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REPERCUSIONES DE LA ARQUITECTURA DEL
MÚSCULO EN LA MANIFESTACIÓN DE LA FUERZA
Luis María Alegre Durán (Universidad de León)
José Manuel Gonzalo Orden (Universidad de León)
Cesáreo López Rodríguez (Universidad de León)
Xavier Aguado Jódar (Universidad de Castilla la Mancha)
La causa de que un determinado programa de entrenamiento tenga mayor eficacia que otro
puede radicar muchas veces en los cambios en la arquitectura muscular que induce. Éstos,
que pueden ser estudiados a partir de imágenes de ecografía y de resonancia magnética,
condicionarán en gran medida la manifestación de la fuerza.
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1-INTRODUCCIÓN
Con el entrenamiento provocamos cambios en la arquitectura de nuestros músculos. Las
dimensiones, orientación espacial de los diferentes elementos que constituyen el músculo y por
tanto las propiedades mecánicas de éste se ven modificadas. Algunos autores llegan a afirmar que
estos cambios pueden tener más peso en la manifestación de la fuerza que, por ejemplo, el
porcentaje de diferentes tipos de fibras que pueda tener el músculo (Kawakami y cols, 2000; Abe y
cols, 2001).
Los estudios de la arquitectura muscular son relativamente recientes. Hasta el comienzo de los
años 80 no aparecen los primeros trabajos, obtenidos de cadáveres (An y cols, 1981; Wickievicz y
cols, 1983, 1984).
Recientemente y aprovechando las posibilidades de nuevas tecnologías como la ecografía y la
resonancia magnética han aparecido las primeras investigaciones en músculos humanos
realizadas in vivo (Rutherford y Jones, 1992; Kawakami y cols, 1993; Scott y Engstrom, 1993).
Las más recientes investigaciones se han orientado en torno a los siguientes objetivos:
-
Descripción de la morfología y comportamiento de los diferentes elementos, por
separado, que constituyen el músculo (Rutherford y Jones, 1992; Narici y cols,
1996; Maganaris y cols, 1998, 1999; Chow y cols, 2000; Kawakami y cols 1993,
2000).
- La elasticidad del músculo (Fukunaga y cols, 1996, 1997; Ito y cols, 1998; Kubo y
cols, 1999, 2000a, 2000b; Ichinose y cols, 2000; Maganaris y cols, 2000).
-
El efecto de diferentes tipos y niveles de entrenamiento. La mayoría de los
estudios realizados son transversales (Ichinose 1998a, 1998b; Abe y cols, 1999,
2
2000, 2001; Kearns y cols, 2000; Kumagai y cols, 2000). Son pocos los estudios
longitudinales (Kawakami y cols, 1995; Blazevich, 2000; Blazevich y Giorgi, 2001).
Todavía hay planteados interrogantes, especialmente en el tercero de los puntos enumerados.
Sin embargo, dado el interés que está suscitando entre los científicos, es previsible que en los
próximos años aumente considerablemente el conocimiento que tenemos de las repercusiones que
el entrenamiento y desentrenamiento tienen en la mecánica del músculo y cómo determinados
programas nos pueden llevar a ganar fuerza más eficazmente.
En este trabajo vamos a exponer, inicialmente, diferentes aspectos de la metodología de
medición de la arquitectura muscular. Finalmente, con ejemplos prácticos, mostraremos las
repercusiones que tiene la arquitectura en la manifestación de la fuerza.
2- ESTUDIO DE LA ARQUITECTURA PARTIENDO DE IMÁGENES
Las imágenes de ecografía y resonancia magnética permiten cuantificar diferentes aspectos
de la arquitectura muscular. El grosor muscular, el ángulo de peneación, la longitud de las fibras y
las áreas de sección transversal anatómica (CSA) y fisiológica (PCSA) se calculan a partir de estas
imágenes (Alegre y cols, 2001).
