The determinants of task failure during high-intensity exercise.

Alcuni degli sport più impegnativi dal punto di vista fisico sono quelli che richiedono un impegno prolungato ad alta intensità. Ne consegue il ricorso, per tali esercizi, ad entrambi i sistemi energetici, aerobico e anaerobico, e la possibilità per l’organismo di sostenerli solo per alcuni minuti. Una migliore conoscenza dei meccanismi alla base della fatica e le sue limitazioni garantirebbe maggiore comprensione di come ritardare l’insorgenza della fatica. Ciò sarà rilevante sia per atleti alla ricerca del miglioramento delle loro prestazioni, che per anziani e pazienti con malattie croniche la cui attività quotidiana risulti limitata. Nonostante varie teorie sullo sviluppo della fatica e “task failure” siano presenti in letteratura, non esiste consenso sui precisi meccanismi alla loro base. Pertanto, l’obiettivo principale di questa tesi è stato quello di studiare l’esercizio ad alta intensità, con un approccio multi-disciplinare per ottenere una migliore comprensione dei differenti processi che determinano l’esaurimento. In primo luogo, tale fenomeno è stata valutato dal punto di vista energetico, modello che imputa l’esaurimento alla deplezione delle riserve di energia anaerobica. A tal fine, ai partecipanti è stato chiesto di pedalare su un cicloergometro con intensità sovramassimale fino all’esaurimento, dopo di che la potenza veniva ridotta a un livello inferiore, ma comunque sovramassimale. Secondo il modello di esaurimento dell’energia, i soggetti sperimentali non avrebbero dovuto essere in grado di continuare a pedalare. Tuttavia, i risultati hanno mostrato che i partecipanti hanno continuato l’esercizio per un consistente lasso di tempo a questo carico di lavoro ad alta intensità. Si è pertanto concluso, che l’esaurimento dell’energia anaerobica non avrebbe potuto essere la causa diretta dell’interruzione dell’attività. L’elaborazione dei risultati ha inoltre messo in evidenza come i comuni metodi per quantificare la produzione anaerobica di energia, il modello della potenza critica e il metodo del massimo debito di ossigeno, potrebbero non essere accurati. L’obiettivo del secondo studio era di valutare il potenziale coinvolgimento dei processi mentali inconsci durante l’esercizio ad alta intensità, e di confutare l’ipotesi secondo la quale l’esaurimento dipenda esclusivamente da fattori periferici. Questo è stato ottenuto attraverso la manipolazione del tempo visualizzato da un orologio durante l’esercizio ad alta intensità fino all’esaurimento. È interessante notare come i partecipanti abbiano pedalato per un tempo significativamente più lungo con l’orologio che correva veloce (x 1.1) rispetto a quello lento (x 0,9). Da questi risultati, si è concluso che i processi inconsci centrali sono coinvolti nella regolazione dei processi che determinano l’interruzione dell’esercizio. Ulteriori misure inerenti pattern di attivazione di quattro muscoli della parte inferiore della gamba (con elettromiografia) ha evidenziato una piccola differenza nella strategia di reclutamento tra le due condizioni veloce e lenta dell’orologio, il che potrebbe spiegare come i partecipanti abbiano prolungato la durata del loro esercizio. Nello studio finale, i partecipanti hanno effettuato con una sola gamba ripetuti esercizi di estensione dinamica del ginocchio. Una tecnica di interpolazione è stata utilizzata per monitorare il contributo dei fattori centrali e periferici di fatica muscolare durante l’esercizio fisico ad alta intensità. I risultati hanno rivelato che stanchezza centrale viene sviluppata durante la ripetizione di esercizi ad alta intensità. Tuttavia, poiché non è stata osservata nessuna riduzione significativa nell’attivazione volontaria dopo la prima serie di esercizi, la fatica centrale non è stata ritenuta il prerequisito per l’esaurimento. Inoltre, si crede che l’esaurimento sia il risultato di una riduzione critica della forza muscolare massima. Tuttavia, le variazioni inter-individuali della massima forza volontaria in seguito all’esaurimento, hanno suggerito che non solo la fatica periferica, ma che una combinazione di diversi fattori, determini l’esaurimento durante l’esercizio fisico ad alta intensità. Sulla base dei risultati degli studi presentati in questa tesi, si può concludere che la fatica muscolare dipenda da componenti centrali e periferiche, ma anche che processi mentali (subconscio) contribuiscano all’esaurimento durante l’esercizio fisico ad alta intensità. Si propone che durante l’esercizio l’integrazione di tali processi porti ad un aumento della percezione dello sforzo, che si traduce nell’interruzione volontaria dell’esercizio nel momento in cui è stato raggiunto il livello massimo tollerabile. In definitiva, un modello è proposto con l’obiettivo di unificare le teorie esistenti e fornire una panoramica dei fattori potenzialmente limitanti e i meccanismi che portano all’esaurimento durante l’esercizio fisico ad alta intensità.

