แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ทำนายวิธีที่ดีที่สุดในการสร้างกล้ามเนื้อ

นักวิจัยได้พัฒนาแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่สามารถทำนายรูปแบบการออกกำลังกายที่เหมาะสมสำหรับการสร้างกล้ามเนื้อ

นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ใช้วิธีการทางชีวฟิสิกส์เชิงทฤษฎีเพื่อสร้างแบบจำลอง ซึ่งสามารถบอกได้ว่าการออกแรงที่เฉพาะเจาะจงจะทำให้กล้ามเนื้อเติบโตได้มากเพียงใดและต้องใช้เวลานานแค่ไหน โมเดลนี้สามารถสร้างพื้นฐานของผลิตภัณฑ์ซอฟต์แวร์ ซึ่งผู้ใช้สามารถปรับระบบการออกกำลังกายของตนให้เหมาะสมได้โดยการป้อนรายละเอียดเล็กน้อยเกี่ยวกับสรีรวิทยาของแต่ละคน

แบบจำลองนี้อิงจากงานก่อนหน้าของทีมเดียวกัน ซึ่งพบว่าส่วนประกอบของกล้ามเนื้อที่เรียกว่าไทตินมีหน้าที่สร้างสัญญาณทางเคมีที่ส่งผลต่อการเติบโตของกล้ามเนื้อ

ผลลัพธ์ที่ รายงานใน Biophysical Journalชี้ให้เห็นว่ามีน้ำหนักที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการฝึกความต้านทานสำหรับแต่ละบุคคลและเป้าหมายการเติบโตของกล้ามเนื้อแต่ละส่วน กล้ามเนื้อสามารถอยู่ใกล้โหลดสูงสุดได้ในเวลาอันสั้นเท่านั้น และมันเป็นภาระที่รวมเข้าด้วยกันเมื่อเวลาผ่านไปซึ่งกระตุ้นเส้นทางการส่งสัญญาณของเซลล์ที่นำไปสู่การสังเคราะห์โปรตีนของกล้ามเนื้อใหม่ แต่ต่ำกว่าค่าที่กำหนด ภาระไม่เพียงพอที่จะทำให้เกิดสัญญาณมาก และเวลาออกกำลังกายจะต้องเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณเพื่อชดเชย ค่าของภาระวิกฤตนี้น่าจะขึ้นอยู่กับสรีรวิทยาเฉพาะของแต่ละบุคคล

เราทุกคนรู้ว่าการออกกำลังกายสร้างกล้ามเนื้อ หรือเรา? ศาสตราจารย์ยูจีน เทเรนต์เยฟ จาก Cavendish Laboratoryแห่ง เคมบริดจ์ กล่าวว่า “น่าแปลกที่ไม่ค่อยมีใครรู้เกี่ยวกับสาเหตุหรือวิธีที่การออกกำลังกายสร้างกล้ามเนื้อมากนัก มีความรู้และภูมิปัญญามากมาย แต่มีน้อยมากในแนวทางของข้อมูลที่ยากหรือได้รับการพิสูจน์แล้ว” ผู้เขียนบทความ

เมื่อออกกำลังกาย ยิ่งรับน้ำหนักมาก ยิ่งซ้ำหรือความถี่มากขึ้น ขนาดกล้ามเนื้อก็จะยิ่งเพิ่มขึ้น อย่างไรก็ตาม แม้เมื่อมองดูกล้ามเนื้อทั้งหมด เหตุใดหรือเกิดขึ้นมากน้อยเพียงใดไม่ทราบ คำตอบของคำถามทั้งสองข้อนั้นยากยิ่งขึ้นไปอีกเมื่อโฟกัสไปที่กล้ามเนื้อเดียวหรือเส้นใยของกล้ามเนื้อแต่ละส่วน

กล้ามเนื้อประกอบด้วยเส้นใยแต่ละเส้น ซึ่งมีความยาวเพียง 2 ไมโครเมตรและยาวน้อยกว่าไมโครเมตร ซึ่งเล็กกว่าขนาดของเซลล์กล้ามเนื้อ “ด้วยเหตุนี้ ส่วนหนึ่งของคำอธิบายสำหรับการเติบโตของกล้ามเนื้อจึงต้องอยู่ที่ระดับโมเลกุล” Neil Ibata ผู้เขียนร่วมกล่าว “ปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลโครงสร้างหลักในกล้ามเนื้อถูกปะติดปะต่อกันเมื่อประมาณ 50 ปีที่แล้วเท่านั้น โปรตีนเสริมที่เล็กกว่าและพอดีกับภาพนั้นยังไม่ชัดเจนนัก”

