MĚŘENÍ EMG AKTIVITY SVALOVÉ TKÁNĚ PO APLIKACI CELOTĚLOVÉ CHLADOVÉ TERAPIE (- 130 °C)

Souhrn

Cílem této studie bylo sledování elektrické aktivity svalové tkáně po aplikaci celotělové chladové terapie pomocí povrchové EMG. Pozornost byla zaměřena na detekci MVC (maximální volní kontrakce) před a po výstupu z chladové komory. Dále byl sledován nástup svalové únavy v průběhu izometrické kontrakce před a po aplikaci celotělové chladové terapie (CChT). Svalová aktivita byla snímána z m. biceps brachii. Na měření se účastnilo pět vrcholových sportovců ve věku 20-35 let. Z výsledků studie vyplývá, že pomocí povrchové elektromyografie lze detekovat změnu elektrické svalové aktivity po aplikaci celotělové chladové terapie. U čtyř z pěti měřených probandů došlo k oddálenému nástupu svalové únavy po aplikaci CChT. Dále došlo ke zvýšení MVC po aplikaci CChT u všech pěti měřených probandů.

Klíčová slova:
celotělová chladová terapie, kryoterapie, povrchová elektromyografie, svalová únava, izometrická kontrakce svalu, maximální volní kontrakce svalu (MVC)

ÚVOD

Celotělová chladová terapie (CChT), nebo také kryoterapie, je fyzikální, rehabilitační metoda, která využívá suchého chladného vzduchu o teplotě -130 °C až -160 °C ke krátkodobému, reflexnímu ochlazení celého těla. Kryoterapie z hlediska rehabilitační medicíny patří mezi negativní termoterapii, při níž na lidskou tkáň působí teplota nižší než -10 °C (14). V dnešní době se využívají dva typy aplikace. Lokální (suchý vzduch, kryosáčky), nebo celotělová chladová terapie aplikována v  kryokomorách (poláriích). Analgetický, antiedematózní a protizánětlivý efekt kryoterapie je v medicíně již dlouho znám a v praxi se využívá. Princip celotělového ochlazování je u nás zatím stále nový a nabízí široké spektrum terapeutických účinků. Výzkumy zabývající se touto metodou přicházejí převážně z německých a polských výzkumných institutů. V těchto zemích je tato metoda již řadu let hojně využívána jak k léčebným účelům, tak k regeneraci svalové tkáně ve vrcholovém sportu. Hlavními léčebnými indikacemi CChT jsou chronická zánětlivá kloubní onemocnění (arthritis rheumatoides, M. Bechtěrev apod.), artrózy a polyartrózy, vertebrogenní algické syndromy, fibromyalgie, kolagenózy, vaskulitidy, následky poškození kloubního, vazivového a svalového aparátu, traumatické postoperační hematomy a otoky, autoimunitní onemocnění a poruchy imunity (sclerosis multiplex, psoriasis vulgaris) (5). Mezi regenerační účinky kryoterapie lze zařadit snížení jak psychické tak fyzické únavy, snížení bolesti, aktivace organismu a imunitního systému. Výzkumy v oblasti vrcholového sportu poukazují na to, že koncentrace krevního laktátu po aplikaci CChT dosahuje při zátěži nižších hodnot, než v případě bez předchozího ochlazení. Dále je dosahováno nižší zátěžové tepové frekvence po aplikaci CChT, nežli v případě bez předchozího ochlazení (7). Tyto poznatky o účinku CChT vedou k závěru, že po aplikaci CChT dochází k rychlejšímu odbourání laktátu ze svalové tkáně a efektnějšímu využití kyslíku ve tkáních. Tím se snižuje srdeční frekvence potřebná při zátěži. Na základě všech publikovaných účinků CChT jsme si položili otázku, zdali se účinek celotělové chladové terapie projeví přímo na elektrické aktivitě svalu ve smyslu oddálení nástupu svalové únavy a zvýšení MVC svalu.

