en esta cuestión, pues todavía no está claro si las diferencias en la producción de fuerza entre hombres y mujeres tienen que ver simplemente con la mayor masa muscular en los varones, o si vendrían provocadas por un diseño muscular característico de cada sexo.
2.6.3. Raza
Los mejores rendimientos de los sujetos de raza negra en pruebas anaeróbicas de carrera nos pueden llevar a pensar que se encontrarían diferencias arquitectónicas en su musculatura del miembro inferior. Abe y cols. (1999) estudiaron a jugadores de fútbol americano negros y blancos, sin encontrar diferencias significativas en la arquitectura muscular de ambas razas, aunque sí las hallaron en la distribución de la masa muscular dentro de los miembros estudiados. La conclusión de este estudio apunta que la arquitectura muscular parece ser independiente de la raza.
Estudios posteriores (Abe y cols., 2000; Kumagai y cols., 2000a) demuestran que la
forma del músculo tiene que ver con el rendimiento en la carrera de velocidad, algo lógico
pues si el centro de masas del segmento estudiado se encuentra más cercano al centro de giro articular, las inercias y, por tanto, el esfuerzo que se realizará para moverlo a una misma velocidad angular, serán menores que si el centro de masas se encuentra distanciado respecto de la articulación.
En un trabajo reciente, Fukashiro y cols. (2002) han encontrado diferencias en el
comportamiento viscoelástico del músculo entre atletas negros y blancos, pues la parte
contráctil del tríceps sural era más rígida en los atletas negros que en los blancos, lo que estaría relacionado con una mayor capacidad para disminuir los tiempos de contacto durante saltos o sprints, y, por lo tanto, podría explicar, en parte, su mayor rendimiento en pruebas de velocidad.
2.6.4. Modalidad deportiva
En cuanto a la modalidad deportiva se pueden formular dos hipótesis: que pueda modificar la arquitectura muscular o bien que una arquitectura muscular congénita pueda implicar un mayor rendimiento en modalidades deportivas concretas. Así, hemos encontrado
Grande Medio
Grande
Deportes de fuerza (pesos pesados): fútbol americano, sumo,
powerlifting . Deportes de fuerza
explosiva: lanzamientos. Deportes de velocidad cíclica: carreras
cortas atletismo.
Deportes de velocidad con categorías por pesos): karate, esgrima, boxeo, ...
Media
Deportes cíclicos de larga duración.
Longitud de los fascículos
Grosor muscular
Tabla 2: Idoneidad de grosor
muscular y longitud de fascículos en diferentes modalidades deportivas.
varios estudios en los que se establecen comparaciones entre practicantes de diferentes deportes. En la Tabla 2 se pueden ver las combinaciones de grosor muscular y longitud de los fascículos que se considerarían idóneas en diferentes modalidades deportivas.
A continuación, se explican los trabajos realizados con distintos tipos de deportistas, que están agrupados en función de los requerimientos de fuerza necesarios para el rendimiento. Los hemos dividido en deportes resistencia, de fuerza y de fuerza explosiva.
2.6.4.1. Deportes de resistencia
La arquitectura muscular del tren inferior en deportistas de resistencia presenta diferencias significativas respecto de grupos de sujetos sedentarios, especialmente, en los ángulos de peneación y la longitud de los fascículos.
Los fondistas de élite han mostrado ángulos de peneación mayores y fascículos musculares más cortos en el VL que en un grupo de sujetos controles en el trabajo de
Abe y cols. (2000). Si bien, no está clara la posible función de estas diferencias, los autores indicaban que podrían estar originadas por una hipertrofia selectiva de las fibras ST,
manteniendo el CSA del músculo. Esta hipertrofia selectiva aumentaría los ángulos de peneación sin un incremento en el tamaño muscular.
Los fondistas también muestran diferencias en el complejo músculo-tendinoso respecto de un grupo de sujetos sedentarios, siendo más rígido en los primeros, lo que les permitiría una mayor eficacia en sus movimientos (Kubo y cols., 2000b).
