Levantando Pesas en Microgravedad

Enero 22; 2004: Las imágenes del video que nos llegan de la Estación Espacial Internacional (ISS) invariablemente nos muestran en segundo plano a los miembros de la tripulación realizando ejercicios. El ejercicio es un asunto serio en la ISS porque la microgravedad hace que los músculos del esqueleto pierdan poder y resistencia. Las sesiones de entrenamiento ayudan a los astronautas a luchar contra esto.|

Pero a pesar de los rigurosos ejercicios, los astronautas regresan a la Tierra notablemente más débiles que cuando partieron. Apenas 11 días en microgravedad pueden atrofiar en hasta un 30% las fibras musculares, y causar dolores cuando los músculos dañados se desgarran al reajustarse a la gravedad de la Tierra.

Crédito: Danny Riley y James Bain, Colegio Médico de Wisconsin La presencia o ausencia de gravedad afecta los tejidos musculares esqueletales, como se muestra en estas dos micrografías electrónicas de células del músculo humano de la pantorrilla antes y después de 17 días en microgravedad. Antes del vuelo, la carga gravitatoria estimula la producción de proteínas que mantienen fuertes y simétricas las fibras musculares (A). Luego de 17 días en microgravedad (B), la fuertemente disminuida carga sobre el músculo esquelético ha frenado la producción de proteínas en las células individuales del músculo, las que se han vuelto más irregulares y frágiles a medida que se atrofian. La prevalencia de gotitas blancas de lípidos (L) indica que en microgravedad, los músculos almacenan la grasa en lugar de utilizarla para producir energía.

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Implicaciones terrestres
Afortunadamente, los músculos se recuperan rápidamente luego de algunas semanas en microgravedad. ¿Pero qué podría pasar durante misiones que duraran años, como un viaje a Marte?. ¿Cuánto se podrían atrofiar los músculos durante el vuelo espacial, y cuáles serían los niveles de fuerza muscular que tendrían los astronautas cuando se alcanzara el equilibrio?. ¿Podría ser que sesiones aeróbicas más intensas previnieran el deterioro, o podrían ser más efectivos otros tipos de ejercicios?. Tales cuestiones intrigan a Robert H. Fitts, profesor de biología de la Universidad de Marquette en Milwaukee, Wisconsin. Él ha estado examinando tejidos musculares de los astronautas antes y después de las misiones en la ISS para proyectar cómo vuelos más prolongados podrían responder éstas y otras preguntas.

Fitts, un experto en la fisiología del ejercicio y corredor consumado, dice que su investigación en la ISS ayudará a desarrollar sesiones de entrenamiento para los astronautas que minimicen o aún prevengan la atrofia. Cualquier progreso daría también beneficios aquí en la Tierra, donde ejercicios similares podrían ayudar a las personas mayores a mantenerse fuertes y acelerar la rehabilitación de algunos pacientes luego de largas enfermedades.

Bombeando hierro

La atrofia muscular comprende muchos compuestos químicos sutiles, así como interacciones físicas, pero el principio básico es simple. Los músculos, explica Fitts, son tejidos adaptables. Si se aumenta la carga sobre ellos al levantar pesos o por otros tipos de esfuerzo, se vuelven más grandes y fuertes. Si se reduce la carga por permanecer en cama o por la microgravedad, se hacen más pequeños y débiles.

“Cuando se carga un músculo”, continúa Fitts, “sus fibras comienzan una serie de pasos señaladores intracelulares. Los genes dentro del núcleo de la célula hacen el ARN (ácido ribonucleico), que sintetiza las proteínas que conforman la fibra muscular. El bombeo de hierro activa la expresión de estas proteínas, que se acumulan y agrandan las fibras musculares”.

La microgravedad tiene el efecto opuesto. Reduce la carga que la gravedad ejerce naturalmente sobre los músculos, interrumpiendo la síntesis proteica y haciendo que las fibras comiencen a atrofiarse. La pérdida de masa muscular contribuye a reducir la fortaleza del músculo esquelético cuando los astronautas regresan a la Tierra.