Neurofyziologie termoregulace v průběhu CChT

Člověk je organismus homoiotermní a udržení stálé vnitřní tělesné teploty je důležité pro zachování aktivity většiny enzymů, protože reagují v malém teplotním rozmezí. Účinkům chladu se organismus brání dvěma způsoby. Dochází jak k redukci tepelných ztrát (vazokonstrikce), tak ke zvýšené produkci tepla v organismu (svalový třes, bazální metabolismus). Tepelným nárazníkem, orgánem regulace a výdeje tepla je povrchová izolační poikilotermní vrstva rozličné šíře, ve které jsou uloženy periferní termoceptory (6). Periferní termoceptory jsou zakončení tenkých myelinizovaných A-δ nervových vláken, které vedou chladové stimuly do míchy. Vnitřní termoceptory se nacházejí v preoptické oblasti hypotalamu a v páteřní míše (15). Povrch těla se působením teploty minus 120 – 130 °C  po dobu 2-3 minut ochladí na teplotu kolem +5 °C (5,2 °C v oblasti předloktí), teplota tělesného jádra zůstává zachována (17). Chlad pronikne kůží a podkožím až do hloubky 1-2 cm, kde zasáhne kromě periferních kožních receptorů i příslušné krevní a lymfatické cévy. Signály termoceptorů těla i končetin jdou větvemi spinotalamického traktu do termoregulačního centra v zadním hypotalamu (15). Centrální termoregulační centrum v hypotalamu je zodpovědné za regulaci tělesné teploty jak cestou nervovou, tak cestou humorální. Hypotalamus přijímá a vydává informace do retikulární formace, limbického systému a kůry. Tato spojení umožňují vysoký stupeň integrace somatických i vegetativních funkcí společně s vnímáním doprovodných emocí. V průběhu vnímáním extrémního chladu, vnímáme i silnou emoci, kterou v nás chlad vyvolal. Proto u některých emotivních osob dochází ke křiku jako reakci na extrémní ochlazení. Sníží-li se teplota tělesného jádra pod kritickou hodnotu 37,1 °C, začíná svalový třes. Výsledkem je až čtyřnásobné zvýšení produkce tepla (15). Vzhledem k tomu, že teplota tělesného jádra v průběhu CChT neklesá pod kritickou hodnotu (17), k mechanismu svalového třesu by nemělo docházet. Centrální regulační centrum v hypotalamu řídí prostřednictvím sympatiku arteriovenózní anastomózy. Tyto A-V anastomózy jsou širší než periferní arterioly a představují  nízkoodporový zkrat, skrze který je regulován průtok krve kůží i kosterními svaly (15). Krev obchází periferii, dochází k centralizaci oběhu a redukci tepelných ztrát. Zvýšení metabolické aktivity je označováno za chemickou termogenezi (netřesovou). Tento typ termoregulace se uplatňuje u homoiotermních organismů vystavených chronickému chladu, a proto se v průběhu akutně působící CChT neuplatní (15).

Stresová reakce v průběhu CChT

Chlad je všeobecně vnímán jako stresový podnět, který spouští poplachovou reakci organismu. Dochází k iritaci sympatického nervového systému a vyplavují se katecholaminy ze dřeně nadledvin. Zároveň je popisována aktivace osy hypofýza - nadledviny a zvýšení hladiny plazmatického kortizolu (21). Princip celotělové chladové terapie je v mnohém podobný. Liší se však dobou trvání podnětu, jeho intenzitou a typem stresové reakce. V průběhu CChT působí na člověka chlad mezi minus 110 až 130 °C po dobu 2-3 minut. Tento podnět jistě působí jako stresor a vyvolá při první návštěvě polaria stresovou reakci. Při dalších návštěvách se však organismus adaptuje a stresová reakce probíhá mnohem mírněji. Výzkumy bylo potvrzeno zvýšené vyplavení noradrenalinu (NA) po aplikaci CChT, které přetrvává ještě po 35 minutách od výstupu z chladové komory. Měřené hodnoty adrenalinu se po aplikaci CChT významně nezměnily. Zároveň nedošlo k významné změně v koncentraci ACTH a kortizolu. Po opakovaných aplikacích došlo dokonce ke sníženému vyplavení ACTH jako známky adaptace organismu (9).  Lze se proto domnívat, že CChT nevyvolává klasickou stresovou reakci organismu vyplavením katecholaminů ze dřeně nadledvin. Z tohoto důvodu se lze domnívat, že lehká stresová reakce v průběhu CChT organismus nezatěžuje, ale působí na organismus spíše pozitivně ve smyslu jeho aktivace. Po ukončení chladové expozice stresová reakce doznívá do 30 minut. S doznívajícím účinkem sympatiku přebírá aktivitu parasympatikus, který po proběhlé stresové reakci zajišťuje anabolické procesy v organismu (15).