2.6.4.2. Deportes de fuerza
Los deportistas con grandes masas musculares tienen mayores grosores que los sujetos sedentarios; sin embargo, los ángulos de peneación no siguen siempre la misma
tendencia, pues en algunos grupos de deportistas de fuerza son mayores y en otros similares a poblaciones sedentarias.
Kawakami y cols. (1993) iniciaron su trabajo comparando grupos de culturistas de distintos niveles de entrenamiento con sedentarios. Los culturistas presentaban mayor grosor muscular y mayores ángulos de peneación en el tríceps braquial. Por otro lado, Ichinose y cols. (1998b) observaron una correlación entre el grosor muscular y el ángulo de peneación en el tríceps braquial de deportistas olímpicos de distintas modalidades. Esta tendencia era distinta en el estudio de Brechue y Abe (2002), donde en un grupo de powerlifters de élite el grosor muscular y el peso libre de grasa no correlacionaban con el ángulo de peneación, pero sí con la longitud de los fascículos del tríceps braquial y el VL. La mayor longitud de los fascículos (ya sea heredada o adquirida mediante el entrenamiento) actuaría limitando los cambios en el ángulo de peneación que provoca el aumento de tamaño del músculo y, por lo tanto, manteniendo la eficiencia en la transmisión de la fuerza.
La tendencia hacia una correlación entre el grosor muscular y la longitud de los fascículos (Tabla 2) también ha sido observada en los trabajos de Brechue y Abe (2002),
Figura 11: Sucesión de cambios en la arquitectura muscular, tras un
entrenamiento de fuerza a largo plazo orientado hacia un aumento extremo del tamaño del músculo. Esquema elaborado a partir de la hipótesis sugerida por Kearns y cols. (2000).
Kearns y cols. (2000, 2001), Kumagai y cols. (2000a). El alargamiento de los fascículos
asociado a grandes grosores musculares, sólo se produciría a partir de un determinado nivel de entrenamiento (Brechue y Abe, 2002; Kearns y cols., 2000; 2001) en sujetos que habrían sufrido aumentos extremos de tamaño muscular, y sería un paso posterior al aumento de los ángulos de peneación asociado a una mayor curvatura de los fascículos musculares (Kearns y cols., 2000; Muramatsu y cols., 2002). Este alargamiento podría estar provocado por el aumento en la longitud de los sarcómeros, o por un mayor número de ellos en serie (Baker y cols., 2000; Lynn y cols., 1998). Al alcanzar un ángulo de peneación crítico, el músculo podría seguir aumentando de tamaño sin que el ángulo aumentase. Al limitarse la pérdida de fuerza por el ángulo de peneación, mejoraría la tensión específica, aunque esto es, simplemente, una hipótesis sin confirmar sugerida por Kearns y cols., (2000) (Figura 11).
Aumento del grosor muscular
Aumento de los ángulos de peneación
Disminución de la tensión específica
Aumento de la tensión en los fascículos musculares
Disminución de los ángulos de peneación
Disminución de la tensión de los fascículos musculares
Grande Medio Pequeño
Grande
Velocistas de elite (Abe y cols, 2000; Kumagai y cols, 2000)
Luchadores de Sumo nivel universitario (Kearns y cols, 2000) Powerlifters de elite (Brechue y Abe, 2002) Media Sedentarios sanos (Abe y cols, 2000) Pequeña
Fondistas de elite (Abe y cols, 2000)
Longitud de los fascículos
Grosor muscular
Tabla 3: Variaciones en la longitud de
los fascículos y grosor muscular, según especialidad y nivel deportivo.
2.6.4.3. Deportes de fuerza explosiva
Los deportistas de modalidades en las que la fuerza explosiva es determinante, como las carreras de velocidad en atletismo, tienden a poseer menores ángulos de peneación y mayores longitudes de fascículos que grupos de sedentarios y de
deportistas de fondo.
