La stiffness muscolo-tendinea nello sciatore: un confronto tra due tipologie di atleti
di G.N. Bisciotti (2) (3) L.(Martinelli 1), , F. Cotelli (1), A. Canclini (1), M. Pensini (1), JM Sagnol (3)
1).Laboratorio Alta Prestazione, Federazione Italiana Sport Invernali, S.Caterina Di Valfurva, Italia.
2) Istituto Superiore di Educazione Fisica di Torino, Italia.
3) Dipartimento di Scienza dello Sport, UFR-STAPS di Besançon, Francia

Versione italiana tradotta dall’articolo originale "The skier’s musculo-tendinous stiffness: a comparison among two different athletic group". Science and Skiing II. Verlag Kovač Editions. Pp 425-442. Hamburg, 2001.

ABSTRACT:

Le caratteristiche elastiche dell’unità muscolo-tendinea rivestono un ruolo importante nella meccanica della contrazione muscolare, tuttavia non risulta semplice confrontare i dati desunti da sperimentazioni su muscolo isolato rispetto a quelli ricavabili nel corso di movimenti naturali. Nel presente studio le rigidità muscolo-tendinee di due gruppi di atleti, con tipologie muscolari verosimilmente diverse, vengono comparate e correlate alla performance dinamica: I risultati indicano che tali caratteristiche sono fortemente influenzate dalla tipologia del sovraccarico funzionale cronicamente imposto e dalle caratteristiche biomeccaniche del gesto atletico.

Parole Chiave: Stiffness muscolo tendinea, elasticità muscolare, metodologia di allenamento

INTRODUZIONE

La comprensione del ruolo e dell’importanza del comportamento elastico della struttura muscolo-tendinea implica una rigorosa analisi di tipo biomeccanico che si basa concettualmente sull’applicazione della legge di Hooke riguardante i materiali elastici, secondo la quale il comportamento elastico di una struttura è caratterizzato dalla relazione intercorrente tra la sua deformazione e la forza applicata sulla struttura stessa.

Nel caso di una molla lineare ideale, una deformazione D L è una funzione lineare della forza D F:

D F = k · D L

dove k è la costante di rigidità della molla; la rigidità k di un sistema elastico è costituita quindi da una variazione di forza su di una variazione di lunghezza (D F/D L), l’inverso di questa costante, D L/D F, rappresenta l’estensibilità del sistema (fig. 1).

Quando una forza F comprime od allunga questa molla ideale, il lavoro fornito dall’applicazione di tale forza è stoccato sotto forma di energia elastica all’interno della struttura deformata, ed in seguito restituito sotto forma di lavoro meccanico nel momento in cui cessi l’applicazione della forza e la struttura elastica ritorni alla sua forma originale. La quantità di energia elastica stoccata in una molla ideale di rigidità k risulta pari al lavoro fornito dalla forza deformante e può essere

determinata, su di uno spostamento di modesta entità, dall’integrazione della seguente equazione:

Nell’analisi del comportamento muscolare effettuata attraverso l’adozione di un modello meccanico a tre componenti (Hill 1950; Chapman 1985; Huijing 1992), il ruolo di stoccaggio e restituzione dell’energia elastica, durante un movimento che comporti una fase di allungamento muscolare immediatamente seguita dalla fase di accorciamento, è da attribuirsi all’elemento elastico in serie (SEC), che da un punto di vista anatomico, vede la sua parte passiva identificabile essenzialmente nel tendine e la sua parte attiva principalmente nella porzione S2 della testa miosinica. Sempre nell’ambito della stessa modellizzazione muscolare, il ruolo di "generatore di forza" è invece imputabile alla componente contrattile (CC) identificabile anatomicamente a livello dei ponti actomiosici.

