La maggior parte degli studi fisiologici e biomeccanici sulle diverse prestazioni natatorie si concentrano spesso su aspetti bioenergetici e biomeccanici. Ovvero vertono la loro attenzione sui diversi serbatoi energetici utilizzati durante la disciplina in esame e su variabili biomeccaniche piuttosto macroscopiche come frequenza e ampiezza di bracciata. Tutte informazioni senz’altro utili, ma che non permettono di caratterizzare al meglio ogni singola disciplina e soprattutto le diverse nuotate.

Il nuoto, anche solo a parità di distanza di gara, ha diversi stili di gara. Pertanto, si avranno differenti gruppi muscolari impiegati, che comporteranno dei pattern motori molto specifici. Per questo motivo quindi è molto importante andare a studiare a livello neuromuscolare cosa succede in una certa nuotata e per tutta la distanza di gara.

A tale scopo ho deciso di condividere uno studio scientifico pubblicato nel 2014 sul Journal of Sports Science and Medicine; è stato svolto da alcuni ricercatori portoghesi e il titolo rende abbastanza l’idea: “L’affaticamento neuromuscolare durante i 200 Rana”.

Proprio la rana si presta perfettamente per studiare gli aspetti che ho evidenziato in precedenza data la sua unicità tecnica, il maggiore impegno muscolare, e l’enorme complessità in termini di pattern neuromuscolari.

La tecnica della rana è considerata una delle meno economiche tra quelle dei quattro stili di nuoto (Barbosa et al., 2006), e così può causare affaticamento precoce durante la prestazione.

L’affaticamento neuromuscolare può essere definito come:

  1. l’incapacità nel mantenere la forza richiesta o prevista, accompagnata da cambiamenti nell’attività muscolare (Dimitrova et al., 2003);
  2. l’incapacità del muscolo scheletrico di generare livelli elevati di forza muscolare o mantenere questi livelli nel tempo (Enoka e Stuart, 1992).
    Inoltre, le manifestazioni di affaticamento sono state associate a (Allen et al., 1995; Pagala et al., 1994): un calo della tensione muscolare prodotto durante e dopo l’esercizio sub-massimale e massimale; l’incapacità di mantenere una determinata intensità di esercizio nel tempo, riducendo la velocità di contrazione e aumento tempo di rilassamento muscolare; nonché la variazione di concentrazioni intra ed extracellulari di determinati metaboliti e ioni.

L’affaticamento neuromuscolare può essere di tipo centrale e periferico. La fatica centrale riguarda una diminuzione dell’attivazione volontaria del muscolo, che è a causa della diminuzione del numero di unità motore reclutate e della loro frequenza di scarica (González et al., 2012). Quella periferica comporta cambiamenti nella trasmissione neuromuscolare e la diminuzione della tensione contrattile delle fibre muscolari (Boyas e Guevel, 2011).

La fatica periferica durante l’esercizio fisico è considerata una compromissione dei meccanismi periferici della contrazione muscolare. La regolamentazione periferica è così correlata a una perturbazione dei flussi degli ioni calcio, a un accumulo di fosfato e/o a una diminuzione delle riserve di adenosina trifosfato (Boyas e Guevel, 2011).

Nello sport del nuoto, i meccanismi relativi alla fatica neuromuscolare rimangono poco chiari e pochi studi finora svolti sono stati effettuati principalmente sulla nuotata a stile libero (Caty et al., 2006; Figueiredo et al., 2011; Ikuta et al., 2012; Stirn et al., 2011). Caty et al. hanno osservato una diminuzione della frequenza media istantanea nei muscoli dell’avambraccio (11,4% e 8,5%, rispettivamente) dopo un test massimale ad alta intensità su 4 ripetizioni da 50 metri. Stirn et al.  hanno rilevato che alla fine di un 100 metri stile libero al massimo sforzo possibile, la potenza media è diminuita del 20-25%.