Kumagai y cols. (2000a) y Abe y cols. (2001) encontraron correlación entre la longitud de los fascículos en el miembro inferior y el rendimiento en la carrera de 100 m. En la misma línea, Abe y cols. (2000) hallaron que un grupo de velocistas de élite presentaba ángulos de peneación menores en los músculos del miembro inferior que un grupo de fondistas de élite (Tabla 3). La longitud de los fascículos musculares era mayor en los velocistas que en los fondistas, lo que posibilitaría una mayor velocidad de acortamiento de los músculos. En este trabajo se apuntó a que la causa podría ser debida, bien a diferencias genéticas, o bien al tipo de entrenamiento de cada grupo. Las diferencias genéticas se explicarían porque los individuos que nacieron con mayor longitud de fascículos estarían más dotados para pruebas de velocidad y se dedicarían a ellas, al elegir las modalidades deportivas en las que destacan. Por otro lado, el tipo de entrenamiento de los velocistas les llevaría a tener un mayor grosor muscular y éste correlaciona significativamente con la longitud de los fascículos en el trabajo de Abe y cols. (2000).
También se han encontrado diferencias en el comportamiento del complejo músculo-tendinoso entre velocistas y sujetos sedentarios, pues los velocistas presentaban una menor rigidez del tendón del VL ante cargas ligeras (Kubo y cols., 2000a), lo que, según los autores, podría actuar como un protector de los ligamentos de la articulación de la rodilla, ante el tipo de estrés mecánico al que se ven sometidos los velocistas. Además, la menor rigidez del tendón de los velocistas estaba asociada con su marca en 100 m, pues permitiría un mejor aprovechamiento de la energía elástica en ciclos estiramiento-acortamiento (SSC).
Figura 12: Mecanismos de aumento del tamaño del músculo. (*) Este mecanismo no se considera hoy en día
plenamente demostrado. Modificado de Alegre y cols. (2001).
2.6.5. Entrenamiento
El entrenamiento puede conducir, en mayor o menor grado, al aumento del tamaño muscular. Dicho aumento podría deberse a tres mecanismos diferentes: hipertrofia,
hiperplasia o aumento de la longitud de los fascículos (este último no se encuentra demostrado aún) (Figura 12).
AUMENTO DEL TAMAÑO DEL MÚSCULO
Hipertrofia: Aumento del área de sección transversal de la fibra muscular.
Hiperplasia: Aumento del número de fibras musculares.
Aumento de la longitud de los fascículos.(*)
• AUMENTO DE LA FUERZA TOTAL QUE PRODUCE EL MÚSCULO • DISMINUYE LA TENSIÓN ESPECÍFICA • AUMENTO DE LA VELOCIDAD DE ACORTAMIENTO DEL MÚSCULO • SE CONSERVA LA TENSIÓN ESPECÍFICA Modificación en la arquitectura: Aumenta el ángulo de
peneación, lo que permite incluir
mayor cantidad de material contráctil.
Modificación en la arquitectura:
Hay controversia al respecto.
Podría aumentar el ángulo de peneación.
Modificación en la arquitectura: Mayor número de sarcómeros en serie o mayor longitud de los mismos. Limitados cambios en el
2.6.5.1. Fuerza-hipertrofia
La hipertrofia muscular lleva a un aumento del CSA, PCSA, grosor muscular y el ángulo de peneación. A continuación, se exponen una serie de estudios en los que se realizaron entrenamientos de fuerza dinámica, con el fin de conseguir aumentos de tamaño del músculo.
Kawakami y cols. (1995) consiguieron aumentos del ángulo de peneación y del grosor muscular del tríceps braquial tras entrenar durante 16 semanas con un grupo de
sujetos sanos. Esto corrobora las hipótesis de su trabajo anterior (Kawakami y cols., 1993), en el que correlacionaban el grosor muscular con el ángulo de peneación. La relación entre la peneación y el grosor muscular también es señalada en el estudio de Blazevich y Giorgi (2001), en el cual entrenaron durante 12 semanas a dos grupos de sujetos, suministrando esteroides a uno de ellos. El grupo que recibió esteroides experimentó un aumento de los ángulos de peneación en el tríceps braquial, adaptación relacionada con una mayor capacidad de músculo para producir fuerza.
