บทความอายุยืน

แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ทำนายวิธีที่ดีที่สุดในการสร้างกล้ามเนื้อ

แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ทำนายวิธีที่ดีที่สุดในการสร้างกล้ามเนื้อ
  • นักวิจัยได้พัฒนาแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่คาดการณ์วิธีการออกกำลังกายที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการสร้างกล้ามเนื้อโดยใช้ชีวฟิสิกส์เชิงทฤษฎี 

  • แบบจำลองนี้สามารถบอกได้ว่าต้องใช้ความพยายามเท่าใดในการเติบโตของกล้ามเนื้อ 

  • นี่แสดงให้เห็นว่ามีน้ำหนักที่เหมาะสมที่สุดในการฝึกแบบใช้แรงต้านทานสำหรับแต่ละคนและเป้าหมายการเติบโตของกล้ามเนื้อแต่ละอย่าง

  • ในที่สุด นักวิจัยหวังว่าจะสร้างแอปพลิเคชันซอฟต์แวร์ที่เป็นมิตรต่อผู้ใช้ ซึ่งสามารถกำหนดรูปแบบการออกกำลังกายเป็นรายบุคคลสำหรับเป้าหมายการสร้างกล้ามเนื้อโดยเฉพาะ 

บทความนี้ถูกโพสต์ในข่าวมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์: 

นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ ใช้วิธีการทางชีวฟิสิกส์เชิงทฤษฎีเพื่อสร้างแบบจำลอง ซึ่งสามารถบอกได้ว่าการออกแรงมากเพียงใดจะทำให้กล้ามเนื้อเติบโต และใช้เวลานานเท่าใด แบบจำลองนี้สามารถสร้างพื้นฐานของผลิตภัณฑ์ซอฟต์แวร์ ซึ่งผู้ใช้สามารถเพิ่มประสิทธิภาพแผนการออกกำลังกายของตนได้โดยการป้อนรายละเอียดเล็กๆ น้อยๆ เกี่ยวกับสรีรวิทยาของแต่ละบุคคล

แบบจำลองนี้อิงจากงานก่อนหน้านี้ของทีมเดียวกัน ซึ่งพบว่าส่วนประกอบของกล้ามเนื้อที่เรียกว่าไทติน มีหน้าที่สร้างสัญญาณทางเคมีที่ส่งผลต่อการเจริญเติบโตของกล้ามเนื้อ

รายงานผลแล้วใน วารสารชีวฟิสิกส์แนะนำว่ามีน้ำหนักที่เหมาะสมที่สุดในการฝึกแบบใช้แรงต้านทานสำหรับแต่ละคนและเป้าหมายการเติบโตของกล้ามเนื้อแต่ละแบบ กล้ามเนื้อสามารถอยู่ใกล้ภาระสูงสุดในช่วงเวลาสั้นๆ เท่านั้น และภาระที่บูรณาการเมื่อเวลาผ่านไปจะกระตุ้นเส้นทางการส่งสัญญาณของเซลล์ ซึ่งนำไปสู่การสังเคราะห์โปรตีนของกล้ามเนื้อใหม่ แต่ต่ำกว่าค่าที่กำหนด โหลดไม่เพียงพอที่จะทำให้เกิดการส่งสัญญาณได้มาก และเวลาออกกำลังกายจะต้องเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณเพื่อชดเชย มูลค่าของภาระวิกฤตนี้น่าจะขึ้นอยู่กับสรีรวิทยาเฉพาะของแต่ละบุคคล

เราทุกคนรู้ดีว่าการออกกำลังกายสร้างกล้ามเนื้อ หรือว่าพวกเรา? “น่าประหลาดใจที่ไม่มีใครทราบมากนักว่าทำไมหรืออย่างไรการออกกำลังกายจึงสร้างกล้ามเนื้อ มีความรู้เล็กๆ น้อยๆ และภูมิปัญญาที่ได้รับมามากมาย แต่มีข้อมูลที่ยากหรือผ่านการพิสูจน์แล้วน้อยมาก” ศาสตราจารย์ยูจีน เทอเรนเยฟ จากห้องปฏิบัติการคาเวนดิชแห่งเคมบริดจ์ กล่าว หนึ่งในนั้นคือ ผู้เขียนบทความ