La rigidità, o stiffness, del complesso muscolo-tendineo, sembra essere un fattore fortemente correlato alla produzione di forza da parte del muscolo (Wilson e coll. 1994), tuttavia la CC e la SEC sembrerebbero avere a questo riguardo dei comportamenti funzionali diversi. Infatti la CC vedrebbe ottimizzata la propria produzione di forza attraverso un complesso muscolo-tendineo più rigido che, in quanto tale, ottimizzi le condizioni relative alla lunghezza ed alla velocità di contrazione. In effetti l’unità muscolo-tendinea rappresenta il collegamento tra la CC ed il sistema scheletrico, per cui un aumento della sua rigidità può determinare , sino ad un certo livello, il grado di efficacia e di rapidità con il quale le forze interne, generate dalla CC, vengono trasmesse attraverso il sistema scheletrico stesso (Wilson e coll. 1994); per questo motivo una maggior stiffness muscolo-tendinea permetterebbe una produzione iniziale di forza maggiore rispetto ad un sistema più distensibile.

Al contrario, nel corso di un movimento che preveda una fase di stiramento-accorciamento (SSC), il meccanismo di stoccaggio e di restituzione di energia elastica da parte della SEC, verrebbe enfatizzato da un’unità muscolo-tendinea di elasticità e rigidità ottimali, tale da essere in grado, durante la fase eccentrica, di poter immagazzinare una quota soddisfacente di energia elastica ed allo stesso tempo capace, nel corso della fase concentrica, di restituirla sotto forma di lavoro meccanico minimizzando l’effetto di termodispersione.

La stiffness ideale della SEC propenderebbe verso la parte distensibile del continuum elastico (Belli e Bosco 1992; Wood e coll. 1986) soprattutto in movimenti effettuati a velocità non eccessivamente elevate e con tempi di passaggio tra la fase eccentrica e la fase concentrica relativamente lunghi (Wilson e coll. 1991), ma occorre altresì ricordare coma la quantità di energia immagazzinabile nella SEC non possa essere completamente restituita quando quest’ultima sia talmente distensibile da portare la CC ad una velocità troppo elevata.

Anche la tipologia delle fibre mostra differenti caratteristiche di rigidità: sperimentazioni effettuate su muscolo isolato attribuirebbero infatti una maggior rigidità alle fibre a contrazione lenta (ST) in virtù sia della maggior presenza di tessuto connettivale, sia del diverso ritmo di ancoraggio e distacco dei ponti actomiosinici (Julian e coll. 1981), mentre le fibre a contrazione rapida (FT) possederebbero maggiori capacità elastiche (Pousson e coll. 1991, Petit e coll. 1990, Kovanen e coll. 1984, Bosco e coll. 1982. ).

Nonostante la notevole mole bibliografica ritrovabile sull’argomento, soltanto pochi studi hanno cercato di correlare la stiffness della SEC della muscolatura degli arti inferiori o superiori ad una performance dinamica (Belli e Bosco 1992, Wood e coll. 1986, Walshe e coll. 1995).

Questa relativa mancanza di informazioni riguardante la correlazione tra la stiffness della SEC e la performance dinamica, caratterizzata da un pattern di attivazione comprendente una fase di SSC, ci ha portato allo studio comparativo del rapporto tra rigidità del complesso muscolo tendineo degli arti inferiori e performance dinamica, di due popolazioni di atleti sostanzialmente diversi dal punto di vista tipologico delle fibre, come gli sciatori di fondo e gli slalomisti.

La quantificazione della stiffness è stata effettuata attraverso un semplice test da campo recentemente validato (Dalleau e coll.1998) che permette un’affidabile quantificazione della rigidità della muscolatura estensoria degli arti inferiori; l’interesse connesso a questo tipo di metodologia e quindi non soltanto riconducibile alla sua indubbia praticità ma anche al suo possibile utilizzo nel controllo degli effetti delle diverse metodologie di allenamento sulla struttura muscolare.

PROTOCOLLO E METODI

Soggetti

Sono stati presi in considerazione due gruppi di atleti costituiti rispettivamente da 10 slalomisti di livello nazionale (GS) la cui età peso ed altezza erano rispettivamente di 19+3 anni, 73,3+9.4 kg, 179.4+5.0 cm, e da 10 specialisti nella disciplina di fondo (GF), anch'essi di livello nazionale, la cui età peso ed altezza erano rispettivamente di 19+5 anni, 65.2+7.3 kg, 177.0+5.8 cm.