La ecografía se considera el método de elección para medir el grosor muscular y los ángulos de
peneación por la menor complejidad de manejo, mayor rapidez y menor coste (Narici, 1999). La
resonancia magnética, por su lado, se usará para medir las áreas de sección transversal CSA y
PCSA por su alta precisión.
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2.1 Metodología
A continuación se describen los protocolos que manejamos en las medidas de de la arquitectura
muscular.
Las mediciones que se usan como ejemplos en este artículo han sido realizadas en el vasto
lateral (al 50% de la distancia entre el trocánter mayor del fémur y la apófisis estiloides del peroné) y
en los gastrocnemios medial y lateral (al 30 % de la distancia desde la apófisis estiloides del
peroné hasta el maleolo lateral). Antes de las pruebas el examinador identifica el plano medio-sagital
de los vientres musculares y los marca con un rotulador durante una leve contracción isométrica
(Figura 1).
Figura 1: Puntos anatómicos
sobre los que se realizarán los
cortes. En la figura de la
izquierda se ve el punto del
vasto lateral mientras que en la
de la derecha se muestran los
de los gastrocnemios.
Las imágenes de ecografía las hemos tomado en modo B y tiempo real con un equipo de
General Electric (modelo Logiq 500MD). Hemos usado un cabezal lineal en 7.5 MHz, a 4 cm de
profundidad, siendo analizadas mediante el software Osiris (v 3.6). El cabezal del ecógrafo se coloca
perpendicularmente a la piel, sin hundir su superficie y cubierto con gel transmisor hidrosoluble. En
las ecografías hemos hecho cortes oblicuo-sagitales.
4
En la medición del vasto lateral los sujetos se colocan sentados, con la rodilla extendida y el
talón apoyado en un taburete. En la medición de los gastrocnemios los sujetos se colocan
sentados, con la rodilla flexionada 90º, el tobillo en posición anatómica y la planta del pie apoyada
en el suelo. En todas las mediciones el examinador se asegura de que la musculatura analizada
esta relajada.
En las imágenes de ecografía se identifican el tejido adiposo, el músculo y las aponeurosis
musculares para medir, después de digitalizar con la ayuda de un ratón, el grosor muscular y el
ángulo de peneación. A partir de éstas medidas se calculará posteriormente la longitud de las fibras.
Las imágenes de resonancia magnética las hemos obtenido con la antena de cabeza de un
equipo de General Electric (modelo Genesis Signa) con un imán de 0.2 Tesla. El sujeto se coloca en
decúbito prono. En las resonancias hemos hecho cortes transversales.
En las imágenes de resonancia el examinador identifica visualmente como referencia el borde
externo del músculo y traza con el ratón una línea por él. Así se completa un área cerrada que le
permite calcular el CSA. (Figura 2).
La ecografía y la resonancia magnética son instrumentos validados para la medida de la
arquitectura muscular in vivo (Kawakami y cols,1993; Narici y cols, 1996). En estos trabajos se
comparan medidas de ecografía con otras obtenidas directamente, mediante disección en
cadáveres.
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Figura 2: Marcaje del perímetro, en el gastrocnemio medial, sobre el que calculamos el área de sección transversal anatómica
(CSA), en una imagen de resonancia magnética. En esta imagen se obtiene un CSA de 16,33 cm2.
2.1 Variables de la arquitectura
En este apartado se comenta cómo medimos las principales variables de la arquitectura
muscular junto con resultados de estudios de fiabilidad.
Grosor muscularSe considera como grosor muscular la distancia entre el borde inferior de la aponeurosis
superficial y el borde superior de la aponeurosis profunda, tomando una medida en cada extremo
lateral de la imagen y hallando la media aritmética de las dos (Figura 3). El examinador se asegura
de que la línea con la que calcula la distancia es perpendicular a la aponeurosis profunda del
músculo.