No todos los músculos se atrofian de la misma manera en la microgravedad. Los músculos de la espalda y de las piernas que trabajan contra la gravedad terrestre para mantener una postura erecta son los que se debilitan más rápidamente en la microgravedad. Pero aún entre estos músculos existen diferencias. En la microgravedad, los astronautas asumen naturalmente una posición fetal modificada, donde las piernas se doblan en las rodillas y los pies se extienden hacia abajo. Esta postura acorta los músculos de la pantorrilla en la parte posterior de la pierna, quitando tensión y acelerando la atrofia. También alarga los músculos de la tibia en el frente de la pierna, creando suficiente tensión como para impedir la atrofia.

Rápido y despacio

La microgravedad tiene también un profundo efecto en las fibras musculares de contracción lenta y rápida. Como sugiere su nombre, las fibras de contracción lenta se contraen gradualmente y generan poca energía, pero tienen una gran capacidad aeróbica y resisten la fatiga. Las de contracción rápida lo hacen más rápidamente y generan más energía, pero se cansan rápidamente.

“Las fibras musculares de contracción lenta dominan en los maratones y las de contracción rápida en las carreras de 100 metros”, dice Fitts. El análisis de ratas expuestas a la microgravedad llevó inicialmente a los investigadores a creer que el vuelo espacial degradaba más rápidamente a las fibras de contracción lenta que a las de contracción rápida, pero los más recientes estudios en humanos indican que ambos tipos de fibras sufren una atrofia significativa.

Sorprendentemente, el vuelo espacial altera el balance de ambos tipos de fibras. “No solamente hay un cambio en la cantidad de proteína sintetizada, sino también en el tipo”, dice Fitts. “Durante los vuelos largos, alrededor de un 15 a 20% de las fibras de contracción lenta se convierten en fibras de contracción rápida”. La conversión muscular es causada probablemente por cambios en el tipo de proteínas musculares sintetizadas por el cuerpo, explica. Los cambios en el tipo de fibra también pueden ser responsables de los desgarros musculares cuando los astronautas regresan al hogar. “Nuestra teoría es que la microgravedad puede suprimir la expresión de las proteínas que anclan los filamentos contráctiles a la superficie de la fibra muscular”, dice.

¿Cambio de régimen?

Cualquier rutina de ejercicios en microgravedad debe no solamente mantener la masa muscular sino también la correcta mezcla de proteínas para balancear la potencia muscular de contracción rápida con la resistencia muscular de contracción lenta, a la vez que afirme el anclaje de los filamentos contráctiles. Parece ser una misión difícil, pero Fitts cree que la preservación de la masa muscular también balanceará automáticamente la síntesis proteica.

La atrofia muscular durante el vuelo espacial ha resultado siempre difícil de evitar. Históricamente, los astronautas rusos y estadounidenses han confiado en los ejercicios aeróbicos, principalmente pedaleando una bicicleta ergométrica y corriendo mientras están atados a un aparato caminador. Desafortunadamente, los ejercicios aeróbicos están diseñados para acondicionar el sistema cardiovascular más que para aplicar sistemáticamente cargas a un amplio espectro de músculos, explica Fitts. El pedaleo, por ejemplo, ejerce una buena carga sobre la pierna superior pero no sobre la inferior o sobre la espalda, dice. “No preserva al músculo”.

“En este punto”, dice Fitts, “sabemos que estamos perdiendo masa muscular y que no estamos obteniendo la correcta activación muscular con los ejercicios aeróbicos”. Aunque el programa ideal de ejercicios para la microgravedad permanece sin definir, Fitts cree que incluirá más entrenamiento de fuerza.