Reakce cévního systému na CChT

V průběhu celotělové chladové terapie dochází k mohutné vazokonstrikci periferních cév kůže a podkoží. Krev z kapilár, které jsou v kontaktu s nízkou teplotou, je redistribuována do vnitřního oběhu, kde proudí a filtruje se pod vyšším tlakem. Zvýšenou aktivitou sympatiku dochází k mírnému nárůstu srdečního tepu a tlaku krve (18, 19). Po ukončení chladové expozice cévy dilatují, krev z centra proudí pod vysokým tlakem do periferie. Ve 4-5 minutě nastává proces reaktivní hyperémie, při které dochází až k čtyřnásobnému prokrvení  kůže, podkoží a svalů (6). Periferní teplota kůže se navrací k normě až 25 minut po výstupu z chladové komory (17). Tepová frekvence se po aplikaci CChT snižuje a dokonce dosahuje nižších hodnot než před vstupem do chladové komory. Po výstupu z chladové komory byl pozorován nárůst R-R intervalu srdce, tj. prodloužení doby jednoho úderu srdce k druhému. Snížení srdeční kontraktibility je jedním z ukazatelů kardiální parasympatické modulace, jako důsledek extrémního celotělového ochlazování (19).

Svalová únava při izometrické kontrakci svalu

Izometrická kontrakce svalu je definována jako takový stah svalu, při kterém není generován pohyb a vzdálenost začátku a úponu svalu se nemění (4). Při izometrické kontrakci dochází ve svalu k omezení krevního průtoku, přísunu kyslíku a živin. Již při kontrakci 30% MVC dochází k omezení průtoku krve svalem a dochází k akumulaci laktátu (3). Nástup svalové únavy je charakterizován těmito procesy: narušení Na⁺-K⁺ rovnováhy, změna intracelulárních hodnot pH (zvýšení obsahu laktátu), akumulace anorganického fosfátu, snížení energetických rezerv nutných pro restituci ATP a snížení intracelulární koncentrace (Ca²⁺). Vzhledem ke složitosti dějů, probíhajících při procesu svalové únavy, byl řadou autorů definován centrální a periferní nástup svalové únavy. Zatímco centrální nástup svalové únavy byl popsán jako časoprostorové snížení aktivace α-motoneuronů ovlivněné vyššími etážemi CNS, periferní nástup svalové únavy je charakterizován poruchou neuromuskulárního přenosu spojenou s intracelulárními změnami metabolismu svalu. Ciba foundation sympozium definovalo svalovou únavu takto: 1. porucha rozumového provedení, 2. porucha motorického provedení, 3. vzestup EMG aktivity při prováděném pohybu, 4. posun výkonového spektra směrem k nižším frekvencím, 5. porucha výstupní svalové síly. Parametry doprovázející nástup svalové únavy jsou: 1. vzestup úsilí při udržování výstupní svalové síly, 2. pocit diskomfortu či bolesti související se svalovou aktivitou, 3. vnímání poruchy generované výstupní svalové síly (10). Z hlediska povrchové EMG je využíván pro určení nástupu svalové únavy tzv. index svalové únavy (fatigue index). Tento index definuje nástup svalové únavy jako posun střední hodnoty výkonového spektra v průběhu svalové kontrakce směrem k nižším frekvencím (11).

Maximální volní kontrakce svalu MVC

MVC je taková kontrakce svalu, při které dochází volním úsilím k největší možné aktivaci svalu a produkci maximálního silového momentu. Výstupní svalová síla tedy závisí na množství aktivovaných MJ, síle záškubu MJ a na vzájemné interakci svalových vláken (3). Test MVC je realizován proti statickému odporu v přesně definované poloze, s pevnou fixací jednotlivých segmentů. Délka svalu se tedy nemění. Mění se pouze nábor aktivovaných MJ svalu, a tím roste výstupní svalová síla. 

