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Co-contrazione e stabilità

L’argomento è un po’ strano, ma ovviamente per me molto interessante. Sono gli appunti di roba che è nel libro, solo che mi erano rimasti nella e-penna e così sembrano slegati da qualsiasi contesto, ma fanno parte di uno schema. Solamente, questa è la “brutta” del risultato finale.

Il limite della conoscenza autodidatta su info raccattate da Internet è la mancanza di sistematicità: un esame universitario su una materia può riguardare conoscenze anche obsolete, ma riguarda un intero argomento secondo una strutturazione delle conoscenze che è superiore al prendere una paccata di “studi scientifici” magari dell’ultimo grido ma che riguardano “pezzi” dell’argomento.

Tanto per dire, io mi sono approcciato all’argomento “stabilità articolare” studiando la spina dorsale dato che la stabilità spinale è studiata in maniera abnorme a causa della Sindrome del Mal di Schiena. Però così facendo ho perso il senso dell’argomento: la stabilità, o instabilità, è propria di qualsiasi articolazione e va studiata in generale per poi declinarla sul caso particolare.

Ha rilevanza tutta questa roba per noi? Sicuramente si perché a senso suona ok che sia bene essere “stabili” con 200Kg sulla groppa, no?

Però, ragazzi, il punto è anche un altro: studiare solo quello che è rilevante per ciò che facciamo è il peggior limite alla nostra creatività. Sono le conoscenze più disparate che permettono la creazione di link logici fra cose che fra loro apparentemente non c’entrano nulla ma che invece permettono di scoprire cose nuove. Se l’Uomo si fosse concentrato solo su quello che gli fosse servito al momento, saremmo ancora a grugnire in qualche caverna intorno ad un fuoco.

Agonisti ed antagonisti

A sinistra due dei muscoli più interessanti per il culturista: il bicipite ed il tricipite. Questi sono fra loro antagonisti, nel senso che permettono entrambi la rotazione dell’avambraccio sul braccio, ma

Bicipite

Tricipite

Bicipite

Tricipite

505050KgKgKg

505050KgKgKg

505050KgKgKg

505050KgKgKg

FB

FT

Ftot = FB Ftot = FT

Ftot = FB - FT Ftot = FT - FB

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in versi diametralmente opposti: i muscoli sono generatori di forza unidirezionali dato che possono solo “tirare” e non “premere” contro un osso pertanto per ottenere una rotazione articolare bidirezionale sono sempre necessari almeno due muscoli in una configurazione più o meno simile a quella del disegno a sinistra.

In alto a destra l’azione del bicipite in un curl e del tricipite in un push down ai cavi: se un muscolo fa ruotare l’articolazione che controlla in un verso, è bene che il suo antagonista non si contragga, altrimenti indurrebbe una rotazione nel verso opposto che impedirebbe all’agonista di esplicare correttamente la sua funzione.

In basso pertanto una situazione assurda: gli stessi movimenti ma con una contrazione non solo dell’agonista ma anche dell’antagonista. Lo stesso risultato ma con un dispendio energetico ben maggiore dato che l’agonista deve generare la stessa forza precedente a cui si somma quella per contrastare l’antagonista stesso.

Provate su voi stessi: contraete il bicipite ed il tricipite contemporaneamente, l’avambraccio non si muove anche se state facendo una fatica bestia bruciando energie per nulla. Illogico, assolutamente illogico… o no?

Adesso complichiamo un po’ di più le cose: supponete di dover prendere un contenitore d’acqua mezzo pieno da terra per metterlo su un ripiano in alto. Se volete provare veramente, prendete una tanica da 20 litri e riempitela per 2/3, poi per complicarvi la vita la sollevate che è verticale ma la riappoggiate in orizzontale. Per semplicità viene considerato solo il gomito ma considerazioni analoghe su agonista ed antagonista possono essere fatte per la spalla.

Per quanto stiate attenti, l’acqua si muoverà dentro la tanica sbilanciandola e facendo oscillare l’avambraccio mentre il bicipite è contratto. Una elettromiografia evidenzierebbe che anche il tricipite si contrae, per tutta la traiettoria.