Tutti i soggetti hanno mantenuto nel periodo dei test la loro normale attività di allenamento e nessuno di loro presentava patologie di tipo dermatologico, muscolare o neuromuscolare, tutti gli atleti inoltre erano stati informati preventivamente sullo scopo della ricerca.

Test di velocità

Ad ogni soggetto veniva richiesto di effettuare uno sprint sulla distanza 100 di m.t., durante la prova venivano rilevati, oltre al tempo totale, i tempi relativi alla percorrenza dei 30 e dei 50 m.t. mediante una serie di fotocellule in linea collegate ad un sistema di cronometraggio elettronico rilevante i tempi con una precisione pari al millesimo di secondo (Microgate, USA)

Prima della prova ogni soggetto eseguiva una fase di riscaldamento di circa 15’ sostanzialmente simile a quella svolta prima delle sue usuali sedute di allenamento, la prova è stata effettuata su di una pista di atletica senza l'ausilio di scarpe chiodate.

Test su pedana di Bosco

Ogni atleta, dopo un'adeguata fase di riscaldamento, eseguiva su di una pedana a conduttanza ( Ergo Jump Bosco SystemÒ ) la seguente batteria di test:

-Squatting Jump (SJ)

-Counter Mouvement Squatting Jump (CJ)

-Rebound Jump 10'' a gambe tese (RJ t.)

-Rebound Jump a gambe flesse a 90° (RJ 90°)

La procedura dei vari test si atteneva alla procedura standard relativa al test di Bosco (Bosco 1992)

La batteria di test veniva randomizzata per ogni soggetto, per ogni test veniva registrata l'altezza di volo e per ciò che riguarda i due test di RJ t. ed RJ 90° venivano anche calcolati oltre all'altezza media di salto, la potenza media , il tempo di contatto (TC) ed il tempo di volo (TV) di ogni salto.

Attraverso i valori di TC e TV registrati durante il test di RJ t. è stato possibile calcolare il valore della stiffness muscolo tendinea, riguardante prevalentemente la muscolatura del complesso gamba-caviglia (Stiff. g-c), mentre per il calcolo della stiffness inerente prevalentemente il quadricipite femorale (Stiff. q.), sono stati utilizzati i valori di TC e TV registrati durante il test di RJ 90°.

I calcoli relativi alla Stiff. q. sono stati eseguiti dopo aver verificato la sinusoidalità del segnale di forza, registrato tramite piattaforma di forza, durante il test di RJ f. (Belli, comunicazioni personali, 1998).

In entrambi i calcoli è stata utilizzata la seguente formula (Dalleau e coll., 1998) :

Dai valori di SJ e CJ registrati è stato possibile ottenere il valore percentuale di restituzione di energia elastica (E.E.%) da parte della SEC attraverso l’applicazione della seguente formula (Wilson e coll. 1991) :

Test Dinamometrico

Il test dinamometrico prevedeva due tipi di prove:

1. Un test isometrico di distensione delle gambe dalla posizione di semi-squat , con l’angolo articolare del ginocchio standardizzato a 90°
2. Un test isometrico che prevedeva una spinta contemporanea su entrambi gli avampiedi a ginocchia tese.

In entrambi i test i soggetti furono istruiti a produrre il massimo della forza nel minimo tempo possibile (Bemben e coll. 1990.) evitando d’applicare qualsiasi tipo di spinta prima dell’inizio del test (Viitasalo 1982)

La durata della contrazione è stata di ~ 3’’ (Wilson e coll. 1995) .

Per effettuare tale spinta i soggetti erano posti su di una pedana di forza, collocata al di sotto di uno speciale multi power la cui asta poteva essere bloccata alla posizione desiderata, offrendo in tal modo all'atleta una resistenza inamovibile .

Durante i due test è stato quantificato il Rateo di Sviluppo della Forza Isometrica (RFD) a carico del quadricipite femorale e del tricipite surale attraverso i seguenti tipi di calcolo:

i) L’integrale della forza sul tempo durante i primi 100ms. di spinta sia per il quadricipite femorale (ò F(dt) 100 Q.),che per il tricipite crurale (ò F(dt) 100 T.), (Verchoshansky 1996).

ii) Il tempo necessario alla produzione del 30% della forza isometrica massimale sempre per ciò che riguarda il quadricipite femorale (t 30% Q) ed il tricipite crurale (t 30% T), (Hakkinen e coll., 1985, Viitasalo e coll., 1980).