METODIKA

Studie byla provedena v  Kryocentru v Praze-Modřanech v kryokomoře „Arctica“ polské firmy „Cryoflex“ (obr. 1). Tato studie představuje pilotní studii u pěti probandů. Bylo vybráno 5 vrcholových sportovců. Čtyři jsou bobisté a jeden tenista. Všichni ve věku od 20–35 let. Anamnesticky nebyly shledány žádné úrazy ani onemocnění, které by měly dopad na pohybový systém a limitovaly průběh studie. Všech 5 mužů se zúčastnilo studie dobrovolně a souhlasili s publikováním výsledků v tisku. Projekt byl schválen etickou komisí UK FTVS a byl podepsán informovaný souhlas

Studie obsahovala 3 na sebe navazující měření EMG aktivity svalu m. biceps brachii. Svalová aktivita byla snímána nejprve před vstupem do polaria, 5 min. po výstupu a 30 min. po výstupu. V každém ze tří po sobě navazujících měření byla u každého probanda stanovena hodnota MVC (maximální volní kontrakce) svalu. Z této hodnoty byla vypočtena 30% hodnota svalové aktivity, která byla probandem udržována izometrickou kontrakcí po dobu 3 minut. Svalová aktivita na hranici 30 % byla probandem udržována mechanismem zpětné vazby. Proband měl před sebou monitor, na kterém sledoval aktuální hodnotu svalové kontrakce a měl povinnost ji udržet na stanovené 30% hranici.

Popis měření povrchové EMG

Průběh svalové aktivity byl monitorován EMG přístrojem Naroxon/Neurodata s vzorkovací frekvencí 1500 Hz o pásmové propustnosti 50 - 500 Hz. Použitý software–Myoresearch XP Master. Vyšetřované osoby zaujímaly pozici v sedu. Snímaná horní končetina byla v poloze ve flexi 90 ° v kloubu ramenním a flexi 90 ° v kloubu loketním. Odpor proti izometrické kontrakci byl kladen železnou konstrukcí, která udržovala horní končetinu v konstantní pozici a nedovolila jakýkoliv pohyb. Nesnímaná horní končetina byla volně položena na vyšetřovacím stole. Registrační bipolární povrchové elektrody byly umístěny na svalové bříško m. biceps brachii dominantní horní končetiny, a to v místě motorického bodu. Elektrody byly po celou dobu výzkumu zachovány na stejném místě. Nebyly tedy v průběhu chladové expozice odebrány z povrchu kůže (obr. 2).

Kryokomora

Do kryokomory vstupovali probandi spoře oděni v bavlněných trenýrkách, vybaveni čelenkou, rukavicemi a rouškou chránící horní dýchací cesty před silným mrazem. Kryokomoru tvoří dvě oddělené místnosti. V předsíni je teplota minus 60-70 °C, v hlavní terapeutické místnosti je běžná provozní teplota minus 120-130 °C. Médiem, prostřednictvím kterého vzniká chlad, je tekutá směs oxidu a dusíku v poměru 21:79 %. V předsíni polaria se probandi zdrželi cca 30 sekund, poté přešli do hlavní kryoterapeutické místnosti, kde setrvali stanovenou dobu 3 minuty (obr. 3).

VÝSLEDKY STUDIE

Vyhodnocení nástupu svalové únavy

Nástup svalové únavy jsme definovali jako pokles frekvence střední hodnoty výkonového spektra EMG signálu o 30 % oproti hodnotě frekvence na začátku každého měření. U čtyř z pěti probandů došlo k oddálenému nástupu svalové únavy v průběhu izometrické kontrakce po aplikaci CChT. Izometrická kontrakce byla měřena před aplikací CChT, poté po 5. a 30. minutě po výstupu z chladové komory. U probandů č. 1-4 došlo k nástupu svalové únavy po aplikaci CChT vždy za delší časový úsek, než před aplikací CChT. Po aplikaci v 5. minutě došlo u druhého a čtvrtého probanda k výraznému prodloužení nástupu svalové únavy až o dvojnásobek naměřené původní hodnoty (před aplikací CChT). U probanda č. 5 nedošlo k nástupu svalové únavy ani v jednom ze tří po sobě jdoucích měření. Nedošlo tedy k poklesu střední hodnoty frekvence o 30 %. Ve 30. minutě byl u všech čtyřech probandů pozorován pokles časového intervalu nástupu svalové únavy zpět k původním hodnotám (tab. 1).

