לקבוע את התרומה של מערכות אנרגיה במהלך פעילות גופנית
20 במרץ 2012
פרוטוקול זה מאפשר החוקרים התמקדו פעילות גופנית וספורט מדעי כדי לקבוע את התרומה היחסית של שלוש מערכות אנרגיה שונות הוצאות האנרגיה במהלך מגוון גדול של תרגילים.
שלום, אני ד"ר אמריסון פרנק. הקבוצה שלנו מדגימה כיצד לקבוע את מערכות האנרגיה בענפי ספורט שקשה לשחזר בסביבות מבוקרות, כגון מעבדות לפיזיולוגיה של המאמץ. לכל ענף ספורט מאפיינים ספציפיים המקנים לו דרישות מטבוליות שונות.
אחד ההיבטים החשובים ביותר של הדרישה המטבולית הוא התרומה היחסית של מערכות האנרגיה, כלומר המערכות האירוביות, הלטיקה-אנאירוביות והאנאירוביות. ניתן לדמות באופן חלקי וקל חלק מענפי הספורט, ולכן לחקור אותם בתנאי מעבדה, מאחר שהם מחזוריים וצפויים. מנגד, חלק מענפי הספורט אינם צפויים ותלויים באינטראקציה מורכבת בין חברי קבוצה ו/או יריבים.
זהו המצב ברוב ענפי ספורט הנבחרות ובמספר ענפי ספורט אישיים. כאן נראה כיצד ניתן להעריך את התרומה היחסית של מערכות האנרגיה במהלך פעילות גופנית. למרות שהשיטה מתאימה לכל סוג של פעילות, נשים דגש על התאמתה לחלקים בלתי צפויים בשל מאפייניהם הייחודיים.
ג'ודו ישמש כדוגמה לאופן שבו ניתן להתאים את הפרוצדורה. בהתאם לתנועות הספורטאי, חוקרים המתמקדים בענפי ספורט אחרים יוכלו להתאים את הפרוצדורה בקלות. על בסיס המוצג כאן, יימדדו המשתנים הפיזיולוגיים הבאים.
מנוחה, צריכת חמצן, מאמץ, צריכת חמצן, לאחר מאמץ, צריכת חמצן, ריכוז לקטט בפלזמה במנוחה, לאחר מאמץ, שיא לקטט בפלזמה. ראשית, יש לאסוף דגימת דם במצב מנוחה ולמדוד צריכת חמצן במנוחה למשך חמש דקות לפחות. ספיגת החמצן במהלך 30 השניות האחרונות של תקופה זו משמשת לחישוב ערך הבסיס ותרומת המטבוליזם החמצוני. לאיסוף דגימת דם, נלקח נפח קטן של דם קפילרי מהאונו של האפרכסת או מקצה האצבע; לאחר האיסוף, מועבר באמצעות מיקרו-פיפט נפח ידוע של דם לנפח זהה של תמיסת נתרן פלוריד 1%. מאמץ.
יש למדוד את צריכת החמצן באמצעות אנלייזר גזים נייד, המסוגל למדוד צריכת חמצן על בסיס כל נשימה ונשימה. יש להניח את המסכה ולוודא שהיא אטומה כראוי כדי למנוע דליפה של האוויר הנשף.
יש להדביק תמיד את הציוד בהתאם להוראות היצרן לפני איסוף הנתונים. בדרך כלל, הציוד ממוקם בגבו של הספורטאי. עם זאת, בענפי ספורט מורכבים, יש להתאים את מיקום הציוד באמצעות ג'ודו.
לדוגמה, אם הטכניקה דורשת מגע גבי, את הציוד מניחים על החזה. אם הטכניקה דורשת מגע קדמי, את הציוד מניחים על הגב. כך יש לנהוג גם כאשר הגב נוגע בקרקע.
אם הטכניקה דורשת מגע צדי, הציוד ממוקם בצד הנגדי. באמצעות מספר התאמות לכללי התחרות, ניתן ליצור תרגיל שבו הספורטאי נחשף לדרישה דומה מאוד לזו שקיימת בספורט. לדוגמה, כאן אנו מדמים קרב ג'ודו כדי למנוע נזק לציוד.
היריב אינו מבצע השלכה יעילה כלשהי. כמו כן, הספורטאי הנבדק אינו רשאי לבצע כל השלכה הדורשת מגע גב. עם סיום איסוף הנתונים, נהיה מוכנים להתחיל בהליכים לחישוב תרומת האנרגיה.
