Organ för Centrum för Idrottsforskning Nummer Årgång 10

Transkript

1 Tema styrketräning SVENSK Organ för Centrum för Idrottsforskning Nummer Årgång 10

2 Förhandsinformation om forskningskonferens Skolans idrottsundervisning och barns hälsa Centrum för idrottsforskning kommer att genomföra sin årliga konferens juni 2002 på Idrottshögskolan i Stockholm Temat blir Skolans idrottsundervisning och barns hälsa Idrottsämnets utveckling från linggymnastik till idrott och hälsa Vad innehåller ämnet idag? Viktiga trender Hur fysiskt aktiva är barn och ungdomar i skola och på fritid? Barns och ungdomars fysiska kapacitet, motoriska förmåga, fysiska utveckling och hälsotillstånd Positiva/negativa effekter av idrottsträning Idrott och motion som livsstil och fritidskultur Villkor för idrott och motion i dagens samhälle Idrott och hälsoarbete Det nyligen avslutade Skolidrottsprojektet med ungdomar från hela landet kommer att presenteras. Andra projekt och utvärderingar inom skolidrotten redovisas. Debatt med bl.a. skolminister, gymnastiklärarförbundet, forskare, m.fl. Sociala aktiviteter i sommarfager Storstad Boka in dagarna redan nu. Mer information kommer senare. Har Du projekt som passar in så kontakta någon av undertecknade. Artur Forsberg Lars-Magnus Engström Björn Ekblom

3 Ansvarig utgivare Ingemar Ericson Chefredaktör Artur Forsberg Redaktionsråd Eva Olofsson Ingemar Ericsson Alf Thorstensson Adress Centrum för Idrottsforskning, Box 5626, Stockholm tel , fax Prenumeration Helår med fyra nummer kostar 100 kr. Insättes på postgiro Mottagare Karolinska Institutet. Ange på talongen kst 818, proj 8150, konto Omslagsbild Foto: Bildbyrån, Hässleholm Produktion Grafiska Huset i Stockholm AB Innehåll Nr Årgång Inledning i styrketräning... Alf Thorstensson Styrketräning med eller utan doping... Lars-Eric Thornell m fl Styrketräning i rymden... Per Tesch Explosiv styrketräning. Dietmar Schmidt-Bleicher Eccentrisk styrketräning... Per Aagaard Styrketräning inom elitidtrott. Anders Eriksson Styrketräning för äldre. Jan Lexell Stärker styrketräning skelettet? Ulrika Pettersson Rygg-, buk- och höftmuskulatur... Eva Andersson Proteinbehovet vid styrketräning... Torbjörn Åkerfeldt Vem behöver kreatin? Karin Söderlund Användning av näringstillskott och mediciner... Bo Berglund Excenrisk vadmuskelträning... Håkan Alfredsson Styrketräning vid rehabilitering. Jesper Augustsson m fl Styrka, spänst och elasticitet i muskler och senor. Ulla Svantesson Motorisk kontroll... Roland Thomeé Träning av styrka... Sammanfattande synpunkter. Göteborgsgruppen Hur rehabiliters senskador?... Karin Grävare Silbernagel m fl Myostatin en hämmande faktor... Michael Svensson och Bertil Sjödin Hälsoaspekter på styrketräning. Eva Jansson LEDARE NR Från källare till finrum Styrketräning är inne! Spegelsalar, blanka apparater och tuffa kläder. Annat var det förr! På 60-talet tränade vi i mörka, illaluktande och smutsiga källarlokaler. Redskapen var begränsade till bänk, stång och vikter. I dåtidens välutrustade lokaler kunde man även hitta hantlar, Arne Tammers fjädrar och möjligen någon bänk för sit-ups. Det var sällan någon trängsel. När dom stora pojkarna bollat färdigt med vikterna kunde vi tunnisar komma fram. Klar rangordning. Trots att det kunde vara imponerande att se på när de stora vikterna åkte upp i luften, väntade man gärna utanför. Allt för att slippa den instängda lukten av svett, liniment och talk. Även lite senare i början på 70-talet då jag började på GIH i Stockholm var det likadant. En liten källarlokal utan fönster och nästan inga redskap. Från studentkåren gick vi in till rektor Högberg med begäran om bättre lokaler och fler redskap. Det kom! Men det satt hårt åt. Varför bara stödja pojkarna? För flickorna var styrkelokalen ett okänt utrymme. Idag 30 år senare ser det annorlunda ut. Man har lämnat källaren. Hotell och konferensanläggningar visar stolt upp stora, ljusa och luftiga lokaler. Genom väldiga fönster kan man titta ut på grönskan. Stimulerande och medryckande musik inspirerar i träningen. En mängd olika redskap och maskiner för olika kategorier och muskelgrupper fyller lokalen. Kunniga och prydligt klädda instruktörer hjälper till. Styrketräning har blivit rumsrent och flyttat in i finrummet. Antalet som styrketränar har ökat ofantligt. Kroppsidealet går mot att man skall se frisk och vältränad ut. Detta gäller både män och kvinnor. Styrketräning har kommit att kopplas ihop med hälsa och livsstil. Det är inte bara konditionsträning som gäller för att uppnå god hälsa. Läs mer om detta i artikeln av Eva Jansson. Hon för där fram styrketräning och dess betydelse för hälsan. I en rad vetenskapliga studier pekar hon på de hälsovinster som finns att uppnå med styrketräning bl.a. ökad bentäthet, förbättrad ryggfunktion, förbättrad balans. Men även cirkulatoriska vinster finns beskrivna. Betydelsefulla är också de erfarenheter forskarna fått från studier av muskelns anpassning till inaktivitet såväl vid rymdfärder i tyngdlöshet som vid immobilisering i samband med ingipsning eller ett stillasittande liv. Läs de intressanta data som Per Tesch redovisar från sina rymdstudier. Sverige har varit ett föregångsland vad gäller styrketräning. Under tidigt 1800-tal utvecklade Ling sina läror. Han arbetade med isolerade muskelgrupper och statiska ställningar. Syftet var en stark kropp och en sund skäl. Men han använde också styrketräningen som sjukgymnastisk metod och utformade en rad övningar till ett förslappat folk. Under senare år har idrottsforskare kunnat visa på de positiva effekter som uppnås vid styrketräning. Samarbete med redskapstillverkare har inneburit en rad nya redskap. Ett fruktbärande samarbete mellan sjukgymnaster, läkare och terapeuter har givit väsentliga kunskaper och nya träningsprogram. Inom den medicinska rehabiliteringen har styrketräning alltmer kommit till användning. I samband med läkningen av olika benbrott ordineras numera individuellt anpassade styrketräningsprogram till patienterna. Vi ser här bra exempel på hur idrottsmedicinsk forskning och utveckling kan bidraga till bättre rehabiliteringsmetoder, som även kommer vanliga patienter, övrig sjukvård och samhälle till godo. Detta nummer av tidningen är en bred kavalkad av svensk idrottsforskning. Här redovisar de forskare som var med och föreläste på CIFs konferens på Bosön i april 2001 sina resultat. Det har blivit ett imponerande nummer av denna tidning. Det mest omfattande numret i tidningens 10-åriga historia. Starkt jobbat av föreläsargruppen. Ett stort tack! Med hopp om givande läsning och åtskilliga tränings- och behandlingstips. Artur Forsberg Chefredaktör. 3

4 Inledning i styrketräning utgångspunkter och utvecklingslinjer Styrketräning bygger på en stabil grund huvudsakligen vilande på beprövad erfarenhet. Efterhand har alltfler vetenskapligt baserade byggstenar kunnat läggas. Förutom att förklara resultat uppnådda med befintliga träningsmodeller bör vetenskapliga rön utnyttjas för att konstruera nya och mer ändamålsenliga sådana. Syftet med denna artikel är att erinra om en del basala biomekaniska och neuromuskulära utgångspunkter för träning och mätning av styrka samt peka på några aktuella utvecklingslinjer vad gäller forskning med relevans för styrketräning. Alf Thorstensson Den senaste tioårsperioden har präglats av en ökad insikt om värdet av styrketräning inte bara för idrotten utan även inom åldringsvård, rehabilitering och skadeprevention. Detta har också stimulerat till mer forskning inom området. Fortfarande är dock de riktigt vederhäftiga träningsstudierna få, mycket beroende på svårigheten att genomföra bra träningsstudier, med god kontroll över samtliga variabler och försökspersoner (10). Styrketräning, liksom all övrig träning, bygger på kroppens förmåga att anpassa sig till ökad belastning. Träningsbarheten i styrkeavseende har visat sig vara stor oavsett faktorer som ålder och kön, men naturligtvis finns begränsningar satta av ärftliga anlag, utgångsläget vid träningens början, etc. Det är väl känt att en i stort sett identisk träning kan leda till stora skillnader i resultat mellan individer med till synes likartade förutsättningar. Att identifiera de individuella faktorer som avgör träningsbarhet är fortfarande en stor utmaning för forskarna. Här kan sannolikt studier av regleringen av proteinsyntesen i muskelcellerna på sikt innebära ett genombrott (2). Redan nu kan man dock slå fast att träningsbelastningens storlek, träning- ens utformning och förväntningarna på träningsresultat måste anpassas till den träningsstatus och prestationsförmåga som personen i fråga har då träningen inleds. I det närmast följande kommer några grundläggande styrketräningsprinciper att beskrivas med vissa vidhängande kommentarer som antyder kunskapsläget, därefter beskrivs på motsvarande sätt vägar att karaktärisera och utvärdera styrkeutveckling, träningsutformning och träningseffekter. Överbelastning För att en anpassning till styrketräning skall ske krävs en belastning som överstiger den som man normalt utsätts för i sitt dagliga liv. För att dosera träningsbelastningen behöver man i regel veta vad man maximalt klarar av i den aktuella övningen. Oftast uttrycker man detta som 1 RM (one repetition maximum) dvs den belastning man kan klara av en enda gång. En annan vanlig benämning på maximal styrka är MVC (maximal voluntary contraction). MVC skulle, utan vidare specificering, kunna betyda maximal viljemässig styrka i vilken situation som helst, men i de allra flesta fall har MVC kommit att 4