Molle muscolari

Immaginiamo i muscoli come dei generatori di forze che rappresentiamo come frecce ma in realtà proprio i “materiali” con cui sono fatti li rendono simili per molti aspetti a delle molle.

505050KgKgKg505050KgKgKg

Cosa si deve fare per vivere…

Cosa si deve fare per vivere…

Cosa si deve fare per vivere…

1 – Forze variabili …

2 - … fanno ruotare

l’avambraccio …

2 - … e la traiettoria non èquella desiderata

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Ecco una molla ideale, quella che si studia al Liceo o a Fisica Uno: in alto la molla è a riposo e non genera nessuna forza né è sottoposta a forze, in basso la molla è tirata a destra per la distanza d possibile solo se la trazione è F tale da equilibrare la forza di contro-trazione della molla stessa, che vale:

La forza che la molla genera è proporzionale all’allungamento rispetto alla situazione di riposo, il segno meno indica che la trazione è sempre nel verso opposto all’allungamento. La k è la costante di proporzionalità ed è chiamata rigidità della molla o stiffness: più k è grande e più a parità di allungamento la forza di trazione è elevata o, in altre parole, più la molla è rigida. Perciò più una molla è rigida e più è necessaria forza per allungarla.

Sappiamo che il tessuto muscolare sia viscoelastico, cioè ha un suo grado di elasticità interno che non dipende dall’attivazione del sistema nervoso: è proprio la “ciccia” ad essere elastica, cioè se tirate un muscolo i filamenti di actina e miosina si tendono ed entro certi limiti esercitano una resistenza simile a quella di una molla, tanto più forte quanto più l’allungamento è elevato.

La rigidità di questa molla muscolare è data da:

Il coefficiente k dipende dalla forza di contrazione del muscolo stesso, più è contratto e più è rigida, e dalla lunghezza a cui viene esercitata la forza muscolare, più è lungo e meno è rigida. Perciò muscoli corti fortemente contratti sono molle molto più rigide di muscoli lunghi debolmente contratti.

x

y

x

y

d

F

kdFmolla

Filamento di Miosina

Filamento di Actina

Filamento di Miosina

Filamento di Actina

Muscolo

Muscolo

L

Fqk

4

Possiamo approssimare i nostri due antagonisti al sistema meccanico a destra (non ridete né sospirate). Bene: a che cacchio serve tutto questo casino? Immaginate di stare sollevando la vostra tanica mezza piena per la sessione di tank training©, l’acqua spostandosi crea delle forze indesiderate sul vostro avambraccio.

Bicipite

Tricipite

=Bicipite

Tricipite

Gomito

1 – Una forza indesiderata crea una rotazione …

FI

FT

2 - … il tricipite reagisce

3 - … eliminando la perturbazione

FBFI

1 – Una forza indesiderata crea una rotazione …

2 - … il bicipite reagisce …

3 - … eliminando la perturbazione

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Le molle compensano la rotazione indesiderata poiché se l’avambraccio ruota verso l’alto sarà la molla-tricipite ad intervenire per tirarlo di nuovo verso il basso, viceversa sarà il bicipite.

Adesso il punto fondamentale: più le molle sono rigide, più le forze perturbative della traiettoria saranno frenate. Ma le molle sono i muscoli: più i muscoli sono contratti, più le molle sono rigide!

Nello spostare in alto la tanica voi contaete contemporaneamente il bicipite, l’agonista in questo caso, e il tricipite, l’antagonista. Ovviamente contraete più il bicipite del tricipite, ma comunque entrambi. Questo permette alle molle muscolari, ai muscoli, di essere rigide e di impedire che lo spostamento dell’acqua faccia muovere l’avambraccio dalla traiettoria desiderata.

Co-contrazione e stabilità

Contrarre contemporaneamente agonista ed antagonista è detto co-contrazione. La più nota co-contrazione è quella dei femorali con i quadricipiti che assicura che il crociato anteriore non sia sottoposto a forze di trazione nello squat, ma il fenomeno è comune e prassi all’interno dell’organismo.