בואו נראה כיצד לבצע זאת. ראשית, יש למדוד את רמת הלַקְטַט בפלזמה; סחרור של הדם להפרדת הפלזמה מהאריתרוציטים. לאחר מכן ניתן למדוד את הלַקְטַט בפלזמה באופן ספקטרופוטומטרי, פלואורומטרי או אלקטרוכימי.
במעבדה שלנו, אנו משתמשים בדרך כלל בשיטה אלקטרוכימית באמצעות מנתח לקטט אוטומטי. התוצאה מוצגת באופן מיידי במסך קטן ולאחר מכן יש לתקנה לפי מקדם הדילול. זוהי עקומה טיפית של צריכת חמצן במנוחה או בקו הבסיס במהלך מאמץ ואחרי מאמץ.
בבחינה מקרובה של עקומת לאחר-המאמץ, ניתן להבחין בשני רכיבים שונים. הרכיב המהיר והרכיב האיטי; כדי לחשב את תרומתו של המטבוליזם האירובי להוצאה האנרגטית הכוללת במהלך המאמץ, יש לקבוע את ערך הבסיס או ערך המנוחה של צריכת החמצן. ניתן לעשות זאת על ידי חישוב הממוצע של 30 השניות האחרונות של העקומה.
לאחר מכן, הכפילו את הערך שהתקבל בזמן כולל של הפעילות הגופנית. לדוגמה, אם משך הפעילות היה חמש דקות, הכפילו את צריכת החמצן במנוחה בחמש. קבעו את סך צריכת החמצן במהלך הפעילות הגופנית על ידי חישוב השטח תחת העקומה של צריכת החמצן בזמן פעילות.
השתמש בשיטת הטרפז כדי לחשב את השטח תחת העקומה. לבסוף, החסר את צריכת החמצן הבסיסית מצריכת החמצן בזמן מאמץ. כדי לחשב את תרומתו של המטבוליזם האנאירובי, יש להתאים את הקינטיקה של העקומה לאחר המאמץ למודל מונו-אקספוננציאלי או בי-אקספוננציאלי.
השתמשו בנתונים שהתקבלו בכל נשימה, לאחר התאמה לעקומת אקספוננציאל đơn-מונמית (mono exponential) ולעקומת אקספוננציאל דו-מונמית (bio exponential). ניתן לבצע זאת בעזרת תוכנה מתמטית. אם התרגיל הנחקר הוא בעל תבנית עקומה שאינה ידועה, יש לבחון הן את המודל המונו-אקספוננציאלי והן את המודל הביו-אקספוננציאלי כדי לאמת איזה מהם מתאים בצורה הטובה ביותר לנתונים שלכם.
על מנת לעשות זאת, השתמש בתוכנה כדי להפיק התאמות אקספוננציאליות חד-מעריכיות (mono exponential) ודו-מעריכיות (bi exponential). במודל המיטבי, העקומה האמיתית קרובה יותר לעקומה המותאמת. באמצעות הנתונים של העקומה האמיתית והעקומה המותאמת, חשב את השארית (residue) של המודל עבור כל נשימה.
כלומר, יש להחסיר את הערך המותאם מהערך האמיתי ולהעלות את התוצאה בריבוע. לאחר חישוב השארית של כל נקודה בעקומה עבור התאמות מונו-אקספוננציאליות ודו-אקספוננציאליות, יש לבדוק האם השאריות שונות בין המודלים באמצעות מבחן F. המודל הטוב ביותר הוא זה שיצר את השארית הקטנה ביותר.
אם אין הבדל משמעותי בין המודלים, השתמשו במודל הפשוט ביותר, שהוא המודל המונו-אקספוננציאלי. לבסוף, השתמשו במונחים של המשוואה שהתמיטה העקומה הטובה ביותר כדי לחשב את תרומתו של המטבוליזם החשמלי. לדוגמה, זוהי המשוואה להתאמה מונו-אקספוננציאלית.
השתמשו במונחים אלו כדי לחשב את התרומה האלסטית האנרובית באמצעות המשוואה הבאה. יש לחלק את האמפליטודה A1 ב-60, כדי להמיר את היחידה מיליליטרים לדקה למיליליטרים לשנייה. כדי לחשב את התרומה של המטבוליזם הלקטי והאנרובי, אנו מניחים שמילימול אחד של לקטט מעל ערכי המנוחה תואם לצריכה של שלושה מיליליטרים של חמצן לקילוגרם מסת גוף.