La relación entre el aumento de tamaño del músculo y los cambios en el ángulo de peneación se vuelve a confirmar en el trabajo de Aagaard y cols. (2001), en el que, tras un entrenamiento de 14 semanas de los extensores de la rodilla, se produjeron aumentos del 35% en el ángulo de peneación del VL, acompañados por un incremento del 10% en el CSA.
En el estudio llevado a cabo por Rutherford y Jones (1992) también se realizó un entrenamiento de fuerza, aunque, esta vez, sin obtener modificación de los ángulos de peneación de los fascículos. Según Kawakami y cols. (1995), Aagaard y cols. (2001) y Kearns y cols. (2001) la carga de entrenamiento pudo no ser suficiente para provocar las modificaciones en la arquitectura muscular.
2.6.5.2. Fuerza isométrica
El entrenamiento de fuerza isométrica orientado a la hipertrofia, provoca adaptaciones en la misma tendencia que el de fuerza dinámica, aunque con menores cambios en la arquitectura muscular. Por otra parte, también ha sido utilizado para reducir la atrofia muscular en grupos de sujetos inactivos.
El entrenamiento de fuerza isométrica del tríceps braquial con cargas moderadas
y máximas (Kanehisa y cols., 2002) provocó aumentos menores (15 y 16%, respectivamente) en el ángulo de peneación, que el trabajo dinámico orientado a la hipertrofia (29% en el trabajo de Kawakami y cols., 1995 y 35% en el de Aagaard y cols., 2001), si bien, en este estudio los sujetos entrenaron durante menos tiempo. Contrariamente a lo esperado, el grupo que trabajó con cargas isométricas máximas experimentó un
aumento mayor del volumen muscular que el grupo que entrenó con cargas moderadas.
Esto pudo ocurrir debido a que el volumen de ambos entrenamientos era similar y a que la combinación de volumen e intensidad en el grupo de cargas máximas proporcionaba un estímulo mayor para el aumento de tamaño del músculo.
En otro trabajo realizado por el mismo equipo, se evaluaron los efectos de la inmovilidad sobre el tamaño del músculo, su arquitectura muscular y la activación neural en dos grupos, uno que realizaba un entrenamiento isométrico de los extensores de la rodilla durante 20 días de inmovilidad y otro que no (Kawakami y cols., 2001). El grupo que
realizó el entrenamiento isométrico (90 s de contracciones isométricas máximas al día) no experimentó variaciones significativas en el ángulo de peneación, en el PCSA del VL y
en la activación neural en el cuádriceps. Sin embargo, el grupo que no entrenó experimentó disminuciones significativas en su fuerza, asociadas, principalmente, a una disminución de la activación neural. Según los autores, si bien hubo una reducción significativa del PCSA, no sería suficiente para haber provocado cambios en el ángulo de peneación.
2.6.5.3. Fuerza explosiva
En este punto se exponen los estudios en los que se realizaron entrenamientos orientados hacia la mejora de la fuerza explosiva, tanto con cargas como mediante pliometría. La respuesta de la arquitectura a este tipo de entrenamiento sería rápida e incluiría adaptaciones favorables para un mayor rendimiento en pruebas de velocidad, como el aumento de la longitud de los fascículos.
En la tesis de Blazevich (2000), se observó un aumento de la longitud de los fascículos de los músculos del miembro inferior, tras un entrenamiento corto de velocidad (5 semanas) compuesto por saltos y sprints. Esto apoyaría las teorías de Abe y cols. (2000) y Kumagai y cols. (2000a), que asocian el rendimiento en pruebas de velocidad con fascículos musculares más largos. En este caso, el alargamiento de los fascículos habría sido producido por el estímulo del entrenamiento.
