研究顯示:十二週超慢跑可增強肌肉、減少脂肪

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一項針對長者的12週隨機對照試驗顯示,短間隔、低強度的慢跑計劃不僅提高了有氧能力和肌肉功能,還改善了肌肉組成。這種慢跑計劃,包括1分鐘慢跑交替1分鐘步行,顯著減少了大腿的皮下和肌間脂肪組織,增加了細胞內水分,是一種適合長者的有效運動方式。

對老年人而言,12週短間隔、間歇、低強度、慢跑計劃對骨骼肌肉、脂肪滲透和健康的影響:隨機對照試驗

Effects of a 12‑week, short‑interval, intermittent, low‑intensity, slow‑jogging program on skeletal muscle, fat infiltration, and fitness in older adults: randomized controlled trial

Ikenaga M, Yamada Y, Kose Y, Morimura K, Higaki Y, Kiyonaga A, Tanaka H; Nakagawa Study Group. Effects of a 12-week, short-interval, intermittent, low-intensity, slow-jogging program on skeletal muscle, fat infiltration, and fitness in older adults: randomized controlled trial. Eur J Appl Physiol. 2017 Jan;117(1):7-15. doi: 10.1007/s00421-016-3493-9. Epub 2016 Nov 15. PMID: 27848017.
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Abstract

Purpose

We developed a short-interval, low-intensity, slow-jogging (SJ) program consisting of sets of 1 min of SJ at walking speed and 1 min of walking. We aimed to examine the effects of an easily performed SJ program on skeletal muscle, fat infiltration, and fitness in older adults.

Methods

A total of 81 community-dwelling, independent, older adults (70.8 ± 4.0 years) were randomly assigned to the SJ or control group. The SJ group participants were encouraged to perform 90 min of SJ at their anaerobic threshold (AT) intensity and 90 min of walking intermittently per week. Aerobic capacity at the AT and sit-to-stand (STS) scores were measured. Intracellular water (ICW) in the legs was assessed by segmental multi-frequency bioelectrical impedance analysis. Subcutaneous (SAT) and intermuscular (IMAT) adipose tissue and muscle cross-sectional area (CSA) were measured at the mid-thigh using computed tomography.

Results

A total of 75 participants (37 SJ group, 38 controls) completed the 12-week intervention. The AT and STS improved in the SJ group compared with the controls (AT 15.7 vs. 4.9 %, p < 0.01; STS 12.9 vs. 4.5 %, p < 0.05). ICW in the upper leg increased only in the SJ group (9.7 %, p < 0.05). SAT and IMAT were significantly decreased only in the SJ group (p < 0.01).

Conclusion

The 12-week SJ program was easily performed by older adults with low skeletal muscle mass, improved aerobic capacity, muscle function, and muscle composition
in older adults.

Keywords Jogging · Randomized controlled trial · Aerobic capacity · Muscle hypertrophy · Muscle composition

摘要

目的

我們開發了一種短間隔、低強度的慢跑(SJ)計劃,包括1分鐘的SJ(以步行速度)和1分鐘的步行。我們旨在檢驗一個容易執行的SJ計劃對老年人骨骼肌、脂肪滲透和體能的影響。

方法

共有81名居住在社區、獨立的老年人(70.8 ± 4.0歲)隨機分配到SJ組或控制組。SJ組的參與者被鼓勵每週進行90分鐘的SJ(在其無氧閾值(AT)強度)和90分鐘的間歇步行。測量了在AT的有氧能力和坐站(STS)分數。通過分段多頻生物電阻抗分析評估腿部細胞內水分(ICW)。使用計算機斷層掃描在大腿中部測量皮下(SAT)和肌間(IMAT)脂肪組織及肌肉橫切面積(CSA)。

結果

共有75名參與者(37名SJ組,38名對照組)完成了12週的干預。與對照組相比,SJ組的AT和STS有所改善(AT 15.7對4.9%,p < 0.01;STS 12.9對4.5%,p < 0.05)。上腿的ICW僅在SJ組增加(9.7%,p < 0.05)。SJ組的SAT和IMAT顯著減少(p < 0.01)。

