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Titel:Zusammenhang zwischen Muskelfaseraktivierung, Sauerstoffkinetik und Levelling-Off der Sauerstoffaufnahme
Autor:Niemeyer, Max
Weitere Beteiligte: Beneke, Ralph (Prof. Dr.)
Erscheinungsjahr:2019
URI:http://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2019/0467
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2019-04679
DOI: https://doi.org/10.17192/z2019.0467
DDC: Erziehung, Schul- und Bildungswesen
Titel(trans.):Relationship between muscle fiber activation, oxygen uptake kinetics and oxygen uptake plateau

Dokument

Schlagwörter:
exercise physiology, Spirometrie, oxygen uptake plateau, Leistungsphysiologie, Ausdauerleistung, Cardiorespiratory fitness, Lactate, Energiebereitstellung, energetics, Leistungsdiagnostik, Ergometrie, Ausdauer, Kardiorespiratorische Fitness

Zusammenfassung:
Einleitung) Das Levelling-Off der Sauerstoffaufnahme (V̇O2) kennzeichnet eine Abflachung der V̇O2–Leistungsbeziehung im erschöpfenden Belastungsbereich. Es ist das einzig valide Kriterium für die Diagnostik der maximalen Sauerstoffauf-nahme (V̇O2max), welche wiederum die aerobe Leistungsfähigkeit repräsentiert und eine der wichtigsten leistungsphysiologischen Messgrößen darstellt. Trotz körperlicher Ausbelastung weisen jedoch in Abhängigkeit von dem Belastungsprotokoll und der Levelling-Off Definition nur 30-70% der Versuchspersonen ein Levelling-Off auf. Das Auftreten bzw. Ausbleiben eines Levelling-Off`s wird bisher auf die anaerobe Kapazität zurückgeführt. Die Befunde hinsichtlich des Zusammenhangs zwischen Kenngrößen der anaeroben Kapazität und der LO-Inzidenz sind jedoch inkonsistent. Eine mögliche Erklärung hierfür ist, dass die Belastungstoleranz im erschöpfenden Intensitätsbereich neben der anaeroben Kapazität durch die V̇O2-Kinetik bedingt wird. Die V̇O2-Kinetik wird wiederum mit der Muskelfaseraktivierung assoziiert. Des Weiteren deuten Studien darauf hin, dass die V̇O2-Kinetik und die Muskelfaseraktivierung durch eine intensive Erwärmung beschleunigt werden können. Das Ziel dieser Arbeit war es, den Einfluss der Muskelfaseraktivierung und der V̇O2-Kinetik auf die Levelling-Off-Inzidenz zu überprüfen. Hierfür wurden zwei Hypothesen aufgestellt: 1) Versuchspersonen mit Levelling-Off weisen eine schnellere V̇O2-Rampenkinetik auf, welche durch eine höhere Muskel-faseraktivierung bedingt ist. 2) Eine intensive Erwärmung führt zu einer Erhöhung der Muskelfaseraktivierung, einer schnelleren V̇O2-Rampenkinetik und dadurch zu einer Erhöhung der Levelling-Off-Inzidenz. Methodik) Die Überprüfung dieser Hypothesen erfolgte mittels Querschnitts- und experimentellen Forschungsdesigns. Hierbei wurden Probanden mit und ohne Levelling-Off verglichen (Hypothese 1), sowie die Muskelfaseraktivierung und die V̇O2-Kinetik mittels intensiver Erwärmung manipuliert (Hypothese 2). Zusätzlich wurde ein Simulationsmodell entwickelt, mit dem die empirischen Ergebnisse überprüft und erweitert wurden. Insgesamt wurden 5 Testserien mit jeweils 9 bis 20 männlichen Versuchspersonen absolviert, in denen die Erwärmungsintensität, die Regenerationsdauer und die Belastungssteigerungsrate der Rampentests