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Mathematisches Modell sagt den besten Weg zum Muskelaufbau voraus

Mathematisches Modell sagt den besten Weg zum Muskelaufbau voraus
  • Forscher haben ein mathematisches Modell entwickelt, das mithilfe theoretischer Biophysik das optimale Trainingsprogramm für den Muskelaufbau vorhersagt. 

  • Dieses Modell kann sagen, wie viel Anstrengung erforderlich ist, um einen Muskel aufzubauen. 

  • Dies deutet darauf hin, dass es für jede Person und jedes Muskelwachstumsziel ein optimales Gewicht für das Krafttraining gibt.

  • Letztendlich hoffen die Forscher, eine benutzerfreundliche softwarebasierte Anwendung zu entwickeln, die individuelle Trainingsprogramme für bestimmte Muskelaufbauziele ermöglichen könnte. 

Dieser Artikel wurde in den University of Cambridge News veröffentlicht: 

Die Forscher der Universität Cambridge nutzten Methoden der theoretischen Biophysik, um das Modell zu konstruieren, das sagen kann, wie stark ein Muskel bei einer bestimmten Anstrengung wachsen wird und wie lange es dauern wird. Das Modell könnte die Grundlage für ein Softwareprodukt bilden, bei dem Benutzer ihre Trainingsprogramme optimieren könnten, indem sie einige Details ihrer individuellen Physiologie eingeben.

Das Modell basiert auf früheren Arbeiten desselben Teams, die herausfanden, dass ein Muskelbestandteil namens Titin für die Erzeugung chemischer Signale verantwortlich ist, die das Muskelwachstum beeinflussen.

Die Ergebnisse, berichtet in der Biophysikalisches Journallegen nahe, dass es für jede Person und jedes Muskelwachstumsziel ein optimales Gewicht für das Krafttraining gibt. Muskeln können nur für sehr kurze Zeit in der Nähe ihrer maximalen Belastung sein, und es ist die über die Zeit integrierte Belastung, die den Zellsignalweg aktiviert, der zur Synthese neuer Muskelproteine ​​führt. Unterhalb eines bestimmten Wertes reicht die Belastung jedoch nicht mehr aus, um starke Signale auszulösen, und die Trainingszeit müsste zum Ausgleich exponentiell zunehmen. Der Wert dieser kritischen Belastung hängt wahrscheinlich von der jeweiligen Physiologie des Individuums ab.

Wir alle wissen, dass Bewegung Muskeln aufbaut. Oder doch? „Überraschenderweise ist nicht sehr viel darüber bekannt, warum oder wie Sport Muskeln aufbaut: Es gibt viel anekdotisches Wissen und erworbene Weisheit, aber nur sehr wenige konkrete oder bewiesene Daten“, sagte Professor Eugene Terentjev vom Cavendish Laboratory in Cambridge, einer von ihnen die Autoren des Papiers.

Beim Training gilt: Je höher die Belastung, je mehr Wiederholungen oder je größer die Häufigkeit, desto größer ist die Muskelzunahme. Allerdings ist selbst bei Betrachtung des gesamten Muskels nicht bekannt, warum und in welchem ​​Ausmaß dies geschieht. Die Antworten auf beide Fragen werden noch schwieriger, je mehr der Fokus auf einem einzelnen Muskel oder seinen einzelnen Fasern liegt.

Muskeln bestehen aus einzelnen Filamenten, die nur 2 Mikrometer lang und weniger als einen Mikrometer breit sind und damit kleiner als die Größe der Muskelzelle. „Aus diesem Grund muss ein Teil der Erklärung für das Muskelwachstum auf molekularer Ebene liegen“, sagte Co-Autor Neil Ibata. „Die Wechselwirkungen zwischen den wichtigsten Strukturmolekülen im Muskel wurden erst vor rund 50 Jahren zusammengesetzt. Wie die kleineren, akzessorischen Proteine ​​in das Bild passen, ist noch nicht ganz klar.“

Dies liegt daran, dass es sehr schwierig ist, Daten zu erhalten: Menschen unterscheiden sich stark in ihrer Physiologie und ihrem Verhalten, was es nahezu unmöglich macht, ein kontrolliertes Experiment zu Veränderungen der Muskelgröße bei einer realen Person durchzuführen. „Man kann Muskelzellen extrahieren und diese einzeln betrachten, aber das ignoriert dann andere Probleme wie den Sauerstoff- und Glukosespiegel während des Trainings“, sagte Terentjev. „Es ist sehr schwer, alles zusammen zu betrachten.“

Terentjev und seine Kollegen begannen vor einigen Jahren, sich mit den Mechanismen der Mechanosensierung zu befassen – der Fähigkeit von Zellen, mechanische Signale in ihrer Umgebung wahrzunehmen. Die Forschung wurde vom English Institute of Sport bemerkt, das daran interessiert war, ob sie mit ihren Beobachtungen bei der Muskelrehabilitation in Zusammenhang stehen könnte. Gemeinsam fanden sie heraus, dass Muskelhyper-/-atrophie in direktem Zusammenhang mit der Cambridge-Arbeit steht.

