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Whole Body Vibrations:
gli effetti biologici delle
vibrazioni
intervista a Marco Cardinale Ph. D.
a cura di Carlo Castagna
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la struttura molecolare
delle fibre muscolari e
l’influenza dell’allenamento
di Massimiliano Ditroilo, Carlo Castagna
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Il monitoraggio dell’allenamento negli sport di
squadra con particolare
riferimento al calcio
di Aaron Coutts Ph.D.
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Recensione sul Congresso
di Piero Mognoni, F. M. Impellizzeri,
E. Rampinini
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abstract:
Fit-boxing, allenamento della forza ed
equilibrio, squat-jump, serie superlente,
dolore muscolare tardivo
a cura della Redazione Scientifica
di Teknosport.com
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Anno 7 Numero 29 - settembre/ottobre 2003 - Aut. n.11 del 25/03/1996 - Tribunale di Ancona - Direttore Scientifico Carlo Castagna
INTERVISTA
Whole Body Vibrations: gli effetti biologici
delle vibrazioni
Intervista a Marco Cardinale Ph D1, a cura
di Carlo Castagna
College of Life Sciences and Medicine, School of
Medical Sciences
1
La materia delle vibrazioni é da tempo tra le
metodiche di allenamento più indagate. Dopo
l’intervista alla ricercatrice tedesca Judith
Schwarzer apparza sul numero 16 della nostra
rivista, proviamo a fare il punto della situazione
e a trarre alcuni consigli pratici con Marco
Cardinale, uno dei ricercatori più vicini al lavoro
di Carmelo Bosco.
E' oramai quasi un decennio che è entrata nel mondo dello sport e dell'esercizio fisico la
stimolazione vibratoria totale o whole body vibration. In passato Teknosport si è già occupato di questo argomento (TKS 16, 1999), ma data l'attuale diffusione e crescente interesse verso questa pratica di condizionamento, abbiamo ritenuto che fosse il caso di fare
una sorta di up-date sullo stato dell'arte delle Whole Body Vibration. In questo intento
abbiamo chiesto al Prof. Marco Cardinale del Dept. Biomedical Sciences dell'università di
Aberdeen (Scozia) di farci il punto della situazione. Il Prof. Cardinale ha lavorato a lungo
con il prof. Carmelo Bosco e purtroppo come lui è stato costretto ad un forzato esilio all'estero per poter esprimere le proprie, eccellenti, qualità di ricercatore. Presso il prestigioso
ateneo scozzese il prof. Cardinale ha continuato ad approfondire la propria conoscenza
sugli effetti delle vibrazioni sulla prestazione umana e recentemente ha pubblicato su prestigiose riviste scientifiche internazionali review sull'argomento. Ancora una volta impudentemente diamo ragione all'adagio romano nemo profeta in patria e questo ci rammarica, dato che pur nel 2003 ancora assistiamo al perpetrarsi dell'endemica, ormai accettata
dalle istituzioni fuga di cervelli. Che sia questa almeno un’occasione per sentire questi
nostri eccellenti connazionali vicini. Augurando buona lettura colgo l’occasione per ringraziare pubblicamente il prof. Marco Cardinale per la sua squisita disponibilità.
1 Che cosa si intende esattamente per vibrazioni?
Le vibrazioni sono delle sollecitazioni meccaniche di tipo oscillatorio che vengono applicate a tutto il corpo o a parte di esso. L’ampiezza dell’oscillazione determina la magnitudo della
vibrazione e la velocità dei cicli di oscillazione determina la frequenza (in Hz). Quindi, da
un punto di vista biomeccanico abbiamo tre parametri che determinano una vibrazione: la
frequenza (in Hz), l’ampiezza (in mm) e l’accelerazione (in g, con g=9.81 m/sec2). Le vibrazioni possono essere applicate attraverso speciali apparecchiature che producono oscillazioni quali pedane o manubri/bilancieri speciali e possono essere di diverso tipo: sinusoidali,
multi-sinusoidali, shock vibrations, random (Figura 1). Ognuna produce effetti diversi sull’organismo. E’ importante sottolineare che le vibrazioni sono diverse dall’elettrostimolazione, non solo per gli effetti fisiologici. Infatti, le elettrostimolazioni producono contrazioni muscolari in seguito a stimolazione elettrica del muscolo; le vibrazioni producono contrazioni riflesse in seguito a stimolazione meccanica.