เมื่อออกกำลังกาย ยิ่งมีภาระมาก ยิ่งทำซ้ำหรือความถี่มากขึ้น ขนาดของกล้ามเนื้อก็จะยิ่งเพิ่มมากขึ้น อย่างไรก็ตาม แม้จะมองดูกล้ามเนื้อทั้งหมดแล้ว ก็ไม่รู้ว่าเหตุใดหรือเกิดขึ้นมากน้อยเพียงใด คำตอบของทั้งสองคำถามจะซับซ้อนยิ่งขึ้นเมื่อการโฟกัสไปที่กล้ามเนื้อเดี่ยวหรือเส้นใยของกล้ามเนื้อแต่ละมัด

กล้ามเนื้อประกอบด้วยเส้นใยแต่ละเส้นซึ่งมีความยาวเพียง 2 ไมโครเมตรและมีเส้นผ่านศูนย์กลางน้อยกว่า 1 ไมโครเมตร ซึ่งเล็กกว่าขนาดของเซลล์กล้ามเนื้อ “ด้วยเหตุนี้ ส่วนหนึ่งของคำอธิบายเกี่ยวกับการเติบโตของกล้ามเนื้อจึงต้องอยู่ในระดับโมเลกุล” นีล อิบาตะ ผู้เขียนร่วมกล่าว “ปฏิกิริยาระหว่างโมเลกุลโครงสร้างหลักในกล้ามเนื้อถูกปะติดปะต่อกันเมื่อประมาณ 50 ปีที่แล้ว โปรตีนเสริมที่มีขนาดเล็กกว่านั้นประกอบเข้ากับภาพได้อย่างไรยังไม่ชัดเจนนัก”

เนื่องจากข้อมูลนี้ได้มายากมาก เนื่องจากผู้คนมีความแตกต่างกันอย่างมากในด้านสรีรวิทยาและพฤติกรรม ทำให้แทบจะเป็นไปไม่ได้เลยที่จะทำการทดลองควบคุมการเปลี่ยนแปลงขนาดกล้ามเนื้อในคนจริง “คุณสามารถแยกเซลล์กล้ามเนื้อออกมาและดูทีละเซลล์ได้ แต่จะเพิกเฉยต่อปัญหาอื่นๆ เช่น ระดับออกซิเจนและกลูโคสในระหว่างออกกำลังกาย” เทเรนเยฟกล่าว "มันยากมากที่จะดูมันทั้งหมดด้วยกัน"

Terentjev และเพื่อนร่วมงานของเขาเริ่มดูกลไกของการตรวจจับทางกล ซึ่งเป็นความสามารถของเซลล์ในการรับรู้สัญญาณทางกลในสภาพแวดล้อมเมื่อหลายปีก่อน สถาบันกีฬาแห่งอังกฤษสังเกตเห็นการวิจัยนี้ ซึ่งสนใจว่าการวิจัยนี้อาจเกี่ยวข้องกับการสังเกตการฟื้นฟูกล้ามเนื้อหรือไม่ พวกเขาพบว่ากล้ามเนื้อมากเกินไป/ฝ่อเชื่อมโยงโดยตรงกับการทำงานของเคมบริดจ์

ในปี 2018 นักวิจัยของเคมบริดจ์ได้เริ่มโครงการว่าโปรตีนในเส้นใยกล้ามเนื้อเปลี่ยนแปลงไปอย่างไร พวกเขาพบว่าส่วนประกอบของกล้ามเนื้อหลัก ได้แก่ แอกตินและไมโอซิน ไม่มีจุดจับสำหรับการส่งสัญญาณโมเลกุล ดังนั้นจึงต้องเป็นส่วนประกอบของกล้ามเนื้อที่มีมากเป็นอันดับสาม ได้แก่ ไทติน ซึ่งมีหน้าที่ส่งสัญญาณการเปลี่ยนแปลงของแรงที่ใช้

