Modulación sensorial y motora asociada a saltos sobre superficies elásticas

INTRODUCCIÓN.

Cuando corremos y saltamos nuestro sistema músculo-esquelético necesita adaptar su stiffness (rigidez) en respuesta a la configuración de la superficie con la que interactúa, para poder acumular y restituir energía elástica en los músculos, tendones y ligamentos (Cavagna et al., 1977). Los cambios en el stiffness pueden ser explicados, utilizando un sencillo “modelo muelle-masa”, que simula el comportamiento de las piernas como un muelle, y un punto de masa equivalente al peso corporal (Blickhan 1989). Por tanto, el stiffness de las piernas (leg stiffness) representa la rigidez total de los elementos que integran el sistema músculo-esquelético (Farley et al. 1991; Farley et al. 1998; Ferris y Farley 1997; Ferris et al. 1998).

Esto es importante, ya que en muchas actividades deportivas existe un intercambio de energía mecánica entre el cuerpo humano y una superficie elástica o visco-elástica [p.ej.: gimnasia deportiva, trampolín, tumbling, atletismo, judo, etc…] (Arampatzis et al., 2001). Por esta razón, los deportistas tienen que adaptar el comportamiento de su cuerpo en función de las características de la superficie, manteniendo, así, un óptimo rendimiento. Incrementando el leg stiffness cuando éstos saltan sobre una superficie elástica, la fuerza requerida para ejecutar dicha acción es menor, debido a que aumenta el trabajo mecánico realizado por la superficie (Ferris y Farley 1997). Anecdóticamente, cuando las personas realizan un salto sobre el suelo inmediatamente después de estar saltando sobre una cama elástica, experimentan una extraña sensación. Éstas la definen como que su cuerpo no se despega del suelo, y necesitan un esfuerzo muscular mayor para realizar el salto sobre la superficie rígida.

En el campo del control del movimiento, se han investigado ilusiones perceptivas similares, ya que parece ser consecuencia de un desajuste sensorial (Lackner y Graybiel 1981; Pelah y Barlow 1996). Sin embargo, todavía no ha sido estudiado el fenómeno anteriormente descrito, y no se conoce si los efectos son producidos por cambios en el control del movimiento, en la percepción, o por una combinación de ambos. Por ello, para contestar a esta pregunta, hemos medido el rendimiento motor (altura de salto y stiffness) y los juicios perceptivos durante CMJs máximos, tras la realización de saltos repetidos en dos superficies diferentes: una superficie rígida (suelo) y una superficie elástica (cama elástica). Nuestra hipótesis es que los saltos repetidos sobre la superficie elástica provocarán adaptaciones perceptivas y motoras durante el posterior salto en la plataforma de fuerzas.

MÉTODOS.

Participantes y procedimientos generales.

Participantes.

Un total de 14 sujetos sanos han participado en este estudio [edad: 19.57 ± 3.8 años; peso: 70.30 ± 12.9 kg; estatura: 174.86 ± 7.6 cm]. Todos ellos eran estudiantes de la Facultad de Ciencias del Deporte de la Universidad de A Coruña. Test de salto (CMJ).

Los sujetos fueron instruidos para empezar en una posición erecta de bipedestación, descender rápidamente flexionando las rodillas y a continuación extenderlas saltando con el máximo esfuerzo posible. Las manos debían situarse sobre las caderas, para eliminar el efecto del movimiento de los brazos durante la ejecución del salto. Además, el desplazamiento angular de las rodillas se estandarizó en ~ 90º.

Juicios perceptivos

Después de la ejecución de cada salto (CMJ) los sujetos hacían dos tipos de juicios perceptivos sobre su rendimiento. En primer lugar, debían estimar la altura máxima conseguida (EH). La altura estimada se normalizó en relación a la altura real (RH). Este ratio EH/RH aporta información cuantitativa sobre el grado de acierto o precisión (1 = máximo acierto). Además, las desviaciones que se producen respecto a este valor [1] indican un error en la estimación (los valores más pequeños que 1, indican una infraestimación, mientras que los valores mayores que 1 indican una sobreestimación).

