COMPORTAMENTO DO SINAL EMG NOS MÚSCULOS TIBIAL ANTERIOR E SÓLEO EM HUMANOS DURANTE A FADIGA

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1 COMPORTAMENTO DO SINAL EMG NOS MÚSCULOS TIBIAL ANTERIOR E SÓLEO EM HUMANOS DURANTE A FADIGA C.T.Candotti 2, F.S.Castro 1, E.M.Scheeren 1, A.S.Pressi 1, J.F.Loss 1, A.C.Guimarães 1, M.A. Vaz 1 1 Laboratório de Pesquisa do Exercício, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, RS, Brasil 2 Centro de Ciências da Saúde, Universidade do Vale do Rio dos Sinos, RS, Brasil ABSTRACT The purpose of this study was to compare the EMG signals from muscles with presumed different fiber type distribution during a fatigue protocol. EMG signals and plantar and dorsi flexion torques were obtained from tibialis anterior (fast twitch) and soleus (slow twitch) muscles of 6 subjects. EMG signals were obtained using bipolar surface electrodes. Torque signals were obtained using a Cybex (Norm) isokinetic dynamometer. The protocol consisted of three maximal isometric voluntary contractions (MVC) and one 7% MVC contraction up to exhaustion, which was interrupted when the torque values reached a level of 5% MVC. The root mean square (RMS) values and the median frequency (MDF), were calculated from consecutive windows of one second for the fatigue trial. Linear regression was applied to the MDF and RMS values of both muscles to verify the behavior of the EMG signal in the frequency and in the time domains. The normality of the slopes was verified with the Shapiro-Wilk test and an independent t-test was adopted (p<.5) to evaluate the differences between the behavior of the muscles. Both muscles showed a decrease in the MDF during the fatigue trial, which is in accordance with what has been reported in the literature, but with statistical differences between the muscles. The muscle tibialis anterior showed greater negative slope than soleus muscle. Both muscles showed an increase in the RMS values during the fatigue trial, but the muscle tibialis anterior showed greater positive slope than soleus muscle. There was significant differences in the behavior of the two muscles with different fiber type distribution during a fatigue protocol with sustained contraction. Keywords: muscle fatigue, neuromuscular control, electromyography INTRODUÇÃO Basmajan & De Luca (1985) entendem que conceituar fadiga muscular consiste em tarefa complexa devido aos vários fenômenos fisiológicos e psicológicos que contribuem para sua instalação. Clamann (in Binder & Mendell, 199) acredita que fadiga é um processo contínuo que começa com o início da atividade neuromuscular e que pode causar mudanças na atividade elétrica, na propagação elétrica, no acoplamento excitação-contração e nos diversos elementos do processo contrátil. Bigland-Ritchie et al. (1992) concordam que os fatores responsáveis pelo início da fadiga aparecem imediatamente após o começo do exercício. Häkkinen & Komi (1986) afirmam que, além das alterações na resposta mecânica, aspectos elétricos da função neuromuscular e o papel da composição de fibras musculares têm sido relacionados com a fadiga. A análise da freqüência dos sinais eletromiográficos (EMG) tem sido utilizada no estudo do comportamento muscular durante contrações sustentadas a fim de avaliar a fadiga muscular localizada. Hägg (1992) refere que os fatores que afetam a potência do espectro eletromiográfico são: alterações nas características (amplitude e formato) do potencial de ação, freqüência dos disparos, temperatura muscular, recrutamento adicional de unidades motoras na fadiga e nível de força, sendo a mediana da freqüência (MDF) um dos índices mais sensíveis à fadiga. Diversos estudos apontam que, durante o processo de fadiga muscular, em contração sustentada, ocorre um declínio na MDF (e.g. Kadefors et al., 1968; Linström et al., 1977). Há também evidências de que a atividade contínua de alta intensidade é acompanhada por uma diminuição progressiva da ativação do pool de motoneurônios (Bigland-Ritchie et al., 1983).