นี่เป็นเพราะข้อมูลที่หาได้ยากมาก: ผู้คนแตกต่างกันอย่างมากในด้านสรีรวิทยาและพฤติกรรม ทำให้แทบจะเป็นไปไม่ได้เลยที่จะทำการทดลองควบคุมการเปลี่ยนแปลงขนาดกล้ามเนื้อในคนจริง Terentjev กล่าวว่า “คุณสามารถแยกเซลล์กล้ามเนื้อออกมาดูทีละเซลล์ได้ แต่จะมองข้ามปัญหาอื่นๆ เช่น ระดับออกซิเจนและกลูโคสในระหว่างออกกำลังกาย “มันยากมากที่จะดูทั้งหมดด้วยกัน”

Terentjev และเพื่อนร่วมงานของเขาเริ่มมองหากลไกของการตรวจจับกลไก – ความสามารถของเซลล์ในการรับรู้ตัวชี้นำทางกลในสภาพแวดล้อมของพวกเขา – เมื่อหลายปีก่อน การวิจัยได้รับการสังเกตโดย สถาบันกีฬาแห่งอังกฤษซึ่งมีความสนใจว่าอาจเกี่ยวข้องกับข้อสังเกตในการฟื้นฟูกล้ามเนื้อหรือไม่ พวกเขาพบว่ากล้ามเนื้อมากเกินไป/ลีบเชื่อมโยงโดยตรงกับงานของเคมบริดจ์

ในปีพ.ศ. 2561 นักวิจัยเคมบริดจ์ได้เริ่มโครงการเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงของโปรตีนในเส้นใยกล้ามเนื้อภายใต้แรง พวกเขาพบว่าส่วนประกอบของกล้ามเนื้อหลัก แอกตินและไมโอซิน ไม่มีจุดยึดเหนี่ยวสำหรับการส่งสัญญาณโมเลกุล ดังนั้นจึงต้องเป็นองค์ประกอบที่มีมากที่สุดเป็นอันดับสามของกล้ามเนื้อ – ไทติน – ซึ่งมีหน้าที่ส่งสัญญาณการเปลี่ยนแปลงของแรงที่ใช้

เมื่อใดก็ตามที่ส่วนหนึ่งของโมเลกุลอยู่ภายใต้ความตึงเครียดเป็นเวลานานพอสมควร มันจะสลับไปสู่สถานะอื่น โดยเผยให้เห็นบริเวณที่ซ่อนไว้ก่อนหน้านี้ ถ้าบริเวณนี้สามารถจับกับโมเลกุลขนาดเล็กที่เกี่ยวข้องกับการส่งสัญญาณของเซลล์ มันจะกระตุ้นโมเลกุลนั้น ทำให้เกิดห่วงโซ่สัญญาณทางเคมี ไทตินเป็นโปรตีนขนาดยักษ์ ซึ่งส่วนใหญ่จะขยายออกไปเมื่อกล้ามเนื้อถูกยืดออก แต่ส่วนเล็ก ๆ ของโมเลกุลก็อยู่ภายใต้ความตึงเครียดระหว่างการหดตัวของกล้ามเนื้อ ส่วนนี้ของไทตินประกอบด้วยโดเมนไทตินไคเนสที่เรียกว่าโดเมน ซึ่งเป็นส่วนที่สร้างสัญญาณทางเคมีที่ส่งผลต่อการเติบโตของกล้ามเนื้อ

โมเลกุลจะมีแนวโน้มที่จะเปิดออกมากขึ้นหากอยู่ภายใต้แรงมากขึ้นหรือเมื่ออยู่ภายใต้แรงเดียวกันนานขึ้น ทั้งสองเงื่อนไขจะเพิ่มจำนวนโมเลกุลส่งสัญญาณที่ถูกกระตุ้น จากนั้นโมเลกุลเหล่านี้จะกระตุ้นการสังเคราะห์ RNA ของผู้ส่งสารมากขึ้น ซึ่งนำไปสู่การผลิตโปรตีนจากกล้ามเนื้อใหม่ และส่วนตัดขวางของเซลล์กล้ามเนื้อจะเพิ่มขึ้น

การรับรู้นี้นำไปสู่งานปัจจุบันซึ่งเริ่มต้นโดย Ibata ซึ่งเป็นนักกีฬาที่กระตือรือร้น “ฉันรู้สึกตื่นเต้นที่ได้รับความเข้าใจที่ดีขึ้นเกี่ยวกับสาเหตุและการเติบโตของกล้ามเนื้อ” เขากล่าว “สามารถประหยัดเวลาและทรัพยากรได้มากในการหลีกเลี่ยงระบบการออกกำลังกายที่ให้ผลผลิตต่ำ และเพิ่มศักยภาพของนักกีฬาให้สูงสุดด้วยเซสชั่นที่มีมูลค่าสูงกว่าปกติ โดยให้ปริมาณเฉพาะที่นักกีฬาสามารถทำได้”

