Neuromuscular fatigue after short-term maximal run in child, youth, and adult athletes

Abstract

Johdanto ja tutkimuksen tavoite. Aikaisempien tutkimusten perusteella on havaittu että esipuberteetti ikäiset lapset väsyvät vähemmän ja palautuvat nopeammin kuin aikuiset kovatehoisten urheilusuoritusten yhteydessä. Nuoren urheilijan kypsymiseen liittyvät muutokset perifeerisissä ja hermostollisissa väsymysmekanismeissa ovat kuitenkin vielä selvittämättä. Tämän tutkimuksen tavoitteena on tuottaa uutta tietämystä iän ja kypsymisen vaikutuksista perifeeristen ja hermostollisten mekanismien rooliin 50 s maksimaalisessa juoksusuorituksessa. Menetelmät: Tutkimukseen osallistui 24 miespuolista koehenkilöä jotka jaettiin kolmeen ikäryhmään: Lapset (N = 8; 11.9 ± 1.4 v), Nuoret (N = 8; 14.9 ± 1.1 v), ja Aikuiset (N = 8; 21.3 ± 3.3 v). Koehenkilöt suorittivat maksimaalisen 300 m (Lapset), 350 m (Nuoret) ja 400 m (Aikuiset) juoksutestin 200 m:n halliradalla sisä- ja ulkoratakauden välisellä ajanjaksolla. Veren laktaattipitoisuus ja pH määritettiin testipäivänä ennen aamiaista, ennen ja jälkeen verryttelyn, välittömästi ennen juoksua, sekä 3, 6, 9, 12, 15, 30, ja 60 min juoksun jälkeen sormen päästä otetuista kapillääriverinäytteistä. Väsymyksen voimakkuutta sekä sen taustalla olevia mekanismeja selvitettiin mittaamalla maksimaalisessa tahdonalaisessa (MVC) ja sähköstimulaatiolla aiheutetussa passiivisessa (pT) plantaarifleksoreiden voimantuotossa tapahtuvia muutoksia ennen ja jälkeen juoksusuorituksen. Tämän lisäksi analysoitiin muutokset soleus lihaksesta mitatussa maksimimaalinen M-aallossa (Mmax), EMG-aktiivisuudessa, Hoffman-refleksissä (H-refleksi) ja V/Mmax-suhteessa. Hmax/Mmax-suhde analysoitiin ennen verryttelyä mitatusta herkkyyskäyrästä. Tulokset. Maksimaalisen 50 s juoksun keskinopeudet erosivat merkitsevästi ryhmien välillä (Lapset 5.65 ± 0.54 m/s; Nuoret 6.57 ± 0.27 m/s; Aikuiset 7.68 ± 0.30 m/s, p < 0.001). Keskimääräinen juoksunopeus laski ryhmittäin seuraavasti nopeimman ja viimeisen 100m:n osuuden välillä: Lapset -12.2 ± 6.5 % (p < 0.01); Nuoret -9.8 ± 5.1 % (p < 0.001); ja Aikuiset -12.2 ± 3.1 % (p < 0.001). Juoksun jälkeen mitatut veren laktaattipitoisuuden maksimiarvot erosivat merkitsevästi juoksua edeltävistä arvoista: Lapset 10.2 ± 1.1 mmol/l (p < 0.001); Nuoret 13.3 ± 3.7 mmol/l (p < 0.001); ja Aikuiset 17.4 ± 1.8 mmol/l (p < 0.001). Veren maksimilaktaattipitoisuuden nousu oli lasten ryhmässä pienempi verrattuna nuorten (p < 0.05) ja aikuisten (p < 0.001) ryhmiin sekä nuorten ryhmässä pienempi verrattuna aikuisten ryhmään (p < 0.01). Veren pH-arvo laski kaikissa ryhmissä merkitsevästi ennen juoksua mitatuista arvoista: Lapset 7.18 ± 0.03; Nuoret 7.14 ± 0.07; ja Aikuiset 6.97 ± 0.06 (p < 0.001 pareittain). Aikuisten ryhmässä mitattu matalin veren pH-taso oli juoksun jälkeen alempi verrattuna lasten (p < 0.001) ja nuorten ryhmään (p < 0.001). Maksimaalisen tahdonalaisen plantaarifleksion aikana tuotettu vääntömomentti laski (-16.1 ± 13.0 %; p < 0.01) aikuisten ryhmässä. Suhteellinen muutos juoksua edeltäviin arvoihin erosi merkitsevästi (p < 0.01) verrattuna nuorten ryhmään, jonka MVC:ssä ei tapahtunut merkitsevää muutosta. Sähköstimulaatiolla tuotetun passiivisen lihassupistuksen vääntömomentti laski nuorten (-19.2 ± 12.2 %; p < 0.01) ja aikuisten (-23.7 ± 13.7 %; p < 0.01) ryhmissä. Molemmissa ryhmissä suhteellinen lasku oli suurempi verrattuna lasten ryhmään (p < 0.05). Passiivisen lihasnykäyksen supistus- ja puolirelaksaatioaika lyhentyi kaikissa ryhmissä: Lapset -9.4 ± 5.8 % (p < 0.01); Nuoret -9.4 ± 7.4 % (p < 0.01); ja Aikuiset -9.8 ± 3.4 % (p < 0.001). Passiivisen lihasnykäyksen aikana mitattu maksimi voimantuottonopeus puolestaan laski nuorten (-34.4 ± 30.1%; p < 0.05) ja aikuisten (-23.5 ± 23.7 %; p < 0.05) ryhmissä. Juoksun aiheuttamien muutosten lisäksi ennen verryttelyä mitatun Hmax/Mmax-suhteen havaittiin olevan lasten ryhmässä matalampi verrattuna nuorten (p < 0.05) ja aikuisten (p < 0.01) ryhmiin. Väsytys ei aiheuttanut muutoksia MVC:n aikaisessa EMG:ssa, H-refleksissä tai V/Mmax-suhteessa. Pohdinta ja johtopäätökset. Koska hermostollisissa tekijöissä ei havaittu väsymyksen aiheuttamia muutoksia, voidaan olettaa että maksimaalisen juoksun aiheuttama väsymys johtuu lähinnä perifeerisistä tekijöistä kaikissa tutkituissa ikäryhmissä. Vähäisemmät muutokset niin hermolihasjärjestelmän voiman tuotossa kuin aineenvaihduntatuotteiden tasoissa viittaavat siihen, että lapset eivät kykene kuormittamaan itseään maksimaalisessa anaerobisessa suorituksessa samassa määrin kuin murrosikäiset nuoret ja aikuiset. Toisaalta, koska myös lasten ryhmässä tapahtui merkitsevää keskinopeuden laskua maksimaalisen juoksusuorituksen aikana ja heidän tiedetään palautuvan aikuisia nopeammin maksimaalisista suorituksista, on todennäköistä, että lasten ryhmässä hermolihasjärjestelmän palautuminen edistyi nuorten ja aikuisten ryhmiin verrattuna pidemmällä juoksusuorituksen ja hermolihasjärjestelmän mittausten välillä olleen kuuden minuutin viiveen aikana.