2 Segundo Herzog e colaboradores (in Nigg & Herzog, 1994), a medida da magnitude dos sinais eletromiográficos, realizada pelo cálculo dos valores root mean square (RMS), também pode ser utilizada em estudos da fadiga muscular. Entretanto, apesar dessa consideração, parece existir uma lacuna na literatura em relação ao comportamento dos valores RMS do sinal EMG, durante a contração sustentada. Vaz et al. (1996), ao estudarem a fadiga do músculo vasto lateral em contrações sustentadas, a 7% da contração voluntária máxima, afirmam que os valores RMS aumentam durante a fadiga e que, quando o nível de esforço não mais pode ser mantido, os valores RMS diminuem. Segundo Johnson et al. (1973), a composição média de fibras rápidas e lentas do músculo vasto lateral é de 67,3% e de 37,8%, respectivamente. Assumindo-se que a composição de fibras (ou de unidades motoras) de um músculo interfere no comportamento do sinal EMG durante a fadiga, especula-se que músculos com diferentes percentuais de fibras lentas e rápidas (ou unidades motoras lentas e rápidas) deverão apresentar um comportamento distinto do sinal EMG no domínio do tempo. O objetivo deste estudo foi verificar o comportamento do sinal EMG, nos domínios da freqüência (MDF) e do tempo (RMS), durante fadiga muscular localizada em músculos com diferente composição de unidades motoras. Segundo Johnson et al. (1973), o músculo tibial anterior é constituído, em média, por 26,6% de fibras rápidas e 73,4% de fibras lentas e o músculo sóleo é constituído, em média, por 13,6% de fibras rápidas e 86,4% de fibras lentas. Assumindo-se que o músculo tibial anterior seria menos resistentes à fadiga do que o músculo sóleo, devido a sua composição mais elevada de fibras (ou unidades motoras) de contração rápida, durante protocolo de fadiga muscular em contração sustentada, duas hipóteses foram levantadas: (1) o músculo tibial anterior apresentaria uma diminuição mais acentuada na MDF do que o músculo sóleo e (2) o músculo tibial anterior apresentaria um aumento mais acentuado dos valores RMS, quando comparados com os valores do músculo sóleo. MATERIAL E MÉTODOS Os sinais EMG dos músculos tibial anterior e sóleo e o torque flexor plantar e flexor dorsal do tornozelo foram obtidos de 6 estudantes de Educação Física (faixa etária de 18 a 24 anos) do sexo masculino, por meio de um eletromiógrafo de 8 canais (Bortec Eletronics Inc., Canadá) e de um dinamômetro isocinético Cybex (modelo Norm), respectivamente. Os dois sistemas foram sincronizados durante toda a coleta de dados. Todos os sujeitos foram submetidos a aquecimento muscular em cicloergômetro durante cinco minutos antes do início dos testes. Eletrodos de superfície em configuração bipolar foram colocados no terço distal dos músculos utilizando-se procedimento padrão. Os indivíduos foram posicionados em decúbito ventral na cadeira do dinamômetro, sendo todas as contrações realizadas pelo membro inferior direito, conforme ilustrado na Figura 1.