5 Foto: Peter Jigerström 5

6 innebära maximal viljemässig isometrisk (statisk) styrka, dvs styrkan i en given kroppsposition. Kravet på att få fram en sann maximal styrkeutveckling kan ibland vara svårt att uppfylla beroende på, till exempel, ovana hos försökspersonen eller smärta, eller rädsla för smärta, hos patienten. Praktiskt kan man försöka komma runt detta genom att ge möjlighet till ordentligt tillvänjning och övning samt verbal uppmuntran under själva mätningen. Ett objektivt sätt att försöka komma åt problemet med maximalitet är att på den förmodat maximala viljemässiga kontraktionen lägga en kortvarig elektrisk stimulering, s.k. twitch interpolation. Orsakar denna en ökning av styrkan vet man att personen inte aktiverade muskeln fullt ut. Problem med denna teknik kan uppstå t.ex. när det handlar om stora muskler som är svåra att helt och hållet aktivera med elektrisk stimulering eller genom att stimuleringen även kan sprida sig över till antagonistiskt verkande muskler. Vidare tycks ofta en marginal till full aktivering föreligga även i normalfallet, trots att man tar i allt man kan. En minskning i kraftökning (twitch) med elektrisk stimulering ses ofta efter styrketräning, vilket tolkas som att träningen påverkat neuronala mekanismer så att man viljemässigt förmår aktivera muskeln mer. När väl den maximala viljemässiga styrkan etablerats på ett nöjaktigt sätt, kan träningsbelastningen vid styrketräningen sättas i relation till denna. Värden på 50-60% av den maximala styrkan brukar anges som ett minimum för att man över huvud taget skall få en styrketräningseffekt. Den relativa belastningen uttrycks då som % av 1 RM eller % av MVC, alternativt som hur många gånger man högst kan upprepa en övning med en viss belastning, till exempel 6 RM, vilket betyder att belastningen valts så att övningen kan utföras 6 gånger i följd, inte fler. Den relativa belastningen brukar ofta anges som träningens intensitet. 6 Upprepning All träning kräver upprepning för att ha någon verkan. Exakt hur den optimala fördelningen av arbete och vila skall vara för varje typ av träning och för olika individer är fortfarande förhållandevis outforskat. Aktuella metoder är relativt stereotypa och bygger i stort sett helt på beprövad erfarenhet och anammas och extrapoleras många gånger kanske väl okritiskt. Systematiken bygger på att övningen repeteras ett visst antal på varandra följande gånger (repetitioner, reps) i ett s.k. set, därefter följer ett uppehåll och sedan upprepas flera sådana set. Antalet repetitioner/set och set/träningspass beror på träningens intensitet, karaktär och syfte, men saknar än idag i de flesta fall en god objektiv bas. Det gäller även längden på uppehållen mellan repetitioner, set och träningspass. Huvudanledningen är nog att studier där man systematiskt varierar dessa variabler i tillräckligt stora grupper blir för omfattande att genomföra. I det enskilda fallet drar man sig kanske för att avvika från normen. En vanlig styrketräningsmodell kan vara 3 set med 6RM (motsvarande ca 75 % av 1RM), 3-5 min vila mellan seten, 3 gånger i veckan. Genom att multiplicera dessa värden får man volymen i träningen (här ca 4 ton/vecka om 1RM antas vara 100 kg). Progressivitet Kroppen anpassar sig efterhand till den belastning som den utsätts för. Det vill säga att för att få en successiv och kontinuerlig förbättring måste träningsbelastningen progressivt ökas efterhand som träningen fortskrider. För att på ett systematiskt sätt kunna variera träningsintensiteten måste nya värden på den maximala förmågan titreras fram allt eftersom prestationsförmågan ökar. Även när det gäller hur progressiviteten bäst skall åstadkommas råder olika uppfattningar. Sannolikt finns det ett individuellt optimum i periodiseringen av ökningar, och eventuellt tidvisa minskningar, i träningsintensitet/volym som även är avhängigt av typ av träning. Specificitet Att träningssvaret vid all typ av träning bär någon form av specificitet är de flesta överens om. Talesättet att man blir bra i det man tränar är en grundläggande sanning som nog har fog för sig. Å andra sidan kan säkert graden av specificitet variera i de enskilda fallen. Specificiteten kan kopplas till många olika träningsvariabler såsom intensitet, rörelsemönster, muskelaktiveringsmönster, muskelaktionstyp, rörelsehastighet, rörelseomfång, etc. Mycket av specificiteten i träningsvaret söker man förklara genom att olika muskler samt olika typer av motoriska enheter, och därmed muskelfibrer, i en given muskel antas vara aktiverade mer eller mindre selektivt beroende på ovan nämnda variabler. I väl kontrollerade försök med successivt stegrad isometrisk kraftutveckling är det väl etablerat att låga krafter produceras via rekrytering av lågtröskliga Typ I motoriska enheter med muskelfibrer som har långsam och låg kraftutveckling. De högtröskliga snabba Typ II enheterna med stor kraft per enhet kommer in vid högre isometrisk kraftproduktion. Vid dynamiska förlopp är rekryteringen inte lika väl kartlagd, bl.a. på grund av tekniska svårigheter att mäta aktivitet i enskilda motoriska enheter, särskilt under snabba kraftfulla dynamiska kontraktioner. Oavsett om de rekryteras selektivt, eller före Typ I enheterna, kommer ändå Typ II enheterna att bli de mest betydelsefulla vid snabb kraftutveckling just på grund av sin förmåga att utveckla kraft snabbt (8). Det är också denna fibertyp som visat sig öka mest i tvärsnittsarea med tung styrketräning (Figur 1). Särskilt intresse har på senare år ägnats åt den eccentriska typen av muskelaktion. Resultaten från flera studier, dock inte alla, tyder på att träning med eccentriska aktioner kan leda till större styrketillväxt än träning med andra aktionstyper. När man utvärderar dessa resultat skall man ha i minnet att det är svårt att särskilja effekten av aktionstypen i sig från det faktum att belastningen under träningen skiljer sig, antingen i absoluta eller relativa tal, mellan aktionstyperna. Samma absoluta belastning ger en lägre relativ belastning i eccentrisk träning medan samma relativa belastning innebär en mycket större absolut belastning i denna träningstyp. Dessutom kompliceras bilden av att man i en maximal viljemässig eccentrisk aktion tycks ha svårt att åstadkomma en fullständig aktivering av muskulaturen. En viss relativ belastning ligger därför i verkligheten längre från muskelns maximala kraftutveckling än man tror. En stor del av träningseffekten tillskrivs följaktligen att verkan av de neuronala mekanismer som normalt hämmar aktiveringen bortfaller som en följd av träning (1). Det finns också indikationer, och spekulationer, om en selektiv aktivering av Typ II motoriska enheter under eccentriska muskelaktioner. Detta återstår dock att entydigt visa. En speciell typ av muskelaktion som är vanlig i praktiska sammanhang är en kombination av eccentriska och koncentriska aktioner, s.k. stretch-shortening cykler, dvs på en eccentrisk följer direkt en koncentrisk aktion (6). Man