Es la variable que mayor estabilidad presenta en las medidas test-retest. En la bibliografía se
le atribuyen CV entre 4,8 y 8 %, mientras que en nuestro estudio, realizado con 11 sujetos, se
situaban entre el 2,1 y el 4% (Alegre y cols, 2002) (Tablas 1 y 2).
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Figura 3: Cálculo del grosor muscular
en una imagen de ecografía del
gastrocnemio lateral. En esta imagen se
obtiene un grosor muscular de 1,89
cm.
Gmusc. CV en %
α . CV en %
Lf. CV en %
Vasto lateral
2.9±1 (1.6-4.9)
8.2±5.2 (0-17.2)
7.3±5.1 (0.9-16.4)
Gastroc lateral
4.6±3.3 (1.5-11)
5.8±4 (0-10.8)
4.9±4.2 (0.4-11.6)
Gastroc medial
2.6±0.9 (1.2-4.2)
5.4±2.9 (2.1-12.4)
4.7±3.6 (1.2-13.3)
Tabla 1: Resultados de un estudio de fiabilidad en la digitalización de imágenes de ecografía en los que se ha calculado el
grosor muscular (Gmusc) el ángulo de peneación (α) y la longitud de fascículos (Lf). El estudio se realizó en 3 músculos (vasto
lateral, gastrocnemio medial y gastrocnemio lateral) de 11 sujetos (Alegre y cols, 2002). Los resultados se expresan en forma de
los promedios de los coeficientes de variación (CV).
Músculos estudiados
Autor (año)
Fiabilidad en diferentes
imágenes. CV en %
Fiabilidad una misma
imagen. CV en %
Tibial anterior
Maganaris y
Baltzopoulos
(1999)
Gmusc: 8
Lf: 8
α: 8
Gmusc: 3
Lf: 3
α: 3
Gastrocnemio medial
Narici y cols
(1996)
Gmusc: 4.8
Lf: 5.9
α: 9.8
Alegre y cols
(2002)
Gmusc: 2.6-4.6
Lf: 4.7-7.3
α: 5.4-8.2
Tabla
estudios
de
obtención
arquitectura
2:
Diferentes
fiabilidad
de
en
variables
muscular
la
de
con
ecografía. Los resultados que se
Vasto lateral
Gastrocnemio lateral
Gastrocnemio medial
Gmusc: 0.3
Lf: 0.6
α: < 0.1
indican son el rango de mejor a
peor de cada estudio.
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Angulo de peneaciónSe usan las mismas imágenes en las que se midió el grosor muscular. Este ángulo se mide
entre la aponeurosis profunda y los interespacios de los fascículos musculares. Tomamos dos
medidas en dos lugares distintos de una misma imagen y hallamos la media aritmética.
En la bibliografía aparecen valores de fiabilidad con CV entre 8 y el 9,8 %. En nuestro estudio
obtuvimos valores entre el 5,1 y el 9 % (Tablas 1 y 2).
El ángulo de peneación es la variable de arquitectura muscular que peores resultados da en
fiabilidad, debido principalmente a que en algunos sujetos las imágenes obtenidas son difíciles de
interpretar. También influye el que en los músculos con ángulos de peneación pequeños (entre 8º y
25º), como el vasto lateral, pequeñas variaciones en la medida (entre 1 y 2º) significan un error
porcentual grande. No obstante la fiabilidad es suficientemente buena para seguir usando la actual
metodología.
Longitud de los fascículos muscularesEn este caso volvemos a usar la misma imagen y aplicamos la Ecuación 1 (Kawakami y cols,
1995). En esta ecuación se representa el ángulo de peneación como α.
Ecuación 1
Longitud del fascículo =
grosor muscular
sen α
En la bibliografía encontramos CV de fiabilidad entre 0 y 8%, mientras que en nuestro estudio
se sitúan entre 3.5 y 8.5 % (Alegre y cols, 2002) (Tablas 1 y 2).
