Massa muscolare: un modello matematico per aumentarla

I ricercatori hanno sviluppato un modello matematico in grado di prevedere il regime di esercizio ottimale per la costruzione muscolare.

I ricercatori, dell’Università di Cambridge, hanno utilizzato metodi di biofisica teorica per costruire il modello, che può dire quanto una specifica quantità di sforzo farà crescere un muscolo e quanto tempo ci vorrà. Il modello potrebbe costituire la base di un prodotto software, in cui gli utenti potrebbero ottimizzare i loro regimi di esercizio inserendo alcuni dettagli della loro fisiologia individuale.

Il modello si basa su un lavoro precedente dello stesso team, che ha scoperto che un componente del muscolo chiamato titina è responsabile della generazione dei segnali chimici che influenzano la crescita muscolare.

I risultati, riportati nel Biophysical Journal, suggeriscono che esiste un peso ottimale a cui fare allenamento di resistenza per ogni persona e per ogni obiettivo di crescita muscolare. I muscoli possono essere vicini al loro carico massimo solo per un tempo molto breve, ed è il carico integrato nel tempo che attiva la via di segnalazione cellulare che porta alla sintesi di nuove proteine ​​muscolari. Ma al di sotto di un certo valore, il carico è insufficiente per causare molte segnalazioni e il tempo di esercizio dovrebbe aumentare in modo esponenziale per compensare. È probabile che il valore di questo carico critico dipenda dalla particolare fisiologia dell’individuo.

Sappiamo tutti che l’esercizio costruisce i muscoli, “sorprendentemente, non si sa molto sul perché o sul modo in cui l’esercizio costruisce i muscoli: ci sono molte conoscenze aneddotiche e saggezza acquisita, ma molto poco in termini di dati concreti o provati”, ha affermato il professor Eugene Terentjev del Cavendish Laboratory di Cambridge, uno dei gli autori del documento.

Durante l’allenamento, maggiore è il carico, maggiore è la frequenza, e quindi maggiore sarà l’aumento della massa muscolare. Tuttavia, anche guardando l’intero muscolo, non si sa perché o quando ciò accada. Le risposte a entrambe le domande diventano ancora più complicate poiché l’attenzione si concentra su un singolo muscolo o sulle sue singole fibre.

I muscoli sono costituiti da singoli filamenti, lunghi solo 2 micrometri e larghi meno di un micrometro, più piccoli delle dimensioni della cellula muscolare. “Per questo motivo, parte della spiegazione per la crescita muscolare deve essere su scala molecolare”, ha affermato il co-autore Neil Ibata. “Le interazioni tra le principali molecole strutturali nei muscoli sono state messe insieme solo circa 50 anni fa. Non è ancora del tutto chiaro come le proteine ​​accessorie più piccole si inseriscano nel quadro”.

Questo perché i dati sono molto difficili da ottenere: le persone differiscono notevolmente nella loro fisiologia e comportamento, rendendo quasi impossibile condurre un esperimento controllato sui cambiamenti delle dimensioni muscolari in una persona reale. “Puoi estrarre le cellule muscolari e osservarle individualmente, ma questo ignora altri problemi come i livelli di ossigeno e glucosio durante l’esercizio”, sostiene Terentjev. “È molto difficile guardare tutto insieme.”

Terentjev e i suoi colleghi hanno iniziato a esaminare i meccanismi del meccanosensing, la capacità delle cellule di percepire segnali meccanici nel loro ambiente, diversi anni fa. La ricerca è stata notata dall’Istituto inglese dello sport, che era interessato al fatto che potesse riguardare le loro osservazioni sulla riabilitazione muscolare. Insieme, hanno scoperto che l’iperatrofia muscolare era direttamente collegata al lavoro di Cambridge.

Nel 2018, i ricercatori di Cambridge hanno avviato un progetto su come le proteine ​​nei filamenti muscolari cambiano sotto sforzo. Hanno scoperto che i principali costituenti muscolari, actina e miosina, mancano di siti di legame per le molecole di segnalazione, quindi doveva essere il terzo componente muscolare più abbondante, la titina, responsabile della segnalazione dei cambiamenti nella forza applicata.