結論

這個為期12週的SJ計劃能夠被肌肉量低的老年人輕鬆執行,並改善了老年人的有氧能力、肌肉功能和肌肉組成。
關鍵詞 慢跑 · 隨機對照試驗 · 有氧能力 · 肌肉肥大 · 肌肉組成

引言

規律的運動和體育活動有助於維持老年人的健康相關體能,包括心肺適能、體成分、肌肉力量和功率,以及站立平衡。跑步和慢跑是受歡迎的運動形式,其受歡迎程度每年都在增加,即使在65歲以上的人群中也是如此。慢速慢跑(步幅很短的“慢跑,或SJ”:<7公里/小時)的生理需求與代謝當量(METs)之間有線性關係,即使是以非常慢的速度移動(圖1a)(Kitajima等,2014)。儘管在相同速度(3-6公里/小時)下,慢跑的METs大約是步行的1.6倍,但兩種運動方式的感知努力率(RPE)並沒有顯著差異(圖1b)。人類在約6-7公里/小時的速度下從步行過渡到跑步(步行-跑步過渡,或WRT)(Hreljac 1993; Farinatti和Monteiro 2010)。我們將SJ定義為比WRT速度慢的慢跑。通過肌電圖(EMG)測量的股四頭肌活動在SJ期間顯著大於步行,這種增加的負荷可能會增強肌肉功能(Gazendam和Hof 2007)。因為SJ的RPE與正常步行相似,所以低體能水平的老年人可以在日常生活中輕鬆進行SJ。

在這項研究中,我們開發了一個SJ計劃,包括1分鐘的SJ和1分鐘的步行交替進行。該計劃設計得使老年人能夠輕鬆進行。在最近的一篇綜述中,Miyashita等人(Miyashita等,2013)得出結論,日常生活中短時運動的累積可以降低飯後三酰甘油濃度。然而,沒有研究檢驗過多次短間隔、間歇性SJ對老年人體能的影響。我們假設以等於或低於正常步行速度的速度跑步會提高老年人的有氧能力、體能和腿部肌肉組成。這個隨機對照試驗的目的是檢驗SJ訓練對老年人群體能的影響。

方法

參與者

共有81名居住在社區、獨立的老年人[70.8 ± 4.0(66-85)歲]參加了福岡-中川研究,並被招募參加本研究。參與者隨機分配到SJ組(n = 40)或控制組(n = 41)。控制組的參與者被指示在12週的干預期間保持其慣常的生活方式,而SJ組的參與者則被指示保持其慣常的生活方式,但增加SJ運動計劃。有心臟病、中風、糖尿病併發症、失智症、急性關節痛、肌肉骨骼疾病和神經症狀等嚴重病史,或在過去6個月內有困難定期參加課程的潛在參與者被排除在外。研究的目的、程序和風險向每位參與者進行了解釋,所有參與者在參與研究前簽署了知情同意書。福岡大學(日本福岡)的倫理委員會批准了這項研究(11-04-01)。該研究已在大學醫院醫學信息網絡中心(UMIN000005799)註冊。

實驗程序

有氧能力:次最大級數梯級踏步測試 參與者在梯級凳上進行次最大級踏步運動測試,以確定每個人在12週干預前後的無氧閾值(AT)。這種梯級踏步測試的協議細節在先前的研究中已有描述(森等,2006)。AT是通過之前描述的心率(HR)和第一心音振幅(AHS1)雙重產品(DP)的斷點確定的(田中等,2013)。AHS1表現出與左心室壓力一次導數的早期收縮波類似的增加,這是心肌氧需求的主要決定因素。HR和AHS1的DP反映了心肌氧需求、血乳酸和優酮酸濃度。DP斷點等於AT(田中等,2013)。