Área de sección transversalMedimos el CSA sobre una imagen de resonancia magnética con el área en cm2 de un corte
perpendicular al eje mecánico del músculo. Al medir el CSA no tenemos en cuenta la grasa
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intramuscular y el tejido no contráctil. Esto puede llevar a sobreestimar el CSA, especialmente en
individuos no entrenados, que suelen presentar depósitos grasos dentro del músculo (Kanehisa y
cols, 1997), cosa que no ocurre en deportistas, con bajos porcentajes de grasa corporal.
En algunos individuos (especialmente en aquellos con bajos porcentajes de grasa corporal) a
veces hay problemas para delimitar toda la superficie de corte del músculo al no presentan grasa
intramuscular, que actúa como delimitador de cada vientre.
En nuestro estudio sobre reproducibilidad de digitalizaciones de CSA del vasto lateral
realizado en tres sujetos distintos (Alegre, 2001) los CV día a día de las digitalizaciones sobre una
misma imagen arrojaban valores que iban del 0,5 al 0,8% lo que indica que esta técnica es muy
reproducible.
El PCSA correlaciona mejor que el CSA con la máxima fuerza que puede manifestar el músculo.
Para su obtención requiere de un corte perpendicular a todas las fibras del músculo. Nosotros, de
momento, no la calculamos debido a la complejidad de la metodología que requiere.
3- ARQUITECTURA MUSCULAR Y EFICACIA DE LA FUERZA
La arquitectura muscular varia considerablemente de unas personas a otras debido a diversas
causas. Características genéticas, sexo, raza, edad y tipo de entrenamiento han sido mencionadas
en la bibliografía (Alegre y cols, 2001). Estas variaciones en sí mismas explicarían gran parte de las
diferencias interindividuales en la manifestación de la fuerza.
El entrenamiento de fuerza aumenta el tamaño del músculo y provoca cambios en su
arquitectura. Los cambios más habituales van en el sentido de aumentar el grosor muscular, los
ángulos de peneación y el área de sección transversal (Kawakami y cols, 1995; Narici, 1999;
Blazevich y Giorgi, 2001).
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Si el músculo se hipertrofia, cabe esperar un aumento proporcional de su fuerza. La hipertrofia
conlleva mayor cantidad de material contráctil unido al tendón por unidad de superficie (Rutherford y
Jones, 1992; Narici, 1992; Kawakami y cols, 1993; Blazevich, 2000) pues habrá más sarcómeros en
paralelo (Figura 4). Al contraerse el músculo la fuerza que producirá será proporcional al número de
sarcómeros en paralelo activados.
Figura 4: Modelo mecánico que explica la proporción que
existe entre la fuerza y el número de sarcómeros en paralelo
activados. Cuando un músculo se hipertrofia aumenta el
número de sarcómeros en paralelo.
La Figura 5 muestra, mediante imágenes de resonancia magnética, cortes transversales del
muslo en dos personas distintas. En los dos se ha medido el CSA del vasto lateral del cuadriceps.
En el de la izquierda se ha obtenido un área de 24,37 cm2 mientras que en el de la derecha se ha
obtenido un área de 41,98 cm2. El CSA y el PCSA correlacionan con la máxima fuerza que el
músculo puede producir (Figura 6). Se sabe que el ratio de fuerza por unidad de CSA (en la
bibliografía se le suele denominar tensión específica) que puede desarrollar el vasto lateral es de
30 N/cm2 (Enoka, 1994). Si la persona de la derecha pasara a tener una sección como la de la
izquierda sin ningún otro tipo más de modificación podría haber ganado 528,3 N en la fuerza
máxima.
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Figura 5: Cortes del muslo con resonancia magnética en los que hemos medido el área de sección transversal anatómica (CSA).
En la imagen de la izquierda se obtiene un CSA de 24,37 cm2, mientras que en la de la derecha se obtienen 41,98 cm2.