7 Figur 1. Figuren visar en jämförelse av tvärsnittsarean hos snabba (FT) och långsamma (ST) muskelfibrer i vastus lateralis muskeln, uttryckt som en kvot FT/ST area ratio, för 14 personer före och efter 8 veckors tung styrketräning. Det faktum att flertalet punkter ligger ovanför identitetslinjen betyder att kvoten ökade med träning, dvs de snabba fibrerna var förhållandevis ännu större än de långsammas efter träningen (Thorstensson 1976) utför rörelsen med en viss eftergift och ökar därmed kraftproduktionen i den koncentriska fasen. Enligt specificitetsprincipen bör man alltså inkludera dylika aktioner i träningen. Olika former av hoppträning har därför blivit vanliga beståndsdelar i framför allt den specifika styrketräningen. Exakt vari kraftpotentieringen består är inte helt utrett. Som så ofta spelar säkert såväl neuronala som muskulära faktorer in. Nya försök där man med ultraljud kunnat följa de inre längdförändringarna hos individuella muskelfascikler under t. ex. olika typer av hopp, har visat att vid små och snabba vinkelrörelser i en led så sker längdförändringarna i huvudsak i senan. Kraftpotentieringen beror alltså mest av senans elastiska egenskaper medan muskeln i själva verket förblir i stort sett isometrisk. Neuronala muskulära strukturella aspekter Ett fynd värt att uppmärksamma i samband med diskussionen om specificitet och att träna det man vill bli bra i är att man i flera styrketräningsstudier funnit vad man benämner som cross-education, dvs att man genom att träna ena sidans muskler kan få förbättringar i styrka hos motsvarande muskler på den andra sidan. Detta fenomen är väl dokumenterat och har även nyligen visat sig vara specifikt vad gäller såväl muskelaktionstyp som rörelsehastighet (7). Cross-education är ett av de bästa bevisen, om än indirekt, för neuronala anpassningar till styrketräning. Ett annat är det ändrade aktiveringsmönster som konstaterats efter dynamisk styrketräning, i det att ökad förekomst av aktionspotentialer med korta mellanrum, s.k. doublets, kunnat iakttas och kopplas till ökad hastighet på kraftutvecklingen (12). Ett tredje resultat värt att notera, men också ta med en nypa salt tills det är reproducerat av andra, är den 20%-iga styrkeökning som rapporterats (13) för fingermuskulaturen efter mental träning (imagined muscle contractions) där försökspersonerna fick föreställa sig maximala isometriska kontraktioner fem gånger i veckan i fyra veckor. Annars är det generellt knepigt att kvantifiera förändringar i neuronal aktivering. Att bara mäta nivån på den elektromyografiska aktiviteten före och efter träning är behäftat med brister eftersom det är svårt att säkra identiska mätförhållanden. Styrkeförbättringar utan mätbara muskulära förändringar, särskilt inledningsvis under en träningsperiod, har därför tagits som bevis för att neuronala förändringar mäste ha ägt rum. Analysen av muskulära adaptationer har emellertid nu nått en grad av sofistikering som gör att förändringar kan detekteras redan tidigt i träningsprocessen. Således har man kunnat upptäcka ändringar i budbärarrna redan timmar efter ett intensivt styrketräningspass, medan ändringar till exempel i mängden av olika former av myosin detekteras först efter veckor (3). Över huvud taget har framsteg på det molekylärbiologiska området, framför allt när det gäller möjligheten att studera olika specifika modulatorer av proteinsyntesen, gjort att det finns hopp om att belysa frågor om träningsspecificitet på en mer mekanistisk nivå. Ett annat expanderande område med anknytning till styrketräning är forskningen kring muskelstruktur både på makro- och mikronivå, dvs muskelfibrernas pennation snedhet (5) och deras innehåll av och kvalitet på proteiner i cellskelettet, vilka svarar för stabilisering och kraftöverföring inom muskelcellen och till omgivande passiva strukturer. Prestation styrka kraft När man utvärderar styrka och prestationer i styrkesammanhang är det viktigt att hålla isär begreppen. En användbar modell kan vara att särskilja styrkeprestation, muskelstyrka och muskelkraft. Maximal styrkeprestation: Största möjliga prestation vid ett enstaka kortvarigt tillfälle. Exempel på detta är hopp och lyft. I regel innebär det att flera leder och muskelgrupper är engagerade. I rehabiliteringssammanhang skulle det närmast motsvara begreppet closed chain övningar. (Med styrkeprestationsbegreppet undviker man Figur 2. Figuren åskådliggör på ett schematiskt sätt teknikens betydelse för styrkeprestationen. Samma prestation utförd med olika teknik kan medföra helt olika styrkeutveckling (kraftmoment) kring olika leder på grund av skillnader i den externa belastningens hävarmslängd (Thorstensson 1996). 7

8 Foto: Leif Carlson dock problemet att behöva definiera exakt vad den något abstrakta termen closed chain egentligen betyder.) Karaktären på en styrkeprestation blir definitionsmässigt sådan att man inte får ett mått på en enskild muskels eller muskelgrupps styrka. Det kan till och med vara så att ingen muskelgrupp belastas maximalt i en maximal styrkeprestation. Prestationen blir kritiskt beroende av tekniken i utförandet och 8 en skillnad i styrkeprestation kan bero enbart på en skillnad i utförande (Figur 2). Detta är väsentligt att beakta när man använder styrkeprestationen för att utvärdera skillnader mellan individer och effekter av träning. Bortser man från tekniken kan en förbättring i styrkeprestation helt bero på ett ändrat rörelseutförande utan att styrkan i sig förändrats alls. Mätning av styrkeprestationer görs t.ex. genom att mäta hopphöjd, kraftspel mot redskap eller maskiner, eller helt enkelt genom att titrera fram 1RM. Mer sofistikerade utrustningar finns numera på marknaden, som, exempelvis vid hopp, kan mäta förflyttningen direkt eller indirekt, och därmed beräkna exempelvis utvecklad effekt (power). (Effekten är lika med mekaniskt arbete per tidsenhet, vilket också kan uttryckas i termer av kraft

9 gånger hastighet beräkningen kan alltså ske genom att man registrerar vertikal förflyttningen och eller tid i luften och räknar fram ändringen i lägesenergi per tidsenhet eller att man mäter hastigheten, den vertikala förflyttningen per tidsenhet i båda fallen förutsätts att man vet massan och därmed tyngdkraften på kroppen/ föremålet som förflyttas.) Maximal muskelstyrka: Största möjliga kraftmoment som kan presteras kring en led i en given situation. Kraftmoment är lika med kraft gånger hävarm; hävarm = det vinkelräta avståndet mellan rotationscentrum och kraftens verkningslinje. Enheten för muskelstyrka blir därför alltid Nm (Newtonmeter). Till skillnad från i fallet styrkeprestation går man här in och analyserar/mäter styrkan kring en enskild led (jämför sjukgymnastikens open chain ). Observera att det man får ut är nettostyrkan, dvs resultatet av aktivering av flera olika muskler med olika mekaniska förutsättningar (muskellängd, längd på hävarm) och kanske även olika aktiveringsgrad. Dessutom tillkommer eventuell verkan av antagonistmuskulatur som kan producera ett motverkande moment vilket kan variera på motsvarande sätt som agonistmomentet. Strukturer på motsatt sida om rörelseaxeln genom leden kan också ge upphov till motverkande passiva kraftmoment genom begränsad töjbarhet. Mätning av maximal muskelstyrka sker oftast i dynamometrar av olika slag. Den vanligaste metoden utnyttjar s.k. isokinetik. Tekniken går ut på att maskinen ser till att hastigheten blir konstant genom att hela tiden anpassa motståndet. Detta gör att man i en enstaka mätning kan få en bild av styrkevariation över en stor del av rörelseomfånget samt dessutom göra jämförelser av styrkan vid olika hastigheter. Utvecklingen har gått mot ett etablerande av maskiner med möjlighet att mäta isokinetisk styrka även eccentriskt. Maskinen driver då den hävarm varpå styrka appliceras med en hastighet som blir konstant oavsett med hur stor styrka man försöker att bromsa dess rörelse. En vanlig invändning är att hastigheten vid isokinetisk styrkemätning är för låg i förhållande till vad som förekommer i verkligheten. Detta gäller förvisso den högsta vinkelhastighet som kan kontrolleras (maximal rörelsehastighet är ungefär 3-4 gånger så stor i exempelvis knäextension), men man måste komma ihåg att rörelser i regel startar från hastigheten noll och att därför den isokinetiska hastigheten i många fall relativt väl kan sägas representera rörelsens medelhastighet. Maximal muskelkraft: Största möjliga kraft som en muskel kan prestera vid maximal aktivering i en given situation. En muskels kraftproducerande förmåga varierar med en lång rad olika faktorer (9). Mekaniskt avgör faktorer som muskelns längd i situationen ifråga, huruvida den utvecklar kraft under förkortning (koncentriskt), förlängning (eccentriskt) eller vid konstant längd (isometriskt), hur snabbt muskeln kan utveckla kraft (kraftökningshastighetens storlek) dvs hur stor kraft som hinner utvecklas på den tid, ofta kort, som står till förfogande. I upphopp och sprintsteg rör det sig exempelvis om tiondelar av en sekund. Fysiologiskt avgörs kraftutvecklingen, som diskuterats ovan, av både neuronala och muskulära faktorer (11). Neuronalt blir det helt avgörande hur stor aktivering och vilken typ av aktivering (vilka motoriska enheter som aktiveras, med vilken frekvens och mönster) som når muskeln via de motoriska nerverna från ryggmärgen. Muskulärt spelar muskelmorfologin en avgörande roll såväl kvantitativt (antal muskelfibrer och deras tvärsnittsarea) som kvalitativt (typ av muskelfibrer, aktiva och passiva elastiska egenskaper, geometriskt arrangemang av fibrerna, etc). Att kunna mäta muskelkraft från enstaka muskler (helst från individuella muskelfibrer) är fortfarande en utmaning. Oftast beräknas muskelkraften utifrån en mätning av styrkan (kraftmomentet dividerat med hävarmen). Direkta mätningar på människa kan numera göras, om än inte rutinmässigt, med optisk fiberteknik, vilken medför betydligt mindre komplikationer än den tidigare tekniken med trådtöjningsgivare (4). Mätningen sker i senan, hittills främst från häl- och patellarsena, vilket gör att man inte kommer åt kraften från enskilda muskler. Dessutom tillkommer andra problem såsom att senan inte är homogen, samt svårigheter att kalibrera systemet på plats. Tekniken representerar ändå the state of the art när det gäller muskelkraftmätning in situ. Denna kortfattade framställning var ägnad att tjäna som en inledning till styrketräning i allmänhet och till Centrum för Idrottsforsknings konferens om styrketräning på Bosön i april 2001, dokumenterad i detta nummer av Svensk Idrottsforskning (nr 3, 2001), i synnerhet. Referenser 1. Aagaard, P, Simonsen EB, Andersen, JL, Magnusson, P, Halkjaer-Kristensen, J, and Dyhre-Poulsen P. Neural inhibition during maximal eccentric and concentric quadriceps contraction: Effects of resistance training. Journal of Applied Physiology 89: , Andersen, JL, Schjerling, P, and B. Saltin. Muscle, genes and athletic performance. Scientific American Sept 2000, Caiozzo, VJ, Haddad, F, Baker, MJ, Baldwin, KM. Influence of mechanical loading on myosin heavy-chain protein and mrna isoform expression. Journal of Applied Physiology 80: , Finni, T, Komi, PV, and Lepola, V. In vivo muscle mechanics during locomotion depend on movement amplitude and contraction intensity. European Journal of Applied Physiology 85: , Kawakami, Y, Abe T, Kuno, S, and Fukunaga T. Training induced changes in muscle architecture and specific tension. European Journal of Applied Physiology 72: 37-43, Komi, PV. Stretch-shortening cycle: a powerful model to study normal and fatigued muscle. Journal of Biomechanics 33: , Seger, JY, Arvidsson, B, and Thorstensson, A. Specific effects of eccentric and concentric strength training on muscle strength and morphology. European Journal of Applied Physiology 79: 49-57, Thorstensson, A. Muscle strength, fibre types and enzyme activities in man. (Avhandling) Acta Physiologica Scandinavica 1976, Suppl. Nr Thorstensson, A. Några tillämpningar av biomekaniska principer på styrkeutveckling och styrketräning. I boken Styrketräning (red. A. Forsberg och B. Saltin) Idrottens Forskningsråd, RF och Folksam, 1985, Thorstensson, A. Styrketräning en komplex utmaning. I: Sammanfattning av Centrum för Prestationsutvecklings konferens: Olympic Clinic om Styrketräning, Eskilstuna, 1996, Thorstensson, A, and Aagaard, P. Neuromuscular aspects and joint neurophysiology in exercise adaptive responses evoked by strength training. Chapter 1d in: Textbook of Sport Medicine (Ed. M. Kjaer, M. Krogsgaard, P. Magnusson, L. Engebretsen, H. Roos, T. Takala, and S. Woo) Blackwell, Oxford, GB, to be published in Van Cutsem, M, Duchateau, J, and Hainaut, K. Changes in single motor unit behaviour contribute to the increased contraction speed after dynamic training in humans. Journal of Physiology 513: , Yue, G, and Cole, KJ. Strength increases from the motor program: Comparison of training with maximal voluntary and imagined muscle contractions. Journal of Neurophysiology 67: ,