เมื่อใดก็ตามที่ส่วนหนึ่งของโมเลกุลอยู่ภายใต้ความตึงเครียดเป็นเวลานานพอสมควร มันจะสลับไปสู่สถานะอื่น ซึ่งเผยให้เห็นบริเวณที่ถูกซ่อนไว้ก่อนหน้านี้ หากบริเวณนี้สามารถจับกับโมเลกุลขนาดเล็กที่เกี่ยวข้องกับการส่งสัญญาณของเซลล์ได้ มันจะกระตุ้นโมเลกุลนั้น ทำให้เกิดสายโซ่สัญญาณทางเคมี ไทตินเป็นโปรตีนขนาดยักษ์ โดยส่วนใหญ่จะถูกขยายออกเมื่อกล้ามเนื้อถูกยืดออก แต่โมเลกุลส่วนเล็กๆ ก็อยู่ภายใต้ความตึงเครียดระหว่างการหดตัวของกล้ามเนื้อเช่นกัน ไทตินส่วนนี้ประกอบด้วยโดเมนที่เรียกว่าไทตินไคเนส ซึ่งเป็นโดเมนที่สร้างสัญญาณทางเคมีที่ส่งผลต่อการเจริญเติบโตของกล้ามเนื้อ

โมเลกุลมีแนวโน้มที่จะเปิดออกมากขึ้นหากอยู่ภายใต้แรงที่มากขึ้น หรือเมื่อถูกเก็บไว้ภายใต้แรงเดียวกันเป็นเวลานาน ทั้งสองเงื่อนไขจะเพิ่มจำนวนโมเลกุลการส่งสัญญาณที่เปิดใช้งาน จากนั้นโมเลกุลเหล่านี้จะกระตุ้นให้เกิดการสังเคราะห์ messenger rna มากขึ้น ซึ่งนำไปสู่การผลิตโปรตีนของกล้ามเนื้อใหม่ และส่วนตัดขวางของเซลล์กล้ามเนื้อก็เพิ่มขึ้น

การตระหนักรู้นี้นำไปสู่งานในปัจจุบัน ซึ่งเริ่มต้นโดยอิบาตะ ซึ่งเป็นนักกีฬาที่กระตือรือร้น “ผมรู้สึกตื่นเต้นที่ได้รับความเข้าใจมากขึ้นถึงสาเหตุและวิธีการเติบโตของกล้ามเนื้อ” เขากล่าว "สามารถประหยัดเวลาและทรัพยากรได้มากเพื่อหลีกเลี่ยงแผนการออกกำลังกายที่ให้ผลผลิตต่ำ และเพิ่มศักยภาพของนักกีฬาให้สูงสุดด้วยเซสชันที่มีมูลค่าสูงกว่าเป็นประจำ โดยพิจารณาจากปริมาณเฉพาะที่นักกีฬาสามารถทำได้"

Terentjev และ Ibata ตั้งใจที่จะจำกัดแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่สามารถคาดการณ์การเติบโตของกล้ามเนื้อได้ในเชิงปริมาณ พวกเขาเริ่มต้นด้วยแบบจำลองง่ายๆ ที่คอยติดตามโมเลกุลไทตินที่เปิดออกภายใต้แรงและเริ่มส่งสัญญาณสัญญาณ พวกเขาใช้ข้อมูลกล้องจุลทรรศน์เพื่อกำหนดความน่าจะเป็นที่ขึ้นอยู่กับแรงที่หน่วย titin kinase จะเปิดหรือปิดภายใต้แรงและกระตุ้นโมเลกุลการส่งสัญญาณ