Vyhodnocení MVC

Maximální volní kontrakce svalu byla vyhodnocena před vstupem do chladové komory v 5. a 30. minutě po výstupu z chladové komory. U všech pěti probandů došlo při měření v 5. minutě po aplikaci CChT ke zvýšení MVC. Při měření ve 30. minutě docházelo již ke snížení hodnot MVC oproti naměřeným hodnotám v 5. minutě. Naměřené hodnoty ve 30. minutě však zůstávají u čtyř probandů vyšší, nežli hodnoty naměřené před vstupem do polaria (tab. 2).

V daném intervalu maximální volní kontrakce bylo vyhodnoceno frekvenční spektrum, které hovoří o časoprostorové aktivaci motorických jednotek (MJ) svalu (graf 1). U třech probandů došlo při MVC po aplikaci CChT jak k prostorové sumaci (vyššímu náboru) motorických jednotek svalu, tak k časové sumaci (vybíjení vyššího kmitočtu) MJ svalu. Graf 1 ilustrativně zobrazuje rozložení výkonového frekvenčního spektra v průběhu tří nezávislých maximálních kontrakci u probanda číslo 1. Zelená křivka vyjadřuje výkonové frekvenční spektrum v průběhu MVC před vstupem do polaria, červená křivka 5 min. po výstupu a modrá křivka 30 min. po výstupu z  polaria. Je zde patrné výrazného zvýšení výkonového frekvenčního spektra v průběhu MVC, vyhodnoceného po 30 minutách po výstupu z polaria.

DISKUSE

Při měření izometrické kontrakce před vstupem do polaria docházelo u všech probandů k  pocitům dyskomfortu a bolesti svalu z důvodu narůstající hypoxie a acidózy. Pocity se většinou shodovaly s naměřenými hodnotami. Izometrická kontrakce po 5 minutách po výstupu z polaria byla snášena ze všech měření nejlépe a zároveň bylo dosahováno nástupu svalové únavy za mnohem delší časový interval. Probandi nepociťovali bolest ve svalu a k udržení 30% kontrakce nebylo nutné použít tak velkého úsilí jako v prvním případě. Vzhledem k účinkům CChT na organismus se zde nabízí několik možností, jak si lze danou skutečnost vysvětlit.

1. Sval po absolvované kryoterapii v tomto časovém intervalu ještě nemá svou výchozí teplotu. Dochází zde již k dilataci cév a zvýšenému prokrvení, ale periferní teplota ještě nedosahuje své výchozí úrovně. Návrat povrchové kožní teploty nastává až ve 30. minutě po výstupu z  kryokomory (17). Sval se při kontrakci zahřívá a 75 % své energie spotřebuje na své vlastní ochlazení (7). Po předchozím ochlazení svalu nedochází k tak rychlému zahřívaní a sval může více energie investovat do mechanismu kontrakce. To může být jeden z důvodů, proč není ve svalu vnímána bolest v průběhu izometrie.
2. Dalším vysvětlením pro snížené vnímání bolesti je stimulace A-δ nervových vláken, které vedou informace o účinku chladu do CNS. Tato vlákna mají více funkcí. Jsou zodpovědná jak za vnímání chladu, ale i bolesti (13). Nabízí se zde více mechanismů sníženého vnímání bolesti. Za  prvé může docházet k inhibici vnímání bolesti již na periferii, kde chladová stimulace A-δ nervových vláken přehluší vedení bolestivých vjemů do míchy. Druhá možnost je centrální inhibice, kdy dochází k útlumu přenosu bolestivých vjemů mechanismem presynaptické inhibice míšních interneuronů, které vedou bolestivé podněty do CNS. Jinými slovy, dojde k uzavření vrátek a sníženému vnímání bolesti stimulací silných a rychle vedoucích vláken typu A (2).
3. Nesmíme také opomenout proces reaktivní hyperémie. Ve svalu dochází ve 4.-5. minutě ke čtvernásobnému prokrvení (6). Sval má zvýšený přísun kyslíku a živin. Dochází k odplavení produktů metabolismu (laktátu) a k normalizaci hodnoty pH.  Sval proto není zatížen acidózou a hypoxií, které jsou hlavními parametry omezující jeho výkonnost.