10 Styrketräning med eller utan doping Verknings mekanismer på muskelfiber nivå Styrketräning skall ju leda till ökad muskelstyrka. Fortfarande finns inget optimalt recept hur denna ökning i muskelstyrka bäst uppnås (se dock artikel av A Eriksson i detta nummer), ej heller känner vi i detalj till vad som händer vid olika former av träning. I den här artikeln sammanfattar vi våra synpunkter på musklers uppbyggnad ur morfologisk synvinkel, deras anpassningsförmåga och vilka mekanismer som är av betydelse för att ökad muskelstyrka uppstår vid träning med eller utan doping. Lars-Eric Thornell Anders Eriksson Institutionen för integrativ medicinsk biologi, avdelning för anatomi Umeå universitet och Belastningskadecentrum Arbetslivsinstitutet, Umeå Fawzi Kadi Institutionen för Idrott och Hälsa, Örebro Universitet Varje skelettmuskel är unik Med muskelmorfologisk metodik kan man korrelera muskelstyrka till enskilda muskelfibrers tvärsnittsyta men egentligen borde man bara helst beräkna tvärsnittsytan av de kraftgivande myofibrillerna. Metodolign för dessa beräkningar är muskelbiopsier som snabbfryses eller behandlas kemiskt för att sedan kunna snittas i tunna tvärsnitt. Snitten behandlas histokemiskt för att påvisa olika enzymaktiviteter eller immunologiskt för att påvisa olika proteiner och undersöks sedan i ljus eller elektronmikroskop. Metoden innebär att man även kan visualisera muskelfibertyper vilka återspeglar de motoneuron som styr muskeln och vilka i sin tur har olika trösklar för aktivering. Muskelfibertyp begreppet är klassiskt, ett typ exempel är ju att sprinters har framför allt snabba fibrer i sina muskler medan långdistanslöpare har långsamma och uthålliga fibrer. Tidigare har man trott att muskelfibertyper är något statiskt man föds med. I dag vet vi att de är i högsta grad påverkbara och att de skiljer sig åt även i olika muskler. Det senare borde i sig inte vara så förvånansvärt om man betänker att varje muskel i människroppen är speciell makroskopiskt. Varje muskel har ett speciellt ursprung och fäste, olika storlek och längd och varierande muskelfiberriktning, pennation, i förhållande till ursprungs och insertions senorna (Fig.1). De flesta muskler påverkar en eller flera leder medan andra inte har något benfäste. Dessa skillnader är grund till att varje muskel har unika mekaniska och funktionella egenskaper. Vissa muskler blir därför mer känsliga för överbelastning vid träning eller tävling eller i arbetslivet såsom kappmuskeln vilken är frekvent drabbad vid nack skuldermyalgi (5, 6, 16). I vår forskargrupp har vi studerat olika humana muskler med avseende på olika muskelfiber typer, deras tvärsnittsyta, kärlförsörjning av kapillärer mm. (bl. a 4, 5, 14, 15,19, 20). Vår huvudtes som befästs i dessa undersökningar är att varje muskel är unik. Detta gäller muskler från samma person, vid olika åldrar eller av manligt eller kvinnligt kön. Muskel fiberns principiella uppbyggnad En muskelfiber är omgiven av en cellmembran och en basalmembran. Mellan fibrerna finns ett mer eller mindre rikligt kapillärnät som svarar 10

11 Fig. 1. Schematisk bild av kappmuskeln. Muskeln består av olika portioner med olika fiberförlopp och funktioner. Muskelns sammansättning varierar avsevärt både vad gäller fiber typer och fiber tvärsnittsyta, dels mellan de olika portionerna dels mellan män och kvinnor. (Se 14, 15) a b c Fig 2. Schematiskt tvärsnitt av muskel. I a ses muskelfibrer med kärnor (N) och kapillärer (C), i b och c ses myofibriller (F) och mitokondrier (m). För nyliga översikter om muskelfiberns uppbyggnad se 2 och 11. Fig.3. Schematisk bild av myofibril. I a ses det typiska tvärbandsmönstret med A (mörka band), I (ljusa band) och mellanskivor, Z band. En sarkomer sträcker sig från ett Z band till ett annat och ses uppförstorat i b, Här framgår att A bandet är uppbyggt av tjocka myosin filament, som till delar överlappas av de från Z bandet utgående tunna filamenten. De tjocka filamenten (c) är uppbyggda av myosin molekyler som har två huvuden och en stav (d) vilka i sin tur är uppbyggda av två tunga kedjor och fyra lätta kedjor (e). för kärlförsörjningen av fibrerna (Fig 2). Inne i muskelfibrerna finns ett flertal kärnor som vanligtvis ligger i anslutning till cellmembranen, myofibriller - som består av en serie av sarkomerer, de minsta kontraktila enheterna i muskelcellen (se fig 3), mitokondrier energifabrikerna, sarkotubulära nätverket innehåller Ca++, av betydelse för aktivering och reglering av kontraktionen, ett cellskelett av sammanlänkande trådar, näringsämnen som glykogen och fett, ribosomer för proteinsyntes och enzymer för nedbrytning av ämnen. Myofibrillerna består av tjocka myosinfilament som bildar sarkomerens A band och tunna aktin filament som dels överlappar de tjocka filamenten och dels ingår i I bandet. De senare består också av tropomyosin och troponin. De tunna filamenten är sammanfogade inom Z bandet som består av ett flertal proteiner bl a α-actinin och som utgör sarcomerens gräns. Från Z bandet utgår också nebulin och titin mycket stora proteiner, det senare sträcker sig från Z bandet till mitten på A bandet till M bandet och som är av betydelse för myofibrillens elastiska egenskaper. Cellskelettet består främst av intermediära filament uppbyggda främst av desmin. Andra viktiga cellskelett proteiner är plektin och dystrophin. Avsaknad av eller skada på något av dessa proteiner leder till muskelfiberdegeneration och muskelsjukdom (Carlson och Thornell 2001). Av fundamental betydelse för musklers förmåga till anpassning och variabilitet är att i stort sett alla proteiner som omnämnts ovan består av s.k. isoformer. Vad gäller myosinmolekylen, som bygger upp de tjocka filamenten, består den av två tunga kedjor och fyra lätta kedjor. Den tunga kedjan kodas av minst 8 gener dvs. det finns minst 8 olika former som i sin tur kan kombineras med ett flertal isoformer av lätta kedjor. Detta ger upphov till en enorm spännvidd i funktion. Som framgår av B Saltins artikel i detta nummer kan myosin isoformerna snabbt förändras vid olika former av muskelaktivitet och träning (8). Satellit celler och nuclear domains Två ytterligare begrepp av stor betydelse för förståelsen av hur muskler påverkas vid träning är satellitceller och kärn områden (nuclear domains (1)). Satellitceller är celler som är lokaliserade utanför muskelcellens cellmembran men innanför basalmembranen. 11