3 b a c Figura 1.Posição para a realização do protocolo. No canto superior direito pode-se observar a colocação dos eletrodos nos músculos tibial anterior (a), sóleo (b) e o eletrodo de referência (c). O protocolo de avaliação, para ambos os músculos, consistiu-se em: (1) três CVM isométricas e (2) uma contração isométrica a 7% da CVM sustentada pelo máximo tempo possível até que o nível de esforço atingisse o nível de 5% da CVM, quando o teste foi interrompido (teste de fadiga). O torque flexor plantar foi obtido com o tornozelo a 1 graus de flexão dorsal e o torque flexor dorsal foi obtido com o tornozelo a 2 graus de flexão plantar, definidos a partir da posição anatômica. A escolha dos ângulos foi baseada em estudos prévios realizados em nosso laboratório que definiram quais os ângulos articulares mais adequados para uma maior produção de torque. Feedback visual do torque produzido durante as contrações foi fornecido aos indivíduos através de um osciloscópio, com o objetivo de auxiliá-los na manutenção do torque no nível desejado. O sinal EMG foi processado por meio do software Sistema de Análise de Dados SAD (Laboratório de Medições Mecânicas, Universidade Federal do Rio Grande do Sul). A MDF, obtida através da transformada rápida de Fourier (FFT), e os valores RMS foram calculados para janelas de um segundo durante todo o teste de fadiga. Com os dados da MDF e dos valores RMS, foram realizadas regressões lineares e obtidos coeficientes de inclinação das retas. Este procedimento possibilitou verificar a tendência do comportamento do sinal eletromiográfico nos domínios da freqüência e do tempo durante a contração sustentada. Através do teste de Shapiro-Wilk foi verificada a normalidade dos coeficientes de inclinação e, após, aplicou-se um teste t simples para amostras independentes entre os dois grupos. Também foram calculadas as médias e desvios padrões dos coeficientes de inclinação da MDF e do valor RMS e o tempo de permanência a 7% da CVM. O nível de significância adotado foi de,5. RESULTADOS E DISCUSSÃO O tempo de permanência em contração durante o protocolo de fadiga a 7% da CVM para os músculos flexores dorsais e flexores plantares foi, respectivamente, de 38,51±9,76s e de 4,87±15,81s. Os valores das médias e desvios padrões dos coeficientes de inclinação das retas da MDF e dos valores RMS dos músculos tibial anterior e sóleo estão apresentados na Tabela 1. Valores mais acentuados foram encontrados para o músculo tibial anterior do que para o músculo sóleo, tanto para o coeficiente de inclinação das retas da MDF quanto dos valores RMS.

4 Tabela 1. Médias e desvios padrões dos coeficientes de inclinação das regressões lineares da mediana da freqüência (MDF) e dos valores RMS dos músculos tibial anterior e sóleo. Tibial anterior Sóleo MDF -,7861 ±,2498 -,3945 ±,1597 RMS,48 ±,31,11 ±,22 Os resultados do teste de fadiga, analisados no domínio da freqüência, demonstraram um declínio da MDF ao longo do teste para ambos os músculos desde o início do mesmo (Figura 2). Resultados semelhantes foram encontrados por Bigland-Ritchie et al. (1981) e Vaz et al. (1996). A análise estatística demonstrou que há diferença significativa (p=,11) entre a inclinação das retas da MDF do tibial anterior e do sóleo, com uma maior inclinação negativa para o músculo tibial anterior. Essa inclinação mais acentuada pode estar relacionada com um processo de instalação mais rápido da fadiga muscular em músculos com maior percentual de fibras rápidas. A Tibial y = -,8198x + 222,6 B Sóleo y = -,6827x + 233,57 MDF (Hz) MDF (Hz) Figura 2.Resultados da MDF dos músculos (A) tibial anterior e (B) sóleo de um indivíduo representativo da amostra, quando submetidos à regressão linear.. Os resultados no domínio do tempo demonstraram que as inclinações das retas do valor RMS do tibial anterior e do sóleo durante a fadiga também foram significativamente diferentes ( p=,37). Conforme ilustrado na Figura 3, ocorreu um aumento dos valores RMS com a fadiga, sendo esse aumento maior no músculo tibial anterior do que no sóleo. A Tibial y =,11x +,185 B Sóleo y =,9x +,654,3,3 RMS (mv),2, RMS (mv),2, Figura 3. Resultados dos valores RMS dos músculos (A) tibial e (B) sóleo de um indivíduo representativo da amostra, quando submetidos a regressão linear.