לפיכך, שיא הלכתאט בפלסמה דלתא, שהוא שיא הלכתאט בפלסמה פחות הלכתאט בפלסמה במנוחה, מוכפל בשלוש ובמסת הגוף של הספורטאי. התוצאה במיליליטרים מומרת לאחר מכן לליטרים ולאנרגיה, תחת הנחה שכל ליטר חמצן שווה ל-20.92 kilojoules. לבסוף, התוצאה שהתקבלה מכל מערכת מסוכמת, כך שמתקבלת ההוצאה האנרגטית הכוללת במהלך הפעילות, וניתן לחשב את התרומה היחסית של כל מערכת לסה"כ האנרגיה.
השיטה שהצגנו כאן יכולה לשמש הן עבור פעילות גופנית רציפה והן עבור פעילות לסירוגין. היתרון הגדול של השיטה הוא שניתן להתאימה לתרגילים ולספורט שקשה לדמות בתנאי מעבדה מבוקרים. כמו כן, זוהי השיטה היחידה הזמינה המסוגלת להעריך את התרומה של שלושת מערכות האנרגיה השונות.
כך, שיטה זו מאפשרת לחקור תגובות פיזיולוגיות בדמיון רב למצבים ממשיים, ובכך מספקת תוקף אקולוגי רצוי למחקר זה. לדוגמה, במחקר של Benefit L, אושש כי המקור העיקרי לאנרגיה במהלך אחת הבדיקות האנאירוביות הנפוצות ביותר, מבחן הכנף האנאירובי (wing gauge anaerobic test), הוא המטבוליזם האנאירובי. באופן מדויק יותר, 50% גליקוליטי, 30% אטי ו-20% אירובי.
מחקרים אחרונים של הקבוצה שלנו אפיינו גם את התרומות האנרגטיות של טיפוס רחוב (טיפוס קירות), חתירה וג'ודו, כפי שמוצג בדוגמה זו. אכן, הידע על התרומה האנרגטית הוא קריטי לפיתוח אסטרטגיות גנטיות, לאימון, לניטור, או אפילו לתיקוף של בדיקה.
סקירה כללית
פרוטוקול זה מאפשר לחוקרים המתמקדים במדעי הפעילות הגופנית והספורט לקבוע את התרומה היחסית של שלוש מערכות אנרגיה שונות להוצאה האנרגטית הכוללת במהלך מגוון תרגילי אימון. השיטה מותאמת במיוחד לענפי ספורט בלתי צפויים, תוך שימוש בג'ודו כדוגמה.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- פיזיולוגיה של המאמץ
- מדעי הספורט
- ניתוח מטבולי
רקע
- לסוגי ספורט שונים יש דרישות מטבוליות ייחודיות.
- הבנת התרומה של מערכות האנרגיה חיונית לניתוח ביצועים.
- קושי קיים בשחזור חלק מענפי הספורט בסביבות מבוקרות.
- ספורט קבוצתי כולל לעיתים קרובות אינטראקציות בלתי צפויות.
מטרת המחקר
- להערכת התרומות היחסיות של מערכות האנרגיה האירובית, הלקטית והאנאירובית במהלך פעילות גופנית.
- להתאמת שיטת ההערכה לענפי ספורט בעלי אופי בלתי צפוי.
- לספק פרוטוקול שניתן ליישם בענפי ספורט שונים.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- מדידת צריכת חמצן במצב מנוחה ובמהלך פעילות גופנית.
- איסוף דגימות דם להערכת ריכוז לקטט בפלזמה.
- שימוש במנתחי גזים ניידים למדידת צריכת חמצן נשימה אחר נשימה.
- יישום מודלים מתמטיים לניתוח קינטיקה של צריכת חמצן לאחר פעילות גופנית.
תוצאות עיקריות
- צריכת חמצן בסיסית נקבעת לצורך חישוב מדויק של תרומות האנרגיה.
- עקומות לאחר מאמץ חושפות רכיבים נפרדים לניתוח.
- מידול מתמטי מסייע בקביעת ההתאמה הטובה ביותר עבור נתוני צריכת החמצן.
- ניתן לכמת תרומות אנרגיה ממסלולים מטבוליים שונים.
מסקנות
- הפרוטוקול מעריך ביעילות את תרומת מערכות האנרגיה בענפי ספורט בלתי צפויים.
- התאמות עבור ענפי ספורט ספציפיים יכולות לשפר את דיוקן של הערכות מטבוליות.
