Metabolic and electromechanical investigation during individual stimulated muscle exertion and volitional systemic adapted physical activity

Il nostro lavoro ha analizzato vari possibili aspetti che sono essenziali per definire programmi di attività fisica adattata; ci sono molti strumenti che permettono di effettuare varie tipologie di valutazione e ovviamente non tutti possono essere considerati. Il primo studio intendeva fornire un metodo innovativo ed obiettivo per misurare il grado di fornitura / prelievo di ossigeno nel singolo muscolo durante esercizio controllato da una stimolazione incrementale del pool di unità motorie, attraverso una stimolazione elettrica che fosse indipendente dalla motivazione e dal controllo centrale dei soggetti testati. Successivamente ci si è spostati da una valutazione locale ad una globale, studiando diverse tipologie di attività motoria adattata in un contesto riabilitativo. Nel secondo e nel quarto studio abbiamo trattato due diversi tipi di attività fisica adattata per persone affette da lesione midollare. In particolare la spesa energetica e gli adattamenti metabolici durante un'attività che simulava delle discipline sportive mediante una consolle per videogiochi e durante attività di handbike su un ergometro progettato in modo specifico. Nel terzo studio è stato invece analizzato un tipico trattamento riabilitativo per pazienti affetti da ictus; il trattamento consisteva nel cammino in sospensione con scarico del peso corporeo su uno specifico nastro trasportatore. In questo studio abbiamo indagato l'influenza della percentuale di scarico del peso corporeo e della velocità del treadmill sulla spesa energetica e sul reclutamento muscolare dei muscoli responsabili del cammino. Riassumendo i quattro studi erano: 1. Differenza tra fornitura e prelievo di ossigeno durante stimolazione elettrica incrementale nel muscolo tibiale anteriore. 2. Spesa energetica in attività fisica durante videogioco in soggetti affetti da lesione midollare. 3. Indice di costo fisiologico e reclutamento muscolare durante cammino in sospensione al nastro trasportatore in soggetti sani e soggetti affetti da ictus. 4. Valutazione metabolica di atleti disabili durante attività fisica con un ergometro specificatamente progettato: risultati preliminari. Le conclusioni di ogni studio sono state: 1. Il nostro lavoro ha fornito uno strumento relativamente semplice per valutare obiettivamente il bilancio tra ossigeno fornito e prelevato, indipendentemente dalla motivazione del soggetto, nel muscolo scheletrico umano a vari livelli di forza prodotta. In particolare il sistema ha mostrato che, più alto era la concentrazione di O2Hb, migliore era la risposta del microcircolo nell'evitare che vi fosse una grossa differenza tra O2 fornita e prelevata. Inoltre, più il muscolo era affaticabile, più elevato era la differenza tra O2 fornito e prelevato. Questo fattore può essere relativo al livello di inadeguatezza del microcircolo a soddisfare l'aumentata richiesta di O2 via via che il livello di contrazione aumentava, nel quale sempre più emoglobina ossigenata doveva essere convertita in deossigenata. Questo sistema può essere usato per stimare la cinetica degli adattamenti aerobici durante I transienti dell'aumentata richiesta metabolica nei muscoli affetti da specifiche miopatie o in seguito a protocolli riabilitativi, di trattamento e/o programmi di allenamento. 2. Questo lavoro suggerisce che nei oggetti affetti da lesione midollare, la pratica di attività fisica con videogame che simulino sport reali, induce un incremento significativo dei parametri cardiopolmonari e metabolici. Gli adattamenti funzionali correlati, specialmente per la simulazione del pugilato, possono essere considerati come uno stimolo aerobico per promuovere la salute. Inoltre l'incremento di spesa energetica può giocare un ruolo importante nel computo calorico giornaliero quando i soggetti cercano di controllare i loro peso. 3. Il cammino in sospensione al nastro trasportatore per soggetti sani o soggetti con esiti di ictus, permette ai pazienti di avere delle sessioni di allenamento più lunghe ed efficaci con un inferiore indice di costo fisiologico. Questo parametro e il consumo di ossigeno, sono fortemente correlati e di conseguenza, l'indice di costo fisiologico può essere usato in un ambiente clinico in maniera economica, senza particolari strumentazioni, in modo da poter confrontare due o più soggetti. Il significato del miglior rapporto tra reclutamento elettrico dei muscoli degli arti inferiori e indice di costo fisiologico deve essere approfondito. Uno studio longitudinale potrebbe essere utile per verificare che la combinazione di riduzione del peso corporeo e velocità del nastro trasportatore sia la più favorevole per consentire un allenamento muscolare ed aerobico adeguati a ri-allenare pazienti con esiti di ictus. 4. I dati preliminari confermano che l'ergometro handbike, appositamente progettato può aiutare a controllare l'intensità dell'esercizio praticato. Una integrazione di successo di allenamenti aerobici in protocolli riabilitativi per soggetti affetti da lesione midollare può essere più semplice se l'esercizio è sicuro, facilmente adattabile a soggetti con scarsa capacità fisica, divertente, motivante e utile per l'attività di mobilità quotidiana. La pratica dell'hanbike soddisfa questi requisiti. Gli accorgimenti più importanti di questo ergometro sono un'adeguata ed ergonomica interfaccia ed un sistema di controllo preciso ed affidabile della potenza prodotta dal soggetto. Inoltre, un sistema che può essere usato sia per valutare che per allenare, può essere uno strumento molto utile nell'aiutare gli operatori dell'attività fisica adattata a pianificare specifici programmi di attività fisica. Ulteriori studi saranno necessari su un gruppo di individui simile, ma più numeroso.