Im Jahr 2018 starteten die Cambridge-Forscher ein Projekt darüber, wie sich die Proteine ​​in Muskelfilamenten unter Krafteinwirkung verändern. Sie fanden heraus, dass den Hauptmuskelbestandteilen Aktin und Myosin Bindungsstellen für Signalmoleküle fehlen, sodass es der dritthäufigste Muskelbestandteil – Titin – sein musste, der für die Signalisierung der Veränderungen der ausgeübten Kraft verantwortlich war.

Immer wenn ein Teil eines Moleküls ausreichend lange unter Spannung steht, wechselt es in einen anderen Zustand und legt einen zuvor verborgenen Bereich frei. Wenn diese Region dann an ein kleines Molekül binden kann, das an der Zellsignalisierung beteiligt ist, aktiviert sie dieses Molekül und erzeugt eine chemische Signalkette. Titin ist ein riesiges Protein, dessen großer Teil sich bei der Dehnung eines Muskels ausdehnt, ein kleiner Teil des Moleküls jedoch auch bei Muskelkontraktion unter Spannung steht. Dieser Teil des Titins enthält die sogenannte Titinkinasedomäne, die das chemische Signal erzeugt, das das Muskelwachstum beeinflusst.

Die Wahrscheinlichkeit, dass sich das Molekül öffnet, ist größer, wenn es einer größeren Kraft ausgesetzt wird oder wenn es länger unter der gleichen Kraft gehalten wird. Beide Bedingungen erhöhen die Anzahl der aktivierten Signalmoleküle. Diese Moleküle induzieren dann die Synthese von mehr Boten-RNA, was zur Produktion neuer Muskelproteine ​​führt und den Querschnitt der Muskelzelle vergrößert.

Diese Erkenntnis führte zu der aktuellen Arbeit, die von Ibata, selbst ein begeisterter Sportler, begonnen wurde. „Ich war begeistert, ein besseres Verständnis sowohl für das Warum als auch für das Wie des Muskelwachstums zu gewinnen“, sagte er. „Es könnte so viel Zeit und Ressourcen eingespart werden, wenn Trainingsprogramme mit geringer Produktivität vermieden werden und das Potenzial des Sportlers durch regelmäßige, höherwertige Trainingseinheiten maximiert wird, sofern ein bestimmtes Volumen erreicht wird, das der Sportler erreichen kann.“

Terentjev und Ibata wollten ein mathematisches Modell verfeinern, das quantitative Vorhersagen zum Muskelwachstum liefern könnte. Sie begannen mit einem einfachen Modell, das verfolgte, wie sich Titinmoleküle unter Krafteinwirkung öffneten und die Signalkaskade in Gang setzten. Mithilfe von Mikroskopiedaten ermittelten sie die kraftabhängige Wahrscheinlichkeit, dass sich eine Titinkinase-Einheit unter Krafteinwirkung öffnet oder schließt und ein Signalmolekül aktiviert.

Anschließend machten sie das Modell komplexer, indem sie zusätzliche Informationen wie den metabolischen Energieaustausch sowie Wiederholungslänge und Erholung einbezog. Das Modell wurde anhand früherer Langzeitstudien zur Muskelhypertrophie validiert.

„Unser Modell bietet eine physiologische Grundlage für die Idee, dass Muskelwachstum hauptsächlich bei 70 % der maximalen Belastung stattfindet, was die Idee hinter dem Krafttraining ist“, sagte Terentjev. „Unterhalb davon sinkt die Öffnungsrate der Titinkinase steil und verhindert, dass mechanosensitive Signale stattfinden. Darüber hinaus verhindert eine schnelle Erschöpfung ein gutes Ergebnis, was unser Modell quantitativ vorhergesagt hat.“

„Eine der Herausforderungen bei der Vorbereitung von Spitzensportlern ist die allgemeine Anforderung, die Anpassungen zu maximieren und gleichzeitig die damit verbundenen Kompromisse wie Energiekosten auszugleichen“, sagte Fionn MacPartlin, Senior Strength & Conditioning Coach am English Institute of Sport. „Diese Arbeit gibt uns mehr Einblick in die potenziellen Mechanismen, wie Muskeln Belastungen wahrnehmen und darauf reagieren, was uns dabei helfen kann, Interventionen gezielter zu gestalten, um diese Ziele zu erreichen.“

Das Modell befasst sich auch mit dem Problem der Muskelatrophie, die bei längerer Bettruhe oder bei Astronauten in der Schwerelosigkeit auftritt, und zeigt sowohl, wie lange ein Muskel es sich leisten kann, inaktiv zu bleiben, bevor er sich zu verschlechtern beginnt, als auch, wie das optimale Erholungsregime aussehen könnte.

Letztendlich hoffen die Forscher, eine benutzerfreundliche softwarebasierte Anwendung zu entwickeln, die individuelle Trainingsprogramme für bestimmte Ziele ermöglichen könnte. Die Forscher hoffen auch, ihr Modell zu verbessern, indem sie ihre Analyse um detaillierte Daten sowohl für Männer als auch für Frauen erweitern, da viele Trainingsstudien stark auf männliche Sportler ausgerichtet sind.


Zeitschriftenreferenz:

  1. Neil Ibata, Eugene M. terentjev. Warum Sport Muskeln aufbaut: Titin Mechanosensing steuert das Wachstum der Skelettmuskulatur unter Belastung. Biophysikalisches Journal, 2021; DOI: 10.1016/j.bpj.2021.07.023


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