Tensione meccanica e ipertrofia muscolare

L’ipertrofia muscolare è un processo complesso che coinvolge diversi meccanismi fisiologici. Tra essi, la tensione meccanica emerge come il principio fondamentale nello sviluppo e nella crescita muscolare. 

La tensione meccanica fa riferimento al carico, o meglio, allo stress che un muscolo è soggetto durante l’attività fisica (es. sollevamento pesi). Quando i muscoli sono sottoposti a una tensione maggiore rispetto a quella abituale, rispondono adattandosi e, conseguentemente, aumentando di taglia (progressive overload).

Negli anni, la comunità scientifica ha cercato di determinare i meccanismi fondamentali sottostanti all’ipertrofia muscolare, individuando tre potenziali fattori, la tensione meccanica, lo stress metabolico e il danno muscolare. Ad oggi, sempre più studi evidenziano e assoggettano la tensione muscolare (meccanica) come driver primario dell’ipertrofia muscolare.

Questo articolo esplorerà in dettaglio il ruolo critico della tensione meccanica come meccanismo cardine dell’ipertrofia muscolare fornendo una prospettiva chiara basata sulle evidenze scientifiche più aggiornate.

Tensione meccanica: in cosa consiste

Quando parliamo di tensione meccanica, ci riferiamo alla tensione che ogni singola fibra muscolare esperisce in relazione a una resistenza esterna (carico esterno). 

Attraverso specifici meccanocettori situati sulla superficie della cellula muscolare, le fibre muscolari rilevano la tensione meccanica e la traducono in segnali chimici all’interno delle fibre stesse, avviando tutta una serie di processi anabolici i quali culminano con l’attuazione del processo ipertrofico.

Nelle sessioni di allenamento con sovraccarico esterno (o strength training), possiamo definire la tensione muscolare come la forza espressa dal muscolo in relazione alla resistenza esterna. 

La distinzione tra tensione muscolare e tensione meccanica è puramente concettuale finalizzata ad una migliore comprensione di questa nozione tramite una duplice prospettiva. Infatti, con tensione meccanica facciamo riferimento alla resistenza esterna applicata sul muscolo. Mentre, la tensione muscolare fa riferimento alla forza di reazione del muscolo alla resistenza esterna.

La tensione muscolare è presente sia nella fase di accorciamento (azione concentrica), dove il muscolo tende a superare la forza esterna, contrastando il sovraccarico (o resistenza) che spinge il muscolo all’allungamento (per questo definita anche forza di allungamento), sia nella fase eccentrica, dove la forza esterna è cedevole mentre le fibre sono in fase di allungamento, evidenziando ugualmente uno stimolo ipertrofico.

Inoltre, un aumento ipertrofico è stato riportato anche in seguito ad un allungamento passivo applicato su di un muscolo inattivo, evidenziando la presenza di tensione meccanica passiva e di come questa implica simili segnali chimici (mTOR pathway, MAPK, IGF-1, etc. ).

La tensione muscolare, ovvero l’ammontare di forza che può essere prodotta nel muscolo, può avvenire in due differenti modi: 

• Attraverso l’aumento del numero di fibre muscolari attivate (ciò avviene mediante il reclutamento di unità motorie ad elevata soglia di attivazione);
• Tramite l’aumento di forza (sforzo effettuato o effort) espresso da ogni singola fibra del muscolo. 

È importante evidenziare come queste due condizioni prese singolarmente non apportano benefici in termini ipertrofici.

Principio di Henneman e reclutamento unità motorie (in breve)

Al fine di capire meglio la relazione tra la tensione meccanica e l’ipertrofia muscolare è importante evidenziare il principio di attivazione (o reclutamento) delle unità motorie, chiamato Henneman’s size principles.

Il principio generale dell’attività delle fibre muscolari (Henneman’s size principles) afferma che le unità motorie sono reclutate attraverso un ordine crescente, dalle unità più piccole a quelle più grandi. 

Le unità motorie più piccole controllano una dozzina di fibre, prevalentemente di tipo I (fibre lente o rosse), mentre unità motorie più grandi (ad elevata soglia di attivazione) controllano migliaia di fibre, prevalentemente di tipo IIa e tipo IIx (fibre veloci o bianche). 

Relazione forza-velocità (force velocity curve) e tensione meccanica

L’aumento dell’espressione di forza delle singole fibre muscolari avviene attraverso la relazione forza velocità (force-velocity relationship). 