Ogni volta che una parte di una molecola è sotto tensione per un tempo sufficientemente lungo, passa in uno stato diverso, esponendo una regione precedentemente nascosta. Se questa regione può quindi legarsi a una piccola molecola coinvolta nella segnalazione cellulare, attiva quella molecola, generando una catena di segnali chimici. La titina è una proteina gigante, gran parte della quale si estende quando un muscolo viene allungato, ma anche una piccola parte della molecola è sotto tensione durante la contrazione muscolare. Questa parte della titina contiene il cosiddetto dominio della titina chinasi, che è quello che genera il segnale chimico che influenza la crescita muscolare.

È più probabile che la molecola si apra se è sottoposta a una forza maggiore o se mantenuta più a lungo sotto la stessa forza. Entrambe le condizioni aumenteranno il numero di molecole di segnalazione attivate. Queste molecole inducono quindi la sintesi di più RNA messaggero, portando alla produzione di nuove proteine ​​muscolari, e la sezione trasversale della cellula muscolare aumenta.

Questa realizzazione ha portato al lavoro attuale, iniziato da Ibata, lui stesso un appassionato atleta. “Ero entusiasta di acquisire una migliore comprensione sia del perché che del come della crescita muscolare”, ha detto. “Si potrebbe risparmiare così tanto tempo e risorse nell’evitare regimi di esercizio a bassa produttività e massimizzare il potenziale degli atleti con sessioni regolari di valore più elevato, dato un volume specifico che l’atleta è in grado di raggiungere”.

Terentjev e Ibata si sono proposti di restringere un modello matematico in grado di fornire previsioni quantitative sulla crescita muscolare. Hanno iniziato con un modello semplice che tiene traccia delle molecole di titina che si aprono sotto sforzo e avviano la cascata di segnali. Hanno usato i dati della microscopia per determinare la probabilità dipendente dalla forza che un’unità di titina chinasi si apra o si chiuda sotto sforzo e attivi una molecola di segnalazione.

Hanno quindi reso il modello più complesso includendo informazioni aggiuntive, come lo scambio di energia metabolica, nonché la lunghezza delle ripetizioni e il recupero. Il modello è stato convalidato utilizzando precedenti studi a lungo termine sull’ipertrofia muscolare.

“Il nostro modello offre una base fisiologica per l’idea che la crescita muscolare avvenga principalmente al 70% del carico massimo, che è l’idea alla base dell’allenamento di resistenza”, ha affermato Terentjev. “Al di sotto di questo, il tasso di apertura della titina chinasi scende precipitosamente e preclude il verificarsi di segnali meccanosensibili. Al di sopra di questo, il rapido esaurimento impedisce un buon risultato, che il nostro modello ha previsto quantitativamente”.

“Una delle sfide nella preparazione degli atleti d’élite è il requisito comune per massimizzare gli adattamenti bilanciando i compromessi associati come i costi energetici”, ha affermato Fionn MacPartlin, Senior Strength & Conditioning Coach presso l’English Institute of Sport. “Questo lavoro ci offre maggiori informazioni sui potenziali meccanismi di come i muscoli percepiscono e rispondono al carico, il che può aiutarci a progettare interventi più specifici per raggiungere questi obiettivi”.

Il modello affronta anche il problema dell’atrofia muscolare, che si verifica durante lunghi periodi di riposo a letto o per gli astronauti in condizioni di microgravità, mostrando sia per quanto tempo un muscolo può permettersi di rimanere inattivo prima di iniziare a deteriorarsi, sia quale potrebbe essere il regime di recupero ottimale.

Alla fine, i ricercatori sperano di produrre un’applicazione basata su software di facile utilizzo che possa fornire regimi di esercizio personalizzati per obiettivi specifici. I ricercatori sperano anche di migliorare il loro modello estendendo la loro analisi con dati dettagliati sia per gli uomini che per le donne, poiché molti studi sull’esercizio fisico sono fortemente sbilanciati verso gli atleti di sesso maschile.