El entrenamiento de fuerza, dice Fitts, involucra dos tipos diferentes de ejercicios de resistencia: la isotonía de alta intensidad, que acorta y alarga los músculos (por ejemplo, levantar y bajar unas mancuernas), y la isometría, que contrae completamente a los músculos sin realizar movimientos (por ejemplo, empujar contra una puerta). Ambos tipos de ejercicios podrían potencialmente reducir la atrofia muscular en la microgravedad. Los experimentos de Fitts con ratas, sin embargo, sugieren que los ejercicios isométricos pueden proteger más a las fibras de contracción lenta que la isotonía, porque estas fibras desarrollan muy poca energía durante los relativamente rápidos movimientos isotónicos.

Resulta fácil desarrollar un programa de entrenamiento de fuerza que combine isometría e isotonía aquí en la Tierra. En la microgravedad, donde una mancuerna no “pesa” más que una pluma, es difícil, pero la NASA puede tener una solución. Se están llevando a cabo estudios para evaluar la eficacia en microgravedad del aparato provisional de ejercicios resistivos, que fue instalado a bordo de la ISS en abril de 2001. El aparato genera hasta 300 libras de resistencia para varios ejercicios (la NASA concedió la licencia de la tecnología a Schwinn, que ahora la vende como Unidad RiPP Pro).

Crédito: NASA la NASA ha comprendido desde hace largo tiempo la importancia del ejercicio para batallar contra la atrofia muscular en la microgravedad. Aquí, el astronauta Robert F. Overmyer realiza una sesión de entrenamiento sobre un caminador a bordo del Spacelab en 1985 (izquierda). Dieciséis años más tarde, el astronauta de la Agencia Espacial Europea Umberto Guidoni se entrena sobre una bicicleta ergométrica a bordo del Transbordador Espacial Endeavour (derecha). Aunque estos ejercicios aeróbicos hacen trabajar los músculos de la parte superior de la pierna, Fitts cree que no proporcionan los tipos correctos de carga para prevenir la debilitación del músculo en microgravedad.

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Fitts dice que varios grupos de investigación están trabajando para desarrollar unidades similares que podrían proporcionar cargas adecuadas para proteger el músculo esqueletal mientras se vive en microgravedad. El reto, dice, es diseñar aparatos compactos y confiables que puedan generar cargas consistentes y mensurables para los varios grupos de músculo esqueletal que se localizan por todo el cuerpo.

Probando

Luego de determinar el mejor tipo de ejercicio para los astronautas, la siguiente pregunta es: ¿cuánto ejercicio se necesita?. “Si se está bombeando hierro aquí en la Tierra, dos o tres veces a la semana es suficiente como para crear músculo”, dice Fitts. “En microgravedad, habrá que hacerlo quizás una o dos veces por día, y éso solamente para mantener la fuerza muscular, no para incrementarla”.

Aquí, la palabra operativa es “quizás”, ya que los efectos de la microgravedad prolongada en las fibras musculares se mantienen todavía grandemente indeterminados. Sin una comprensión completa de cómo cambia cada tipo de fibra muscular a lo largo del tiempo, cualquier contramedida propuesta será simplemente una suposición educada, en el mejor de los casos. Aún así, las conjeturas de Fitts son más educadas que la mayoría. Dirigió un equipo que describió las fibras musculares en miembros de humanos para el vuelo de 17 días STS-78 en 1996. Ahora, ha comenzado a realizar pruebas similares en astronautas antes e inmediatamente después de su regreso de una extensa misión ISS.

Fitts está estudiando dos músculos mayores de la pantorrilla: el gastrocnemius exterior, que contiene fibras musculares tando de contracción lenta como rápida, y el tibial interior, que contiene principalmente fibras de contracción lenta. En lugar de medir el comportamiento general del músculo, está valorando fibras musculares individuales a partir de pequeñas muestras de tejido tomadas de los músculos de la pantorrilla de los astronautas antes y después de su vuelo espacial.