12 Fig.4. Schematisk bild av tvärsnitt av muskelfiber. Satellitceller är lokaliserade mellan fibrerns basalmembran och cellemembran. Satellitceller är vilande mesenkymala celler som kan aktiveras och bilda nya celler genom mitos. Typiskt scenario för deras aktivering är en muskelfiber skada (17). Vid membranruptur sker en inflammatorisk aktivering som leder till att satellitcellerna aktiveras. De genomgår därefter samma förändringar som myoblaster och myotuber gör under fosterutvecklingen vid bildandet av muskelfibrer men nu i avsikt att återställa den skadade muskelfibern eller att ersätta den helt och hållet (11). Med immunhistokemiska markörer kan man enkelt observera mognaden av nybildade muskelfibrer (8, 9). En muskel fiber innehåller en mängd kärnor, typiskt för dessa är att de alla är postmitotiska dvs. de kan inte föröka sig, gå i mitos. Kärnorna innehåller förstås den genetiska koden och mallen för tillverkning av nya proteiner som behöver tillverkas för upprätthållande av proteinbalansen i muskelfibrerna. Med kärn område (nuclear domain) menas att varje kärna styr ett visst begränsat avsnitt av cytoplasman med information (1). Muskelfiberhypertrofi innebär förstås att muskelfibrerna har blivit större och atrofi att de har blivit mindre. Om en muskelfiber tränas och den svarar med att öka sin storlek hur gör den då? Till en början kan nog muskel öka sin proteinsyntes men, eftersom varje kärna enbart styr en viss mängd cytoplasma, krävs en ökning av kärnantalet för att förstärka proteinsyntes potentialen. Eftersom muskelfiban delas sig krävs att kärnor inkorporerars från annat håll. De kärnor som kommer i fråga är satellitcellskärnorna. Hur vet vi då det? Fig. 5. Antal kärnor per muskelfiber har plottats mot fibrens tvärsnittsyta Fig. 6 Tillägg av kärnor Upprätthållande av balansen mellan kärnor och cytoplasma Effekter av styrketräning Vi har dels undersökt kvinnor med lätt skuldermyalgi som fått träna 10 veckor antingen styrketräning, cirkulationsträning eller koordinationsträning dels har vi undersökt otränade män, styrketränade män på elit nivå och dopade styrkelyftare med avseende på muskelfiber tvärsnittsyta och antal kärnor per tvärsnittsyta (9, 10, 12) Enbart 10 v träning tre ggr i veckan ledde till för den kvinnliga styrketräningsgruppen en signifikant styrkeökning, ökning av fiber area samt ökning av antal kärnor per tvärsnittsyta, (12). I de manliga grupperna erhölls en signifikant större fiberyta för de styrketränade i förhållande till det otränade och för det dopade i förhållande till det styrketränade dopade (9, 10). Vilande satellitcell Hyperplasi förbättrad kapacitet att reparera muskelfibrer När antalet kärnor i relation till medeltvärsnittsyta plottas erhålles en mycket hög korrelation (r=0.86, p < ) starkt talande för att det finns ett samband mellan tvärsnittsyta och kärnantal (11). Principiellt kan man ju då säga att ju fler kärnor man har i en fiber desto större potential bör man ha för att tillverka cellkomponenter och därmed bli starkare. Detta stämmer med att de dopade hade störst fiberyta och flest kärnor (10). I våra studier noterade vi också att det förelåg en signifikant ökning av små fibrer som uttryckte utvecklings- 12

13 myosiner vilket talade för att de var omogna muskelceller (10). Vi observerade också att frekvensen av satellitceller var ökad i de tränade grupperna (10) Vad detta innebär kan sammanfattas enligt vidstående schema: (Fig.6) Varierande förekomst av androgenreceptorer Vi analyserade också förekomst av androgen receptorer i vastus lateralis och i trapezius genom att immunologiskt färga för dessa kärnreceptorer (13). Vi fann inga skillnader i vastus lateralis men signifikanta skillnader i trapezius muskeln hos icke dopade och dopade. Detta visar att förekomsten av androgenreceptorer varierar i olika muskler dels att de kan öka i vissa muskler men ej i andra vid tillförsel av androgena steroider. Ytterligare forskning krävs för att belysa olika musklers potential och reaktions mönster på träning med eller utan anabola steroider. Långtidseffekter av doping Ur dopingsammanhang är det ju högst intressant att veta om de förändringar man uppnår med doping som vi påvisat här dvs. högre proteinsyntespotential och därmed möjlighet att bygga mer myofibriller i större muskelfibrer är bestående eller reversibla. Teoretiskt kan man tänka sig att en person intar steroider och tränar hårt under en period i det dolda och sedan efter det att steroidnivåerna sjunkit till de normala går ut och tävlar med en bättre maskin dvs. kraftigare muskler än vad han skulle kunna uppnå med sedvanlig träning. Våra preliminära resultat tyder på att så är fallet! Icke dopade mäste träna annorlunda Våra studier har kunnat utföras tack vare A Erikssons kontakter inom styrkelyftar kretsar. På annan plats i detta nummer redovisar Anders hur det kan komma sig att en liten klubb som Öjebyns atletklubb utan doping har kunnat vara framgångsrika inom styrkelyftbranschen. Satellitceller har begränsad livstid En varning för långvarig hård träning och doping är också på sin plats. Det finns helt klart risker med långvarig överträning. Satellitcellerna har en begränsad livstid och kan förbrukas. Detta är relaterat till att de s.k. telomererna som binder ihop kromosomerna vid celldelningen förbrukas vid varje celldelning (5). Detta kan innebära att regenerations potentialen går förlorad vilket man ser hos patienter med Duchennes muskleldystrofi (3). Dessa patienter lider av brist på dystrofin som gör att muskelfibrerna försvagas och degenerar. Under barnaåren återbildas musklerna men ofta blir de rullstolsbundna pga. muskelförtvining Referenser: 1. Cheek D.B. The control of cell mass and replication. The DNA unit -a personal 20-year study. Early Hum Dev, 1985, 12, Carlsson L, Thornell L-E Desmin-related myopathies in mice and man acta Physiol Scand 2001, 171: Decary S, Ben Hamida C, Mouly V, Barbet JP, Hentati F, Butler-Browne GS, Shorter telomeres in dystrophic muscle consistent with extensive regeneration in young children. Neuromusc.Disord 10: Eriksson P-O, Muscle fibre compositiomn of human mandibular locomotor system. Enzyme-histochemical and morphological characteristics of functionally different parts. Swed Dent J 1982: Hayflick L The limited lifetime of human diploid strains. Exp Cell Res 37, Kadi F, G Hägg, S Holmner, GS Butler- Browne, L-E Thornell. Structural changes in male trapezius muscle with work-related myalgia. Acta Neuropathol, 1998a, 95: Kadi F, K Waling, C Ahlgren, G Sundelin, S Holmner, GS Butler-Browne, L-E Thornell. Pathological mechanisms implicated in localised female trapezius myalgia. Pain, 1998b, 78: Kadi F, L-E Thornell. Training affects myosin heavy chain phenotype in the trapezius muscle of women. Histochem Cell Biol, 1999a, 112: Kadi F, A Eriksson, GS Butler-Browne, L-E Thornell. Cellular adaptation of the trapezius muscle in strength trained athletes. Histochem Cell Biol, 1999b, 111: Kadi F, A Eriksson, S Holmner, L-E Thornell. Effects of anabolic steroids on the muscle cells of strength trained athletes. Med Sci sports Exerc, 1999c, 31: Kadi F. Adaptation of human skeletal muscle to training and anabolic steroids Acta Physiol Scand, 2000a, 168 suppl 646, Kadi F, L-E Thornell. Concomitant increases in myonuclear and satellite cell content in female trapezius muscle following strength training, Histochem Cell Biol, 2000b, 113: Kadi F, P Bonnerud, A Eriksson, L-E Thornell. The expression of androgen receptors in human neck and limb muscles: effects of training and self-administration of androgenic-anabolic steroids. Histochem Cell Biol, 2000c, 113: Lindman R, A Eriksson, L-E Thornell. Fiber type composition of the human male trapezius muscle: enzyme-histochemical characteristics. Am J Anat, 1990, 189: Lindman R, A Eriksson, L-E Thornell. Fiber type composition of the human feamale trapezius muscle. Am J Anat 1991, 190, Lindman R, M Hagberg, K A Angqvist, K Soderlund, E Hultman, and L-E Thornell. Changes in muscle morphology in chronic trapezius myalgia, Scand J Work Environ Health, 1991, McCormick KM, E Schultz. Role of satellite cells in altering myosin expression during avian skeletal muscle hypertrophy. Dev Dyn, 1994, 199: Monemi M 19. Pedrosa-Domellof F, P-O Eriksson, GAS Butler-Browne, L-E Thornell, Expression of alpha-cardiac myosin heavy chain in mammalian skeletal muscle. Experientia, 1992, 48, Stal P, Characterization of human orofacial and masticatory muscles with respect to fibre types, myosins and capillaries. Swed Dent J, 1994, Supplement 98,