L’inizio della spinta è stato calcolato a partire dalla variazione del 5% del peso corporeo registrato sulla pedana di forza (Belli, comunicazioni personali, 1997).

I segnali acquisiti dalla piattaforma di forza (Tecmachine PF 350, Andrezieux-Boutheon, France) erano campionati con una frequenza di risonanza pari a 200 Hz per mezzo di una scheda di acquisizione a 12 bits (National Instruments France, tipo PC-LPM16, Le Blanc-Mesnil, Francia), i dati erano registrati su di un PC Pentium 166 Hz ed analizzati attraverso un programma specificatamente concepito sviluppato in VisualBasic 3.0 (Microsoft Corporation).

Registrazione del segnale elettromiografico

Durante l'esecuzione dei due test isometrici l'attività ellettromiografica (EMG) fu registrata dal vasto laterale (VL), in quanto maggiormente rappresentativo dell'attività elettrica del quadricipite femorale durante il movimento di distensione dalla posizione di semi-squat (Lieb J., Perry J., 1968), dal gemello mediale (GM) e dal gemello laterale (GL). Gli elettrodi (Neuro Line Disposable Neurology Elecrodes, Type 720-00-S Qty/Menge 25) furono posti sulla gamba destra rispettivamente: anteriormente sopra il ginocchio sul lato esterno della coscia a 2/3 della lunghezza totale di quest'ultima (VL), posteriormente e sul lato interno della gamba (GM) e posteriormente sul lato esterno della gamba (GL) entrambi ad 1/3 della lunghezza antropometrica totale del segmento. La registrazione del segnale EMG veniva effettuata attraverso una coppia di elettrodi bipolari posizionati sul ventre muscolare alla distanza di 20 mm. Il segnale proveniente dall'apparecchiatura elettromiografica (Muscle LabTM Poli Function Muscle Analyser, Model PFMA 3010e, Ergotester Tecnology , Italy)) e dalla piattaforma di forza erano sincronizzati e registrati simultaneamente. Il segnale EMG integrato (IEMG) era calcolato con una frequenza di campionamento di 100Hz.

Venivano in tal modo calcolati l'IEMG relativo ai primi 100 ms. a carico del VL (IEMG 100 VL), del GM (IEMG 100 GM) e del GL (IEMG 100 GL) (Hakinnen e coll. 1985)

Statistica

Per ogni variabile e condizione considerata sono stati calcolati gli indici statistici ordinari come media, deviazione standard e varianza.

La differenza tra le medie è stata testata attraverso un test non parametrico di Mann-Whitney, infine, dopo aver verificato la normalità delle varie distribuzioni mediante un test di Kolmogorov e Smirnov, è stata effettuata una regressione lineare multipla utilizzando il metodo di minimizzazione dei minimi quadrati tra tutte le variabili calcolate.

La significatività statistica è stata fissata ad un p<0.05.

RISULTATI

La media, la deviazione standard e la significatività statistica tra la differenza delle medie delle variabili calcolate è riportata in Tavola 1, i valori di correlazione tra le variabili sono indicati nella Tavola 2.

Tavola 1: Media, deviazione standard e significatività statistica tra la differenza delle medie delle variabili considerate.
* p<0.05 ** p<0.01 *** p<0.001

Tavola 2 (vedi documenti a parte): Matrice di correlazione della le variabili considerate (r)
* p<0.05 ** p<0.01 *** p<0.001