Terentjev และ Ibata มุ่งมั่นที่จะจำกัดแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่สามารถคาดการณ์เชิงปริมาณเกี่ยวกับการเติบโตของกล้ามเนื้อ พวกเขาเริ่มต้นด้วยแบบจำลองง่ายๆ ที่ติดตามโมเลกุลไทตินที่เปิดออกภายใต้แรงและเริ่มการเรียงซ้อนสัญญาณ พวกเขาใช้ข้อมูลด้วยกล้องจุลทรรศน์เพื่อกำหนดความน่าจะเป็นที่ขึ้นกับแรงที่หน่วยไคเนสไทตินจะเปิดหรือปิดภายใต้แรงและกระตุ้นโมเลกุลสัญญาณ

จากนั้นพวกเขาทำให้แบบจำลองซับซ้อนขึ้นโดยใส่ข้อมูลเพิ่มเติม เช่น การแลกเปลี่ยนพลังงานเมตาบอลิซึมตลอดจนความยาวซ้ำและการฟื้นตัว แบบจำลองนี้ได้รับการตรวจสอบโดยใช้การศึกษาระยะยาวในอดีตเกี่ยวกับการเจริญเติบโตมากเกินไปของกล้ามเนื้อ

“ในขณะที่มีข้อมูลการทดลองแสดงการเติบโตของกล้ามเนื้อที่คล้ายกัน โดยมีน้ำหนักเพียง 30% ของน้ำหนักสูงสุด แต่แบบจำลองของเราชี้ให้เห็นว่าโหลด 70% เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพมากกว่าในการกระตุ้นการเติบโต” Terentjev ซึ่งเป็น Fellow of Queens’ College กล่าว . “ต่ำกว่านั้น อัตราการเปิดของไทตินไคเนสลดลงอย่างรวดเร็วและขัดขวางไม่ให้สัญญาณที่ไวต่อกลไกเกิดขึ้น ยิ่งไปกว่านั้น ความอ่อนล้าอย่างรวดเร็วป้องกันผลลัพธ์ที่ดี ซึ่งแบบจำลองของเราคาดการณ์ไว้เชิงปริมาณ”

“หนึ่งในความท้าทายในการเตรียมนักกีฬาชั้นยอดคือข้อกำหนดทั่วไปในการเพิ่มการปรับตัวให้สูงสุด ในขณะเดียวกันก็สร้างสมดุลระหว่างการแลกเปลี่ยนที่เกี่ยวข้อง เช่น ค่าใช้จ่ายด้านพลังงาน” ฟินน์ แมคพาร์ตลิน โค้ชด้านความแข็งแกร่งและการปรับสภาพอาวุโสของสถาบันกีฬาแห่งอังกฤษกล่าว “งานนี้ทำให้เราเข้าใจกลไกที่เป็นไปได้มากขึ้นว่ากล้ามเนื้อรู้สึกอย่างไรและตอบสนองต่อภาระ ซึ่งจะช่วยให้เราออกแบบการแทรกแซงเพื่อให้บรรลุเป้าหมายเหล่านี้โดยเฉพาะ”

แบบจำลองนี้ยังกล่าวถึงปัญหาของกล้ามเนื้อลีบ ซึ่งเกิดขึ้นระหว่างการพักผ่อนบนเตียงเป็นเวลานานหรือสำหรับนักบินอวกาศในสภาวะไร้น้ำหนัก ซึ่งแสดงให้เห็นว่ากล้ามเนื้อสามารถอยู่นิ่งเฉยได้นานแค่ไหนก่อนที่จะเริ่มเสื่อมสภาพ และระบบการฟื้นตัวที่เหมาะสมควรเป็นอย่างไร

ในที่สุด นักวิจัยหวังว่าจะผลิตแอพพลิเคชั่นซอฟต์แวร์ที่เป็นมิตรกับผู้ใช้ ซึ่งสามารถให้ระบบการออกกำลังกายเป็นรายบุคคลสำหรับเป้าหมายเฉพาะ นักวิจัยยังหวังที่จะปรับปรุงรูปแบบของพวกเขาโดยขยายการวิเคราะห์ด้วยข้อมูลโดยละเอียดสำหรับทั้งชายและหญิง เนื่องจากการศึกษาการออกกำลังกายจำนวนมากมีอคติอย่างมากต่อนักกีฬาชาย

อ้างอิง:
Neil Ibata และ Eugene M. Terentjev ‘ เหตุใดการออกกำลังกายจึงสร้างกล้ามเนื้อ: Titin mechanosensing ควบคุมการเติบโตของกล้ามเนื้อโครงร่างภายใต้ภาระ วารสารชีวฟิสิกส์ (2021). ดอย: 10.1016/j.bpj.2021.07.023

หน้าแรก