14 Styrketräning i rymden Ett måste - men en teknisk och fysiologisk utmaning Endast en liten exklusiv skara män och kvinnor erbjuds att färdas i yttre rymden där avsaknaden av tyngdkraften allvarligt påverkar olika organsystem och kroppsliga funktioner. När Juri Gagarin, John Glenn och Alan Shephard på 60-talet genomförde de första historiska rymdfärderna i det okända trodde man allmänt att de akuta påfrestningarna skulle komma att utgöra det mest hotfulla medicinska problemet. Idag vet man mer. De kroniska effekterna av långvarig vistelse i tyngdlöshet är allvarligare och kan komma att förhindra längre rymdexpeditioner. Några av de allvarligaste medicinska och fysiologiska konsekvenserna av längre rymdfärder är skeletturkalkning (1,2) och muskelförtvining (3). Per Tesch Sektionen för Arbetsfysiologi Institutionen för Fysiologi och Farmakologi Karolinska Institutet, Stockholm Den internationella rymdstationen På jorden är det omöjligt att simulera denna miljö. Ja, under några få sekunder kan man på nöjesfält uppleva tyngdlöshet när man faller fritt i ett sk Drop Tower. Några ryska kosmonauter tillbringade mer än ett år på den nu skrotade ryska rymdstationen Mir och i skrivande stund fortgår legobyggandet av den Internationella Rymdstationen (ISS; Stationen är nu bemannad och den tre personer starka besättningen byts ut efter upp till sex månader. De amerikanska och ryska rymdskyttlarna transporterar ny besättning och förnödenheter, byggkomponenter, laboratorieutrustning mm, och dockar med jämna mellanrum ISS. Dessa rymdfärder varar oftast 1-2 veckor. Erfarenheterna från ISS kommer att vara viktiga inför framtida expeditioner till Mars; en resa fram och åter som kanske kommer att vara upp till två år. Modeller för att simulera tyngdlöshet Få tillfällen bjuds att studera tex. muskelfunktion hos astronauter eller kosmonauter före, under och efter längre rymdfärder (2-6). Därför har olika modeller prövats för att söka simulera effekter av tyngdlöshet. Det är i huvudsak två tekniker som vunnit tillämpning för att undersöka effekter på skelettmuskel. Långvarigt kontrollerat sängliggande är en etablerad men mycket kostsam metod som kräver tillgång till sjukhusfaciliteter dygnet runt (2, 7-9). Den andra modellen som vinner allt större tillämpning är en av oss utvecklad metod som innebär att ett ben avlastas men utan övrig intervention (10-14). Tekniken är enkel och kräver egentligen bara en sko som förses med en förhöjd sula och på så sätt avlastas det icke-viktbärande benet. All förflyttning sker med kryckor och innebär att nedre extremiteter avlastas 24 timmar per dygn (bild 1). Muskler som lämpar sig för närmare studier är de posturala m. soleus och m. vastus lateralis, som tros vara mest påverkade efter rymdfärder. Effekter av rymdfärd, sängvila och avlastning på muskel Under avlastning med ovan modell eller under sängvila, förtvinar muskeln i en omfattning som vi tror är att jämföra med vad som sker vid rymdfärder. På en månad minskar tex. volymen för vader och framsida av lår med cirka 10% (8, 10-13). Försämringen av muskelstyrka är än mer uttalad (8,9,14). 14

15 skelettförluster. Det är möjligt, men knappast realistiskt i en nära framtid, att rymdfarkoster och stationer eller bebyggelser på andra planeter utrustas med stora maskindrivna centrifuger som åstadkommer g-krafter och därmed delvis simulerar förhållanden på jorden. Elektrisk stimulering (15) och vibration av muskel är andra tänkbara motmedel. Men visst förefaller styrketräning vara det mest attraktiva tillvägagångsättet. Det fungerer bättre än något annat för att bygga muskler på jorden. Man kan därför också anta att det är det mest effektiva motmedlet mot muskelförtvining i rymden (16,17). Styrketräning med svänghjul Det är dock långt ifrån utrett vad som krävs för att upprätthålla muskelmassa och funktion under längre vistelse i tyngdlöst tillstånd. Kan man exempelvis applicera samma typ av träningsprogram som visat sig vara effektiva på gymet? En stor teknisk utmaning är dessutom att simulera styrketräning i rymden. Hantlar och skivstänger fungerar av förklarliga skäl inte utan gravitation. Att använda gummiexpandrar och fjäderanordningar låter tilltalande eftersom de är kompakta och lätta att stuva undan. De är sannolikt inte effektivare än de träningsredskap av gummislangar och fjädrar som man kunde finna i muskelmagasin och postorderkataloger för fyrtio år sedan. Den teknik vi utvecklat (18) bygger på att man utnyttjar trögheten i roterande svänghjul för att skapa belastning i både koncentriska och excentriska muskelaktioner. Utrustningen är lätt och kompakt och kräver ingen extern kraftkälla. Från första repetitionen i ett set är belastningen maximal (om man så vill!) och det finns ingen begränsning hur mycket kraft som kan genereras annat än den styrka som den tränande själv besitter. Tekniken har applicerats i ett antal olika maskinkonfigurationer tex. lårcurl, benpress, rodd och mage. En anordning som tillåter träning i ett stort antal övningar (tex. knäböj, vadpress, marklyft, rodd, bänkpress) kommer snart att brukas i rymden inom ramen för ESA s och NASA s rymdprogram. För närvarande testas träningsprincipen i en 90 dagar lång Bild 1: Modell för unilateral avlastning. Denna iakttagelse innebär att också andra faktorer än muskelförtvining bidrar till att muskelstyrkan försämras vid rymdfärd eller påtvingad muskelavlastning som tex. sängvila eller immobilisering med gips. Det är nära till hands att tro denna försämring beror på oförmåga att viljemässigt mobilisera samtliga motoriska enheter (minskad neural drive ) och som visar sig i reducerad EMG aktivitet och/eller att enskilda muskelfibrers korsbryggor förlorats eller försämrats i effektivitet. Muskelatrofi är dock den avgjort mest betydande förklaringen till försämrad muskelfunktion; kanske kan upp till 80-90% av förlorad styrka hänföras till förlust av muskelproteiner. Mission to Mars Det är uppenbart att om färder och expeditioner till Mars blir verklighet så kommer effektiva motmedel mot muskelförtvining och skeletturkalkning att vara nödvändiga. Man kan tänka sig att besättningen administreras olika farmaka som bromsar muskel- och Bild 2: Ergometer för unilateral träning av knäextensorer med hjälp av svänghjulsteknologi. 15

16 sängstudie ( som kommer att avslutas under sommaren Två sängliggande grupper jämförs; den ena gruppen tränar maximala knäböj och vadpress två eller tre gånger per vecka enligt svänghjulsprincipen. Den andra gruppen tränar inte alls. Styrketräning under avlastning resulterar i hypertrofi En nyligen avslutad avlastningsstudie har övertygande visat att tekniken fungerar. Tre grupper om tio yngre medelålders män och kvinnor undersöktes. Två grupper utrustades med en platåsko för höger fot och under fem veckor brukades inte vänster ben. Några sätt att kontrollera att försökspersonerna verkligen följer programmet och inte brukar benet är att frekvent mäta vadomfång och hudtemperatur. Medan en grupp (ULLS) avhöll sig från all fysisk aktivitet, styrketränade en annan grupp (ULLS+RE) därutöver det avlastade benet två eller tre gånger per vecka i en speciellt konstruerad knäextensormaskin som utnyttjar svänghjulsprincipen (bild 2). De utförde fyra set om sju maximala knäextensioner med kopplade koncentriska och excentriska aktioner. Den tredje gruppen (RE) som icke avlastades och levde ett normalt liv utförde samma träningsprogram. Före och efter dessa interventioner mättes isometrisk och dynamisk styrka för knäextensorerna. Muskelvolym för knäextensorer och plantarflexorer (avlastades men tränades inte) mättes med magnetresonanstomografi (bild 3). Som väntat minskade (p<0.05) muskelvolymen för de avlastade knäextensorerna i ULLS och med nästan 10%. Det belastade benets knäextensorer visade inte någon volymförändring. I ULLS+RE skedde överraskande en ökning (p<0.05) i volym med motsvarande cirka 7%. Denna ökning var jämförbar med den volymökning som skedde i RE, det vill säga den grupp som levde ett normalt liv och genomförde samma träningsprogram som ULLS+RE. I både ULLS och ULLS+RE minskade (p<0.05) muskelvolymen för det avlastade benets plantarflexorer ungefär lika mycket eller med cirka 10%. Det var väntat eftersom träningen inte omfattade dessa muskler (bild 4). Isometrisk och dynamisk styrka sjönk (p<0.05) i ULLS. RE visade en ökning (p<0.05) medan styrkan hos ULLS+RE var Bild 3: Magnetröntgenbild som visar det lårsegment som analyseras för att bestämma volym av enskilda knäextensormuskler. Bild 4: Magnetröntgenbilder för försökspersoner som A) avlastats och styrketränat (ULLS+RE) och B) avlastats (ULLS). Övre raden visar tvärsnitt av lår. Nedre raden visar tvärsnitt av underben. R (right) är höger ben som varit viktbärande. L (left) är vänster ben som avlastats. Notera speciellt mindre volym för L vs. R hos ULLS men hos ULLS+RE som visar L>R. Notera också att L<R för vaderna hos både A och B. 16