È chiaro che l’elettromiografia può essere utile per rilevare l’affaticamento muscolare per molte ragioni (le relazioni trovate tra le variabili elettromiografiche e l’affaticamento muscolare e la possibilità di registrarle in quasi ogni tipo di situazione). Pertanto, alcuni studi hanno esaminato la relazione tra affaticamento muscolare e variabili elettromiografiche e, di conseguenza, la possibilità di utilizzare tali modelli per tracciare con precisione l’affaticamento muscolare (González-Izal et al., 2012).

Le tecniche lineari utilizzate per stimare l’affaticamento muscolare sono basate sulla regressione lineare, che mette in relazione le variazioni dei parametri elettromiografici con le variazioni della perdita di potenza (come misura diretta dell’affaticamento muscolare). Le tecniche non lineari utilizzate per stimare i muscoli la fatica si basano invece su modelli a reti neurali per cercare mettere in relazione i parametri elettromiografici con la fatica muscolare. Entrambe le tecniche hanno fornito buoni risultati per mappare i cambiamenti in termini di perdita di potenza o di forza durante esercizi dinamici.

A parte questi studi elencati, tuttavia, non erano prima di allora state effettuate ricerche sulle modalità affaticamento degli arti superiori nella rana. L’obiettivo principale per gli allenatori di nuoto e i ricercatori è quello dell’identificazione dei fattori che potrebbero prevedere le prestazioni con maggiore validità e accuratezza.

Gli obiettivi di tale studio erano:

1. Analizzare i pattern di attivazione della muscolatura degli arti superiori (durata delle fasi attive e inattive) in ciascuna frazione di gara dei 200 rana.
2. Quantificare l’affaticamento neuromuscolare, con una valutazione sia cinematica che fisiologica.

In questa ricerca durante una prova gara sui 200 rana sono stati raccolti segnali da un’elettromiografia di superficie dal bicipite brachiale, deltoide anteriore, gran pettorale e tricipite brachiale. I segnali acquisiti sono poi stati post-processati al computer con opportuni algoritmi di signal-processing.

Il processo di determinazione dei confini dell’attività muscolare consiste nel trovare i punti dove l’energia era il 30% del picco massimo di attivazione muscolare entro un ciclo di bracciata (Stirn et al., 2011). Questi sono stati calcolati segmentando l’energia del segnale di input muscolare secondo agli stessi criteri descritti da Stirn (2011). Questi non sono altro che una strategia per determinare i “veri” picchi energetici del muscolo in esame. Una volta determinati i valori massimi, sono stati quindi selezionati i confini dell’attività muscolare valutando i punti in cui l’energia è il 30% dei picchi massimi determinati.

Per ogni attivazione muscolare, la fase attiva è stata definita come la porzione di segnale per il quale l’energia era almeno pari al 30% del valore energetico locale massimo, per ogni particolare attivazione muscolare. L’evoluzione temporale delle durate medie delle fasi attive e non attive durante un ciclo di nuotata è stata calcolata per ciascun muscolo per tutti i 200 metri.

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È stato effettuato il confronto delle durate delle fasi attive e non attive di ciascun muscolo durante un ciclo completo per rilevare le modifiche che potrebbero verificarsi a causa alla fatica. Inoltre, è stata stimata la densità spettrale di potenza (a partire dal segnale originario nel dominio del tempo) per ciascun muscolo ed è stato usato come parametro di frequenza della fatica muscolare. In aggiunta a queste misure sono state poi effettuate quelle biomeccaniche: tempo del ciclo di nuotata, frequenza, ampiezza e la velocità media di nuotata. Infine, l’efficienza della nuotata è stata stimato utilizzando l’indice di nuotata, o “stroke index”. Questo indice presuppone che, a una data velocità, il nuotatore con ampiezza maggiore ha una tecnica di nuotata più efficiente. Sono stati infine effettuate le misure di lattato ematico esattamente 3, 5, 7 minuti dopo la prova.