La co-contrazione aumenta la rigidità articolare, cioè la capacità dell’articolazione di non ruotare sotto l’azione di una forza perturbativa esterna. Se definiamo come stabilità strutturale la capacità di una struttura corporea recuperare la propria forma a seguito di una forza esterna, la co-contrazione, aumentando la rigidità articolare, permette un miglioramento della stabilità strutturale in quanto i muscoli permettono di recuperare la posizione di partenza dell’avambraccio nella sua traiettoria corretta.

E’ interessante notare come l’effetto sulla stabilità non sia dovuto a motivi neurologici, all’attivazione cioè di una strategia di contrazione da parte del cervello, ma proprio a motivi meccanici: il recupero della posizione è dovuto ai materiali di cui è composto il muscolo, il sistema

nervoso mette solo in tensione la molla.

Questa è un’altra strategia: a seguito di una forza perturbativa i sensori inviano al cervello dei segnali sull’entità e sulla velocità dello spostamento indesiderato, il cervello genera un segnale per pilotare il tricipite che interviene e rimette l’avambraccio nella sua giusta traiettoria.

Nel primo caso si ha un enorme dispendio energetico perché entrambi i muscoli sono sempre contratti, in questo no. Il problema è che rilevare lo spostamento e recuperarlo necessita di tempo, il sistema è lento mentre il precedente immediato perché sempre attivo. Non solo, a causa della lentezza della risposta la forza compensativa potrebbe tirare l’avambraccio proprio nel momento in cui il disturbo cambia verso, con effetti assolutamente imprevedibili.

1 – Una forza indesiderata crea una rotazione …

FI3 - … e la

perturbazione eliminata

FT

2 - … la rotazione viene rilevata …

FT

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Pertanto, la soluzione dell’Architetto è di assicurare la stabilità articolare tramite la co-contrazione e esistono tantissimi studi che mostrano ad esempio come la co-contrazione e la rigidità articolari siano variabili in funzione dei compiti da svolgere e allenabili.

Più un movimento è nuovo e “sconosciuto” al vostro sistema nervoso, più sarà ritenuto come “pericoloso” pertanto la co-contrazione sarà massima per preservare la stabilità articolare, evitando che movimenti ritenuti bruschi possano danneggiare le articolazioni. Quando il movimento viene imparato e ritenuto “sicuro”, la co-contrazione diminuisce: agonisti ed antagonisti giocano così un ruolo molto più complesso di quello che si pensa e non sono solamente attivi reciprocamente.

Pertanto “stabilizzare una articolazione” significa renderla rigida quanto basta per non muoversi sotto l’azione di forze non desiderate, ma solo su traiettorie che abbiamo deciso noi. Per questo motivo:

I manubri sono più complicati da usare rispetto al bilanciere, necessitano l’utilizzo di molti più muscoli intorno all’articolazione della spalla per impedire che deviino dalla traiettoria voluta rispetto al bilanciere che è molto più “bloccato”.

Il pek dek e il multipower sono più semplici da usare rispetto al bilanciere: la traiettoria è bloccata e non c’è possibilità che i segmenti ossei vengano deviati dalla traiettoria voluta.

La tanica d’acqua piena è più semplice da spostare rispetto a quella mezza piena, anche se la seconda pesa di meno: lo spostamento dell’acqua fa ruotare le articolazioni che devono essere rese più rigide.

In pratica, ogni volta che c’è una rotazione indesiderata, l’articolazione che la subisce diventa instabile e va resa rigida per impedire che accada. La co-contrazione di muscoli antagonisti è una strategia, dispendiosa ma inevitabile.

Inibizione reciproca

La legge di Sherrington sull’inibizione reciproca afferma che se un muscolo si contrae il suo

opposto si rilassa, pertanto come è possibile che esista la co-contrazione agonista-antagonista?

Ecco uno degli incasinati disegnini che vengono fuori quando si parla del Sistema Nervoso: due motoneuroni che innervano rispettivamene il bicipite e il tricipite, due fusi neuromuscolari che inviano indietro le loro informazioni. Notate i due interneuroni di tipo inibitorio: I1 è innervato dal fuso neuromuscolare F2 e I2 è innervato dal fuso neuromuscolare F1.

