Insulto traumatico e deficit elastico muscolare
di Gian Nicola Bisciotti Ph. D.^(1-2-3-4), Bertocco Rossano⁽³⁾,Claudio Gaudino ⁽¹⁾, Pier Paolo Iodice ⁽²⁾

Elasticità e rendimento

L'elasticità è definibile come la proprietà dei corpi, che subiscono una deformazione per effetto di una sollecitazione esterna, di riprendere, almeno parzialmente, la forma ed il volume iniziali, al cessare della sollecitazione stessa.

Il muscolo umano possiede notevoli proprietà elastiche, infatti nella fase eccentrica del movimento, il muscolo, immagazzina energia elastica, che poi restituisce, sotto forma di lavoro meccanico, nella successiva fase concentrica.

Nell’analisi del comportamento muscolare, effettuata attraverso l’adozione di un modello meccanico a tre componenti (Chapman, 1985; Huijing, 1992), il ruolo di stoccaggio e restituzione dell’energia elastica, durante un movimento che comporti una fase di allungamento muscolare immediatamente seguita da una fase di accorciamento, è da attribuirsi all’elemento elastico in serie (SEC), che da un punto di vista anatomico, vede la sua parte passiva identificabile essenzialmente nel tendine (che stocca circa il 72% dell'energia elastica totale) e la sua parte attiva principalmente nella porzione S2 della testa miosinica (che immagazzina il restante circa 28% dell'energia elastica totale). Sempre nell’ambito della stessa modellizzazione muscolare, il ruolo di "generatore di forza" è invece attribuibile alla componente contrattile (CC), identificabile anatomicamente a livello dei ponti actomiosici.

Così, durante la fase eccentrica della corsa ad esempio, il tendine di Achille, viene allungato di circa il 6%, pari a circa 1.5 cm rispetto alla sua lunghezza iniziale, e restituisce circa il 90% dell'energia elastica potenziale immagazzinata, sotto forma di lavoro meccanico, nella successiva fase concentrica del movimento.

In tal modo il rendimento muscolare passa dal 25% ad oltre il 40%, l'energia elastica costituisce infatti energia "metabolicamente gratuita", per questo motivo riveste un ruolo essenziale, sia nel potenziamento, che nell'economia del gesto. Il risparmio metabolico dovuto all’accumulo ed alla conseguente restituzione di energia elastica è infatti dovuto, sia al fatto che parte del lavoro positivo risulta essere svolto dall’energia elastica immagazzinata negli elementi elastici, sia al fatto che la maggior velocità di accorciamento del muscolo diminuisce, di fatto, la durata della fase positiva del lavoro muscolare, riducendo in tal modo la spesa energetica (Cavagna e coll., 1971). Al contrario, in un lavoro muscolare che non preveda una precedente fase di allungamento, l’energia necessaria al compimento del lavoro positivo, proviene essenzialmente dalla trasformazione di energia chimica a livello della componente contrattile del muscolo stesso. Tuttavia è comunque interessante notare che questo risparmio energetico sarebbe ridimensionato se si considerasse l’effettivo costo della fase di lavoro eccentrico (Cavagna e coll., 1971).

Occorre anche sottolineare, come alcuni Autori attribuiscano l’aumento del lavoro concentrico, ottenuto immediatamente dopo una fase eccentrica, al fatto che quest’ultima provochi un incremento della rigidità del complesso muscolo-tendineo che, in tal modo, riesce a trasmettere, soprattutto nella fase iniziale della contrazione concentrica, più efficacemente la forza (Cavagna e coll., 1971; Van Ingen Shenau, 1984). Inoltre la fase eccentrica iniziale, permetterebbe alla componente contrattile di lavorare nella porzione eccentrica della relazione forza-velocità (Chapman e Caldwell, 1985).

Al potenziamento della fase concentrica concorrerebbe anche l’azione del riflesso miotattico da stiramento, che si manifesterebbe dopo circa 40-70 ms dall'inizio della fase di pre-stiramento, (Iles, 1977; Gottlieb e Agarwal., 1979; Chan, e coll., 1978; Prochazka e coll., 1977).

In ogni caso, il fatto di eseguire un movimento attraverso un ciclo stiramento-accorciamento (SSC), ottiene come risultato un aumento della forza, della velocità e della potenza espressa durante la fase concentrica dello stesso. L’aumento di questi tre parametri è in ultima analisi il vero significato del termine di "restituzione di energia elastica".