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INTERVISTA
Sinusoidal
Multisinusoidal
Transient
Shock
Random
FIGURA 1 Esempi di diversi tipi di movimento osclillatorio (da Griffin, 1996).
2. Possiamo considerare le vibrazioni come un fenomeno naturale?
Sì, le vibrazioni sono un fenomeno assolutamente naturale. Infatti gli esseri umani sono
esposti quotidianamente a vibrazioni durante la guida in macchina e su altri mezzi a motore, in barca, sui treni, sugli aerei, negli ascensori e durante l’utilizzo di alcuni elettrodomestici quali rasoi etc. Non solo, studi condotti da Nigg e Wakeling (2001) hanno dimostrato come durante la fase di contatto del tallone nella corsa, le forze di impatto producono
vibrazioni con un range di frequenze dai 10 ai 20 Hz. Queste vibrazioni sono avvertite dai
propriocettori nelle articolazioni, nei tendini e nei muscoli. Quindi le vibrazioni rappresentano sicuramente uno stimolo naturale riconosciuto dalle strutture propriocettive
umane.
3. Quali sono gli effetti delle vibrazioni?
In generale, gli effetti delle vibrazioni sono stati studiati in medicina del lavoro soprattutto in soggetti che sono sottoposti a vibrazioni per lunghi periodi di tempo (piloti di aerei,
autisti etc.). Comunque è opportuno sottolineare che gli effetti delle vibrazioni sono estesi a tutti gli apparati del corpo umano. Ci sono infatti effetti documentati sul muscolo, sui
tessuti nervosi, sull’apparato cardiovascolare e respiratorio, sul sistema endocrino, sulle
ossa, sulla prestazione cognitiva, sulla visione etc. In base a questi studi sono stati stabiliti
gli standard per la produzione di mezzi di trasporto ed utensili vari che producono vibrazioni. Nello sport, l’applicazione delle vibrazioni è abbastanza recente. Infatti questa metodologia veniva prevalentemente utilizzata in passato in fisioterapia per studiare la funzionalità neuromuscolare. I primi lavori di Hagbarth e Eklund (1965; 1966; 1968) prevedevano l’applicazione delle vibrazioni per determinare una risposta neuromuscolare definita
"riflesso tonico da vibrazione" (Tonic Vibration Reflex: TVR). Quindi le vibrazioni sono
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INTERVISTA
nate come mezzo diagnostico. Agli inizi del ‘900 inoltre le vibrazioni sono state utilizzate
per alleviare il dolore e per curare patologie del sistema nervoso. Successivamente ci sono
stati gli studi sulle applicazioni delle vibrazioni nello sport per migliorare la prestazione e i
risultati degli ultimi anni sono sicuramente promettenti.
4. Quali sono gli effetti delle vibrazioni sulle capacità organico-muscolari?
Gli studi recenti condotti sugli effetti delle vibrazioni hanno dimostrato che questa metodologia è particolarmente efficace per migliorare la forza muscolare. Infatti nei lavori di
Issurin et al. (1994, 1999) l’applicazione di vibrazioni localizzate durante esercizio iso-inerziale ha prodotto miglioramenti della forza massimale e della forza esplosiva. Nelle ricerche
pubblicate con il gruppo del Prof. Carmelo Bosco con il quale ho avuto l’onore e il piacere di lavorare in precedenza abbiamo scoperto che le vibrazioni applicate su tutto il corpo
attraverso una pedana appositamente sviluppata, producevano miglioramenti della capacità di salto verticale dopo dieci giorni di stimolazione e miglioramenti della relazione
forza/velocità degli arti inferiori dopo 5 minuti di stimolazione. Abbiamo inoltre verificato come l’applicazione locale attraverso speciali manubri vibranti sia efficace nel migliorare la potenza degli arti superiori in pugili di alto livello dopo 5 minuti di applicazione ed
in grado di migliorare l’efficienza neuromuscolare. Altri gruppi di ricerca hanno recentemente dimostrato che vibrazioni trasmesse a tutto il corpo per breve tempo e con ampiezze limitate non producono nessun effetto. Un gruppo olandese ha recentemente pubblicato due lavori nei quali nessun miglioramento della forza muscolare veniva evidenziato (De
Ruiter et al., 2003a; 2003b). Questo suggerisce che c’è ancora bisogno di effettuare altri
studi per poter determinare protocolli di allenamento efficaci. I nostri studi hanno inoltre
suggerito effetti significativi sul sistema endocrino. Infatti, applicazioni di vibrazioni a tutto
il corpo hanno prodotto variazioni della produzione di testosterone, cortisolo e ormone
della crescita.
