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Experimento: Contracción Muscular y Fatiga

Imagina que estás en el gimnasio, levantando pesas como loco. Te sientes fuerte, y decides probar con una de 15 kg. 1, 2, 3... Uff... ¿por qué está costando tanto? En este experimento vamos a indagar un poco más en la fisiología muscular, y descubriremos por qué los músculos se cansan.

Tiempo 30 Minutos
Dificultad Intermedio

¿Qué vas a aprender?

Vas a usar el SpikerBox EMG para registrar la actividad de tu bíceps, o los músculos de tu antebrazo, mientras realizas contracciones musculares isométricas hasta fatigar el músculo. Vas a medir la amplitud del EMG durante las contracciones, para aprender sobre los cambios que ocurren en las células musculares y las señales neuronales durante la fatiga.

Prácticos Requeridos

  • SpikerBox EMG - Debieras leer el experimento de Introducción a las EMG para entender qué son las unidades motoras.
  • Oxígeno y Spikes - Debieras leer el experimento de Oxígeno y Spikes para aprender un poco de metabolismo y bioquímica básica.


Antecedentes

El sistema muscular es el sistema más grande de nuestro cuerpo (40%-50% de nuestro peso). Este sistema incluye al corazón, que es esencialmente una bomba hecha de músculo cardiaco especializado, y la musculatura lisa visceral, que permite el movimiento de la comida.

Pero para realizar acciones voluntarias, como tomar un cautín o patear una pelota de fútbol, ¡usamos los músculos esqueléticos! Los músculos esqueléticos te permiten hacer todos los maravillosos movimientos que realizas día a día. Tus músculos se contraen y permiten el movimiento deslizando fibras microscópicas de actina y miosina entre sí, con la ayuda de un elenco que incluye otras proteínas (troponina y tropomiosina), iones (Na+, K+, Ca2+), portadores de energía (ATP), y circulación sanguínea que lleva O2 y saca CO2.

Cada uno de tus músculos se subdivide en grupos funcionales de fibras motoras, conocidas como unidades motoras (revisa nuestro experimento de Introducción a los EMG). Una unidad motora está compuesta por una neurona motora y todas las fibras musculares que inerva. Para poder lograr grandes objetivos, como levantar un gran peso, las unidades motoras se juntan en forma sistemática para lograr la fuerza necesaria. Este trabajo en equipo de las unidades motoras se conoce en el mundo científico como Reclutamiento, en donde las unidades motoras con el menor número de fibras musculares se contraen primero, seguidas de la contracción de las unidades motoras con el mayor número de fibras, lo que permite una contracción muscular fuerte y fluida.

Además, una unidad motora puede ser reclutada para reemplazar a una unidad motora activa que está experimentando fatiga.

Pero... ¿y cómo se relaciona todo esto con el cansancio de tus músculos?

Fatiga Muscular

Cuando una célula muscular dispara un potencial de acción por orden de una neurona motora, se genera una liberación de calcio dentro de la fibra muscular, desde el retículo sarcoplasmático. El Ca2+ fluye hacia el lugar donde se encuentran la actina y la miosina (el sarcómero), iniciando una reacción celular muy compleja con el ATP, que hace que la miosina se ancle y tire de la actina. Este movimiento es conocido como "modelo de deslizamiento de filamentos" y tiene 4 etapas.

Mientras exista calcio y ATP disponibles, la actina y la miosina continuarán deslizándose, y estas contracciones pequeñas seguirán ocurriendo. Cabe destacar que el calcio es rápidamente transportado de vuelta al retículo sarcoplasmático, y el proceso debe ser iniciado nuevamente con el músculo disparando un potencial de acción que genere otra contracción pequeña. La suma de muchos de estos eventos entre la actina y la miosina es lo que produce esa pequeña contracción. Cuando muchas de estas pequeñas contracciones ocurren seguidas una de la otra, se genera una contracción completa. El suministro de ATP en el músculo es continuo, gracias a la degradación de la glucosa (revisa nuestro "Experimento con el Oxígeno" para ver la explicación de este metabolismo. Si no hay glucosa disponible, se pueden descomponer ácidos grasos para obtener piruvato y mantener el ciclo de Krebs y el proceso de fosforilación oxidativa funcionando. Mientras exista oxígeno, y éste pueda ser transportado a la célula muscular, se puede producir ATP a través de la fosforilación oxidativa a una tasa muy rápida. Esto se conoce como contracción aeróbica, o sea, que usa oxígeno.

Ya, está bien, pero de nuevo, ¿cómo se relaciona esto con el cansancio de los músculos?

La fatiga muscular ocurre cuando el músculo ve reducida su habilidad para generar fuerza y lograr el movimiento deseado. Los factores que explican este fenómeno son muy complejos; han pasado más de 100 años de investigación y el tema sigue siendo blanco de investigación.

Por ejemplo, la fatiga a corto plazo (la imposibilidad de levantar una pesa, hacer más flexiones de brazo, etc.) es diferente a la fatiga a plazo (una maratón, 160 km de bicicleta, o un trekking por todo el día).

Si bien hay mucho que aún desconocemos, sí entendemos algunas de las razones por qué los músculos se fatigan durante un ejercicio de alta intensidad, principalmente que la demanda de oxígeno es mayor que el suministro. El flujo sanguíneo hacia los músculos se puede ver reducido por 1) la contracción intensa de éstos puede disminuir el flujo sanguíneo y por lo tanto la disponibilidad de oxígeno, o 2) el trabajo que hace el músculo es tan intenso que simplemente no hay suficiente oxígeno para suplir la demanda (por ejemplo, en una carrera a la máxima velocidad).