Le singole fibre muscolari esercitano un’elevata forza nel momento in cui avviene una contrazione a bassa velocità. Questo perché proprio una ridotta velocità di contrazione permette la formazione di un elevato numero di legami, chiamati crossbridge, tra miofilamenti di actina e miosina contemporaneamente, implicando così una conseguente elevata espressione di forza (effort).

Mentre, una contrazione muscolare eseguita ad elevata velocità implica una minore formazione di crossbridge.

Si può notare che la relazione forza velocità (force-velocity relationship) è l’unico fattore che determina l’ammontare di forza prodotta dalle singole fibre muscolari. 

A tal proposito, risulta essere di fondamentale importanza fare una distinzione tra le singole fibre muscolari e il muscolo in sé quando consideriamo la relazione forza velocità.

Infatti, l’espressione di forza esercitata dal muscolo è influenzata non solo dalla relazione forza-velocità (force-velocity relationship) delle fibre muscolari, ma anche dal numero quantitativo di unità motorie reclutate, quindi sia dalla forza espressa dalle singole fibre (dove è applicata la tensione meccanica), che dall’insieme del numero di fibre totali attivate.

Come la tensione meccanica influisce sull’ipertrofia

Quando esprimiamo una forza, in una data contrazione, possiamo regolare la quantità di sforzo esercitato sulla resistenza esterna. Questo implica che, in relazione alle differenti modalità di esecuzione di un gesto, effort, tipologia di contrazione, stato di fatica, etc., la tensione meccanica esperita dalle singole fibre ne risulterà influenzata.

Quando esercitiamo una contrazione ad elevato sforzo, questa, comporta un elevato livello di unità motorie attivate, quindi un elevato numero di fibre reclutate, permettendoci di sollevare alti carichi, ma questo non obbligatoriamente implica che la tensione meccanica sia altrettanto elevata.

Infatti, come detto in precedenza, per far si che le singole fibre muscolari subiscano un’elevata tensione meccanica, è importante considerare la relazione forza-velocità (force-velocity relationship).

Se la velocità di contrazione (esecuzione del gesto) viene ad essere bassa tale da permettere la formazione di un alto numero di crossbridge tra i miofilamenti di actina e miosina, la forza generata dalle singole fibre risulterà elevata e, conseguentemente, elevata tensione.

Mentre, quando eseguiamo movimenti (alzate o esercizi) in assenza di massimo sforzo, sia tramite carichi sub-massimali, che attraverso esecuzioni effettuate ad elevata velocità (movimenti esplosivi), le unità motorie ad elevata soglia risultano attivate, dettando così un elevato numero di fibre reclutate, ma, al contempo, le singole fibre muscolari produrrano bassi livelli di sforzo.

Anche se il muscolo produce un’elevata forza, la tensione meccanica esperita dalle singole fibre viene ad essere bassa, ciò a causa della relazione forza-velocità.

Infatti, contrazioni di tipo esplosivo, o veloci, sono inefficaci dal punto di vista ipertrofico. Questo perché ogni singola fibra muscolare produce un piccolo ammontare di forza e, di conseguenza, è soggetta a bassi livelli di tensione meccanica. Seppur vi è un elevato numero di fibre attivate.

Ciò lo vediamo quando paragoniamo l’impatto che ha, in termini ipertrofici, un salto verticale (vertical jump), esercizio che richiede un enorme livello di esplosività, con una ripetizione massimale di back squat.

Condizioni fondamentali per un adeguato stimolo ipertrofico

Sollevare carichi sub-massimali, in condizione di assenza di fatica e attraverso esecuzioni volontariamente lente, il numero di unità motorie attivate rimane basso, quindi solo una piccola parte delle fibre muscolari risultano essere attivate ma, al contempo, al fine di compensare lo sforzo (effort), la tensione meccanica applicata sulle queste fibre risulterà essere elevata. 

Anche in tal caso, dal punto di vista ipertrofico, risulta essere inefficace in quanto solo un ridotto numero di fibre vengono ad essere stimolate e la forza prodotta dal muscolo è bassa.

Nel sollevare carichi deliberatamente lenti la forza prodotta dal muscolo è bassa, mentre, il ridotto numero di fibre attivate spinge queste a produrre un elevato effort come meccanismo compensatorio e conseguenza del rapporto forza-velocità (force-velocity relationship). In questo caso, lo stimolo ipertrofico, non è ottimale a causa dello scarso numero di fibre coinvolte seppur quelle attive sono soggette ad elevati livelli di tensione meccanica.

Importante evidenziare come la forza prodotta all’interno del muscolo è distinta da quella esercitata sulle singole fibre muscolari. Il muscolo può generare elevati livelli di forza e, contemporaneamente, ogni singola fibra produrre bassi livelli di effort (ad es. esercizi che lavorano la forza esplosiva, strength-speed). 