Además, los cambios que provoca el entrenamiento en la arquitectura muscular podrían ocurrir muy rápidamente, antes de que aparezca un aumento del tamaño del músculo, e incluso antes de los cambios tempranos en la fuerza al comienzo de un entrenamiento. Esto no ha sido demostrado por ningún autor hasta la fecha y que está por comprobar (Blazevich y Giorgi, 2001).
2.6.5.4. Atrofia
La atrofia muscular es la consecuencia de la pérdida de masa muscular, debido a una disminución de la actividad física o a procesos degenerativos. Si la peneación es una adaptación que permite incluir una mayor cantidad de tejido contráctil en el mismo espacio, cuando haya pérdidas de material contráctil, se puede esperar el efecto contrario en la atrofia, es decir, una disminución de los ángulos de peneación.
Esto es confirmado en el trabajo de Narici (1999), según el cual, la atrofia muscular provoca una disminución de los ángulos de peneación y de la longitud de los fascículos, lo que indica pérdida de sarcómeros (en paralelo y en serie), aunque la pérdida de fuerza se vería parcialmente mitigada por el aumento de la eficacia en su transmisión. Sin embargo, en el estudio de Bleakney y Maffulli (2002) se observó la disminución de los ángulos de peneación, pero no de la longitud de los fascículos señalada por Narici. Este aspecto queda por comprobar en estudios longitudinales y con grupos más grandes.
2.7. RELACIONES CON LA FUERZA MUSCULAR
El diseño arquitectónico de un músculo influye en su capacidad para transmitir, más o menos eficientemente, la fuerza producida por las fibras musculares al tendón. Por otro lado, la arquitectura puede llegar a experimentar grandes modificaciones durante la contracción muscular. Estas modificaciones seguirán una dinámica distinta dependiendo del tipo de contracción.
En este punto, comenzaremos hablando del concepto de tensión específica, para después explicar el comportamiento de la arquitectura muscular ante distintos tipos y niveles de activación muscular.
2.7.1. Eficacia de la fuerza
El término usado para mostrar la eficacia de la transmisión de la fuerza es la tensión específica, o ratio de fuerza por unidad de área de sección transversal de un músculo, ya
sea el PCSA o el CSA. Algunos autores señalan que el aumento de tamaño del músculo asociado al crecimiento de los ángulos de peneación disminuye su tensión específica. Aunque la peneación es una adaptación que permite una acumulación de mayor cantidad de material contráctil en un mismo volumen muscular (Rutherford y Jones, 1992; Lieber y Fridén, 2001), implica una desventaja mecánica, pues se pierde parte de la fuerza que ejercen las fibras. Al aumentar el ángulo de peneación en los músculos con mayor hipertrofia, disminuye la cantidad de fuerza producida por área de sección transversal, algo que ocurre, especialmente, en determinados grupos de deportistas (Ichinose y cols., 1998b; Kanehisa y cols., 1997a; 1997b; Kawakami y cols., 1993; 2000a).
No obstante, Kanehisa y cols. (1997a) no encontraron correlación negativa entre la tensión específica y la hipertrofia en un grupo de culturistas aficionados. Su teoría era que
no habían hipertrofiado lo suficiente como para comenzar a sufrir los cambios negativos, lo que podría indicar que existe un umbral de crecimiento muscular, a partir del cual disminuye la tensión específica (Brechue y Abe, 2002; Kearns y cols., 2000).
Los valores más aceptados de tensión específica que aparecen en la bibliografía van de 15 a 30 N/cm2, cuando ésta se calcula con el PCSA (Enoka, 1994; Giannini y cols., 1990;
Maganaris y cols., 2001a; Narici, 1999). Estos valores deben ser calculados utilizando el mayor número posible de parámetros in vivo (ángulos de peneación, longitud de fascículos y momentos de la articulación) y durante contracciones máximas para asegurar una medida exacta (Maganaris y cols., 2001b).