Il risultato di una preventiva fase di allungamento muscolare comporterebbe soprattutto un aumento dell’attivazione neuromuscolare, dovuto ad un maggior numero di legami attivi a livello dei ponti actomiosinici , fattore che determinerebbe un incremento dei valori di forza registrabili all’inizio della fase concentrica del movimento ( Cavagna e coll., 1971; Bobbert e coll, 1996; Bisciotti e coll, 2000)

Tuttavia, l’intervento della restituzione dell’energia elastica, influenza l’andamento della produzione di forza, velocità e potenza solamente durante la prime parte della fase concentrica (Wilson e coll., 1991; Bisciotti e coll, 2000). Inoltre è interessante notare che il valore di potenza massima raggiungibile in un movimento effettuato grazie ad una fase di SSC, non differisce statisticamente dal valore di potenza massima registrabile durante l’esecuzione dello stesso movimento eseguito senza una preventiva fase di stiramento. Infatti solamente la potenza media del movimento risulta maggiore in un movimento eseguito in SSC nei confronti dello stesso eseguito tramite un ciclo puramente concentrico, questo grazie all’aumento della produzione di potenza nella prima parte della fase concentrica (Bisciotti e coll., 2000). In conclusione, il potenziamento della fase concentrica di un movimento, dovuto all'effetto di una precedente condizione di pre-stiramento, sarebbe imputabile, sia a fenomeni prettamente inerenti l’accumulo e la restituzione di energia elastica da parte della SEC, sia a fattori riguardanti l’ottimizzazione delle caratteristiche meccaniche dell'unità muscolo tendinea (UMT). Entrambi questi parametri ottengono come risultato l’aumento del livello di forza al quale ha inizio la fase di concentrica, fattore che a sua volta influenza positivamente gli altri parametri biomeccanici relativi alla fase di spinta. Tutti questi aspetti, sono comunque caratterizzati da una forte transitorietà ,che si traduce in una modificazione limitata, da un punto di vista temporale, dei parametri di forza, velocità e potenza, del movimento considerato, tale comunque da modificare positivamente la totalità dei parametri biomeccanici relativi alla fase concentrica del movimento stesso.

Per cui si può affermare che il comportamento elastico del muscolo non sia in ultima analisi una "strategia comportamentale" atta all’aumento dell’energia del muscolo stesso, ma che piuttosto risulti molto efficace al fine di aumentare, seppur transitoriamente, la produzione di potenza, migliorando in tal modo sensibilmente il rendimento muscolare.

Per meglio chiarire questo effetto di "transitorietà" nel cambiamento dei parametri biomeccanici del movimento (quali appunto la forza, la velocità e la potenza del movimento stesso) , dovuto alla restituzione di energia elastica, osserviamo le figure sottoriportate.

Nella figura A è possibile osservare l’andamento della produzione di forza durante la fase concentrica di un movimento di estensione della gamba sulla coscia. La curva CC si riferisce ad un movimento effettuato senza una preventiva fase eccentrica di stiramento, durante il quale quindi la forza è prodotta essenzialmente dalla componente contrattile. Al contrario, la curva CC+SEC si riferisce allo stesso tipo di movimento effettuato grazie ad una preventiva fase eccentrica di allungamento. E’ chiaramente notabile come, grazie ad i fenomeni prima descritti inerenti sia il riuso di energia elastica, che la modificazione delle caratteristiche meccaniche dell’UMT, il livello di forza da cui ha inizio la fase concentrica del movimento nella curva CC+SEC, sia significativamente maggiore rispetto al livello di forza da cui ha inizio lo stesso tipo di movimento eseguito senza la fase di pre-stiramento (curva CC).

A questo consegue un maggior incremento della velocità di movimento, evidenziabile soprattutto dalla maggior pendenza della curva di velocità del movimento CC+SEC rispetto a quella relativa al movimento CC (figura B). L’aumento dei valori di forza e velocità comporta, come è logico attendersi, un incremento della potenza sviluppata nel movimento stesso. A questo punto è interessante notare come le due curve di potenza riportate nella figura C, differiscano solamente nella prima parte iniziale del movimento. La pendenza della curva CC+SEC si presenta infatti più ripida rispetto a quella riguardante la curva CC, sottolineando in tal modo la maggior potenza iniziale sviluppata durante la fese concentrica di un movimento che comporti un fase di pre-stiramento. Tuttavia, è altresì osservabile come il picco di potenza dei due tipi di movimento non differisca, sottolineando in tal modo come l’effetto potenziativo della fase di pre-stiramento si esaurisca nella prima parte (circa 100 ms) della fase concentrica del movimento (Wilson e coll., 1991; Bisciotti e coll., 2000).