La velocità di nuotata (così come l’ampiezza di bracciata e lo “stroke index”) è decrementata nelle varie frazioni della prova dei 200 rana, mentre la frequenza di bracciata è aumentata l’ultimo quarto di gara. È stato misurato un massimo valore di lattato ematico di circa 13 [mmol/L] riscontrato al terzo minuto dopo il termine dello sforzo.

L’impegno nella fase attiva (mostrato nella tabella seguente) è stato, per il bicipite brachiale (BB), più alto nel momento iniziale rispetto al finale della nuotata. Il deltoide anteriore (DA) ha presentato un valore più alto nella fase iniziale nel primo giro e nel terzo giro, ma ha mostrato un valore più alto nella fase finale per il secondo e il quarto giro. Il gran pettorale (PM) ha mostrato una durata maggiore della fase attiva alla fine per tutti giri ad eccezione del terzo. Il tricipite brachiale (TB) ha mostrato una fase attiva più elevata all’inizio nella prima e terza frazione e valori più alti nel finale di nuotata per le altre due fasi della prova.

La durata relativa dell’attivazione (RAF) è mostrata nella figura seguente, diminuisce nella fase iniziale in per il deltoide (DA) e il pettorale (PM).

Il bicipite brachiale (BB) ha dimostrato un RAF più alto nella fase finale. Per il tricipite brachiale (TB) la durata è diminuita nella fase iniziale nei primi tre giri, in contrasto con il quarto giro in cui il valore era più alto.

I valori elettromiografici misurati hanno mostrato un notevole incremento nelle parti finali della gara; in particolare risultano maggiormente impiegati nella prima parte di gara deltoide anteriore e gran pettorale, mentre nella seconda parte lo sforzo è maggiore per bicipite brachiale, tricipite brachiale e deltoide anteriore. Questi risultati suggeriscono che si ha un’insorgenza di affaticamento all’inizio del secondo quarto della prova dei 200 rana, ed è caratterizzata da cambiamenti nei parametri cinematici e cambiamenti selettivi nell’azione della muscolatura degli arti superiori. Si ha una tendenza verso uno stato di fatica non lineare.

I principali risultati sono stati che alcuni indicatori di affaticamento neuromuscolare iniziano ad apparire a breve nella seconda frazione di gara, ma sono più evidenti nel terzo quarto (cioè ampiezza aumentata e spettrale le variabili diminuiscono) in modo non lineare.

La diminuzione media della velocità dal primo all’ultimo quarto di gara mostra un calo della velocità molto maggiore rispetto ai risultati di studi simili (Takagi et al., 2004; Thompson et al., 2000; 2004). Nella rana, l’aumento della velocità di nuotata è associata ad un aumento della frequenza, ma ha un calo di ampiezza maggiore rispetto agli altri stili di nuoto (Thompson et al., 2004).

In questo studio l’ampiezza ha subito una diminuzione progressiva, mentre la frequenza è diminuita dal primo al terzo giro e poi aumentata nel quarto. Quando la velocità del nuoto diminuiva, sono state osservate diverse combinazioni di frequenza e ampiezza, fornendo le migliori prestazioni rispetto ai vincoli imposti dalla fatica e diminuendo la capacità del nuotatore di mantenere una ampiezza costante. L’aumento della frequenza negli ultimi 50 metri è dovuto all’impossibilità di generare uno sforzo supplementare sufficiente per superare la resistenza elevata. La diminuzione della velocità di nuoto nell’ultimo quarto di gara ha suggerito una tendenza all’incapacità di generare uno sforzo supplementare sufficiente per superare un’elevata resistenza durante il test (Craig e Pendergast, 1979; Chatard et al., 2003; Thompson et al., 2004). Questo cambiamento nella cinematica della nuotata a causa di una diminuzione della potenza erogata può essere una conseguenza della fatica periferica (Ikuta et al., 2012; Stirn et al., 2011).

L’aumento della concentrazione di lattato è responsabile dell’affaticamento dovuto a variazioni del pH intracellulare. Come conseguenza, la velocità di contrazione della fibra muscolare diminuisce e cambia la forma d’onda del potenziale di azione dell’unità motoria (Cifrek et al., 2009).