2.7.2. Tipo y nivel de contracción muscular
La arquitectura se modifica con el nivel de activación muscular, pues el ángulo de peneación aumenta con la intensidad de la contracción (Fukunaga y cols., 1997a; Ito y
cols., 1998; Kawakami y cols., 1998; Kawakami y cols., 2000a; Maganaris y cols., 1998; Narici y cols., 1996b), mientras que la longitud de los fascículos disminuye. Sin embargo,
existen diferencias en el comportamiento de la arquitectura muscular en función del tipo de contracción que se lleve a cabo.
Fukunaga y cols. (1997a) y Lieber y Fridén (2001) sugieren que las variaciones en el ángulo de peneación no tendrían demasiada importancia funcional, aunque esto no siempre es así, pues las modificaciones de la arquitectura muscular durante la contracción pueden llegar a ser muy grandes; hasta un 245% en el ángulo de peneación del GL en el trabajo de Maganaris y cols. (1998), y hasta un 67% en la longitud de los fascículos musculares (Ichinose y cols., 2000). Se han medido cambios en el ángulo de peneación del GM, desde reposo hasta una contracción isométrica máxima, en los que la pérdida de fuerza pasaría del 7.5% (22.3º) al 26% (42.5º), debido a la rotación de las fibras (Maganaris y cols., 1998).
No obstante, debemos tener en cuenta que estos son los valores extremos que encontramos en la bibliografía, y que en otros músculos, como el tibial anterior, la pérdida de fuerza no es tan grande; 2% en el trabajo de Ito y cols. (1998).
La arquitectura muscular experimenta grandes cambios durante la contracción, tanto isométrica como dinámica, y estos cambios deberían ser evaluados in vivo. Es fundamental el papel del tejido elástico en serie, pues permite aumentar la eficacia del tejido contráctil, ya sea mediante el almacenamiento y liberación de energía elástica, o permitiendo que las fibras musculares trabajen en condiciones más favorables para la producción de fuerza. A continuación, exponemos los trabajos realizados sobre este tema.
2.7.2.1. Contracciones isométricas
Si bien, no hay movimiento de palancas durante las contracciones isométricas, los fascículos musculares generan trabajo mecánico, el cual es absorbido, en parte, por el tejido elástico en serie (Ito y cols., 1998). Este acortamiento de los fascículos viene acompañado de un aumento de los ángulos de peneación.
Por otra parte, se ha observado que durante la contracción muscular los fascículos adoptan una cierta curvatura que aumenta con la intensidad de la contracción (Maganaris y cols., 1998; Muramatsu y cols., 2002) y disminuye con el músculo elongado. Este aspecto tiene relevancia, pues la curvatura correlaciona con el ángulo de peneación y el grosor muscular. Muramatsu y cols. (2002) sugieren que esta curvatura estaría asociada a una mayor presión intramuscular, aspecto que, a largo plazo, podría inducir un alargamiento de los fascículos para disminuir el ángulo de peneación y la presión intramuscular, y, por lo tanto, aumentar la tensión específica (Brechue y Abe, 2002; Kearns y cols., 2000).
2.7.2.2. Contracciones dinámicas
Las contracciones concéntricas provocan el acortamiento y la rotación de los fascículos, aumentando los ángulos de peneación. Sin embargo, la velocidad a la que se acortan los fascículos no es siempre la misma, y su comportamiento en SSC presenta diferencias respecto del comportamiento en contracciones dinámicas concéntricas.
La velocidad de acortamiento de los fascículos musculares del VL durante una
extensión isocinética de rodillas no es constante, aunque la velocidad angular del
movimiento lo sea (Ichinose y cols., 2000). Esto se debe, principalmente, a la elongación de los elementos elásticos en serie.