5. Quali sono i meccanismi che promuovono questa secrezione ormonale?
Il meccanismo di azione delle vibrazioni è molto semplice. Le vibrazioni, producendo
variazioni rapidissime della lunghezza del complesso muscolo-tendineo determinano una
risposta riflessa attraverso i riflessi monosinaptici (Ia loop). In prevalenza sono i fusi neuromuscolari ad essere interessati. L’attivazione di questi specifici afferenti si è dimostrata
capace di modulare la secrezione dell’ormone della crescita. Esperimenti condotti sui ratti
hanno inoltre evidenziato come le vibrazioni siano in grado di elevare i livelli di serotonina (5HT) e di 5-HIAA nel cervello. Questo quindi ci dimostra quanto sia forte la stimolazione vibratoria e quanto essa incida sul sistema neuroendocrino.
L’applicazione di vibrazioni sembra inoltre produrre miglioramenti della mobilità articolare e marcati effetti sulla circolazione, misurata con Laser Doppler, in seguito a vibrazioni
applicate su tutto il corpo (Rittwegger et al., 2000) o a parte di esso (Cardinale, dati non
pubblicati), suggerendo ulteriori applicazioni degli stimoli vibratori.
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INTERVISTA
6. A cosa sono dovuti questi effetti ?
L’effetto principale delle vibrazioni è legato alla stimolazione di vari recettori nel nostro
organismo. Oltre ai fusi neuromuscolari e agli organi tendinei del Golgi vengono infatti stimolati i meccanocettori presenti nella pelle (Corpuscoli di Pacini, Corpuscoli di Meissner,
terminazioni nervose libere di tipo III e IV), nelle articolazioni e nei legamenti (corpuscoli di Pacini in particolare). Questi afferenti modulano le risposte neuromuscolari che si attivano per attutire la vibrazione e modulare l’attivazione muscolare (Figura 2). Capiamo
quindi come sia opportuno applicare le vibrazioni non con protocolli standard ma con protocolli individualizzati, in quanto la capacità di modulare l’attivazione muscolare (in particolare la regolazione della stiffness) sia legata a molti fattori che variano da individuo ad
individuo (% di fibre di tipo II, Stiffness muscolo tendinea, propriocettività). Variazioni di
frequenza e ampiezza possono infatti avere effetti diversi e possono stimolare aree particolari del cervello.
Infatti, studi recenti condotti attraverso l’analisi del cervello mediante scansione PET
(Positron Emission Topography) hanno dimostrato come vibrazioni a varie frequenze
applicate ai tendini del bicipite brachiale siano in grado di stimolare l’area 4, la corteccia
premotoria dorsale, l’area motoria caudale cingolata e l’area motoria supplementare, attraverso l’input degli afferenti via area 3a o da sorgenti subcorticali. Attualmente nel mio laboratorio stiamo utilizzando la TMS (Stimolazione Transcraniale Magnetica, Figura 3) per
poter capire gli effetti delle vibrazioni sul cervello.
Higher Centers
Interneurons
+
Interneurons
α-motoneurons
+
γ-motoneurons
GTO
Spindle
Efferent signal
Muscle
Mechanoceptors
FIGURA 2
Stiffness
modulation
Vibrations
Effetti delle vibrazioni sul sistema neuromuscolare (da Cardinale & Bosco, 2003).
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INTERVISTA
FIGURA 3
Stimolazione transcraniale magnetica. Il
magnete viene applicato sulla testa e genera
un campo magnetico che attiva la corteccia e
genera un potenziale di azione. L’attività
EMG viene quindi registrata e permette la
determinazione della velocità di conduzione
nervosa e l’ampiezza della risposta muscolare
evocata.
7. Quali sono gli effetti sulle ossa?
Molti studi sono stati condotti da altri gruppi di ricerca su cavie animali e hanno dimostrato come le vibrazioni siano efficaci nel produrre aumenti della densità’ ossea.