En segundo lugar, se les pidió a los participantes que realizasen una valoración subjetiva de su rendimiento a través de una escala de 10 puntos, similar a la utilizada por Flanagan y Beltzner (2000). Los sujetos debían dar una puntuación, comparando la ejecución del CMJ con los saltos previos realizados en el comienzo de la sesión. Un valor de 1 representaba un salto con las mismas sensaciones perceptivas, mientras que un valor de 10 significaba un salto con sensaciones perceptivas completamente diferentes.

Saltos repetidos o de adaptación.

Durante la fase de adaptación en la superficie elástica o rígida, los sujetos debían mantener las manos sobre las caderas. Para igualar el número y la frecuencia de los saltos, los sujetos saltaban al ritmo de un metrónomo, a una cadencia de 1 Hz. Se escogió esta frecuencia, ya que un experimento piloto mostró que era la cadencia de salto escogida por los sujetos durante la realización de saltos sobre cama elástica, a intensidad moderada. Para minimizar la fatiga muscular durante la fase de adaptación, se les pidió que saltasen a baja intensidad.

Protocolo.

La semana anterior a la 1ª sesión experimental, todos los sujetos realizaron una sesión de aprendizaje y familiarización del salto (CMJ), así como de los juicios perceptivos. A continuación, se realizaron dos sesiones experimentales, separadas por un intervalo de una semana. En una de las sesiones, los saltos repetidos se realizaron sobre una superficie elástica, y en la otra sesión sobre una superficie rígida. El orden de las sesiones fue contrabalanceado.

Cada sesión experimental comenzaba con un protocolo de calentamiento estandarizado, para asegurar que el sujeto ejecutara los saltos verticales (CMJs) a la máxima intensidad sin riesgo de lesión. El calentamiento finalizaba con la realización de 3 CMJs máximos sobre la plataforma de fuerzas instalada a nivel del suelo. Después de cada uno de estos saltos, al sujeto se le decía la altura alcanzada. Esta información fue el único feedback aportado al sujeto durante cada una de las sesiones experimentales. A continuación, el sujeto ejecutaba tres CMJs con un intervalo de 30 segundos y se usó el promedio como línea base (CMJbsl). Después, realizaba un minuto de saltos repetidos a 1 Hz sobre la superficie seleccionada (elástica o rígida). Inmediatamente después de los saltos de adaptación, el sujeto tenía que ejecutar seis nuevos CMJs (intervalo de 30 seg) sobre la plataforma de fuerzas (CMJ1 – CMJ6). Después de cada salto, los sujetos debían realizar dos juicios perceptivos, uno relacionado con la altura estimada, y el otro con la valoración subjetiva del salto realizado.

Material y tratamiento de datos.

La superficie elástica consistía en una cama elástica situada a nivel del suelo, con un área de 3 m x 1,5 m, construida con 118 muelles y un stiffness lineal de 8,9 kN/m. El stiffness de dicha superficie fue testado usando una prueba de cargas estáticas (hasta 2000 N, ver Arampatzis et al. 2001). La superficie rígida consistía en una plataforma de fuerzas (AMTI, Newton, MA) situada a nivel del suelo con un área de 0.508 m x 0.464 m, cuyo stiffness es de 35000 kN/m (Ferris y Farley 1997).

Todos los CMJs fueron ejecutados sobre una plataforma de fuerzas (AMTI, Newton, MA) y las señales fueron registradas a 1000 Hz. A través de la fuerza de reacción vertical, se obtuvieron la velocidad y desplazamiento vertical del centro de masas (CdM), usando el método de la doble integración (Cavagna, 1975). La altura de salto se calculó a través de la siguiente ecuación: H= v²/2g, donde v es la velocidad de despegue y g es la aceleración de la gravedad. El stiffness durante el CMJ se define como Fpico/∆L, donde Fpico es el pico máximo de la fuerza de reacción vertical (corresponde al máximo descenso del CdM durante el contramovimiento) y ∆L es el desplazamiento vertical del CoM desde la posición de partida hasta su punto más bajo (Ferris y Farley 1997; Liu et al. 2006). [Ver figura 1]

Figura 1. Spring-mass model.