梯級踏步測試包括2分鐘的踏步和1.5分鐘的休息間隔。通過改變梯級高度和步速來調整測試的工作量,直到達到估計的最大心率的75%和/或感知努力率(RPE)為17(非常困難)。當步速達到100步/分時,使用10厘米的梯級高度,此後梯級高度以2.5至5.0厘米為增量。步速最初設定為每分鐘60步,每隔2分鐘的踏步間隔增加10步,最大為每分鐘100步。HR和AHS1在每個2分鐘間隔後立即使用多重無線傳輸系統(Nikoniko-Step; Kyusyu Keisokki Co., Ltd., Fukuoka, Japan)記錄。在對運動強度和DP進行對數轉換後,DP斷點作為AT的標記確定為DP首次急劇增加的點。這一點由三名研究人員確定,並計算其平均值(田中等,2013)。

SJ運動計劃 SJ干預持續12週。計劃中的單次設置包括1分鐘的慢跑和1分鐘的步行。SJ組的參與者被鼓勵每週執行90套該計劃(共180分鐘)。我們每週舉辦一次有指導的SJ課,包括熱身和放鬆階段。SJ組的參與者被指示:(1)用前腳掌(不是腳跟)著地,(2)保持背部挺直,(3)輕微抬頭,眼睛看向地平線,(4)避免踢地,(5)保持每分鐘180步的步速,通過控制步長來控制速度。個人慢跑速度根據以下公式從AT的METs計算出來:

規定的慢跑速度(米/分)=(AT的METs × 3.5 – 3.5)/ 0.2。

在有指導的課程中,我們在慢跑路線上每隔10米設置距離指示器,測量每位參與者的慢跑速度,以確保他/她了解自己的最佳速度。同時記錄HR。SJ組的參與者在日記中自行報告他們的運動時間。在干預前後,使用加速計(Kumahara等,2004)監測兩組參與者的日常身體活動和步數。此外,還監測了SJ組參與者的身體活動和步數。這些信息隨後在干預期間作為每週反饋提供給SJ組參與者。

人體測量

體重使用電子秤測量,精確到0.1公斤。身高測量至最近的0.1厘米。使用Janssen等人的生物電阻分析(BIA)方程計算骨骼肌指數(SMI)(Janssen等,2000)。如先前所述,通過分段多頻生物電阻分析(S-MFBIA)評估上下肢的細胞內水分(ICW)(宮谷等,2001;山田等,2013,2014a)。阻抗是使用八通道、電池操作的多頻阻抗儀器(Physion Z,京都,日本)獲得的。在參與者身體放鬆、仰臥、手臂略微從身體分開、前臂旋前、腿稍微分開的情況下進行阻抗測量。參與者被指示在實驗前24小時內避免包括慢跑和劇烈體育活動,並在實驗前3小時內避免進食或飲用超過0.5升的水。調節室溫以維持熱中性環境。休息5-10分鐘後進行阻抗測量。這個休息期是必要的,以避免從站立到仰臥位置的過渡對身體液體從四肢到胸腔的轉移產生的即時(1-2分鐘)效應,並避免這種轉移的慢相,該轉移可持續3-12小時(庫什納等,1996;斯林德等,2003)。通過S-MFBIA測量的肢體ICW是肢段肌肉細胞質量的標記,不包括細胞外水和固體,與肌肉力量密切相關。

隨機選取的參與者(14名SJ組,15名對照組)接受了計算機斷層掃描(CT)(Aquilion TSX-101A掃描儀;東芝醫療系統,東京,日本),如之前描述的那樣(吉村等,2011)。在兩條腿的大腿中部評估皮下脂肪組織(SAT)、肌間脂肪組織(IMAT)和肌肉橫截面積(CSA)。同時量化了低密度肌肉區域(LDMA:0-29 HU)和正常密度肌肉區域(NDMA:30-100 HU)(古德帕斯特等,2000;吉村等,2014)。低密度肌肉被認為富含脂質,而正常密度肌肉脂質含量較低。