Si no hay O2 disponible como aceptor de electrones, el ciclo de Krebs y la cadena transportadora de electrones dejan de funcionar, y el músculo se ve obligado a obtener ATP de otras fuentes. Por ejemplo, en el caso de actividades rápidas y muy intensas, la fosfocreatinina (sintetizada a partir de aminoácidos) puede entregar un grupo fosfato para que se pueda formar ATP. Esto se conoce como contracción anaeróbica, o sea, que no usa oxígeno.

A pesar de su utilidad, la contracción anaeróbica puede llevar a la acumulación de metabolitos y productos de desecho, y a un aumento significativo de la acidez (disminución del pH) dentro de la célula muscular, lo que puede interferir con muchas de las reacciones bioquímicas necesarias para que las fibras de actina y miosina generen tracción y puedan deslizarse entre sí. Se piensa que ese "ardor" que sientes en los músculos cuando te fatigas (como al hacer un gallito, o en las últimas repeticiones de un levantamiento de pesas muy exigente) está asociado a ese cambio químico dentro de la célula.

Podemos observar, en forma indirecta, los efectos de este proceso de fatiga, examinando la amplitud de la señal EMG durante la contracción muscular. A medida que la fatiga progresa, 1) baja la tasa de disparo de las neuronas motoras, lo que hace que disminuya el número de potenciales de acción que los músculos pueden disparar, lo que lleva a una reducción en la fuerza, y 2) a veces los músculos pueden seguir generando potenciales de acción debido a la estimulación nerviosa, pero el músculo no se puede contraer debido a eventos de fatiga a nivel molecular en las fibras musculares, lo que lleva a una reducción en la fuerza.

Video

Experimento

[Nota: en rigor, para este experimento puedes usar el músculo que quieras, siempre y cuando encuentres la forma de producir fatiga en ese músculo en forma controlada. Si necesitas cables para el electrodo EMG más largos, cuéntanos si quieres de un largo específico, o puedes hacerlos tú mismo modificando cables RCA, que puedes encontrar en RadioShack; ¡hasta 15 metros de largo!]

Ejercicio Isométrico del Bíceps

  1. Colócate los electrodos EMG de parche en el bíceps, conecta los electrodoas a tu SpikerBox EMG, y conecta el SpikerBox a un Smartphone o un computador.
  2. Elije una mancuerna que sea alrededor del 60% del peso máximo que puedas levantar. Dependiendo de tu fuerza, va a estar entre 5 a 12 kg, aproximadamente. Con la espalda pegada a una pared (para controlar tu postura y la posición del brazo) sostén la mancuerna lo más que puedas, con el codo en un ángulo de 90º. Esto es lo que se conoce como "contracción isométrica" ya que los músculos están trabajando pero las articulaciones no se mueven. [Nota: quizás te pase que tu muñeca se cansa antes que tu bíceps. Para que esto no sea un problema, puedes colgar un peso de tu muñeca en lugar de sostener una mancuerna en tu mano (ver video anterior.]
  3. Registra tu EMG durante esta actividad. Disminuye la ganancia (volumen) del SpikerBox EMG para que la señal no sature la grabación (la saturación se ve algo así):

  4. Observa la amplitud (altura) y tasa de disparo (número de impulsos) en el EMG. ¿Qué sucede a medida que pasa el tiempo? La señal completa debiera verse algo así:

Ejercicio con un Hand Grip
  1. Conecta los electrodos de parche a la cara interna de tu antebrazo, y conecta los cables y el SpikerBox igual que antes.
  2. Toma un dinamómetro de mano o un hand grip (debiera estar en un rango de 25-45 kg) y aprieta lo más fuerte que puedas, por el mayor tiempo posible.
  3. Registra tu EMG durante esta actividad, e igual que antes, observa la amplitud y la tasa de disparo.

Preguntas/Trabajo a Futuro

  1. Si vas a hacer un trekking a tu parque favorito (como el Wonderland Trail o Torres del Paine), te puedes dar cuenta que, incluso si no tienes muy buena condición física, puedes caminar por 6-10 horas seguidas. Sin embargo, si trataras de levantar pesas de 45 kg en sucesión, te cansarías rápidamente, en cosa de minutos. ¿Qué hace que la escala temporal de fatiga sea tan distinta para estas dos actividades?
  2. Haz el experimento los dos experimentos con ambos brazos y en ambas manos, y ve si puedes observar diferencias. Como debes saber, todos tenemos una mano/brazo dominante y una no-dominante (zurdos vs diestros). ¿Cuál mano/brazo es más fuerte? ¿Puedes ver diferencias?
  3. ¿Cómo puede ser que dos músculos de tamaño similar tengan propiedades de fatiga tan distintas? No lo mencionamos en este experimento, pero puedes leer más para aprender acerca de las fibras musculares lentas y rápidas.
  4. ¿Existen músculos particularmente resistentes a la fatiga? ¿Se te ocurre algún ejemplo?
  5. Ejercita tu bíceps en el gimnasio por un mes completo. Mide tu tiempo de fatiga y los cambios en el EMG antes y después de este periodo de entrenamiento, usando el mismo peso.