- הבנת תרומות האנרגיה מסייעת באופטימיזציה של ביצועים אתלטיים.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
כימות התרומות היחסיות של מערכות האנרגיה האירובית, האנאירובית האלקטית והאנאירובית הלקטית חיוני להסרת סיכונים מכניסטיים ולהגברת הביטחון החזוי במחקרים של פיזיולוגיה של המאמץ. שיטה זו מאפשרת פרופיל מטבולי מדויק בספורט ובפעילויות שקשה לשחזר בתנאי מעבדה מבוקרים, ובכך תומכת ברציפות תרגומית משלב הגילוי ועד למדעי הביצועים היישומיים. הגישה משפרת את קבלת ההחלטות בתיק הפרויקטים על ידי אספקת נתונים בעלי תוקף אקולוגי עבור מגוון רחב של אופני מאמץ.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח של ביו-פארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- מאפשר בחינה של מעורבות מסלולים מטבוליים במהלך פעילויות גופניות מורכבות.
- תומך בתיקוף פונקציונלי של היפותזות לגבי מערכות אנרגיה בתרחישי פעילות גופנית בלתי צפויים.
- מאפשר הפחתת סיכונים ביולוגיים על ידי הבחנה בין התרומות של שלוש מערכות אנרגיה נפרדות.
- משפר את הביטחון החיזוי עבור מחקרים תרגומיים המשכיים במטבוליזם של פעילות גופנית.
סריקה ופיתוח בדיקה (Assay)
- מכין מודלים פיזיולוגיים מתוקפים להערכה מטבולית כמותית.
- מנstandardיז את מדידת צריכת החמצן והלקטט בפלזמה לקבלת תוצאות הניתנות לשחזור.
- מאפשר התאמה והרחבה של הבדיקה למגוון סוגי ספורט ופעילות גופנית.
- תומך בהערכה מהימנה של התערבויות המכוונות למסלולים מטבוליים.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- מתאימה את הפרופיל המטבולי למערכות מהעולם האמיתי, הרלוונטיות למחלה או לביצועים.
- מבטיחה רציפות מהגילוי במעבדה ליישומים בסביבות של ספורט ופעילות גופנית.
- מספקת נתונים מותאמי-סיכון לקידום התערבויות מטבוליות או אסטרטגיות אימון.
- מעניקה תובנות מכניסטיות התורמות לפיתוח ביומרקרים תרגומיים.
שילוב תהליכי עבודה וצנרת עיבוד (Pipeline)
שיטה זו משלבת שלבים החל מהגילוי המוקדם ועד למחקר תרגומי, על ידי מתן אפשרות לבדיקת השערות, הבהרת מסלולים וניתוח מטבולי כמותי, הן בסביבות מבוקרות והן בסביבות תקפות מבחינה אקולוגית.
- ביולוגיה של הגילוי: תומכת בהערכה מבוססת היפותזה של תרומות מערכות האנרגיה במודלים מורכבים של פעילות גופנית.
- סקר (Screening): מספקת מדידות סטנדרטיות וניתנות לשחזור של צריכת חמצן ודינמיקת לקטט.
- אנליטיקה: מספקת פלט כמותי להשוואת תגובות מטבוליות בין תנאים והתערבויות שונות.
- מחקר תרגומי: מגשרת בין ממצאים מעבדתיים ליישומים בעולם האמיתי של ספורט ופעילות גופנית עם תוקף אקולוגי.
- שימוש חוזר ארגוני: מציעה פרוטוקול גמיש וניתן להתאמה עבור פורטפוליו מגוון של מחקרי מטבוליזם ופעילות גופנית.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החזוי ומפחית עמימות מכניסטית בניתוח מסלולים מטבוליים.
- ערך תפעולי: משפר את הסטנדרטיזציה, השחזוריות והיכולת להרחבה (scalability) של הערכות מטבוליות.
- ערך אסטרטגי: מספק בסיס לקבלת החלטות של go/no-go ומבצע אופטימיזציה להקצאת משאבים עבור תוכניות מחקר מטבוליות.
- השפעה על הפורטפוליו: מאפשר תעדוף של התערבויות ומודלים המותאם לסיכון לאורך צינורות מחקר של פעילות גופנית ומטבוליזם.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות בפיזיולוגיה של המאמץ ובטכניקות למדידה מטבולית.
- נדרש גישה למנתחי גזים ניידים ולמנתחי לקטט אוטומטיים לצורך איסוף נתונים.
- דורש סטנדרטיזציה קפדת בין-צוותית של נהלי הדגימה והניתוח.
- ניתן להתאמה לסוגי ספורט ומודלים שונים של פעילות גופנית באמצעות שינויים בפרוטוקול לפי הצורך.
- תלוי בהתאמה מדויקת של מודלים ובניתוח סטטיסטי לצורך כימות מהימן של מערכות האנרגיה.