จากนั้นพวกเขาทำให้แบบจำลองซับซ้อนมากขึ้นโดยรวมข้อมูลเพิ่มเติม เช่น การแลกเปลี่ยนพลังงานเมตาบอลิซึม ตลอดจนความยาวและการฟื้นตัวของการทำซ้ำ แบบจำลองได้รับการตรวจสอบโดยใช้การศึกษาระยะยาวที่ผ่านมาเกี่ยวกับการเจริญเติบโตของกล้ามเนื้อมากเกินไป

"แบบจำลองของเรานำเสนอพื้นฐานทางสรีรวิทยาสำหรับแนวคิดที่ว่าการเติบโตของกล้ามเนื้อส่วนใหญ่เกิดขึ้นที่ 70% ของภาระสูงสุด ซึ่งเป็นแนวคิดเบื้องหลังการฝึกแบบใช้แรงต้านทาน" Terentjev กล่าว "ด้านล่างนั้น อัตราการเปิดของ titin kinase ลดลงอย่างรวดเร็วและขัดขวางการส่งสัญญาณทางกลไม่ให้เกิดขึ้น ยิ่งไปกว่านั้น การอ่อนเพลียอย่างรวดเร็วยังป้องกันผลลัพธ์ที่ดี ซึ่งแบบจำลองของเราได้คาดการณ์ไว้ในเชิงปริมาณ"

“หนึ่งในความท้าทายในการเตรียมนักกีฬาชั้นยอดคือข้อกำหนดทั่วไปในการปรับตัวให้สูงสุด ในขณะเดียวกันก็สร้างสมดุลในการแลกเปลี่ยนที่เกี่ยวข้อง เช่น ต้นทุนพลังงาน” ฟิออนน์ แมคพาร์ลิน โค้ชอาวุโสด้านความแข็งแกร่งและการปรับสภาพของสถาบันกีฬาแห่งอังกฤษ กล่าว "งานนี้ทำให้เราเข้าใจถึงกลไกที่เป็นไปได้ในการรับรู้ของกล้ามเนื้อและตอบสนองต่อภาระ ซึ่งสามารถช่วยให้เราออกแบบการแทรกแซงที่เฉพาะเจาะจงมากขึ้นเพื่อให้บรรลุเป้าหมายเหล่านี้"

แบบจำลองนี้ยังกล่าวถึงปัญหากล้ามเนื้อลีบซึ่งเกิดขึ้นระหว่างการนอนบนเตียงเป็นเวลานานหรือสำหรับนักบินอวกาศในภาวะไร้น้ำหนัก โดยแสดงให้เห็นว่ากล้ามเนื้อสามารถคงสภาพไม่ทำงานได้นานแค่ไหนก่อนที่จะเริ่มเสื่อมสภาพ และแนวทางการฟื้นตัวที่เหมาะสมที่สุดคืออะไร

ในที่สุดนักวิจัยหวังว่าจะสร้างแอพพลิเคชั่นซอฟต์แวร์ที่เป็นมิตรต่อผู้ใช้ซึ่งสามารถกำหนดรูปแบบการออกกำลังกายเป็นรายบุคคลเพื่อเป้าหมายเฉพาะได้ นักวิจัยยังหวังที่จะปรับปรุงแบบจำลองของพวกเขาด้วยการขยายการวิเคราะห์ด้วยข้อมูลโดยละเอียดสำหรับทั้งชายและหญิง เนื่องจากการศึกษาการออกกำลังกายจำนวนมากมีอคติอย่างมากต่อนักกีฬาชาย


อ้างอิงวารสาร:

  1. นีล อิบาตา, ยูจีน เอ็ม. เทเรนเยฟ. ทำไมการออกกำลังกายจึงสร้างกล้ามเนื้อ: กลไกไทตินควบคุมการเจริญเติบโตของกล้ามเนื้อโครงร่างภายใต้ภาระหนัก. วารสารชีวฟิสิกส์, 2021; ดอย: 10.1016/j.bpj.2021.07.023


โพสต์เก่ากว่า โพสต์ใหม่กว่า