Další otázkou je, jakým mechanismem dochází v 5. minutě po aplikaci CChT ke zvýšené MVC svalu. Nabízejí se dvě skutečnosti, které se mohou současně doplňovat. Na periferii dochází k procesu dilatace cévního řečiště a ke zvýšenému prokrvení svalů (obohacení tkání o kyslík a živiny), zároveň dochází k centrální aktivaci α-motoneuronů z CNS. Z dostupné literatury se lze dočíst, že při činnosti svalu se aktivují jednotlivé motorické jednotky asynchronně postupným náborem MJ v lineární závislosti na vyvíjeném úsilí. Zvyšování úsilí probíhá „prostorovou sumací“ aktivních neuronů, tzv. rekruitací, tj. stoupajícím náborem počtu aktivovaných motoneuronů ve svalu. Při vyvíjení nadměrného úsilí při svalové kontrakci dochází k „časové sumaci“, tj. MJ se vybíjejí vyšším kmitočtem než obvykle. Ani při maximálním úsilí však nedochází k aktivaci všech MJ. Stává se tak při nebezpečích ohrožení života, nebo při maximálních emocích (16). Tato maximální emoce přichází v průběhu vnímání maximálního podnětu, kterým teplota minus 130 °C zajisté je. Organismus reaguje aktivací, která vychází z limbického systému a prostřednictvím retikulární formace dochází k aktivaci míšních α-motoneuronů. Touto cestou dojde k aktivaci „spících“ MJ, které se za běžných situací do maximální kontrakce nezapojí (16). Frekvenční spektrum vyhodnocené v daném intervalu MVC ukazuje, že k časoprostorové sumaci MJ svalu po aplikaci CChT opravdu dochází. Vzhledem k malému počtu probandů nelze tento jev pokládat za potvrzený. Lze se však domnívat, že na určité jedince chlad působí zvýšením centrální aktivační úrovně, jejímž vlivem dochází k nadměrné aktivaci MJ, a tím k produkci maximální možné volní kontrakce svalu. Ve 30. minutě dochází k postupnému snižování hodnoty MVC u všech pěti probandů. Snížení hodnoty MVC ve třetím měření si lze vysvětlit periferním nástupem svalové únavy a centrálním snížením aktivační úrovně organismu, a to v důsledku odeznění působení extrémního podnětu. Proband již není schopen volním úsilím ke generaci silového momentu původní intenzity jak z důvodu zvýšeného katabolismu svalu a vyčerpání důležitých substrátů (Ca²⁺, ATP), tak z důvodu snížení centrální aktivace. 

ZÁVĚR

Cílem této pilotní studie bylo objasnění účinku extrémního chladu na svalovou tkáň pomocí povrchové EMG. Zaměřili jsme se na detekci změny elektrické aktivity svalu po aplikaci CChT. Vzhledem k naměřeným výsledkům lze potvrdit, že ke změně elektrické aktivity svalu po aplikaci CChT opravdu dochází, a to ve smyslu oddálení nástupu svalové únavy a zvýšení MVC. Těchto účinků lze pozitivně využít jak v oblasti vrcholového sportu, tak v oblasti léčebně - rehabilitační. Proto je metoda CChT svými účinky nápomocná při léčbě mnohých onemocnění, projevujících se svalovým oslabením (myopatie, RS) či zánětlivým kloubním onemocněním (arthritis rheumatoides). V oblasti vrcholového sportu slouží metoda CChT jako prevence svalové únavy po náročném sportovním výkonu. Představenou pilotní studií bychom rádi přispěli k procesu vědecky podložených informací o chování svalové tkáně po aplikaci celotělové chladové terapie. Zároveň doufáme, že tento příspěvek bude do budoucna vhodným stimulem pro studie následující.

Poděkování:

Děkujeme Kryocentru v Praze - Modřanech, které nám poskytlo kryokomoru a prostor pro realizaci této studie.  Rovněž  děkujeme  probandům, kteří dali souhlas k provedení experimentu na jejich vlastním organismu.           

Příspěvek vznikl s podporou VZ MŠMT ČR MSM 0021620864.

Bc. Helena Krumlová

Katedra fyzioterapie FTVS UK

J. Martino 31

162 52  Praha 6