systematisch variiert wurden. Alle Belastungstests wurden auf einem Fahrradergometer absolviert. Die Messung der V̇O2 erfolgte mittels portablen Spirometriesystems. Die Muskelfaseraktivierung des Vastus lateralis, Vastus medialis und Gastrocnemius medialis wurde mit einem Oberflächen-Elektromyographiesystem (EMG) erfasst. Die Bestimmung der V̇O2- und EMG-Kinetik erfolgte mittels linearer und nicht-linearer Regressionsanalysen. Das Levelling-Off wurde anhand des Anstiegs der V̇O2 innerhalb der letzten 50 W quantifiziert. Für die Simulation des Einflusses der V̇O2-Kinetik auf die Levelling-Off-Inzidenz wurde das Rampenkinetiksimulati-onsmodell von Wilcox et al. (2016) um den V̇O2-Bedarf und die V̇O2-Defizit-Akkumulation erweitert. Ergebnisse) Hypothese 1: 10 der 24 Versuchspersonen aus den Testserien 2-4 wiesen ein Levelling-Off im Rampentest auf. Diese verfügten über eine schnellere V̇O2-Rampenkinetik, welche sich in einer kürzeren Verzögerung zu Rampenbeginn (MRT: 43,3 ± 8,6 vs. 52,8 ± 7,1 s; p = 0,007) und einem steileren Anstieg der V̇O2 im submaximalen Intensitätsbereich (∆V̇O2/∆P: 10,1 ± 0,2 vs. 9,2 ± 0,5 ml min-1 W-1; p < 0,001) äußerte. Die schnellere Rampenkinetik ging mit einer geringen V̇O2-Defizit-Akkumulation bis zwei Minuten vor Rampentestende (2,24 ± 0,40 vs. 2,78 ± 0,33 l; p = 0,001) einher. Bei Rampentestende unterschied sich das V̇O2-Defizit (4,34 ± 0,43 vs. 4,54 ± 0,60 l; p = 0,342) zwischen den Versuchspersonen mit und ohne Levelling-Off hingegen nicht. Die EMG-Kinetik (∆EMG/∆P: 0,56 ± 0,18 vs. 0,56 ± 0,26% W-1; p = 0,940) unterschied sich zwischen den Versuchspersonen mit und ohne Levelling-Off ebenfalls nicht. Hypothese 2: In keiner der 5 Testserien konnte eine systematische Beschleuni-gung der V̇O2- und EMG-Rampenkinetik oder eine Erhöhung der Levelling-Off-Inzidenz induziert werden. So kam es in den Testserien 1-4 zu keiner Änderung der ∆V̇O2/∆P (alle p > 0,05) und in der Testserie 5 sogar zu einer Reduktion (10,3 ± 0,7 vs. 9,4 ± 0,7 ml min-1 W-1; p < 0,001) in Folge der intensiven Erwärmung. Die ∆EMG/∆P und die Levelling-Off-Inzidenz unterschieden sich zwischen dem unerwärmten und dem erwärmten Zustand in keiner der 5 Testserien (alle p > 0,05). Simulationsansatz: Das Simulationsmodell bestätigte ebenfalls die Hypothese 1. Demnach steigt die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten eines Levelling-Off`s bei einer gegebenen anaeroben Kapazität und V̇O2max mit schneller werdender V̇O2-Kinetik. Bezüglich der Hypothese 2 deuten die Befunde des Simulationsmodells darauf hin, dass die erwärmungsbedingte Beschleunigung der V̇O2-Kinetik für eine systematische Erhöhung der ∆V̇O2/∆P und der Levelling-Off-Inzidenz zu gering ist. Schlussfolgerung: Die V̇O2-Kinetik, jedoch nicht die Muskelfaseraktivierung, hat einen entscheidenden Einfluss auf das Auftreten eines Levelling-Off`s. Die Induktion eines Levelling-Off`s durch eine Beschleunigung der V̇O2-Kinetik und einer Erhöhung der Muskelfaseraktivierung mittels intensiver Erwärmung ist hingegen nicht möglich. Dies ist wahrscheinlich durch einen zu geringen Erwärmungseffekt auf die V̇O2-Rampenkinetik, bei gleichzeitiger Reduktion der anaeroben Kapazität, bedingt.