DISCUSSIONE

I valore di Stiff g-c registrati nel presente studio sia per il gruppo GS (27.70+3.94 kN ·m-1, range 22.31-33.65) (media+ deviazione standard), che per il gruppo GF (32.64+7.56 kN ·m-1, range 26.36-51.63 ) sono ben paragonabili ai valori riportati da uno studio analogo (Dalleau e coll. 1998) in cui si ritrovano valori di stiffness, prevalentemente a carico del complesso muscolare gamba-caviglia, di 48.1+14.6 kN ·m-1 (range 22.9-68.5), al contrario i valori di Stiff.q per il gruppo GS (4.76+0.89 kN ·m-1, range 3.86-6.5) e per il gruppo GF (4.27+0.99 kN ·m-1, range 3.02-6.16) risultano minori rispetto ai dati riportati da Andrew e coll. (1995) i quali riferiscono valori di stiffness a carico prevalentemente della muscolatura della coscia di 16.2+4.9 kN ·m-1; tale differenza è senz’altro da attribuirsi alla diversa tecnica di calcolo della stiffness neuromuscolare, che nel caso sopracitato è stato effettuato mediante una "tecnica di oscillazione" che prevede una perturbazione dell’unità muscolo-tendinea (UMT) da parte di una forza esterna e la conseguente registrazione della risposta da parte del sistema neuro-muscolare.

Nel presente studio un primo dato interessante è costituito dal fatto che la differenza tra i valori di Stiff.g-c dei due gruppi è risultata statisticamente significativa (p<0.01), mentre nessuna differenza statisticamente significativa è evidenziabile per ciò che riguarda i valori di Stiff. q.

Il gruppo GF avrebbe quindi una maggior rigidità del complesso muscolare della gamba e del piede, tuttavia l’altezza di salto raggiunta dagli atleti di questo gruppo durante il test di RJ t. è risultata staticamente inferiore (p<0.05) a quella fatta registrare dal gruppo GS.

Questo dato confermerebbe che la stiffness ideale della SEC, in un pattern di attivazione che comprenda un ciclo stiramento-accorciamento, propenderebbe verso la parte distensibile del suo continuum elastico (Wilson e coll. 1991). In effetti occorre considerare che, se da un lato un aumento della rigidità dell’UMT comporta una restituzione dell’energia accumulata in tempi più brevi e quindi un aumento della potenza prodotta, dall’altro un aumento dell’estensibilità dell’UMT permette un maggiore accumulo di energia elastica da parte della SEC nella fase eccentrica del movimento (Pousson e coll. 1995). Nella specificità del salto il tricipite crurale ricopre il ruolo di principale flessore plantare contribuendo per il 70% alla coppia massimale nel corso della flessione plantare (Murray e coll. 1976), oltre ad avere un compito sostanziale durante l’esecuzione del salto verticale stesso (Bobbert e coll. 1986), inoltre occorre ricordare come secondo l’ipotesi formulata da Jacobs e coll. 1993 i muscoli monoarticolari come il VL sarebbero responsabili della produzione di potenza, mentre i muscoli biarticolari come il GL sarebbero i responsabili del transfert di questa potenza tra i differenti segmenti corporei. Questa ultima considerazione soprattutto ci può permettere di capire l’importanza per questo sistema muscolare, che svolge contemporaneamente il ruolo di "generatore" e "trasduttore" di forza, di trovare il giusto compromesso tra una sufficiente estensibilità ed una rigidità ottimale.

Quest’ipotesi sarebbe confortata anche dal fatto che i TC durante il test di RJ t. del gruppo CF risultano minori rispetto ai TC del gruppo GS (162.1+10.8 ms. — 186.0+24.04 ms., p<0.01) mentre la situazione appare ribaltata se si considerano i TV, infatti il gruppo GF presenta un valore di 452.2+65.9 ms. contro un valore del gruppo GS pari a 513.4+34.18 ms. (p<0.05).

Questo dato ci permetterebbe di avanzare l’ipotesi che il continuum elastico del complesso neuromuscolare spostato verso una maggiore distensibilità , potrebbe modificare la relazione forza-velocità indicando in tal modo un ottimizzazione delle proprietà elastiche del sistema.

Dal momento che la rigidità, soprattutto della parte passiva, della SEC, mostra una certa plasticità nei confronti degli stimoli meccanici e metabolici dell’allenamento (Woo e coll. 1990), la mancanza di differenza statisticamente significativa tra i valori di Stiff. q dei due gruppi ci permetterebbe di avvallare l’ipotesi che il lavoro meccanico possa costituire un fattore di "normalizzazione" della stiffness neuro muscolare, in altre parole soprattutto l’intensa attivazione muscolare isometrica ed eccentrica, come già sottolineato da Pousson e coll. 1990, tipica dell’attività espletata dal gruppo GS e la fase eccentrica dell’attivazione muscolare compiuta dal gruppo GF potrebbe avere indotto degli adattamenti simili nella muscolatura estensoria degli arti inferiori, questa ipotesi sarebbe in accordo con quanto ritrovabile in bibliografia sui cambiamenti di rigidità muscolo-tendinea indotti dall’allenamento (Poulain 1985, Pousson e coll. 1990).