Contenido disponible en el CD Colección Congresos nº 13

Análisis estadístico.

Se realizó una ANOVA de medidas repetidas de dos factores: tipo de superficie (elástica o rígida) e intento (CMJbsl, CMJ1, CMJ2, CMJ3, CMJ4, CMJ5, CMJ6). Este análisis se realizó para las siguientes variables: altura, stiffness, y ratio EH/RH. Para el análisis de las sensaciones subjetivas, el factor intento se redujo a 6 niveles (CMJ1, CMJ2, CMJ3, CMJ4, CMJ5, CMJ6), ya que se usó como referencia (el valor fue igual a 1 para todos los sujetos).

RESULTADOS

Rendimiento motor.

La ANOVA mostró una interacción significativa entre superficie*intento (F = 2.96, p = 0.013). Tras los saltos repetidos en la cama elástica, el stiffness se incrementó de manera significativa en el CMJ1 en comparación con el CMJbsl (p= 0.002; ver Figura 2a). El stiffness retornó a los valores basales en el CMJ2: p > 0.05). Una evidencia de este rápido regreso a los valores basales es el hecho que el stiffness en el CMJ1 es significativamente mayor que el de los últimos 4 saltos (CMJ3 – CMJ6: p≤ 0.05 para todas las comparaciones). En contraste, los saltos de adaptación en la superficie rígida no produjeron cambios en el stiffness. Finalmente, comparando las dos superficies, el análisis mostró que el stiffness del CMJ1 es mayor tras los saltos repetidos en la superficie elástica en comparación con la superficie rígida.

En relación a la altura de salto, la ANOVA mostró una interacción significativa superficie*intento (F = 2.42, p = 0.035). Los saltos repetidos en la cama elástica produjeron un descenso significativo de la altura de salto en el CMJ1 en comparación con el CMJbsl (p= 0.005, ver Figura 2b). La altura recuperó los valores iniciales, resultando en diferencias significativas entre CMJ1 y CMJ4 – CMJ6 (p≤ 0.05 para todas las comparaciones), y además CMJ3-CMJ6 no difiere de CMJbsl. Al igual que en el caso del leg stiffness, la adaptación en la superficie rígida no produjo cambios en la altura de salto. Comparando las dos superficies, los resultados mostraron que la altura de salto alcanzada en el CMJ1, tras saltar en la cama elástica es significativamente menor que tras los saltos repetidos en la superficie rígida (p= 0.04). Juicios perceptivos.

El análisis del ratio EH/RH mostró una interacción significativa superficie*intento (F = 7.21 p = 0.007). Los saltos de adaptación en la superficie elástica produjeron un descenso significativo del ratio EH/RH (Figura 2c). Los sujetos infraestimaron la altura alcanzada. Este efecto se limitó al CMJ1 (p ≤ 0.05 para todas las comparaciones pareadas). Tras los saltos en la cama elástica los sujetos saltan menos, sin embargo, sienten que salta incluso menos de lo que realmente están consiguiendo. Los saltos en la superficie rígida, no produjeron cambios en el ratio EH/RH. Cuando comparamos las dos superficies, los resultados mostraron que el ratio EH/RH en el CMJ1 y CMJ2 tras saltar en la superpie elástica es significativamente menor que tras los saltos repetidos en la superficie rígida (p = 0.006 y p = 0.012, respectivamente).