Some of the most physically-demanding sports are those that require prolonged high-intensity exercise. Such tasks place high demands on both the aerobic and anaerobic energy systems, and can only be sustained for several minutes. A better understanding of the underlying mechanisms of fatigue and its limitations would provide greater insight into how to delay the onset of fatigue. This will be relevant for athletes trying to improve their performance, but also for the elderly and patients with chronic diseases whose daily-life activities are limited. Although various theories about the development of fatigue and task failure have been described in the literature, no consensus exists of the precise mechanisms underlying fatigue and task failure. Therefore, the main objective of this thesis was to study high-intensity exercise, using a multi-disciplinary approach to gain a better understanding of the differences processes determining task failure. Firstly, the energy-depletion model was evaluated, which states that task failure coincides with the depletion of a finite store of anaerobic energy. To this end, participants exercised on a cycle ergometer at a supra-maximal intensity until task failure, after which the power output was dropped to a lower, but still supra-maximal level. According to the energy depletion model, participants should not be able to continue cycling. However, the results showed that the participants continued cycling for a substantial time at this high-intensity workload. It was therefore concluded that anaerobic energy depletion could not have been the direct cause of task failure. The results subsequent calculations also indicated that the common methods to quantify anaerobic energy production, the critical power model and the maximal accumulated oxygen deficit method, might not be accurate. The purpose of the second study was to evaluate the potential involvement of subconscious mental processes during high-intensity cycling exercise, and to challenge the assumption that peripheral factors exclusively cause task failure. This was achieved by manipulation of perceived time by a displayed clock during high-intensity cycling exercise to task failure. Interestingly, participants cycled for a significantly longer time while watching a fast-running clock (x 1.1) compared to a slow (x 0.9) clock. From these results, it was concluded that central subconscious processes are involved in the regulation of task failure. Additional measurements of the activation patterns of four muscles in the lower leg (using electromyography) revealed a small difference in the recruitment strategy between the fast and slow clock condition, which might explain how participants prolonged their exercise duration. In the final study, participants performed repeated bouts of dynamic one-legged knee-extension exercise. A twitch-interpolation technique was used to monitor the contribution of central and peripheral factors to muscle fatigue during high-intensity exercise. The results revealed that central fatigue developed during the repeated bouts of high-intensity exercise. However, as no significant reduction in voluntary activation was observed after the first exercise bouts, central was not a prerequisite for task failure. Furthermore, task failure is thought to occur as a result of a critical reduction of maximal muscle force. However, inter-individual variations in maximal voluntary force after task failure suggested that not solely peripheral fatigue, but that a combination of different factors determines the moment of task failure during high-intensity exercise. Based on the results of the studies presented in this thesis, it can be concluded that muscle fatigue with central and peripheral components, but also (subconscious) mental processes contribute to task failure during high-intensity exercise. It is proposed that during exercise the integration of these fatiguing processes lead to an increase in the perception of effort, ultimately resulting in volitional task failure at the moment the maximal tolerable level has been reached. Ultimately, a model is proposed aiming to unify existing theories and provide an overview of the potentially limiting factors and mechanisms leading to task failure during high-intensity exercise.