En la Figura 7 se ven imágenes de ecografía correspondientes a dos personas diferentes. La
imagen de la izquierda tiene un ángulo de peneación de 14º y una longitud de fascículos de 5,5 cm,
mientras que los resultados en la imagen de la derecha son de 12º y 8,47 cm. Si la persona a la que
corresponde la imagen de la derecha pasara a tener una longitud de fascículos como la de la
izquierda sin ningún otro tipo más de modificación podría haber ganado en velocidad de
acortamiento 1,2 cm/s (un 52,5% más rápido). Para este cálculo se ha supuesto en ambos casos
un acortamiento en la contracción de un 10% de la longitud de los fascículos y una velocidad de
2,28 cm/s a nivel del tendón (Enoka, 1994).
Figura 6: Relación entre fuerza y área de
sección transversal anatómica (CSA). En
la gráfica se puede ver como al tener
mayor CSA se tienen las siguientes
ventajas: mayores posibilidades de ejercer
fuerza
en
términos
absolutos
(a),
ejerciendo la misma fuerza se podrá
hacer a mayor velocidad (b) y realizando
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la contracción a la misma velocidad se
podrá ejercer más fuerza (c).
Figura 7:Imágenes
de ecografía del gastrocnemio lateral en las que se han medido el ángulo de peneación y la longitud de
7:
fascículos. En la izquierda se ha obtenido 14º y 5,5 cm, mientras que en la derecha se han obtenido respectivamente 12º y 8,47
cm.
Si el entrenamiento provocara que los fascículos crecieran a lo largo (mecanismo que se ha
propuesto en la bibliografía pero no se ha demostrado) aparecerían nuevos sarcómeros en serie, se
conservaría la fuerza que puede realizar el músculo, pero aumentaría la velocidad de acortamiento
al variar en mayor distancia la longitud del músculo en la contracción (Figura 8).
Figura 8: Modelo mecánico (arriba) y gráfica (abajo)
que muestran que al tener más sarcómeros activados
en serie o fascículos más largos se consigue mayor
velocidad en la contracción muscular, pero no se
consigue más fuerza en términos absolutos como se
puede ver en la gráfica.
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En el vasto lateral se ha visto que los luchadores de sumo tenían grosores mayores,
ángulos de peneación iguales y longitud de fascículos mayores que un grupo de sujetos control
(Kearns y cols, 2000). Por otro lado, en un estudio hecho a velocistas se vio en sus gastrocnemios
laterales que un grupo que tenía menos de 10,9 s en los 100 m presentaba una longitud media de
fascículos de 8,07 cm frente a 6,55 cm de otro grupo que tenía entre 11 y 11,7 s (Kumagai y cols,
2000).
Aunque no se ha hecho un estudio longitudinal se cree que ciertos entrenamientos de fuerza a
largo plazo, tras los cambios iniciales que hemos descrito, podrían inducir la disminución del ángulo
de peneación y el paralelo aumento de la longitud de las fibras. La sucesión de cambios que se
cree que se darían con este tipo de entrenamiento es la siguiente (Kearns y cols, 2000):
1. Aumento del grosor muscular.
2. Aumento de los ángulos de peneación.
3.
Disminución de la tensión específica.
4. Aumento de la tensión de los fascículos musculares.
5. Curvatura de los fascículos musculares.
6. Alargamiento de los fascículos musculares.
7. Disminución de los ángulos de peneación.
8. Disminución de la tensión de los fascículos musculares.
9. Recuperación de valores normales de tensión específica.
A modo de conclusión: hemos mostrado con ejemplos prácticos la dependencia que la fuerza
tiene de la arquitectura muscular. Las imágenes que hemos usado pertenecen a sujetos diferentes
aunque con ellas hemos justificado la importancia de la arquitectura muscular. No obstante
interesantes preguntas son objeto de discusión hoy en día: ¿hasta qué punto una persona tiene
capacidad de modificar su arquitectura muscular?, ¿se están usando los entrenamientos más
eficaces?, ¿qué tipos de entrenamiento serán los más adecuados en diferentes disciplinas?.
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