El análisis de las sensaciones subjetivas mostró una interacción significativa superficie*intento (F= 31.17, p ≤ 0.0001). El análisis post-hoc reveló puntuaciones significativamente más elevadas tras los saltos en la superficie elástica que tras los realizados en la rígida para CMJ1, CMJ2 y CMJ3 (p ≤ 0.0001, p ≤ 0.0001 y p ≤ 0.05, respectivamente). Además, la alteración perceptiva tras los saltos de adaptación en el trampolín descendió de manera significativa desde CMJ1 hasta el CMJ4 (CMJ1 vs CMJ2, p ≤ 0.0001; CMJ2 vs CMJ3, p ≤ 0.0001; CMJ3 vs CMJ4, p ≤ 0.01). No se encontraron diferencias entre los últimos tres intentos (CMJ4, CMJ5 y CMJ6). (figura 2d)

Figura 2. Resultados stiffness (2a), altura de salto (2b), ratio EH/RH (2c) y percepción subjetiva (2d).

Contenido disponible en el CD Colección Congresos nº 13

DISCUSIÓN

Tras saltos repetidos sobre una cama elástica, la gente muestra un incremento del stiffness y un descenso de la altura de salto cuando ejecuta un simple salto sobre una superficie rígida (p.ej. plataforma de fuerzas). Además, estos cambios en el rendimiento motor también están asociados a los cambios en la experiencia subjetiva de su propia ejecución.

Efectos en el comportamiento motor.

El incremento del stiffness durante el primer salto vertical tras los saltos repetidos sobre la cama elástica es consecuencia de la exposición a este tipo de superficies, ya que no sucede lo mismo tras saltos repetidos en una superficie rígida. El ser humano puede ajustar el sistema músculo-esquelético para acomodarse a los cambios que se producen en la configuración de la superficie, permitiendo, así, mantener una mecánica similar en superficies de distinta rigidez (Farley et al. 1998; Ferris y Farley 1997; Ferris et al. 1998; Moritz y Farley 2005). Por ello, cuando saltamos en una superficie elástica el stiffness se ve incrementado (Ferris y Farley 1997). Nuestros resultados, muestran que el aumento del stiffness durante los saltos en cama elástica se mantienen cuando los sujetos realizan el primer salto en la superficie rígida.

Varios estudios se han centrado en la influencia de la rigidez de la superficie durante saltos y recepciones (Moritz y Farley 2004; van der Krogt et al. 2009). Estos estudios han demostrado cambios inmediatos en el stiffness durante la recepción en superficies que cambian de manera inesperada su rigidez. Este cambio tan rápido en el stiffness (52 ms) es debido a mecanismos pasivos y no al feedback sensorial (Moritz y Farley 2004), y dicho mecanismo de adaptación es fundamental para corregir perturbaciones que se producen durante la locomoción en un terreno variable (van der Krogt et al. 2009). Sin embargo, en nuestro estudio se necesita un intento para recuperar el stiffness correcto, por lo que este elemento pasivo no parece apropiado para explicar nuestros resultados.

Nuestros resultados, son similares a los efectos observados cuando un sujeto realiza movimientos de alcanza en un campo de fuerzas impuesto mediante un brazo manipulado artificialmente (Shadmehr y Mussa-Ivaldi, 1994). En este estudio los sujetos adaptaban el stiffness de su brazo para corregir el error producido por las perturbaciones mecánicas. Cuando dicha perturbación era eliminada inesperadamente, un efecto inmediato se producía en el siguiente intento. Estos autores han comprobado que se genera un modelo interno del movimiento que el sistema nervioso utiliza para predecir y compensar las fuerzas impuestas por el medio con el que interactuamos (Shadmehr y Mussa-Ivaldi 1994; Burdet et al. 2001).

Salvando las diferencias entre los dos movimientos, en nuestro estudio, podríamos considerar que las fuerzas verticales producidas por la cama elástica durante los saltos en esta son una perturbación mecánica (análoga al campo de fuerzas). Por ello, cuando el sujeto realiza un nuevo salto sobre la superficie rígida (retirada de la perturbación), se producen los efectos observados (stiffness elevado), debido a una predicción errónea de este modelo interno, por lo que las piernas están más rígidas de lo necesario durante la nueva acción (salto en el suelo). La recuperación de los niveles correctos de stiffness podrían explicarse a través de los modelos internos avanzados del siguiente salto vertical (Bobbert et al. 2008). Estos modelos pueden ser actualizados usando los errores que se producen cuando el sistema nervioso compara el resultado actual y la predicción automática del comando motor (Wolpert y Flanagan 2001). Los sujetos podrían utilizar el error entre el feedback sensorial actual y el esperado que ocurre en el CMJ1, después de saltar en la superficie elástica, para así actualizar el modelo interno en el siguiente salto (CMJ2)