Tuttavia i valori delle correlazioni da noi ritrovate sui valori sia di Stiff. q che di Stiff.t dei due gruppi e gli altri parametri considerati ( prove di sprint, valori di RFD, restituzione percentuale di energia elastica e registrazione elettromiografica) non ci autorizzano a formulare delle possibili inferenze tra i valori di stiffness neuromuscolare e la tipologia delle fibre od i pattern di attivazione balistica considerati tipici delle fibre a contrazione rapida.

I dati da noi ritrovati quindi confermano quanto già espresso da altri autori (Ettema e Huijing 1994, Andrew e coll. 1996) circa il fatto che la relazione tra stiffness dell’UMTe la performance appaia molto complessa e comunque specificatamente dipendente dal tipo di contrazione muscolare considerato, e che inoltre occorra adottare un’estrema cautela nella comparazione tra i risultati ottenuti da sperimentazioni su muscolo isolato con quelli derivanti da sperimentazioni effettuate su muscolo in vivo.

Tuttavia ci sembra interessante sottolineare la relativa indipendenza da noi ritrovata tra Stiff.q e Stiff. g-c, che può ulteriormente confermare la già citata influenza dell’attività muscolare sulla rigidità dell’UMT.

Un ulteriore elemento di interesse emerso dal presente studio è costituito dal fatto che valori di ò F(dt)100 Q, ò F(dt)100 T, del gruppo GF sono risultati significativamente minori rispetto agli stessi parametri registrati nel gruppo GS (0.01>p<0.001), parallelamente i valori di t30% Q e t30% T del gruppo GF sono risultati significativamente maggiori rispetto al gruppo GS. (0.05>p<0.001), Questi risultati comparati a quanto già riferito da Hakkinnen e coll. (1985) ed in accordo con i dati riportati da Fox e coll. (1984), inerenti la diversa tipologia di fibre muscolari tra sciatori di fondo e discesisti, ci permettono di confermare e sottolineare , seppur indirettamente, la probabile maggior percentuale di fibre a contrazione rapida, nella muscolatura degli arti inferiori, del gruppo GS rispetto al gruppo GF.

CONCLUSIONI

La stiffness del complesso muscolo-tendineo assolve senza dubbio un ruolo delicato ed importante nel corso della contrazione muscolare, ruolo che risulterebbe intimamente dipendente dalla meccanica del gesto considerato; tuttavia i normali test effettuabili in situazioni di attivazione naturale probabilmente non sono sufficientemente sensibili per poter affermare con certezza la sua correlazione con la performance sportiva come già avanzato da Andrew e coll. (1996).

In ogni caso dal presente studio emergono due dati interessanti, che inoltre confermano quanto già ritrovabile in bibliografia su altre tipologie di atleti: il primo è che la stiffness ideale del complesso muscolare gamba-caviglia dello slalomista, al contrario del fondista, si trova spostata verso la parte distensibile del continuum elastico e che questa peculiarità ottimizzerebbe le capacità elastiche dell’UMT, il secondo punto da sottolineare è che la stiffness neuro-muscolare risulterebbe fortemente influenzabile dal lavoro muscolare tipico sia dello sci di discesa che di fondo.

In conclusione ci sembra interessante sottolineare che la monitorizzazione dell’andamento dei valori di stiffness, in funzione dei carichi di allenamento a cui lo sciatore è sottoposto, potrebbe costituire un ulteriore interessante mezzo per il controllo e la programmazione dell’allenamento nell’ambito della prestazione di alto profilo agonistico, soprattutto quando il controllo di questi valori sia facilmente realizzabile in condizioni operative da campo come nel caso della metodica da noi adottata.

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