Corticospinal adaptations to strength training

Abstract

Johdanto. Lihasvoimaharjoittelun aikaan saamat kortikospinaaliset adaptaatiot ovat harjoittelu spesifejä ja ovat yhteydessä maksimaalisen voimantuoton kasvuun. Kortikospinaalisten adaptaatioiden on havaittu tapahtuvan niin supraspinaalisella, että spinaalisella tasolla. Supraspinaalisia adaptaatioita on tutkittu paljon, mutta tutkimustulokset ovat ristiriitaisia. Spinaalisen tason motoneuroni altaaseen keskittyviä tutkimuksia on puolestaan niukasti. Lisäksi vain muutama tutkimus on keskittynyt tutkimaan harjoittelun jälkeisiä muutoksia harjoittelemattomuusjakson aikana. Tämän takia tutkimuksen ensisijaisena tavoitteena oli tutkia lihasvoimaharjoittelun aikaan saamia sekä harjoittelemattomuusjakson jälkeisiä kortikospinaalisia adaptaatioita. Tarkennettuna tavoitteena oli selvittää kortikospinaalisen radan supraspinaalisen ja spinaalisen tason muutoksia, sekä arvioida kummalla tasolla tapahtuu merkittävämpiä muutoksia voimaharjoittelun ja harjoittelemattomuusjakson seurauksena. Menetelmät. Tutkimuksen populaatio koostui yhdestätoista vapaaehtoisesta tutkittavasta. Kaikki tutkittavat toteuttivat seitsemän viikon lihasvoimaharjoittelujakson ja viiden viikon harjoittelemattomuusjakson. Kortikospinaalisten adaptaatioiden tutkimiseen käytetyt menetelmät sisälsivät rectus femoris lihaksen transkraniaalisen magneettistimulaation (TMS), lannerangan sähköstimulaation (LS) ja maksimaalisen M-aallon (M-max). Lisäksi voiman kehitystä mitattiin oikean polven isometrisellä maksimaalisella tahdonalaisella supistuksella (MVC) ja polvien ojennuksien yhden toiston maksimitestillä (1RM). TMS:ta ja lannerangan sähköistä stimulaatiota käytettiin herätys potentiaalien aikaan saamiseen. Herätys potentiaalit analysoitiin laskemalla huipusta huippuun amplitudit, normalisoimalla herätys potentiaalit M-max amplitudiin ja keskiarvoistamalla kymmenen yksittäisen herätys potentiaalin amplitudit. Mittauspisteet olivat ennen harjoittelua, heti harjoittelujakson jälkeen ja harjoittelemattomuusjakson jälkeen. Tulokset. Tutkimuksessa havaittiin seitsemän viikon voimaharjoittelujakson jälkeen tilastollisesti merkittävä voiman kasvu (14%, 19kg ± 5kg), polvien ojennuksen yhden toiston maksimitestissä (F = 51,113, p < 0.05). Lisäksi harjoittelun jälkeen havaittiin merkittävä kasvu (60%) spinaalisella tasolla herätys potentiaalien amplitudeissa (F = 11,073, p < 0.05). Yhden toiston maksimitesti osoitti myös merkittävää laskua (4%, 5kg ± 1kg) kohti lähtötasoa harjoittelemattomuusjakson jälkeen (p<0.05). Missään muissa parametrissa ei havaittu tilastollisesti merkitseviä eroja. Johtopäätös. Johtopäätöksenä seitsemän viikon voimaharjoittelujakso lisäsi polvien ojennuksen yhden toiston maksimikuormaa, jonka selittävänä tekijänä voi olla spinaalisen tason adaptaatiota. Tarkennettuna, spinaalisen tason adaptaatiot voivat johtua spinaalisten refleksien ja motoneuronialtaan herkkyyden kasvusta. Lisäksi havaittiin, että viiden viikon harjoittelemattomuusjakso on riittävä vähentämään polvien ojennuksen yhden toiston maksimikuormaa kohti lähtötasoa. Tämä on ensimmäinen tutkimus, joka on löytänyt lihasvoimaharjoittelun aiheuttavan merkittävän kasvun lannerangan herätyspotentiaaleissa.

Introduction. The corticospinal adaptations to resistance training are based on use-dependent plasticity, which are rapid and are associated with increase in maximal force production and strength development. In addition, these changes happen without detectable changes in hypertrophy. The corticospinal adaptations to strength training have been found to happen in the supraspinal and spinal level. However, there are still conflicting results on the corticospinal adaptations. In addition, there are only limited number of studies that have investigated the corticospinal adaptations at the level of spinal motor neuron pool and the adaptations to detraining. As such the primary aim of the study was to investigate the corticospinal adaptations to strength training and detraining and to evaluate, whether the supraspinal or spinal level adaptations are more prominent. Methods. The study consisted of eleven volunteer participants, who completed a seven-week strength training and five-week detraining period. The methods used to study corticospinal adaptations included transcranial magnetic stimulation (TMS), electrical stimulation of the lumbar spine (LS), and maximal M-wave (M-max) of the rectus femoris muscle. Additionally, strength development was measured by isometric maximal voluntary contraction (MVC) of the right knee and one-repetition maximum (1RM) of the bilateral knee extension. The TMS and electrical stimulation of the LS were used to induce evoked potentials. The evoked potentials peak-to-peak amplitudes were analyzed, normalized to the amplitude of the M-max, and averaged across ten single stimuli. Measurement time points were before training, immediately at post-training, and after detraining. Results. The study found a significant increment in strength as in one-repetition maximum of bilateral knee extension of 14% (19kg ± 5kg) (F = 51.113, p<0.05) and a significant increment in the evoked potentials at the spinal level of 60% (F = 11.073, p<0.05) after 7-week strength training. The one-repetition maximum also showed a significant decrease toward back to baseline after detraining period of -4%, 5kg ± 1kg (p<0.05). No significant differences were found in any of the other parameters. Conclusion. In conclusion, seven-week strength training induced an increase in the 1RM of the bilateral knee extension, which could be due to the increment in the evoked potentials at the spinal level. More specifically, the spinal level adaptations could be due to an increase in spinal reflexes and or motor neuron pool excitability. The study also found that five-week detraining period is sufficient to decrease the one-repetition maximum towards back to baseline. This study is to my knowledge the first study that has found a corticospinal adaptation at the spinal level in the form of increased LEPs, after strength training.