17 Bild 5: Medelkraft (fyra set om sju repetitioner) under de tolv träningspass som grp ULRE (n=10) utförde under fem veckors avlastning. Över tiden ökade (11%; p<0.05) den kraft (träningsbelastning) som registrerades under varje träningspass. Ökningen var lika stor som i grp RE; dvs den grupp som inte avlastades. Svarta symboler är koncentrisk kraft (CON) och gråa symboler är excentrisk (ECC) kraft. 12. Adams G, Hather BM, Dudley GA. Effect of short-term unweighting on human skeletal muscle strength and size. Aviat. Space Environ. Med. 1994; 65: Hather BM, Adams GA, Tesch PA, Dudley GA. Skeletal muscle responses to lower limb suspension in humans. J. Appl. Physiol. 1992;72: Ploutz-Snyder LL, Tesch PA, Hather BM, Dudley GA. Vulnerability to dysfunction and muscle injury after unloading. Arch. Phys. Med. Rehab. 1996; 77: Duvoisin MR, Convertino VA, Buchanan P, Gollnick PD, Dudley GA. Characteristics and preliminary observations of the influence of electromyostimulation on the size and function of human skeletal muscle during 30 days of simulated microgravity. Aviat. Space Environ. Med. 1989; 60: Convertino VA. Exercise as a countermeasure for physiological adaptation to prolonged spaceflight. Med. Sci. Sports Exerc.1996; 28: Ferrando AA, Tipton KD, Bamman MM, Wolfe RR. Resistance exercise maintains skeletal muscle protein synthesis during bed rest. J. Appl. Physiol. 1997; 82: Berg HE, Tesch PA. A gravity independent ergometer to be used for resistance training in space. Aviat. Space Environ. Med. 1994; 65: oförändrad. ULLS+RE och RE visade en likartad (11%) kraftökning (p<0.05) över de tolv träningspassen (bild 5). Det är värt att understryka att den ökning (procentuell ökning per vecka) i muskelvolym som kunde påvisas i den tränande och avlastade gruppen är jämförbar eller större än vad som rapporterats i tidigare träningsstudier. Sammanfattning Några få minuters intensiv styrketräning per vecka är tillräckligt för att öka muskelmassan hos muskel som i övrigt är helt avlastad. Kanske är det till och med så att mukelns proteinsyntes stimuleras extra av att i övrigt vara inaktiv? Varför inte! Djurrikets mest muskulösa och explosiva arter presterar för det mesta inte mycket utöver några mycket korta men intensiva ruscher. Mycken vila och sömn verkar vara receptet för exempelvis lejonet. Referenser 1. Arnaud SB, Morey-Holton E. Gravity, calcium, and bone: update Physiologist. 1990; 33:S LeBlanc AD, Schneider VS, Evans HJ, Engelbretson DA, Krebs JM. Bone mineral loss and recovery after 17 weeks of bed rest. J. Bone Miner. Res. 1990; 5: LeBlanc A, Rowe R, Schneider V, Evans H, Hedrick T. Regional muscle loss after short duration space flight. Aviat. Space Environ. Med. 1995; 66: Tesch PA, Berg HE. Effects of 17 d spaceflight on muscle function. Med. Sci. Sports Exerc. 1997; Suppl. 29 (5):s Kozlovskaya IB, Barmin VA, Stepantsov VI, Kharitonov NM. Results of studies of motor functions in long-term space flights. The Physiologist. 1990; 33:S1-S3. 6. Hayes JC, McBrine JJ, Roper ML, Stricklin MD, Siconolfi SF, Greenisen MC. Effects of space flight on skeletal muscle performance. FASEB J. 1992; 6(5):A Hikida RS, Gollnick PD, Dudley GA, Convertino VA, Buchanan, P. Structural and metabolic characteristics of human skeletal muscle following 30 days of simulated microgravity. Aviat. Space Environ. Med. 1989; 60: Berg HE, Larsson LL, Tesch PA. Lower limb skeletal muscle function after 6 wk of bed rest. J. Appl. Physiol. 1997; 82: Dudley GA, Duvoisin MR, Convertino VA, Buchanan P. Alterations of the in vivo torque-velocity relationship of human skeletal muscle following 30 days exposure to simulated microgravity. Aviat. Space Environ. Med. 1989; 60: Berg HE, Dudley GA, Häggmark T, Ohlsén H, Tesch PA. Effects of lowerlimb unloading on skeletal muscle mass and function in humans. J. Appl. Physiol. 1991; 70: Hather BM, Adams GA, Tesch PA, Dudley GA. Skeletal muscle responses to lower limb suspension in humans. J. Appl. Physiol. 1992;72:

18 Explosiv styrketräning Dietmar Schmidtbleicher 1. Klassificering av begrepp Explosivitet eller power refererar här till det neuromuskulära systemets förmåga att producera den största möjliga impulsen över ett givet tidsintervall. Tidsintervallet beror på motståndet eller belastningen som idrottsutövaren har att arbeta mot samt karaktären på accelerationen. I några idrottsdiscipliner är det nödvändigt att övervinna motståndet med största möjliga kontraktionshastighet direkt från starten av rörelsen (kulstötning, spjutkastning, etc.). I andra grenar skall den maximala accelerationen vara fördröjd för att man skall nå högsta möjliga sluthastighet på redskapet, kroppsdelen eller hela kroppen. A. Koncentriska och isometriska aktioner Det finns ett samband mellan isometrisk maximal styrka (Fmax) och rörelsehastighet. Den negativa korrelationen ökar från r=-.50 vid belastningar på 2-3 kg upp till r=-.90 med belastningar nära det individuella 1 RM (35). Detta resultat hänger ihop med att en viljemässig maximal isometrisk kontraktion är ett specialfall av koncentriska muskelaktioner, men har även andra viktiga implikationer. I de fall där den externa belastningen är låg minskar betydelsen av den maximala styrkan mer och mer och kraftökningshastigheten (rate of force development, RFD) blir den alltmer dominerande faktorn. Den maximala kraftökningshastigheten (MRFD) är identisk med termen explosiv styrka (7, 8, 41), vilken beskriver det neuromuskulära systemets förmåga att åstadkomma höga kontraktionshastigheter (jfr Fig. 1). MFRD har befunnits vara av samma storleksordning för belastningar som är högre än 25% av Fmax (30). Ballistiska rörelser mot motstånd som är lägre än 25% av Fmax bestäms av den initiala RFDn (IRFD), dvs den initiala lutningen av kraft-tid-kurvan. Werschoschanskij och Tatjan (42) benämnde IRFD startstyrka (starting strength). IRFD är väsentlig i idrotter där stor initial hastighet är nödvändig för optimal prestation (t.ex. boxning, fäktning och karate). Den totala kraftökningshastigheten (RFD) beror på rekryteringen av och fyrningsfrekvenserna (firing frequencies) hos de motoriska enheterna och de kontraktila egenskaperna hos de involverade muskelfibrerna. Om belastningen är låg dominerar IRFD, medan det, om belastningen är högre (såsom i kulstötning), fordras en hög MRFD. I de fall då belastningen är mycket hög, som i tyngdlyftning, är maximalstyrka den dominerande faktorn. Förutom belastningen kan också tiden för rörelsen väljas som kriterium för klassificering. För rörelser med en varaktighet på mindre än ca 200ms är IRFD och MRFD huvudfaktorerna, medan maximalstyrkan dominerar som avgörande faktor i rörelser som varar längre. B. Aktioner med förlängnings - förkortningscykler (stretch-shortening-cycle-type movements) Förutom i koncentriska och isometriska kontraktioner genereras explosiva rörelser (powerful movements) i samband med reaktiva rörelser eller rörelser som involverar s.k. stretchshortening-cykler (SSC). En SSC är inte bara en kombination av en eccentrisk och en koncentrisk rörelse. Dessutom är denna typ av muskelaktion en relativt oberoende motorisk kvalitet (4, 13, 22, 25). Det finns två olika typer av SSC, en lång- och en kortvarig. En långvarig SSC (exempelvis hopp till skott i basketboll, hopp till block i volleyboll) karaktäriseras av större vinkelrörelser i höft-, knä- och ankelleder och 18