Recentemente abbiamo condotto uno studio sugli effetti delle vibrazioni sul metabolismo
osseo, stimolando l’aumento di escrezione del calcio dalle urine per mezzo di una dieta
iperproteica (3g x kg bm al giorno). Ebbene, come ipotizzato, quando i soggetti che consumavano una dieta iperproteica venivano sottoposti a 10 minuti di vibrazione al giorno,
il calcio e il fosfato misurati nelle urine subivano una diminuzione significativa, suggerendo che le vibrazioni a 30 Hz (3.5g) stimolavano il tessuto osseo. Questo lavoro è attualmente in valutazione e speriamo venga pubblicato presto. Abbiamo appena iniziato uno
studio su cavie animali utilizzando una speciale gabbia vibrante per verificare gli effetti
delle vibrazioni su vari tessuti e sul comportamento, speriamo di avere risultati interessanti poichè stiamo utilizzando una cavia transgenica con l’Alzheimer per verificare l’utilizzo
di questa metodologia in patologie tipiche dell’invecchiamento.
8. Quale è il futuro delle vibrazioni?
Sicuramente sono ancora molte le cose da scoprire sulle vibrazioni. Soprattutto i parametri
per stabilire i protocolli di allenamento. Recentemente ho pubblicato un lavoro con il mio
collega Jon Lim nel quale abbiamo dimostrato come l’elettromiografia di superficie possa
essere utilizzata come mezzo di indagine per determinare gli effetti di diversi protocolli di
allenamento con le vibrazioni (Cardinale & Lim, 2003). Inoltre è necessario verificare gli
adattamenti a lungo termine dell’utilizzo delle vibrazioni sul sistema muscolo-tendineo e
sulla funzionalita’ neuromuscolare. Sicuramente, dai dati finora a conoscenza, è possibile
affermare che le vibrazioni producono delle risposte neuromuscolari ben definite che possono permettere il miglioramento della forza massimale e della forza esplosiva, ma soprattutto, grazie a questo effetto "acuto", possono permettere ad un atleta di lavorare ad una intensità più elevata.
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INTERVISTA
I notevoli miglioramenti sulla flessibilità e sulla circolazione, rendono le vibrazioni sicuramente utili nel recupero e nella prevenzione di infortuni (ad esempio i muscoli ischio-crurali nel calcio), notevoli sono inoltre i miglioramenti sull’equilibrio (Figura 4).
(mm)
30
Pre
Post vibration
20
10
(mm)
0
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
-10
-20
-30
FIGURA 4 Variazione dello spostamento del centro di massa misurato su una pedana di forza
in stazione eretta bipodale ad occhi chiusi prima e dopo 5 minuti di vibrazione
a 30Hz (3.5 g).
9. Devo dire che gli effetti delle vibrazioni sul corpo umano sono alquanto differenziati e complessi. Relativamente alla somministrazione del giusto carico vibratorio
quali indicazioni puoi darci?
La cosa fondamentale da sottolineare è che è necessario personalizzare i programmi di allenamento con le vibrazioni, rivolgendosi ad esperti ed utilizzando mezzi di controllo validi
e riproducibili. Non esagerare con i tempi di applicazione e soprattutto non sostituire l’allenamento classico con le vibrazioni, ma utilizzarle all’interno di un progetto di allenamento vario.
La ricerca sta compiendo passi da gigante in questo campo e presto ci saranno nuove scoperte che faciliteranno il lavoro degli allenatori/preparatori nell’utilizzo di questa metodica.
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INTERVISTA
PER SAPERNE DI PIÙ
1. Nigg BM., Wakeling J.M. Impact forces and muscle tuning: A new Paradigm. Exerc
Sports Sci Rev. ,29(1):37-41. 2000.
2. Hagbarth KE., Eklund G. The effects of muscle vibration in spasticity, rigidity and cerebellar disorders. J Neurol Neurosurg Psychiat. 31:207-213. 1968.
3. Bosco C., Cardinale M., Tsarpela O. Influence of vibration on mechanical power and
EMG activity in human arm flexors muscles. Eur J Appl Physiol. 79:306-311. 1999.
4. Bosco C., Colli R., Introini E., Cardinale M., Tsarpela O., Tihany J., Von Duvilllad
S.P. Adaptive responses of human skeletal muscles to vibration exposure. Clin Physiol.
19(2):183-187. 1999.
5. Cardinale M., Bosco C. The use of vibration as an exercise intervention. Exerc Sports Sci
Rev. 31(1):3-7. 2003.