體能測量

體能測量方式如以前描述(池永等,2014;木村等,2012)。簡而言之,Eur J Appl Physiol 1 3,參與者跑了10米,並在最初2米的加速和最後2米的減速之後的中間6米中確定了最大步速。每位參與者進行了兩次試驗,並計算了每次的平均最大步速。

最大膝關節伸展力是在參與者坐在力量計椅上測量的,膝蓋彎曲90°(TKK5715和TKK5710e;Takei Scientific Instruments Co. Ltd.,新潟,日本)(木村等,2012)。參與者坐著雙臂交叉,腰部用皮帶固定。在熟悉測試後,鼓勵參與者產生最大的膝關節伸展力。從力量和力量計附件(位於外踝處)與膝關節旋轉中心之間的距離的乘積估算出峰值扭矩。進行了兩次最大努力試驗,接受最高記錄值作為結果。

坐立起來(STS)測試使用標準椅高0.4米進行。要求參與者在胸前交叉雙臂,盡快從椅子上起立五次。使用眼睛睜開的單腿站立測試評估靜態平衡。參與者必須在單腿上站立,眼睛睜開,雙手放在臀部上。記錄抬起的腿碰到地面或站立的腿,或手離開臀部的時間。

統計分析

所有結果均以平均值±標準偏差(SD)表示。在適當時應用對數轉換以達到正常分布。使用未配對t檢驗比較兩組之間的基線特徵。使用配對t檢驗評估組內差異。使用重複測量方差分析(ANOVA)評估兩組在干預前和干預後值之間的差異的顯著性。此外,將SJ組參與者分為低SMI組和正常SMI組,以比較具有正常SMI和低SMI的受試者在體能變化上的差異,使用重複測量ANOVA進行。p < 0.05的值被認為表明統計學上的顯著性。所有統計分析均使用SPSS統計軟件Windows版本20.0(IBM Corp,Armonk,NY,USA)進行。

結果

參與者特徵和運動依從性

研究設計的流程圖顯示於圖2。SJ組有一名參與者因膝關節炎痛加劇而退出。SJ組的一對夫妻也退出了,因為他們的車在前往與干預無關的目的地時被追尾。控制組的一名參與者因長期住院而退出。另外兩名控制組的參與者因日程衝突而未完成干預後評估。在干預前,完成研究的參與者(37名SJ組,38名對照組)在所有變量上沒有顯著的組間差異(表1)。每週有指導的SJ課程的出勤率為90.2 ± 12.0%。平均每週自報的SJ訓練時間為188.6 ± 102.4分鐘,56.8%的參與者達到了推薦的訓練量目標>150分鐘/週。

有氧能力和體能的變化

SJ組的AT提高了15.7%(P < 0.01),控制組為4.9%(p < 0.05)。這個參數的組別和時間之間存在顯著的交互作用(p < 0.01)(表2)。SJ組的STS表現提高了12.9%(p < 0.05),控制組為4.5%(p < 0.05)。組別和時間對STS表現也有顯著的交互作用(p < 0.05)。SJ組的靜態平衡在訓練後也顯著改善(p < 0.05),而控制組則沒有變化。然而,在這種情況下,組別和時間之間的交互作用並不顯著(p = 0.064)。12週訓練後,兩組的膝關節伸展力並未顯著改變。

體成分的變化

實驗期間體成分的變化顯示在表2中。上腿ICW僅在SJ組顯著增加,其百分比變化在SJ組中顯著高於對照組(9.7對3.4%,p < 0.05),且組別和時間之間存在顯著的交互作用(p < 0.05)。
實驗期間前後大腿中部組成的CT測量結果顯示在表3中。SJ組的SAT和IMAT僅從訓練前的水平顯著降低(p < 0.01),且時間和組別之間的交互作用對兩個變量均有顯著性(分別為p < 0.01和p < 0.05)。NDMA在實驗期間沒有變化。訓練後LDMA僅在SJ組較低(p < 0.05),但時間-組別交互作用並不顯著(p = 0.19)。