19 Figur 1. Jämförelse av effekterna av explosiv hoppträning (vänstra diagrammet) och tung styrketräning med vikter på kraft-tidskurvan vid en maximal isometrisk kontraktion av knästräckarmusklerna. Explosiv träning orsakade en relativt sett större ökning av maximal kraftökningshastigheten (MAX RFD) än av maximalstyrkan (peak force PF), medan den tunga styrketräningen resulterade i en stor ökning av PF utan påverkan på MAX RFD. (Figuren har lagts till den ursprungliga texten av översättaren. Den är tagen från ref. nr 34, som i sin tur baseras på data från ref. nr 16.) av en varaktighet på mer än 200 ms. En kortvarig SSC (till exempel markkontaktfaserna i sprintlöpning, höjdhopp eller längdhopp) uppvisar bara små vinkelrörelser och varaktigheten är bara ms (37). Den effekt (power) som produceras vid en kortvarig SSC baseras på en precis samverkan mellan flera mekanismer. Innan markkontakten aktiveras extensormusklerna som en del av ett s.k. centralt neuronalt program (9). De därmed associerade korsbryggorna ansvarar för den s.k. short range elastic stiffness, som inledningsvis under markkontakten minskar förlängningen av muskeln (10,11,12). Samtidigt bidrar segmentella sträckreflexer till att öka muskelkraften (31) så att huvuddelen av den elastiska energin kan lagras i senorna hos de viktigaste bensträckarmusklerna (15). Detta möjliggör en kraftfull acceleration ( push off ) av kroppen, trots att den neuronala aktiveringen av dessa muskler i den påföljande koncentriska fasen är förhållandevis låg (23, 32). Kvaliteten på effektproduktionen (power production) i en SSC är väsentligen beroende på innervationsmönstret och träningsstatusen på muskel-sensystemet med avseende på dess kontraktila och elastiska egenskaper (40). Vi kan nu göra en grov summering och slå fast att maximal styrka och explosivitet (power) inte är distinkta enheter utan bär en inbördes hierarkisk relation till varandra. Maximal styrka är den basala kvalitet som påverkar presterad power (power performance). Vid koncentriska kontraktioner avgörs vilken betydelse den maximala styrkan har av storleken på motståndet. I en SSC är korrelationen mellan maximal styrka och effektproduktion (power output) relativt låg. 2. Klassificering av träningsmetoder A. Träningsseffekter Den traditionella indelningen av styrketräningsmetoder baserades ursprungligen på den belastning som användes. Andra klassificeringar baserades på idrotterna ifråga, till exempel tynglyftningsmetod kontra kroppsbyggarmetod. Dessa klassificeringar används fortfarande av idrottsutövare, tränare och forskare, men de kan ge upphov till falska förväntningar som kommer från den felaktiga tron att maximalstyrkemetoden enbart ökar maximal styrka och att hastighetsstyrkemetoden bara ökar explosivitet (power). I verkligheten uppkommer svårigheter på grund av att man blandar ihop innehållet i och syftet med träningsmetoden. I praktiska träningssammanhang är det en spridd uppfattning att styrketräning endast orsakar enzymatiska förändringar i muskeln, vilka slutligen leder till ökning av muskeltvärsnittet. Baserat på detta upplevda faktum, avråder man i flera idrotter, exempelvis handboll, fotboll, tennis, boxning och till och med i några fri-idrottsgrenar, från styrketräning eftersom en påföljande oundviklig ökning av muskelmassan och därmed kroppsvikten skulle motverka den önskade verkan, nämligen en ökning av explosiviteten (power). I detta sammanhang måste det påpekas att en ökning av maximal styrka alltid åtföljs av en ökning av relativ styrka (styrka per kg kroppsvikt) och därmed av förmågan att utveckla effekt (power). Detta har visat sig erfarenhetsmässigt, men också dokumenterats i studier som påvisat en imponerande explosivitet (power) hos tunga idrottsutövare i såväl stående vertikalhopp som i 30 m sprints. Förutom via muskelhypertrofi (större fibrer) - och möjligen också muskelhyperplasi (fler fibrer)(1, 3, 26, 27, 33) - kan andra mekanismer bidra till att åstadkomma en ökning av maximal muskelstyrka och explosivitet (power). Adaptationer inom det centrala nervsystemet kan spela en viktig roll. Från de klassiska korsinnerveringsstudierna av Buller och medarbetare (5, 6) och ett stort antal därpå följande studier vet vi att en muskels karaktäristiska muskelfibersammansättning beror på om och hur dess muskelfibrer aktiveras, via de motoriska nervcellerna i ryggmärgen. Man har också kunnat visa att nervmuskelsystemet reagerar på om träningsstimulit är snabbt eller långsamt. Longitudinella studier på människa har tydligt visat att det efter en period av högintensiv styrketräning föreligger en klar förbättring i förmågan att snabbt mobilisera större neuronal aktivering ( innervation activities ) (16, 24, 28, 35). Det antogs att anledningen till denna anpassning var en snabbare rekrytering av motoriska enheter och en ökning av fyrningsfrekvensen (antalet aktionspotentialer per tidsenhet) hos de aktiverade motoriska enheterna (38). Förutom en ökad förmåga hos motoneuronen att tolerera högre aktiveringsfrekvenser finns också möjligheten att synkroniseringen av aktiveringen av enskilda motoriska enheter ökar med träning, så att en aktiveringspuls når ett större antal 19

20 muskelfibrer inom ett kortare tidsintervall (36). Resultatet av dessa anpassningar i innervationen kan ses i en avsevärd förbättring av RFD och följaktligen även i effekt(power)produktion. Ytterligare ett sätt att öka explosivitet (power) är att förbättra koordinationen inom en muskel, s.k. intramuskulär koordination. Med denna term avses relationen mellan excitatoriska (retande, stimulerande) och inhibitoriska (hämmande) mekanismer inom en given muskel under en viss rörelse. Exempel på detta kan tas från aktiveringsmönstret till bensträckarmusklerna och det därmed sammanhängande kraft-tidssambandet under hoppövningar med ökande belastning i förlängningsfasen ( stretching loads ). Med ökande belastning ökar den initiala toppen i den vertikala reaktionskraften från underlaget och samtidigt minskar aktiveringen (mätt med ytelektromyografi) klart (14, 39). Denna inhibition kan ses som ett överbelastningsfenomen som tjänar att reglera styvheten i muskel-senkomplexet under den initiala markkontakten. Alla försökspersonerna uppvisade denna inhibition, men den nedhoppshöjd vid vilken den först sågs varierade mellan de olika individerna. De bättre tränade personerna kunde motstå ökad belastning mycket bättre, medan sämre tränade individer uppvisade en inhibition redan vid nedhoppshöjder på cm. Nedhoppsträning ( drop jump training ) reducerade dessa inhibitionseffekter (Fig. 2). Slutsatsen blev därför att de inhibitoriska mekanismerna är en del i en dynamisk reaktion kopplad till den specifika prestationen och att de verkar fungera som ett skyddssystem (40). Även en förbättrad koordination mellan muskler kan leda till en ökning i styrka och effekt(power)utveckling. En god intermuskulär koordination innebär en förmåga att få alla involverade muskler i en rörelse, såväl synergister som antagonister, att samverka så bra som möjligt med hänsyn till rörelsens syfte. En förbättring av effekt(power)utvecklingen genom mer optimal intermuskulär koordination är rörelsespecifik och därför bara i begränsad omfattning överförbar till en annan rörelse. Specifik styrketräning i praktiska sammanhang strävar huvudsakligen efter en optimering av intermuskulär koordination. Egentligen borde denna metod hänföras till koordinationsträning snarare än till träning av styrka eller explosivitet (power). Figur 2. Elektromyografiska registreringar (EMG) från gastrocnemiusmuskeln (en ankelledssträckare) vid nedhoppsträning (drop jump) hos en otränad person (översta diagrammet) och en tränad hoppare. Under den eccentriska fasen (omedelbart till höger om den streckade linjen vid tiden noll) uppvisar den otränade en nedgång i aktivitet ( inhibition ) medan den tränade istället hade en ökning av aktiviteten ( facilitation ). Skillnaden mellan de två skulle kunna vara en neuronal anpassning till träning. (Figuren har lagts till den ursprungliga texten av översättaren. Den är tagen från ref. nr 34 och bygger på ref. nr 24.) Erfarenheter från praktisk träning såväl som från longitudinella studier har lärt oss att muskelanpassningar med träning kräver lång tid, från flera månader till år, beroende på karaktären (kvalitativ eller kvantitativ) på den anpassning som eftersträvas. Å andra sidan kan man se mätbara anpassningar som utgör förstadier till muskelhypertrofi redan inom en ganska kort tidsperiod. Biomekaniska förändringar uppträder inom några få timmar och bestående förbättringar i maximal styrka och effekt (power) inom ett par veckor. Sådana relativt snabba förbättringar av styrkeprestationer kan, som nämnts, huvudsakligen tillskrivas en koordinativ inlärningseffekt, förbättrad intermuskulär koordination, samt neuronala anpassningar (34) som hjälper den individuella muskeln att uppnå en större kraftutveckling genom att motoriska enheter rekryteras snabbare, mera samtidigt och/eller med en högre frekvens (16, 19, 38). Den dominerande faktorn som i det långa loppet leder till muskelhypertrofi är ökad produktion av kontraktila proteiner i muskeln (26). De första träningsanpassningarna är alltid huvudsakligen av intermuskulär koordinativ natur och etableringen av de första träningseffekterna inträder efter ungefär två veckor vid träning med fyra pass per vecka. Efter 6-8 veckor ses, med motsvarande träningsintensitet, omfattande kompensatoriska modifieringar, främst vad gäller effekt (power), till huvuddelen orsakade av neuronala anpassningar. Men bara ökning av muskelmassan möjliggör märkbara förbättringar i styrka och effekt(power)utveckling som består över en period av flera år. Praktisk erfarenhet liksom studier av Häkkinen och medarbetare (17, 18, 20) antyder att efter ca 9-12 veckors träning (beroende 20