BicipiteM1

Tricipite

Midollo spinale

M2I2

I1F1

F2

Cervello

7

Ok, usate le dita mettendole sui collegamenti perché il disegno sembra complicato ma non lo è:

1. Ipotizzo che il cervello invii impulsi elettrici ai due motoneuroni M1 e M2 per attivare entrambi i muscoli.

2. Il fuso neuromuscolare F1 invia informazioni di ritorno sullo stato di tensione interna del bicipite e sulla velocità di accorciamento.

3. Il segnale del fuso attiva il neurone inibitorio reciproco I2 del tricipite.

4. Il segnale del fuso è tale che il neurone inibitorio I2 invia il suo segnale al motoneurone M2 del tricipite.

5. Il segnale inibitorio cancella il segnale del cervello e il motoneurone M2 non si attiva, il tricipite non si contrae.

Se ripetete il giochetto per il push down ai cavi la situazione è analoga ed è il bicipite che non si contrae. Pertanto, se l’agonista si contrae, l’antagonista si rilassa e il fenomeno si chiama inibizione reciproca.

Il problema è che la legge di Sherrington deriva da studi fatti in un certo periodo storico che confermavano questa ipotesi, ma il progresso scientifico ha fatto vedere come le strutture neurali permettano di modulare questo effetto. Del resto… voi potete contrarre agonista ed antagonista o

M1

M2

I2

F1

505050KgKgKg

2 – … il segnaledel fuso …

3 - … attiva il neurone inibitorio

reciproco …

1 – Il cervello attiva i

motoneuroni…

4 - … che genera un segnale

inibitorio …

5 - … che impedisce al motoneurone reciproco di attivarsi

Soglia

t

M2Soglia

t

M2

BicipiteM1

Tricipite

Midollo spinale

M2I2

I1F1

F2

Cervello

I3

I4

8

no?

Rendiamo più realistiche le connessioni dei neuroni, il che significa renderle più incasinate anche se i neuroni sono solo 6: si sono aggiunti gli interneuroni inibitori I3 e I4 controllati in questo caso direttamente dal cervello e connessi a loro volta ai neuroni inibitori dei motoneuroni.

Vediamo come questa struttura permetta di co-contrarre il tricipite quando il bicipite è contratto:

1. Ipotizzo che il cervello invii impulsi elettrici ai due motoneuroni M1 e M2 per attivare entrambi i muscoli.

2. Il cervello, però, attiva anche il neurone inibitorio I4

3. Il neurone inibitorio I4 genera un segnale inibitorio sul neurone inibitorio I2.

4. Il fuso neuromuscolare F1 invia informazioni di ritorno sullo stato di tensione interna del bicipite e sulla velocità di accorciamento.

5. Il segnale del fuso attiverebbe il neurone inibitorio reciproco I2 del tricipite.

6. Il neurone inibitorio I2 non invia il suo segnale al motoneurone M2 del tricipite perché il segnale del fuso viene cancellato da quello del neurone inibitorio I2..

7. Non essendoci nessun segnale inibitorio sul motoneurone M2, questo viene attivato dal segnale in ingresso dal cervello e permette la contrazione del tricipite.

Provate facendo contrarre il bicipite quando il tricipite è contratto, la situazione è analoga. L’inibizione reciproca è così adattabile alle esigenze. L’allenamento permette di migliorare decisamente l’inibizione reciproca diminuendo la co-contrazione indesiderata ed è per questo che l’atleta avanzato mostra gesti più fluidi del principiante che va a scatti: la co-contrazione indesiderata impedisce la corretta coordinazione muscolare, ma è il prezzo iniziale da pagare per la “novità” del movimento.

Il corpo umano preferisce rendere stabili le articolazioni anche a costo di sprecare energie in movimenti non ottimizzati piuttosto che rischiare di esporre le articolazioni a stimoli che si potrebbero rivelare eccessivi.

M1

M2I2

F1

F2I4

505050KgKgKg

4 – … il segnale delfuso …

5 - … attiverebbe il neurone inibitorio

reciproco …

2 - … ma anche questo neurone inibitorio …

3 - … che genera un segnale inibitorio su questo

neurone inibitorio …

6 - … che non emette il suo segnale inibitorio perché

inibito …

7 - … e l’antagonista può contrarsi

1 – Il cervello attiva i

motoneuroni…

Soglia

t

I2Soglia

t

I2