Il ruolo "protettivo" dell’ elasticità muscolo-tendinea

Molti dati disponibili in bibliografia dimostrano come, durante un movimento balistico che preveda una fase di allungamento-accorciamento, la restituzione dell'energia elastica, accumulata durante la fase eccentrica, sia in grado di spostare la relazione forza-velocità in alto e verso destra. In altre parole, l'intervento dell'energia elastica restituita dalla SEC, permetterebbe al muscolo di generare, a velocità di contrazione elevate, delle forze molto superiori di quanto non potrebbe fare, nelle stesse condizioni, la sola componente contrattile (Asmussen e Bonde Petersen, 1974; Thys e coll., 1975, Bosco, 1985; Wilson e coll.,1991).

Oltre a questo ruolo di "potenziamento" della produzione di forza, comunque non sottovalutabile, visto che lo stoccaggio di energia potenziale può essere dell'ordine di 40-60 J per dei gruppi muscolari in condizioni di contrazione massimale, la SEC svolge anche un ruolo di tipo protettivo, nei confronti delle strutture articolari e periarticolari, in caso di brusche e repentine contrazioni muscolari (Bouisset e Maton, 1995).

A questo proposito, è interessante ricordare come in alcune tipologie di atleti, vedi i calciatori, che si trovino a lavorare su terreni morbidi, che limitano fortemente lo stoccaggio e la restituzione di energia elastica da parte della SEC, si possano registrare delle perdite delle caratteristiche elastiche muscolari, che li esporrebbero ad un maggior rischio di lesioni in caso di eventi di tipo traumatico (Bosco, 1997), soprattutto nel corso della fase eccentrica del movimento (Armstrong, 1990; Garret, 1990).

Figura 1: L'interposizione di una molla lungo un cavo vincolato ad una struttura, sul quale viene applicata una forza in modo repentino, svolge un ruolo di "smorzatore" ed è in tal modo in grado di preservare da eventuali danni la struttura stessa. Nell'ambito biologico, la componente elastica seriale, svolge anche questo secondo ruolo, oltre a quello di stoccaggio e restituzione dell'energia elastica, nei confronti delle strutture articolari e periarticolari.

L’insulto traumatico e la perdita delle caratteristiche meccaniche del muscolo

In seguito ad un trauma è possibile registrare tutta una serie di eventi a livello muscolare che possono essere sostanzialmente ricondotti ad una degenerazione delle fibre muscolari, caratterizzata da una distruzione miofibrillare unita ad un danno, sia a livello mitocondriale, che del reticolo sarcoplasmatico (Byrd, 1992). Inoltre, in questo stato di alterazione dell’ultrastruttura muscolare, si può anche verificare un’interruzione nella continuità del sarcolemma (Carlson e Faulkner, 1983).

La perdita d’integrità del sarcolemma, unita al danno del reticolo sarcoplasmatico, può comportare un’elevazione della concentrazione intracellulare di Ca⁺⁺. La conseguente alterazione nella capacità di pompaggio del Ca⁺⁺ dal sarcoplasma, comporterebbe una parallela alterazione dell’omeostasi del Ca⁺⁺ stesso, che avrebbe come conseguenza una contrazione non controllata dei sarcomeri (Armstrong e coll., 1991). Questa contrazione incontrollata delle fibre muscolari può perdurare, anche in assenza di un potenziale di azione che depolarizzi le fibre stesse, sino a quando la concentrazione intracellulare di Ca⁺⁺ rimane elevata e la disponibilità di ATP è sufficientemente adeguata (Armstrong e coll., 1991; Travell e Simons, 1983).

Le forze meccaniche, causate da questa catena di eventi, che perdurerebbero a livello miofibrillare dopo l’insulto traumatico, potrebbero comportare un aggravamento del danno strutturale subito dalla componente contrattile (Armstrong, e coll., 1991).