 Al fine di un adeguato stimolo ipertrofico entrambe le condizioni devono sussistere:

• Elevato livello di reclutamento delle unità motorie (fibre muscolari) 
• Elevati livelli di sforzo (effort) per ogni singola fibra coinvolta nell’azione. 

Come la fatica periferica influenza la tensione meccanica

A tal contesto, è importante considerare il concetto di fatica, nello specifico la fatica periferica e di come questa sia correlata alla tensione meccanica. 

Come già detto, eseguire esercizi a carico submassimale (carico esterno leggero), comporta uno scarso livello di unità motorie attivate a causa di una assenza di necessità di sforzo. 

L’accumulo di fatica, in particolare quella periferica, durante l’esecuzione di più ripetizioni di un esercizio, comporta una variazione della velocità di contrazione. Infatti, l’esecuzione del movimento incomincia a rallentare fino a raggiungere l’impossibilità di eseguire ulteriori ripetizioni, ovvero, si raggiunge il cedimento muscolare.

L’accumulo di fatica periferica, la quale incrementa man mano che ci si avvicina alle ripetizioni finali, spinge il muscolo al reclutamento di unità motorie ad elevata soglia di attivazione, al fine di continuare ad esprimere forza. 

Questo processo culmina con il raggiungimento di un elevato numero di fibre attivate ed una altrettanto elevata tensione meccanica esperita da ogni singola fibra attivata.

L’ipertrofia muscolare è massimizzata nel momento in cui vi è il massimo numero possibile di fibre muscolari reclutate e ognuna di esse è soggetta ad un’elevata tensione meccanica. 

Il reclutamento di fibre muscolari è massimizzato tramite l’attività delle unità motorie ad elevata soglia di attivazione, che, in termini pratici, significa applicare il massimo sforzo (effort) sulla resistenza esterna. Mentre, l’elevata tensione meccanica avviene tramite contrazioni lente.

Mettendo questi due principi insieme, possiamo dire che l’ipertrofia muscolare è massimizzata nel momento in cui si eseguono ripetizioni di un esercizio non deliberatamente lente.

La presenza di fatica periferica, durante una serie a carichi sub-massimali, determina proprio il raggiungimento di queste condizioni. Differenti livelli di forza e di carico esterno, intesi in maniera meramente assoluti, sono irrilevanti. Difatti, quello che risulta concretamente rilevante sono l’effort espresso e la relazione forza-velocità (force-velocity relationship).

Ripetizioni non volontariamente lente ed un elevato numero di fibre muscolari attivate, raggiungibile o con carichi tendenti al massimale (1-5Rm) o con carichi sub-massimali e ripetizioni tendenti al cedimento (6-30Rm), sono condizioni fondamentali per stimolare al meglio il muscolo di riferimento.

Errori più comuni sulla tensione meccanica e ipertrofia muscolare

Diversi sono gli errori di interpretazione inerenti la relazione esistente tra tensione meccanica e stimolo ipertrofico. Di seguito sono affrontati tra quelli più comuni.

• Maggiore carico significa maggiore tensione meccanica;
• Maggiore reclutamento delle unità motorie è uguale a maggiore tensione meccanica;
• Maggiore TUT (Time Under Tension) comporta maggiore ipertrofia dovuta a una tensione meccanica più alta;
• Sovraccarico progressivo (Progressive Overload) implica maggiore tensione meccanica.

Escludiamo tra i vari errori di interpretazione quelli legati al concetto di tensione meccanica passiva e stretch mediated hypertrophy.

Maggiore carico significa maggiore tensione meccanica

Una definizione erronea e fuorviante quando si parla di tensione meccanica è quella che un maggiore carico sollevato determina una maggiore tensione meccanica. Qui bisogna fare delle precisazioni in quanto ciò potrebbe essere parzialmente corretto. 

Se il carico esterno è inteso in senso assoluto, allora questo è vero. Effettuare una singola ripetizioni, un carico più alto, determina una maggiore tensione meccanica.

Una singola ripetizione effettuata con un carico equivalente al 80% dell’1Rm implica una tensione meccanica maggiore rispetto ad una singola ripetizione effettuata con un carico pari al 50% dell’1Rm.

Ma, nel contesto di una serie, quindi più ripetizioni effettuate in successione, con l’avvicinamento al cedimento muscolare, e il conseguente accumulo di fatica, le due configurazioni di carico producono una simile tensione meccanica viene ad essere esperita dal muscolo, e quindi, un medesimo stimolo ipertrofico. Infatti, studi mostrano come l’ipertrofia opera attraverso un range di carico abbastanza ampio.