Introduction and goal. Prior studies have shown that pre-pubertal children experience less fatigue and recover faster after high-intensity exercise than adults. However, maturity-dependent changes in the extent of peripheral and central fatigue remain unclear. In this study, the existing knowledge was extended by investigating both peripheral and central mechanisms of fatigue in a 50 s maximal run for three different age groups. Methods. Children (N = 8; 11.9 ± 1.4 years), Youth (N = 8; 14.9 ± 1.1 years), and Adults (N = 8; 21.3 ± 3.3 years) served as subjects. The maximal 300 m (Children), 350 m (Youth), and 400 m (Adults) running tests were performed during the period between the competitive indoor and outdoor seasons on a 200 m indoor track. The blood lactate concentration and the blood pH were determined from the capillary blood sampled from a fingertip in the morning before breakfast, before and after the warm-up, immediately before the maximal 50 s run, and 3, 6, 9, 12, 15, 30, 60 min after the run. The pre- and post-fatigue tests involved measurements of the passive twitch and maximal voluntary contraction (MVC) torques from the plantar flexors. The maximal M-wave, the maximal electromyography (EMG) activity, the H-reflex, and the V/Mmax-ratio were also analyzed from the soleus muscle. In addition, the Hoffman-reflex (H-reflex) recruitment curve and the Hmax/Mmax-ratio were measured before the run. Results. The average running speed differed between the groups (Children 5.65 ± 0.54 m/s; Youth 6.57 ± 0.27 m/s; Adults 7.68 ± 0.30 m/s, p < 0.001). The running speed decreased from the fastest 100 m to the last 100m distance by 12.2 ± 6.5 % (p < 0.01), 9.8 ± 5.1 % (p < 0.001), and 12.2 ± 3.1 % (p < 0.001) in Children, Youth, and Adults, respectively. The peak values of the post-fatigue blood lactate (BLa) concentration were 10.2 ± 1.1 mmol/l, 13.3 ± 3.7 mmol/l, and 17.4 ± 1.8 mmol/l for Children, Youth, and Adults, respectively. The values differed significantly (p < 0.001) from the pre-fatigue values in each group. The peak values of BLa were significantly lower in Children compared to Youth (p < 0.05) and Adults (p < 0.001) and lower in Youth compared to Adults (p < 0.01). The minimum level of blood pH decreased after the run significantly to 7.18 ± 0.03, 7.14 ± 0.07, and 6.97 ± 0.06 (p < 0.001 for each) in Children, Youth, and Adults, respectively. The minimum values of blood pH were significantly lower in Children and Youth compared to Adults (p < 0.001 for both). The MVC torque decreased by 16.1 ± 13.0% in Adults (p < 0.01) and the relative change differed (p < 0.01) from Youth in which no significant change was observed. The passive twitch torque decreased in Youth (-19.2 ± 12.2 %; p < 0.01) and Adults (-23.7 ± 13.7 %; p < 0.01). In both of these groups, the relative decrement was greater than in Children (p < 0.05). Twitch contraction and half-relaxation times decreased by 9.4 ± 5.8 % (p < 0.01), 9.4 ± 7.4 % (p < 0.01), and 9.8 ± 3.4 % (p < 0.001) in Children, Youth, and Adults, respectively, whereas the maximum rate of torque development decreased only in Youth (34.4 ± 30.1 %; p < 0.05) and Adults (23.5 ± 23.7 %; p < 0.05). The Hmax/Mmax-ratio, measured before the run, was lower in Children compared to Youth (p < 0.05) and Adults (p < 0.01). No fatigue-induced changes were observed in the maximal EMG activity, H-reflex, or V/Mmax-ratio. Discussion and conclusion. Since neural changes were not observed after the run, it seems that the fatigue was mainly caused by peripheral factors in all groups. Both the neuromuscular tests and the post-fatigue levels of metabolic by-products indicate that Children were not able to fatigue themselves to the same extent as Youth and Adults. On the other hand, it is generally known that children need less time to recover from maximal exercise. The degree of the speed deceleration in Children was comparable to that of Youth and Adults and it is likely that neuromuscular system recovered more in Children than Youth and Adults during the 6 min delay between the end of the run and the beginning of the neuromuscular tests.