Oxygenation analysis of biological tissue during a strength exercise

Orientador: Rickson Coelho MesquitaDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb WataghinResumo: A discussão acerca de quais os mecanismos fisiológicos de interrupção de um exercício físico e as origens dos gatilhos para tais mecanismos é uma questão em debate na literatura. Seu entendimento tem relevância em várias áreas, em particular no âmbito de atletas de alto rendimento. A literatura, até o momento, propõe uma associação do gatilho para que se cesse a atividade com a região pré-frontal do córtex cerebral para exercícios aeróbios. No entanto, demandas energéticas musculares e corticais devem ser supridas durante a atividade para que o exercício seja mantido e, nesse contexto, é incerto qual é o limitante e se a fonte para ele é a mesma para qualquer intensidade da atividade física desempenhada. As demandas energéticas dos tecidos biológicos podem ser avaliadas através de medidas de oxigenação local, variável que pode ser acessada de forma não invasiva através de técnicas de Espectroscopia Óptica de Difusão usando radiações no infravermelho próximo (NIRS). Sendo assim, o objetivo deste trabalho foi montar um protocolo capaz de medir de forma simultânea a oxigenação no músculo e no córtex cerebral de voluntários realizando um exercício de força, modalidade de exercício não encontrada na literatura de NIRS. Paralelamente, melhorou-se o tratamento dos dados, removendo informações extracorticais do sinal. Para este protocolo, foi escolhida a rosca concentrada com halteres, exercício que deveria ser feito com duas cargas diferentes (30% e 80% da carga máxima de uma repetição), a fim de averiguar possíveis influências da intensidade do exercício nas variáveis monitoradas. Os dados musculares coletados indicam que o músculo pode desempenhar um papel limitante para o exercício físico realizado com cargas altas, já que o mínimo de saturação de oxigênio precede a parada do exercício neste limite de intensidade. Para cargas baixas, os voluntários se mantém no mínimo de saturação por longos períodos de tempo, indicando que o músculo pode não estar relacionado com o gatilho de parada. Paralelamente, os dados cerebrais mostram uma área de ativação cortical substancialmente maior quando o exercício é feito com cargas baixas, bem como uma maior região com queda na oxigenação instantes antes do término da série de repetições, indicando uma possível carência energética local. Este resultado é similar ao encontrado na literatura para exercícios aeróbios. Assim sendo, este estudo indica que o músculo pode ser um limitante do exercício para cargas altas, no entanto o córtex é o que aparenta ser o gatilho para que se cesse o exercício feito com cargas baixasAbstract: The discussion about what are the physiological mechanisms of interruption of a physical exercise and the origins of the triggers for such mechanisms is under discussion in the literature. Their understanding has relevance in several areas, particularly in the field of high-performance athletes. The literature of the area, until now, proposes a relation of the trigger to cease activity with the prefrontal region of the cerebral cortex for aerobic exercises. However, muscular and cortical energy demands must be met during the activity in order to the exercise is maintained and, in this context, it is uncertain which is the limiting and if the source for it is the same for any intensity of physical activity performed. The energetic demands of biological tissues can be assessed through local oxigenation measurements, quantity that can be accessed non-invasively through diffusion optical spectroscopy techniques using near-infrared (NIRS) radiations. Thus, the objective of this work was to set up a protocol capable of simultaneously measuring oxygenation in the muscle and cerebral cortex of volunteers performing an strenght exercise, which is not found in the NIRS literature. At the same time, data treatment was improved, removing extracortical contributions of the signal. For this protocol, the biceps dumbbell curl was chosen, an exercise that should be done with two different loads (30 % and 80 % of the maximum load of a repetition), in order to investigate a possible influence of the exercise intensity on the monitored variables. The collected muscle data indicate that this tissue can play a limiting role for the physical exercise performed with high loads, since the minimum oxygen saturation precedes the exercise stop at this limit of intensity. For low loads, volunteers remain at saturation minimum for long periods of time, indicating that the muscle may not be related to the stop trigger. At the same time, the cerebral data show a substantially greater cortical activation area when the exercise is done with low loads, as well as a larger region with oxygenation drop before the end of the series of repetitions, indicating a possible local energy deficit. This result is similar to that found in the literature for aerobic exercise. Thus, this study indicates that muscle can be an exercise limitant for high loads, however the cortex is what appears to be the trigger to cease for the exercise done with low loadsMestradoFísicaMestre em Física132435/2017-9CNP