Por otra parte, la participación de los elementos elásticos tiene una gran importancia en el mayor rendimiento conseguido en los ejercicios realizados con un contramovimiento previo. Según Kawakami y cols. (2002), los fascículos trabajan casi isométricamente
durante la fase de estiramiento en un SSC para almacenar energía en el tejido tendinoso, lo que permitiría una mayor potencia durante la fase de acortamiento que en un ejercicio sin contramovimiento. Esta afirmación se ve apoyada por los estudios de Kubo y cols. (2000c) y Kurokawa y cols. (2001), que señalan que las estructuras tendinosas permiten un mejor aprovechamiento de la fuerza generada en SSCs rápidos y saltos verticales.
2.7.2.3. Ejercicio en cicloergómetro
El pedaleo en cicloergómetro es un tipo concreto de contracción dinámica que ha sido objeto de investigación (Muraoka y cols., 2001). En este tipo de ejercicio, el comportamiento de los fascículos musculares es distinto dependiendo de la fase del pedaleo en la que se encuentren.
Al analizar pedaleo lento en cicloergómetro (40 rpm), los autores encontraron que la elasticidad del tejido tendinoso permite a los fascículos del VL producir fuerza en una longitud cercana a la óptima. Por otro lado, los fascículos del VL se encontraban más acortados para un mismo ángulo de rodillas, durante la fase concéntrica del ciclo de pedaleo.
3.1. OBJETIVO GENERAL
El objetivo general de este trabajo es describir los perfiles de fuerza y arquitectura muscular, y observar los cambios que produce un entrenamiento de fuerza explosiva de 4 meses de duración, en la arquitectura y la biomecánica de la musculatura extensora de los miembros inferiores de un grupo experimental de sujetos jóvenes activos, estudiantes de educación física.
3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Los objetivos específicos de este trabajo son:
1. Poner a punto, con una buena reproducibilidad, una metodología no invasiva de análisis de la arquitectura muscular en humanos.
2. Determinar el perfil de fuerza de la musculatura extensora de las extremidades inferiores de los sujetos del grupo experimental.
3. Determinar el perfil de arquitectura muscular del vasto lateral y los gastrocnemios medial y lateral de los sujetos del grupo experimental.
4. Entrenar la fuerza explosiva de los músculos extensores de las extremidades inferiores del grupo experimental con 3 sesiones semanales durante 4 meses.
5. Determinar los perfiles de fuerza y arquitectura muscular en un grupo control, y evaluar su permanencia tras 4 meses de actividad normal.
6. Describir y evaluar los cambios en la arquitectura y biomecánica de la musculatura extensora de los miembros inferiores en el grupo experimental, en comparación con el grupo control.
7. Discutir sobre los efectos del entrenamiento de fuerza en las modificaciones de la arquitectura y biomecánica muscular.
4.-METODOLOGÍA
El apartado de metodología ha sido divido en diseño experimental, sujetos, protocolos y tratamiento de datos.
Familiarización (2 semanas) Familiarización (2 semanas) • Antropometría • Arquitectura muscular • Fuerza • Antropometría • Arquitectura muscular • Fuerza ENTRENAMIENTO (13 semanas) ACTIVIDAD NORMAL (13 semanas) • Antropometría • Arquitectura muscular • Fuerza • Antropometría • Arquitectura muscular • Fuerza
Figura 13: Representación esquemática de la planificación.
4.1. DISEÑO EXPERIMENTAL
En este punto se explica la organización general del experimento, a la vez que se muestra la temporalización y se enumeran todas las variables.
4.1.1. Planificación
Todos los sujetos que participaron realizaron un periodo de familiarización de 2 semanas, tras el cual contestaron un cuestionario y llevaron a cabo pruebas de
antropometría, arquitectura muscular y fuerza. Después de estas pruebas, el grupo experimental realizó un entrenamiento de fuerza explosiva durante 13 semanas,
mientras que el grupo control no hizo ningún tipo de entrenamiento, aparte de su actividad habitual. Las mismas pruebas fueron realizadas al final de este periodo por todos los sujetos (Figura 13).