Maggiore reclutamento delle unità motorie è uguale a maggiore tensione meccanica

Come detto già in precedenza, devono sussistere due condizioni fondamentali affinchè sia esperita una adeguata tensione meccanica delle fibre muscolari:

1. Elevato numero di fibre muscolari attivate (unità motorie ad elevata soglia);
2. Ogni fibra deve esprimere un elevato effort (alta tensione meccanica sulle fibre reclutate dettata da una non volontaria velocità di esecuzione).

Un’unica condizione di queste sopra elencate non sono sufficienti nel adeguatamente stimolare lo sviluppo ipertrofico muscolare.

Un elevato reclutamento di unità motorie può derivare anche da movimenti particolarmente veloci, o esplosivi, ma, l’assenza di elevata tensione meccanica, implica un basso livello di ipertrofia raggiunto. Mentre, l’utilizzo di elevati carichi (>80% dell’1Rm) implica inevitabilmente le due condizioni. Anche se non è l’unica modalità per sviluppare ipertrofia muscolare.

Maggiore TUT (Time Under Tension) comporta maggiore ipertrofia dovuta a una tensione meccanica più alta

Un’altra affermazione spesso riportata è che un maggior tempo sotto tensione (TUT) durante l’esecuzione di un esercizio implica una tensione meccanica maggiore. 

Anche in questo caso bisogna fare delle precisazioni. 

A carichi sub-massimali, e prendendo in considerazione il medesimo carico utilizzato, l’aumento della tensione meccanica avviene attraverso l’accumulo di fatica al susseguirsi delle ripetizioni. In questo caso, la tendenza verso il cedimento muscolare e, di conseguenza un maggiore tempo sotto tensione, porta ad una più alta tensione meccanica esperita dalle fibre muscolari. Quindi l’affermazione risulta veritiera.

Mentre, se paragoniamo configurazioni di carico (o reps range) differenti, un più alto tempo sotto tensione non si traduce in uno stimolo superiore.

Sovraccarico progressivo (Progressive Overload) implica maggiore tensione meccanica.

L’incremento del carico esterno nel tempo è una condizione fondamentale, o meglio, inevitabile, del processo di crescita muscolare, e non solo.

Il nostro corpo, quando esposto a determinati fattori  di stress (stressor) esterni tende a conseguire processi di adattamento al fine di ritornare in uno stato di omeostasi. 

L’incremento di forza muscolare è dettato da una molteplicità di fattori, tra cui l’aumento della taglia muscolare. Un miglioramento sotto il profilo dell’ipertrofia muscolare determina che, nell’eseguire un esercizio, a parità di ripetizioni effettuate, solleviamo un carico esterno più altro, come conseguenza di un adattamento.

A tal contesto è importante evidenziare come la tensione meccanica esperita dalle fibre muscolari in seguito a questo processo di adattamento non è maggiore, ma uguale a quella precedente. 

Infatti, si tende a pensare che il progressivo aumento di carico (sovraccarico progressivo) esterno sia artefice dell’aumento della taglia muscolare a causa di una maggiore tensione meccanica, ma ciò non è così.

Facciamo un esempio: 

• Al tempo iniziale (T0) eseguo una serie di Curl con manubrio a 20 Kg a cedimento (impossibilità di effettuare ulteriori ripetizioni) facendo 8 ripetizioni. 
• Al tempo T1, in seguito al processo di adattamento e il conseguente incremento di forza muscolare, con la stessa configurazione di carico e ripetizioni (20 Kg per 8 reps per singola serie) la serie non risulterà più cedimento (RIR 1-2).

Il processo di adattamento determina che per la stessa configurazione di carico, a causa proprio di un incremento di forza, la tensione meccanica esperita dal muscolo risulti essere minore. 

Quindi, un incremento del carico sollevato, o del numero di ripetizioni, porta ad esperire una tensione meccanica uguale a quella precedente.

Takeaway

Ad oggi, la letteratura scientifica mostra sempre più come la tensione meccanica risulti essere il fattore determinante nel processo di ipertrofia muscolare, a discapito dello stress metabolico e del danno muscolare, fattori precedentemente considerati di relativo interesse.

Un punto fondamentale è inerente alla modalità con la quale la tensione meccanica deve essere applicata sulle fibre muscolari. Infatti, spesso, una inesatta analisi e interpretazione di come questa opera implica una conseguente serie di ulteriori errate interpretazioni del fenomeno.