Summary:
Introduction) The oxygen uptake (V̇O2)-plateau is defined as a flattening of the V̇O2-workload-relationship in the severe intensity domain. It is the only valid criterion for the diagnosis of maximum oxygen uptake (V̇O2max), which represents the maximum rate of aerobic energy contribution and is one of the most important measurements in exercise physiology. However, depending on the V̇O2-plateau definition and the exercise protocol only 30-70% of the subjects show a plateau at V̇O2max. The incidence of a V̇O2-plateau has been assigned to differences in anaerobic capacity. However, studies on interrelationships between the occurrence of a V̇O2-plateau and measurements of anaerobic capacity showed inconsistent results. This is potentially caused by the fact that exercise tolerance in the severe intensity domain is not only affected by anaerobic capacity but also by V̇O2-kinetics. Differences in V̇O2-kinetics have been related to muscle fibre activation. Furthermore, it has been shown that muscle fibre activation and V̇O2-kinetics is speeded up following an intensive warm-up exercise. Thus, the aim of the present study was to check the effect of muscle fibre activation and V̇O2-kinetics on the incidence of a V̇O2-plateau. For this purpose we tested the following hypotheses: 1) Subjects with a V̇O2-plateau show a faster ramp test V̇O2-kinetics, which is caused in elevated muscle fibre activation. 2) An intensive warm-up exercise leads to elevated muscle fibre activation, a faster ramp test V̇O2-kinetics and an increase in V̇O2-plateau incidence. Methods) To test these hypotheses a cross-sectional and experimental study de-sign was used. This was done by comparing subjects with and without a V̇O2-plateau (hypothesis 1) and by manipulating the muscle fibre activation and V̇O2-kinetics due to an intensive warm-up exercise (hypothesis 2). Additionally, a simulation model was developed to verify and extend the empiric findings. In total, five studies with 9 to 20 male subjects each were performed. Warm-up intensity, recovery duration and incremental rate of the ramp tests were systematically varied between the studies. All exercise tests were performed on a cycle ergometer. V̇O2 was measured using a portable breath-by-breath device. Muscle fibre activation was recorded from Vastus lateralis, Vastus medialis and Gastrocnemius medialis using a surface electromyography system (EMG). V̇O2- and EMG-kinetics were calculated using linear and non-linear regression analyses. The slope of the V̇O2-workload-relationship of the final 50 W was used to quantify the V̇O2-plateau. To simulate the effect of V̇O2-kinetics on the V̇O2-plateau incidence, the simulation model of Wilcox et al. (2016) was added by V̇O2-demand and V̇O2-deficit accumulation. Results) Hypothesis 1: Ten out of the 24 tested subjects of the studies 2-4 showed a plateau in the incremental ramp test. The plateauing subjects had faster ramp test V̇O2-kinetics. More specifically, they showed a shorter delay at the beginning of the ramp test (MRT: 43.3 ± 8.6 vs. 52.8 ± 7.1 s; p = 0.007) and a steeper increase of V̇O2 in the submaximal intensity domain (∆V̇O2/∆P: 10.1 ± 0.2 vs. 9.2 ± 0.5 ml min-1 W-1; p < 0.001). The faster ramp test kinetics was accompanied by lower V̇O2-deficit accumulation up to two minutes before ramp test termination (2.24 ± 0.40 vs. 2.78 ± 0.33l; p = 0.001). However, at ramp test termination the accumulated V̇O2-deficit did not differ between the subjects with and without a V̇O2-plateau (4.34 ± 0.43 vs. 4.54 ± 0.60 l; p = 0.342). Also the EMG-kinetics did not differ between the plateauing and non-plateauing subjects (∆EMG/∆P: 0.56 ± 0.18 vs. 0.56 ± 0.26% W-1; p = 0.940). Hypothesis 2: In none of the five studies a systematically speeding of V̇O2- and EMG-Ramp test kinetics or an increase in V̇O2-plateau incidence were found. Thus, in the studies 1-4 there was no change in ∆V̇O2/∆P (all p > 0.05) and in study 5 ∆V̇O2/∆P was even reduced by the intensive warm-up exercise (10.3 ± 0.7 vs. 9.4 ± 0.7 ml min-1 W-1; p < 0.001). The ∆EMG/∆P and the V̇O2-plateau inci-dence did not differ between the not-primed and the primed condition in all studies (all p > 0.05). Simulation approach: The simulation model confirmed hypothesis 1 also. Thus, the probability of a V̇O2-plateau at a given anaerobic capacity and V̇O2max increases with a faster V̇O2-kinetics. With respect to hypothesis 2, the simulation model indicates that the speeding of V̇O2-kinetics is of insufficient magnitude to induce a systematic increase of ∆V̇O2/∆P and V̇O2-plateau incidence. Conclusion: V̇O2-kinetics but not muscle fibre activation is mayor predictor of the V̇O2-plateau occurrence. However, an intensive warm-up exercise does not systematically increase muscle fibre activation, V̇O2-kinetics and the V̇O2-plateau incidence in a ramp test. This is probably caused in a rather small effect of warm-up exercise on ramp test V̇O2-kinetics, which is accompanied by warm-up induced reduction of anaerobic capacity.


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