圖2 研究流程圖
表1 訓練前後參與者特徵和體力活動情況
表2 訓練前後的有氧能力、體成分和體能
表3 訓練前後大腿中部組成的CT測量结果

低SMI與正常SMI組的比較

在SJ計劃中,低SMI組和正常SMI組在AT或STS表現的改變上沒有顯著差異(表4)。此外,大腿ICW的變化在低SMI組和正常SMI組之間也沒有顯著差異。SJ計劃對AT、STS和肌肉組成在低SMI組和正常SMI組中的影響相似。

討論

本研究的主要發現是,12週累積短時、間歇(1分鐘)的SJ訓練改善了次最大有氧能力,降低了心肌氧需求和反復坐立起速度,降低了大腿的SAT和IMAT,並增加了老年人大腿的ICW。實驗期間,SJ組的單腿站立平衡和大腿的LDMA發生了顯著變化,但時間與組別之間的交互作用對這些變量並未達到顯著。SJ計劃對具有正常SMI和低SMI的受試者的效果相似。
我們設計了SJ計劃,包括1分鐘的慢跑和1分鐘的步行交替進行,因為老年人可以輕鬆地進行這種運動。與以相同速度步行相比,以低於6-7公里/小時(WRT速度)的速度慢跑在相同的RPE下會引起更大的氧消耗(Kitajima等,2014)。遺憾的是,SJ組的一名參與者因膝關節炎相關的疼痛退出了。除了一對因與干預無關的車禍而退出的夫婦外,其他所有參與者均完成了計劃。每週有指導的SJ課程的平均出勤率超過90%,平均每週自報的SJ訓練時間超過180分鐘。大多數參與者喜歡SJ計劃。儘管有明顯的改善,但只有56.8%的參與者達到了推薦的體力活動訓練目標>150分鐘/週。因此,我們推測,提高老年人群的有氧能力、肌肉功能和骨骼肌組成可能需要較少的訓練時間。儘管與大多數先前的有氧運動訓練干預相比,SJ計劃的強度為低至中等,RPE較低,但我們發現參與者的心血管健康和體能有顯著提高。

表4 SJ干預前後低SMI組和正常SMI組的變化情况

多項研究已顯示中等至高強度有氧運動訓練對肌肉肥大的影響(Lovell等,2010;Harber等,2009,2012)。Harber等展示了在12週內進行心率儲備量60-80%的自行車負荷運動,可以顯著增加老年婦女股四頭肌容量(增加12%),這是通過磁共振成像測量的(Harber等,2009),而在老年男性中增加了6%(Harber等,2012)。Lovell等(2010)報導稱,每週三次,持續16週的自行車負荷運動(50-70%最大氧氣攝取量(max))顯著增加了腿部力量、腿部動力和上腿肌肉質量。Nemoto等(2007)報導稱,5個月的高強度間歇步行訓練,包括五組或更多3分鐘低強度步行和3分鐘高強度步行(>70%峰值氧氣攝取量(peak)),提高了膝關節伸展(13%)和屈曲力量(17%)。

相反,中等強度的持續步行(約50%peak)在中老年人群中沒有帶來相同的改善。此外,9-12個月的步行和慢跑訓練導致老年人I型和IIA型肌纖維大小增加(Coggan等,1992)。相反,Sipila和Suominen(1995)報導稱,18週的步行計劃沒有增加股四頭肌或大腿肌肉橫切面積(CSA),這是通過CT評估的。這些不同的結果可能是由於干預期的長度不同。在本研究中,CT評估的肌肉CSA沒有因SJ計劃而改變,但SJ組的大腿ICW顯著增加。以前的研究表明,用分段生物電阻譜分析測量的腿部ICW與肌力更強相關,而不是瘦CSA,細胞外水的相對膨脹可能會掩蓋老化或行動不便個體的肌肉萎縮(Yamada等,2010,2013,2014a)。因此,大腿ICW可能是比肌肉CSA更敏感的骨骼肌細胞質量變化標記(Yamada等,2013)。