L’ampiezza dei segnali elettromiografici è influenzata dal numero di unità motorie attive (Moritani et al., 1986), dalla loro frequenza di scarica e dalla velocità di propagazione dei potenziali d’azione intracellulari (Dimitrova e Dimitrov, 2002). Il valor medio dell’attivazione neuromuscolare ha dimostrato un aumento e un mantenimento nella fase finale per bicipite e pettorale, e una piccola diminuzione per dorsale e tricipite che hanno dimostrato valori più elevati nella fase iniziale rispetto alla fase finale. I nuotatori, durante la fine della nuotata, aumentano la durata della fase di recupero, diminuendo l’ampiezza del segnale elettromiografico per dorsali e tricipiti. Questi muscoli sono responsabili il movimento di ante pulsione delle braccia fino al punto di massimo allungamento frontale. L’aumento dell’attività del pettorale potrebbe essere visto come una strategia compensativa per riuscire a mantenere la velocità di nuotata durante la prova. Inoltre, Nuber et al. (1986) hanno verificato che il PM ha continuato ad attivarsi attraverso il recupero nella rana.

Quindi, una diminuzione della durata della fase attiva e l’aumento della fase non attiva sul terzo quarto, rivela che in questo momento i muscoli iniziano a mostrare l’inizio dell’affaticamento neuromuscolare. La riduzione di la velocità di conduzione delle fibre muscolari è una delle cause di spostamento dello spettro di potenza del segnale verso frequenze più basse.

Tuttavia, durante un esercizio faticoso, potrebbero verificarsi due effetti opposti (Petrofsky e Lind, 1980): diminuzione della frequenza media come discusso sopra e aumento della temperatura intramuscolare a causa dell’esercizio, che provoca un aumento della frequenza media. Così è possibile che durante qualche esercizio, i due gli effetti si compensano e i decrementi trovati nella frequenza media può essere piccolo o non significativo.

Conclusioni

Una diminuzione della velocità di nuotata (ampiezza e indice di nuotata) e un aumento della frequenza nell’ultima parte, può essere associata ai valori elevati di lattato, a un aumento non significativo dell’ampiezza e una riduzione non significativa delle variabili spettrali. Questi suggeriscono che i fenomeni di affaticamento negli arti superiori si presentano in modo diverso per i diversi muscoli studiati, mediante un processo non lineare. Tuttavia, di più è necessaria un’indagine per comprendere meglio questo fenomeno nel prossimo futuro.

La forma dell’attivazione muscolare durante le quattro fasi mostra i pattern di attivazione aumentati nel secondo e terzo quarto risulta conforme con il normale adattamento e con la tattica di utilizzare la capacità rimanente nei 50 metri finali per raggiungere il miglior risultato. La maggiore attivazione di deltoide e tricipite ha mostrato che questi muscoli svolgono un ruolo significativo in questo evento (Yoshizawa et al., 1976; Conceição et al., 2010). Con questa ricerca è possibile fornire rapidamente pratiche informazioni per nuotatori e allenatori per adeguare i loro metodi di allenamento.

Questo studio ha mostrato che l’affaticamento neuromuscolare avviene in modo non lineare, evidenziando come la fase centrale (secondo e terzo 50 metri) rappresenti il momento più critico della prova dei 200 rana. Dunque, gli aspetti sia tecnici che fisiologici dell’allenamento dei ranisti dovrebbero tenere conto dell’insorgenza di affaticamento in modo non lineare, e devono includere un allenamento specifico per prevenire bruschi cali nella parte centrale della prestazione agonistica.

Foto: Fabio Cetti | Corsia4

Riferimenti

A. Conceição ,A. J. Silva, T. Barbosa, I. Karsai, H. Louro – “Neuromuscular Fatigue during 200 M Breaststroke” – Journal of Sports Science and Medicine (2014) 13, 200-210