Nel caso in cui il danno subito dal tessuto muscolare sia di una certa severità, i sintomi clinici riscontrabili sono il riferimento di una più o meno intensa sintomatologia dolorosa, sia in caso di allungamento passivo che di contrazione attiva (Garret, 1990), gonfiore, risposta infiammatoria od edematosa all’interno del tessuto muscolare stesso (Garret e coll., 1989), diminuzione della capacità di forza del distretto muscolare considerato ed alterazione degli schemi propriocettivi (Herring, 1990; Garret, 1990; Nikolaou e coll., 1987; Russel e coll., 1992; Taylor e Dalton, 1993). Appare quindi chiara l’esigenza di controllare durante tutta la fase fisioterapica di riabilitazione il comportamento meccanico della muscolatura lesa, avendo come secondo termine di paragone il comportamento meccanico della muscolatura dell’arto controlaterale sano (Bisciotti e coll., 2000). La possibilità di quantificare in che misura l’insulto traumatico abbia diminuito le capacità elastiche della muscolatura lesa, diviene quindi un importantissimo parametro valutativo in ambito riabilitativo. L’importanza del recupero delle caratteristiche elastiche della muscolatura insultata, è sottolineata dal fatto che raramente nell’uomo, come d’altronde nell’animale, un movimento comporta un’attivazione muscolare di tipo puramente isometrico, eccentrico oppure concentrico. La maggior parte dei movimenti umani, è caratterizzata infatti da un’attivazione muscolare che comporta una fase di contrazione muscolare di tipo eccentrico, immediatamente seguita da una fase concentrica (Goubel, 1987; Komi, 1987). La situazione più tipica è rappresentata dalla corsa dove, prima della fase di spinta (contrazione concentrica), i muscoli estensori sono contratti ma vengono allungati perché il centro di gravità subisce, durante l’impatto, una decelerazione verso il basso e l’avanti. Soprattutto nello sportivo quindi il recupero di un ottimale comportamento elastico della muscolature lesa diviene fondamentale.

Come quantificare le caratteristiche elastiche muscolari

La quantificazione delle caratteristiche elastiche muscolari, vede in primo luogo l’identificazione del miglior movimento, effettuato in catena cinetica aperta oppure chiusa, adatto ad evidenziare l’azione biomeccanica della muscolatura lesa. Lo stesso movimento deve essere eseguito dal paziente, senza soluzione di continuità, attraverso due modalità: il primo movimento deve essere effettuato partendo da una posizione statica, facendo intervenire quindi nella produzione di forza solamente la componente contrattile (CC), alla fine del primo movimento il paziente continua ad eseguire una serie di movimenti identici al primo ma effettuati grazie ad un ciclo stiramento-accorciamento (CC+SEC). I parametri biomeccanici dell’esercizio vengono registrati in tempo reale da una specifica apparecchiatura (Real Power Total Rehabilitation), attraverso la quale è possibile calcolare gli integrali della produzione di forza, potenza e velocità relativi alla prima parte della curva (normalmente i primi 100 ms), sia per ciò che riguarda il movimento eseguito con partenza statica (CC), sia per il miglior movimento eseguito in modalità stiramento-accorciamento (CC+SEC). La differenza tra i vari valori permette di calcolare l’aumento della forza contrattile, della velocità di contrazione e della produzione di potenza dovuto alla fase di pre-stiramento e quindi, in ultima analisi, di quantificare le caratteristiche elastiche della muscolatura dell’arto leso e del controlaterale sano.

Figura 2: Nelle due schermate sono riportati i parametri biomeccanici di un movimento di estensione della gamba sulla coscia, effettuato in catena cinetica aperta (leg extension), a carico dell’arto sano (riquadro superiore) e dell’arto leso (riquadro inferiore). Appare evidente la perdita di aumento di velocità di contrazione (4.7% versus 22.7%), forza contrattile (2.4% versus 11.4%) e di produzione di potenza (7.1% versus 28.6%) nell’arto leso rispetto al controlaterale sano, nei due tipi di movimento testati (CC e CC+SEC). Si tratta di un classico quadro post-traumatico (ricostruzione di LCA in 90° giornata), che sottolinea l’importante perdita delle caratteristiche elastiche della muscolatura estensoria dell’arto inferiore in seguito all’insulto traumatico ed all’evento chirurgico ricostruttivo.

Conclusioni

Il continuo e sistematico monitoraggio delle caratteristiche essenziali del movimento quali la forza, la velocità di contrazione la produzione di potenza e quindi le caratteristiche elastiche del muscolo leso, costituisce un esigenza imprescindibile ed una garanzia di riuscita nell’ambito di ogni protocollo riabilitativo. La possibilità di utilizzare delle specifiche apparecchiature che, grazie a semplici protocolli di test, possano fornire tali dati in modo affidabile e preciso, costituisce il superamento di un livello di professionalità importante, quello che distingue l’empirismo dalla rigorosità scientifica.

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