從老年婦女的骨骼肌活檢標本中測量的肌肉水分含量在有氧訓練後增加(Harber等,2009),但在老年男性的標本中減少(Harber等,2012)。這些適應與細胞大小和功能的改善有關。兩性之間的這種差異尚未得到澄清。然而,可能的是,細胞大小和功能緊密相連。由於步行期間站立相的延長,股四頭肌在慢跑期間的肌肉活動大於步行,不管速度如何(Gazendam和Hof 2007)。此外,提高有氧能力的最佳絕對運動強度對於年輕人和老年人群是不同的。換句話說,對於體能低下的老年人來說,即使是約3 METs的慢跑也構成相對中等強度的運動,因此提供了最佳刺激。因此,慢跑是足以引起大腿肌肉細胞肥大和增加腿部肌肉力量的負荷。本研究的另一個新發現是,SJ訓練減少了大腿的體重和脂肪組織。可以假設IMAT的減少與體重減輕有關(Yaskolka Meir等,2016)。以前的研究表明,更高的肌內脂肪含量(通過CT評估)與較低的膝關節伸展力量(Goodpaster等,2001)和未來行動受限風險增加有關(Visser等,2005)。

這些影響與大腿肌肉CSA無關。Yoshimura等報導稱,乳酸閾值(LT)處的有氧運動訓練在能量限制期間減緩了骨骼肌(NDMA)的損失(Yoshimura等,2014)。體重減輕可能會限制肌肉生長(Yoshimura等,2014),儘管足夠的運動(例如,慢跑)有助於減少肌肉萎縮和/或增加ICW。我們發現,運動計劃對擁有正常或低SMI的受試者的效果相似。這些結果表明,即使在肌少症患者中,SJ訓練也是有效的。

我們根據AT(由HR和AHS1的DP斷點決定)個別規定運動強度。HR和AHS1的乘積作為心肌代謝壓力的指數可以反映血漿腎上腺素和乳酸水平。因此,DP斷點可以測量次最大有氧能力,從而提供與LT類似但非侵入性的信息。除了減少炎症和氧化壓力,有氧運動訓練還可以改善骨骼肌的線粒體生物發生、胰島素敏感性和蛋白質合成。此外,LT處和/或更高強度的有氧運動訓練可以誘導過氧化物酶體增生劑活化受體-γ輔活化劑-1α(PGC-1α)的表達,這對於增強線粒體功能起著重要作用(Tobina等,2011)。以前的研究也顯示,LT處的輕至中等強度有氧運動訓練對高血壓(Kiyonaga等,1985)、葡萄糖不耐受(Nishida等,2001;Sakamoto等,1999)和脂質代謝(Sunami等,1999)有益。最近,哥本哈根市心臟研究的研究人員報導稱,以慢速或中等速度(6 METs,<2.5小時/週)慢跑的輕度和中等強度的慢跑者的死亡率低於久坐不運動的非慢跑者,而保持快速(≥12 METs)的劇烈慢跑者的死亡率與久坐組沒有統計學上的差異(Schnohr等,2015)。

這一結果凸顯了安全性的最佳運動強度處方的重要性。在本研究中,慢跑的速度為2.1-4.8公里/小時,比WRT速度慢。這種低至中等強度的短時、間歇、慢跑運動不僅改善了老年人的體能,還改善了肌肉組成和肌肉功能,儘管肌肉肥大的效果低於進行性阻力訓練所達到的(Liu和Latham,2009)。

總之,基於短間隔、間歇、SJ運動的12週運動干預計劃,以個別規定的強度改善了老年人的有氧能力、肌肉功能和肌肉組成。SJ運動可能是一種改善與健康相關的體能的有用方法。它可能會預防老年人的肌少症和脆弱性。

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