Measurement of central and peripheral fatigue during whole body exercise : a new method

Abstract

Background: This thesis sought to establish a new method for instantaneous measurement of central and peripheral fatigue during whole-body exercise up to maximal aerobic capacity in humans. Until now, measurement of central and peripheral fatigue has been limited to isolated muscle tasks or to time points after exercise where the physiological conditions that brought about the limiting symptoms for exercise have subsided. Thus, development of a method to overcome this would allow the first demonstration of the relative contributions of central and peripheral fatigue to limiting exercise that elicited maximal strain of the combined neuromuscular and cardiopulmonary systems. Objective: To develop and validate a method for quantifying peripheral muscle fatigue (MF, defined as the power produced for a given muscle stimulation), activation fatigue (AF, defined as the maximal evocable muscle activity), their sum, performance fatigue (PF, defined as the decline in maximal voluntary isokinetic power compared to the fresh, baseline, state) during cycling exercise at maximal aerobic capacity. In addition, this thesis aimed to determine the rate with which MF, AF and PF recovered to baseline after intolerance during whole-body exercise in humans. Methods: To quantify fatigue during whole-body exercise, a method was developed to allow a rapid switch from standard cycling (where the relationship between power and cadence is hyperbolic) to isokinetic cycling (where power is independent of cadence, and cadence is fixed) to be implemented. By asking the participant to give a maximal isokinetic effort at any point during exercise or recovery, allowed the velocity-specific decline in maximal isokinetic power (PISO) to be measured. The difference in PISO between baseline and exercise quantified PF. It was tested whether the baseline relationship between PISO and electromyographic power in 5 leg muscles (RMS EMG) was velocity dependent, linear and reproducible, such that the relative contributions to PF could be isolated from: 1) the decline in muscle activation (AF); and 2) the decline in PISO at a given activation (MF). Results: Healthy participants (n=13, 29 to 72 years old, ranging in aerobic capacity from 23.5 to 62.4 ml/min/kg) completed short (5 s) variable-effort isokinetic bouts at 50, 70, and 100 rpm to characterize the baseline relationship between RMS EMG and isokinetic power. Individual baseline EMG-PISO relationships were linear (r2 = 0.95 ± 0.04) and velocity dependent (analysis of covariance). Subsequently, repeated ramp incremental exercise tests were performed on a cycle ergometer and breath-by-breath gas exchange and ventilation was measured. Exercise was terminated with a maximal isokinetic effort (5 s) at 70 rpm. PISO at intolerance (two legs, 335 ± 88 W) was ~45% less than baseline (630 ± 156 W, p < 0.05). Following intolerance, PISO recovered within 3 minutes (p < 0.05). AF and MF (measured in one leg) were 97 ± 55 and 60 ± 50 W, respectively. Mean bias (± limits of agreement) for reproducibility were as follows: PISO at baseline 1 ± 30 W; PISO at 0-min recovery 3 ± 35 W; and EMG at PISO 3 ± 14%. Conclusions: The baseline EMG-PISO relationship was well modelled by a linear function, which was reproducible day-to-day. The variability of the individual EMG-PISO measurements between ~25% and 100% effort, around the linear model, was sufficiently tight that the baseline linear relationship allowed for a precise quantification of AF and MF at the limit of tolerance and in recovery from a maximal aerobic exercise task. It was also demonstrated that the EMG-PISO relationship was velocity dependent, as expected from the parabolic nature power-velocity curve. As such, this provides a valuable new method to identify the contributions of central and peripheral fatigue to limiting whole-body exercise in humans.

Contexto: Esta tese procurou estabelecer um novo método de mensuração instantânea de fadiga central e periférica durante o exercício de corpo inteiro até a capacidade aeróbica máxima em seres humanos. Até agora, a mensuração da fadiga central e periférica tem sido limitada a tarefas musculares isoladas ou a momentos específicos após o exercício, nos quais as condições fisiológicas que levaram aos sintomas limitantes do exercício já estão abrandadas. Assim, desenvolver um método que supere estas limitações permitiria demonstrar pela primeira vez as contribuições relativas da fadiga central e periférica na limitação ao exercício, no qual haja estimulação máxima dos sistemas neuromuscular e cardiovascular. Objetivo: Desenvolver e validar um método para quantificar a fadiga muscular periférica (MF, definida como a potência produzida para uma determinada estimulação muscular), fadiga de ativação (AF, definida como a atividade muscular evocável máxima), sua soma, fadiga de desempenho (PF, definida como a perda de potência isocinética voluntária máxima em comparação com a basal) durante o exercício realizado no cicloergômetro em capacidade aeróbica máxima. Além disso, esta tese teve como objetivo determinar as taxas de recuperação nas quais MF, AF e PF retornaram à linha de base após a intolerância durante o exercício de corpo inteiro em seres humanos. Métodos: Para quantificar a fadiga durante o exercício de corpo inteiro, foi desenvolvido um método para permitir uma rápida transição do ciclismo padrão (em que a relação entre potência e cadência é hiperbólica) para o ciclismo isocinético (em que a potência é independente da cadência, e a cadência é fixa). Assim, ao pedir para o participante realizar um esforço isocinético máximo em qualquer ponto durante o exercício ou na fase de recuperação, permitiu-se quantificar o declínio velocidade-específica da potência isocinética máxima (PISO). A diferença na PISO entre a linha de base e o exercício quantifica a PF. Foi testado se a relação de base entre PISO e potência eletromiográfica em 5 músculos da perna (RMS EMG) era velocidade dependente, linear e reprodutível, de tal modo que as contribuições relativas para PF pudessem ser isoladas a partir de: 1) a diminuição da ativação muscular (AF) ; e 2) o declínio na PISO num dado grau de ativação (MF). Resultados: Participantes saudáveis (n=13, 29-72 anos, variando em capacidade aeróbica de 23,5 até 62,4 ml/min/kg) completaram tiros isocinéticos esforço-variável de curta duração (5 s) a 50, 70 e 100 rpm para caracterizar a relação basal entre EMG RMS e potência isocinética. As correlações entre EMG-Piso basais foram lineares (r2= 0,95 ± 0,04) e velocidade dependente (análise de covariância). Posteriormente, testes de exercício incrementais repetidos foram realizados em uma bicicleta ergométrica e as trocas gasosas e a ventilação foram mensuradas respiração a respiração. O exercício encerrava com um esforço isocinético máximo (5 s) a 70 rpm. Na intolerância, PISO (duas pernas, 335 ± 88 W) foi ~ de 45% menos do que na linha de base (630 ± 156 W, p <0,05). Após a intolerância, houve recuperação da PISO em 3 minutos (p <0,05). AF e MF (medido em uma perna) foram de 97 ± 55 e 60 ± 50 W, respectivamente. As médias de viés (± limites de concordância) para a reprodutibilidade foram as seguintes: PISO na linha de base 1 ± 30 W; PISO na recuperação 0-min 3 ± 35 W; e EMG em PISO 3 ± 14%. Conclusões: A relação basal EMG-PISO foi bem modelada por uma função linear, que foi reprodutível no dia-a-dia. A variabilidade das mensurações EMG-PISO individuais entre ~ 25% e 100% de esforço, em torno do modelo linear, foi suficientemente forte de modo que a relação linear basal permitiu uma quantificação precisa de AF e MF no limite de tolerância e na recuperação do exercício aeróbico máximo. Foi também demonstrado que a relação EMG-PISO foi velocidade dependente, como esperado a partir da curva parabólica de potência-velocidade. Assim, esta tese apresenta um novo método útil para identificar as contribuições da fadiga central e periférica na limitação do exercício de corpo inteiro em seres humanos.