Fitts activa químicamente las fibras musculares para hacer que se contraigan de modo que pueda medir la fuerza, la velocidad y la energía. Cuando la fuerza que generan alcanza su pico, estira las fibras un 10%, equivalente al estiramiento que ocurre al caminar o al subir escaleras, y mide nuevamente su pico de fuerza. Las fibras musculares de personas que se ejercitan en la Tierra típicamente muestran poco cambio en su fortaleza luego de cinco estiramientos; Fitts espera que las fibras de post-vuelo muestren un daño significativo luego de solamente uno o dos estiramientos.
Luego, Fitts determina dónde ocurren los desgarros en las fibras examinándolas con un microscopio electrónico. También utiliza anticuerpos que reaccionan con proteínas específicas en las fibras para identificar los cambios proteínicos. Toda junta, esta información le ayuda a caracterizar precisamente las variaciones en el tamaño, fuerza pico, energía, velocidad y resistencia al desgarro de las fibras.

En Marte y en la Tierra

Fitts utiliza los datos obtenidos en sus experimentos con las fibras musculares para tratar de predecir los cambios que pueden ocurrir en los músculos durante misiones tan prolongadas como un viaje a Marte. Sus mediciones proporcionarán también una importante base de datos para evaluar los futuros programas de ejercicios en microgravedad.

Algunos de los descubrimientos de Fitts pueden tener un impacto inmediato aquí en la Tierra. La gente pierde continuamente su masa muscular y su poder aeróbico luego de cumplir 55 años. Hasta hace poco, los fisiólogos habían normalmente recomendado ejercicios aeróbicos para contrarrestar este efecto. “El problema con caminar o andar en bicicleta es que muchos mayores están demasiado débiles como para levantarse de una silla”, dice Fitts. “Hasta épocas muy recientes, la mayoría de los programas de ejercicio para las personas mayores no enfatizaban la masa muscular. Los terapeutas están recién comenzando a entender que los mayores también necesitan ejercicios de resistencia”.

El reto, dice Fitts, consiste en escoger los ejercicios correctos. Ahí es donde entra la investigación espacial. “El vuelo espacial actúa como un envejecimiento acelerado”, explica. “Causa una pérdida rápida de masa muscular. Si podemos aprender a prevenir el debilitamiento muscular durante el vuelo espacial, esa información podría ayudar a que la gente aquí en la Tierra permanezca fuerte mientras envejece”. Las mismas percepciones podrían ayudar a los pacientes con quemaduras severas, que a menudo están confinados a una cama durante meses y son tratados con esteroides que desgastan los músculos. “El ejercicio óptimo podría reducir el tiempo de rehabilitación en muchos casos clínicos, explica Fitts.

Al poner a punto las mejores ideas de hoy en el demandante ambiente microgravitacional, los investigadores de la NASA pueden aprender cómo mantener fuertes y sanos los músculos tanto en la microgravedad como aquí en la Tierra.

Enlaces en la red

El equipo de Robert H. Fitts incluye a Scott Trappe y Dave Costill de la Universidad de Ball State (Muncie, Indiana) y Danny Riley del Colegio Médico de Wisconsin en Milwaukee.

Fitts' research – (La Investigación de Fitts) Página en la Universidad de Marquette

Effect of Prolonged Space Flight on Human Skeletal Muscle – (Efectos del Vuelo Espacial Prolongado en el Músculo Esqueletal Humano) Entrada en el Libro de Tareas OBPR de Fitts

Effect of Prolonged Spaceflight on Human Skeletal Muscle (Biopsy) -- (Efectos del Vuelo Espacial Prolongado en el Músculo Esqueletal Humano – Biopsia ) Información sobre el Experimento en la sección Investigación en la Estación

Journal of Applied Physiology – (Revista de Fisiología Aplicada) “Fisiología de un ambiente de microgravedad”, R. H. Fitts, D. R. Riley, y J. J. Widrick, Revisión Invitada: Microgravedad y el músculo esqueleta, Revista de Fisiología Aplicada, 89, 823-839, 2000 (extracto).

Space Research News – (Noticias de Investigación Espacial) Esto apareció en la edición de invierno de 2003 de Investigación Espacial, la revista trimestral de OBPR News.


Autor: Alan S. Brown
Editor: SpaceResearch Editorial Board