6. Cardinale, M., & Lim, J. (2003). EMG activity in vastus lateralis muscle during whole
body vibrations at different frequency. J Str Cond Res, (17);3: 621-624
7. Cardinale, M. & Pope M.H. (2003). The effects of vibration on humans: Dangerous or
advantageous? Acta Physiol Hun, (90);3:195-206
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INTERVISTA
MARCO CARDINALE, PH D
University of Aberdeen
College of Life Sciences and Medicine
School of Medical Sciences
Human Physiology Building-Foresterhill
AB25 2ZD Aberdeen – Scotland (UK)
Email: [email protected]
Diplomato all’ISEF di Roma con lode nel 1993 all’età di 19
anni, successivamente ha conseguito il perfezionamento in
salute ed efficienza fisica nel medesimo ISEF. Nel 1997 ha
completato il Master of Science in Sport Science presso la
United States Sports Academy negli USA dove e’ stato
anche responsabile del laboratorio di Biomeccanica discutendo un tesi sperimentale sulla fatica neuromuscolare. Ha
conseguito il Ph.D. (Dottorato di Ricerca) presso la
Semmelweis University di Budapest con la tesi dal titolo Effects of vibrations on human skeletal
muscle and hormonal profile. E’ attualmente lettore presso il dipartimento di scienze biomediche
dell’Università di Aberdeen in Scozia dove è titolare dell’insegnamento di fisiologia dell’esercizio e
biomeccanica e responsabile del laboratorio di fisiologia umana sezione neuromuscolare. Ha pubblicato numerosi articoli sull’allenamento della forza e sulle vibrazioni, è stato invited speaker in
Portogallo, Svezia, Norvegia, Estonia, Ungheria, Austria, Germania, Belgio, Lussemburgo, Italia,
Inghilterra, Scozia, Germania, e USA ed è reviewer per molte riviste scientifiche tra le quali Journal
of Applied Physiology, Pflügers Archives of Physiology and Aviation Space and Environmental
Medicine. E’ stato consulente per la metodologia dell’allenamento di varie federazioni sportive
nazionali, comitati olimpici e club in vari sport in Italia, Spagna, Regno Unito e USA. Attualmente
è consulente della Federazione Inglese di Atletica Leggera, del Bologna Handball e dell’Istituto di
Scienza dello Sport Scozzese. E’ inoltre membro dello Special Interest Group sul sollevamento pesi
della National Strength and Conditioning Association. Collabora con l’Agenzia Spaziale Europea
e la NASA per lo sviluppo di contromisure alla microgravita’ basate sull’attività fisica e per lo sviluppo di programmi di allenamento per gli astronauti ed ha brevettato una nuova apparecchiatura e un metodo per l’allenamento in condizioni microgravitarie.
Informazioni sull’Università di Aberdeen
L’universita’ di Aberdeen è particolarmente rinomata per gli studi sugli integratori e sulla nutrizione sportiva, grazie al lavoro di tre illustri studiosi quali Ron Maughan, Susan Shirreffs e John
Leiper. Il Laboratorio di Fisiologia Umana è attualmente coordinato nelle varie sezioni dal Dr.
Derek Ball (Biochimica e Fisiologia dell’Esercizio), dal Dr. John Leiper (Biochimica), dal Dr.
Arthur Stewart (Antropometria) e dal Dr. Marco Cardinale (Biomeccanica e Fisiologia
dell’Esercizio). Il campo di studi e’ molto vasto e comprende tra gli altri lo studio dagli effetti di
vari integratori sulla prestazione umana e sui livelli urinari di nandrolone, lo studio degli effetti
delle variazioni di temperatura sul muscolo scheletrico umano, lo studio degli adattamenti neuromuscolari all’allenamento della forza, e lo studio degli effetti delle vibrazioni sul sistema neuromuscolare e sulle risposte ormonali. L’Università di Aberdeen è una istituzione molto antica, è
infatti la quinta Università più antica del Regno Unito. L’Università di Aberdeen è inoltre famosa
per 4 premi Nobel (Frederick Soddy (Chimica), Sir George Paget Thomson (Fisica), JJR McLeod
(Medicina), e Lord Boyd Orr), per l’invenzione della risonanza magnetica, e per essere stata la
prima Università in lingua inglese ad istituire una cattedra in Medicina (nel 1497). Nella recente
valutazione del Ministero dell’Istruzione Inglese il corso di Laurea in Scienza dello Sport ha ricevuto un giudizio eccellente sulla qualità dell’insegnamento.
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