Our research has analysed various possible aspects that are essential to define custom programs of Adapted Physical Activity; there are many tools that allow performing various types of assessments and obviously not everyone could be considered. Therefore the first study was aimed to provide a novel objective method to measure the degree of individual muscle oxygen supply/uptake balance during exertion through a controlled incremental activation of the motor unit (MU) pool through neuromuscular electrical stimulation (NMES) that is independent from motivation and central control of tested subjects. This tool could be applied to estimate the kinetics of aerobic adaptation to increasing metabolic demand in muscles affected by myopathies or subjected to rehabilitation or training programmes. Afterwards we have moved from local to global measures, studying different kinds of APA in a rehabilitation setting. In second and fourth study we treat two different special leisure time physical activities for SCI subjects. In particular, energy expenditure and metabolic adaptation during activity promoting video games (APVG) and during handbike exercise on a specific designed ergometer. At the end, in the research, we investigated a typical post stroke rehabilitation treatment, such as BWS, studying the influence of body weight reduction and walking speed on energy expenditure and lower limb muscles recruitment. Summarizing the four studies were: 1. Oxygen supply/uptake mismatch during incremental stimulation of human tibialis anterior. 2. Energy expenditure of activity-promoting video games in spinal cord injured subjects. 3. Physiological Cost Index and Muscular Recruitment during Body Weight Support Treadmill Training in Healthy and Stroke Patients 4. Metabolic evaluation of the disabled athlete during handcycling on a specific designed ergometer: preliminary results Conclusions of the four studies were: 1. Our work provided a relatively simple tool for the objective functional evaluation of the O2 supply/uptake balance, independent of subject motivation, in a single skeletal muscle in humans at increasing levels of output force. In particular its sensitivity showed that the higher the O2Hb concentration at rest, the better is the specific behaviour of the microvascular network response, with incremental stimulation, in limiting O2M. Indeed, Fig. 2.3 clearly shows that the higher the fatigability of the stimulated muscle, the higher the O2M area. This fact may be related to the degree of inadequacy of the microcirculation to match the increased O2 demand from one level of the evoked contractions to the next, more intense, level with more O2Hb to be deoxygenated to HHb. This tool could be applied to estimate the kinetics of aerobic adaptation during transients of increasing metabolic demand in muscles affected by specific myopathies or the effects of particular rehabilitation protocols, treatments and/or training programmes. 2. This work suggests that in spinal cord injured subjects APVG practice induces sizeable increases of cardiopulmonary and metabolic parameters. The related functional adaptations, especially for boxing, may be considered an aerobic training stimulus to promote health. Furthermore, the energy expenditure increase may play a role in total energy balance computation when subject weight control is sought for. 3. Body weight support treadmill training in healthy or post stroke subjects is well tolerated. This practice enables post stroke patients to have longer and more effective training session with a lower physiological cost index. This last and VO2 are strongly correlated so, the PCI can be evaluated inexpensively in a clinical setting, to get exercise capacity on treadmill and compare two or more patients. The best EMGTOT / PCI value significance requires further analysis. A longitudinal study will be suitable to check if the suggested combination of speed and BWR will be the most favourable to reach a valuable muscular and aerobic training stimuli to retain post stroke patient. 4. These preliminary results introduced a new instrumented handbike which will help to control handcycling intensity. A successful integration of aerobic exercise training into rehabilitation protocol of people with Spinal Cord Injury may be more likely if aerobic exercise is safe, easily adjustable to a low physical capacity subject, fun to do, motivating, and useful in daily mobility. Handbike practice may meet these requirements. Important features of this ergometer are an adequate ergonomic interface and an optimal system to impose a precise power exertion. A system that allows training and testing with the same device, may be a useful tools in helping Adapted Physical Activity operators to plan specific physical activity programs. Further studies need to be conducted with similar but larger populations.