Tras saltos repetidos en cama elástica descendió la altura de salto. Este descenso podría ser una consecuencia directa de los cambios que se producen en el stiffness (Bojsen-Møller et al., 2005; Farley et al. 1991; Liu et al., 2006). Sin embargo, no podemos excluir otros factores, ya que la altura de salto se ve influenciada por diversos factores biomecánicos, nerviosos, metabólicos y morfológicos (Bosco et al. 1982; Kubo et al. 1999; Voigt et al. 1995). Ilusión perceptiva.

Tras los saltos repetidos en la cama elástica los sujetos reportan una fuerte alteración en su experiencia subjetiva. Otros estudios han descrito ilusiones perceptivas en el campo de control motor (Lackner y Graybiel 1981; Pelah y Barlow 1996; Hashiba 1998). Nuestros resultados muestran una fuerte ilusión perceptiva, durante la realización de un salto vertical tras una breve exposición a un ambiente diferente (saltos en cama elástica).

Después de saltar en la superficie elástica, los sujetos infraestiman la altura actual alcanzada durante el salto realizado tras el periodo de adaptación en la cama elástica. Aunque los mecanismos subyacentes a estas ilusiones perceptivas no son bien conocidos, Hashiba (1998) ha propuesto que estas pueden ser producidas por un conflicto sensorial entre las señales procedentes del sistema visual, vestibular y somato-sensorial, y la copia eferente. Los saltos en la cama elástica, podrían provocar una recalibración de las entradas sensoriales debido a las continuas aceleraciones elevadas durante la fase de máxima compresión del sistema superficie – piernas (entre 4 y 6 Gz; Sovelius et al. 2008). Esta nueva recalibración de las aferencias sensoriales podría perjudicar la relación que se da entre el propio movimiento y el feedback sensorial esperado cuando el sujeto salta de nuevo sobre la plataforma de fuerzas. Esto podría explicar la estimación incorrecta de la altura de salto realizada por el sujeto en el CMJ1.

Lackner y Grabiel (1981) demostraron una ilusión de movimiento espontáneo (no real) cuando éstos ejecutaban una flexión de rodillas en la fase de aceleración (2g de aceleración vertical) de un vuelo parabólico. Los sujetos reportaron alterada de su movimiento, como si la superficie se moviese rápidamente bajo sus pies. Cuando recuperaron el campo gravito-inercial normal (1g), los sujetos experimentaron una sensación anormal: la superficie y el campo visual parecían inestables. La ocurrencia de tales ilusiones indicó que el control motor es calibrado a los niveles de referencia normal de la tierra (1g). Aquello que se salga de este nivel, afecta a la ejecución y percepción del movimiento voluntario (Lackner y Graybiel 1981; Lackner y DiZio, 2000).

En nuestro estudio, los saltos repetidos sobre la superficie rígida no producen alteraciones perceptivas. De acuerdo con la hipótesis del conflicto sensorial, esto se puede deber a que dichos saltos y los CMJs son ejecutados en la misma superficie, por lo que no se producen cambios en el campo gravito-inercial, y por tanto no requiere ningún tipo de recalibración.

CONCLUSIÓN.

En resumen, nuestros resultados han demostrado que saltos repetidos en una superficie elástica producen adaptaciones del sistema motor y perceptivo durante la ejecución del siguiente salto vertical realizado sobre una plataforma de fuerzas. Esta adaptación consiste en un incremento del stiffness y un descenso de la altura de salto; así como, una infraestimación de la altura alcanzada y la sensación anormal en relación al rendimiento en dicho salto, en comparación con los realizados antes de la adaptación.