Cómo hacer que crezca el músculo según un modelo matemático

Un modelo matemático predice el ejercicio necesario para hacer músculo según la fisiología de cada persona

Basándose en la biofísica del cuerpo humano, investigadores de la Universidad de Cambridge han desarrollado un modelo que puede predecir con precisión qué cantidad de esfuerzo hará que el músculo crezca y cuánto tiempo de entrenamiento será necesario según cada persona.

El modelo se basa en un componente básico del músculo llamado titina, responsable de generar las señales químicas que disparan el crecimiento muscular.

La investigación ha medido cuánto ejercicio, y con cuánto peso hay que trabajar para que la titina entre en funcionamiento y active la señal que genera nuevas fibras musculares. Para que el músculo crezca, la titina tiene que dar la señala que inicie el proceso.

Los resultados, publicados en Biophysical Journal, sugieren que existe un peso óptimo con el que realizar el entrenamiento de resistencia para cada persona y cada objetivo de crecimiento muscular.

El modelo también aborda el problema de la atrofia muscular, que ocurre durante largos períodos de reposo en cama o para los astronautas en microgravedad, mostrando cuánto tiempo puede permitirse un músculo permanecer inactivo antes de comenzar a deteriorarse, y cuál podría ser el régimen de recuperación óptimo.

Los investigadores van a desarrollar una a aplicación basada en un software fácil de usar que pueda brindar regímenes de ejercicio individualizados para objetivos específicos. También esperan mejorar su modelo ampliando su análisis con datos detallados tanto para hombres como para mujeres, ya que muchos estudios de ejercicio están fuertemente sesgados hacia los atletas masculinos.

Las moléculas que disparan el crecimiento del músculo

Los músculos solo pueden soportar una carga máxima durante muy poco tiempo, y lo importante para que crezca el músculo es el tiempo sostenido de entrenamiento. A lo largo del tiempo se activa la vía de señalización celular que conduce a la síntesis de nuevas proteínas musculares, la fábrica de músculo que hace que crezca.

Pero por debajo de cierto valor de carga, la señalización no se produce y el tiempo de ejercicio tendría que aumentar exponencialmente para compensar. El valor de esta carga crítica, es decir, con cuánto peso hay que trabajar para que el músculo crezca, depende de la fisiología particular del individuo.

Parece una regla de tres que el ejercicio fortalece los músculos, pero no siempre es así. A menudo escuchas comentarios de personas que se quejan del poco rendimiento muscular que le sacan a muchas horas de entrenamiento. Este modelo matemático ajusta el ejercicio eficaz para alcanzar el crecimiento muscular que cada uno se proponga.

Al hacer ejercicio, cuanto mayor es la carga, más repeticiones o mayor es la frecuencia, mayor es el aumento de tamaño muscular. Sin embargo, incluso cuando se mira todo el músculo, se desconoce por qué o cuánto sucede esto. Las respuestas a ambas preguntas se vuelven aún más complicadas a medida que el enfoque se reduce a un solo músculo o sus fibras individuales.

Los músculos están formados por filamentos individuales que tienen solo 2 micrómetros de largo y menos de un micrómetro de ancho, más pequeños que el tamaño de la célula muscular. «Debido a esto, para poder explicar el crecimiento muscular hay observar el proceso a escala molecular», añade el coautor del artículo Neil Ibata. “Las interacciones entre las principales moléculas estructurales en el músculo se conocen hace unos 50 años, pero aún no está del todo claro cómo encajan las proteínas en todo el puzle «.

Esto se debe a que los datos son muy difíciles de obtener de un modo general: las personas difieren mucho en su fisiología y comportamiento, por lo que es casi imposible realizar un experimento controlado sobre los cambios en el tamaño de los músculos que puedan explicar lo que ocurre en todas las personas. “En laboratorio se pueden extraer células musculares y observar individualmente cómo se desarrollan, pero no estaremos teniendo en cuenta los niveles de oxígeno y glucosa durante el ejercicio”, explica Terentjev. «Es muy difícil verlo todo junto».

Terentjev y sus colegas empezaron a estudiar la capacidad de las células para detectar señales mecánicas en su entorno y sus investigaciones se unieron a trabajos realizados en la universidad de Cambridge. En 2018, los investigadores de Cambridge comenzaron un proyecto sobre cómo las proteínas en los filamentos musculares cambian tras un trabajo de fuerza. Descubrieron que los principales componentes musculares, la actina y la miosina, carecen de sitios de unión para las moléculas de señalización, por lo que tenía que ser el tercer componente muscular más abundante, la titina, el responsable de señalar los cambios en la fuerza aplicada.

Siempre que parte de una molécula está bajo tensión durante un tiempo suficientemente largo, se activa un proceso de señalización, una señal química que pone en marcha la titina.

 

La titina es una proteína gigante, una gran parte de la cual se extiende cuando se estira un músculo, pero una pequeña parte de la molécula también está bajo tensión durante la contracción muscular. Esta parte de la titina contiene el llamado dominio titina quinasa, que es el que genera la señal química que afecta el crecimiento muscular.

Es más probable que la molécula se abra si está sometida a más fuerza o si se mantiene bajo la misma fuerza durante más tiempo. Ambas condiciones aumentarán el número de moléculas de señalización activadas. Estas moléculas luego inducen la síntesis de más ARN mensajero, lo que lleva a la producción de nuevas proteínas musculares y aumenta la sección transversal de la célula muscular.

Esta comprensión condujo al trabajo actual, iniciado por Ibata, él mismo un gran atleta. «Estaba emocionado de obtener una mejor comprensión del por qué y el cómo del crecimiento muscular», dijo. «Se podría ahorrar tanto tiempo y recursos para evitar los regímenes de ejercicio de baja productividad y maximizar el potencial de los atletas con sesiones regulares de mayor valor, dado un volumen específico que el atleta es capaz de lograr».

Terentjev e Ibata se propusieron construir un modelo matemático que pudiera dar predicciones cuantitativas sobre el crecimiento muscular. Comenzaron con un modelo simple que realizaba un seguimiento de las moléculas de titina que se activan bajo la fuerza y ​​comienzan la cascada de señalización. Utilizaron datos de microscopía para determinar la probabilidad dependiente de la fuerza de que una unidad de titin quinasa se abriera o cerrara bajo la fuerza y ​​activara una molécula de señalización.

Luego hicieron que el modelo fuera más complejo al incluir información adicional, como el intercambio de energía metabólica, así como la duración de la repetición y la recuperación. El modelo fue validado utilizando estudios anteriores realizados ​​a largo plazo sobre hipertrofia muscular.

“Nuestro modelo ofrece una base fisiológica para la idea de que el crecimiento muscular ocurre principalmente al 70% de la carga máxima, que es la idea detrás del entrenamiento de resistencia”, dijo Terentjev. “Por debajo de eso, la tasa de apertura de la titina quinasa cae precipitadamente y evita que se produzca la señalización mecanosensible. Por encima de eso, el agotamiento rápido impide un buen resultado, que nuestro modelo ha predicho cuantitativamente «.

Información bibliográfica completa

Neil Ibata y Eugene M. Terentjev. «Por qué el ejercicio fortalece los músculos: el mecanismo de detección de titina controla el crecimiento del músculo esquelético bajo carga». Revista biofísica (2021). DOI: 10.1016 / j.bpj.2021.07.023