5 A análise no domínio da freqüência tem sido associada à velocidade de condução dos potenciais de ação, e a MDF tem sido utilizada e aceita como uma medida sensível a alterações na taxa de disparo de unidades motoras (Hägg, 1992). O declínio da MDF observado em ambos os músculos parece estar associado com a queda na velocidade de condução dos potenciais de ação durante o processo de fadiga muscular. Esse declínio foi, em média, duas vezes maior no músculo tibial anterior do que no músculo sóleo. Esses resultados confirmam a hipótese (1), pois o músculo tibial anterior apresentou redução mais acentuada na MDF do que o músculo sóleo, durante protocolo de fadiga muscular em contração sustentada, apresentando, inclusive, um maior coeficiente de inclinação negativo. A análise no domínio do tempo possibilita o estudo da amplitude e da densidade do sinal EMG, e os valores RMS têm sido descritos como uma medida sensível à instalação e progressão da fadiga muscular localizada (Vaz et al., 1996). A diferença observada no comportamento dos valores RMS entre esses dois músculos (ou seja, um incremento médio aproximadamente 4 vezes maior no músculo tibial anterior do que no músculo sóleo), parece estar associada com um aumento no recrutamento e na freqüência de disparo das unidades motoras. Segundo Hägg (1992), durante a fadiga pode ocorrer recrutamento adicional de unidades motoras ainda não fatigadas e com fibras, provavelmente, maiores. Especulava-se que esse recrutamento adicional ocorreria no músculo tibial anterior, por este apresentar um percentual maior de fibras rápidas. Os valores RMS obtidos do músculo tibial anterior apresentaram incremento maior, em relação ao músculo sóleo, devido a este provável recrutamento de unidades motoras, o que foi confirmado pelo maior coeficiente de inclinação da reta para este músculo. O músculo sóleo, por apresentar maior percentual de fibras lentas (unidades motoras lentas), teria um comportamento diferente do músculo tibial anterior durante a fadiga, ou seja, resistiria mais à fadiga. Portanto, a hipótese (2) foi, também, confirmada, já que o músculo tibial anterior apresentou um aumento mais elevado dos valores RMS do que o músculo sóleo. CONCLUSÕES Os resultados deste estudo indicam existir diferenças no comportamento do sinal EMG de músculos com diferentes percentuais de fibras musculares (ou unidades motoras) tanto no domínio da freqüência quanto no domínio do tempo. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BASMAJIAN, J.V. & DE LUCA, C.J. Muscles Alive. Their Functions Revealed by Eletromyography. Baltimore, Willians and Willkins, BIGLAND-RITCHIE, B., DONOVAN, E.F. & ROUSSOS, C.S. Conduction velocity and EMG power spectrum changes in fatigue of sustained maximal efforts. J. Appl. Physiol., n.51, v.5, ,1981. BIGLAND-RITCHIE, B., JOHANSSON, R., LIPPOLD, O.C.J. & WOODS, J.J. Contractile speed and EMG changes during fatigue of sustained maximal voluntary contractions. J. Neurophysiol., n.1,v.5, , 1983.

6 BIGLAND-RITCHIE, B., JOHANSSON, R., & WOODS, J.J. Does a reduction in motor drive necessarily result in force loss during fatigue? Biochemistry of Exercise. Boston, Human Kinetics, v.13, CLAMANN, H.P. Changes that occur in motor units during activity. Causes and amelioration of fatigue. In BINDER & MENDELL. The Segmental Motor System. New York, Oxforf University Press, , 199. HÄGG, G.M. Interpretation of EMG spectral alterations and alteration indexes at sustained contraction. J. Appl. Physiol., v.73, n.4, , HÄKKINEN, K. & KOMI, P. Effects of fatigue and recovery on electromyographic and isometric force and relaxation-time characteristics of human skeletal muscle. Eur. J. Appl. Physiol., v.55, , JOHNSON, M.A.; POLGAR, J.; WEGHTMAN, D. & APPLETON, D. Data on the distribution of fiber types in thirty-six human muscles. An autopsy study. J. Neurol. Sci.,n.18, , KADEFORS, R., KAISER, E. & PETERSÉN, I. Dynamic spectrum analysis of myopotentials with special references to muscle fatigue. Electromyogr., n.8, 38-74, LINDSTRÖM, L., KADEFORS, R. & PETERSÉN, I. An electromyographic index for localized muscle fatigue. J. Appl. Physiol., n.43, , HERZOG, W., GUIMARÃES, A.C.S & ZHANG, Y. EMG. In NIGG, B.M. & HERZOG, W. Biomechanics of the Musculo-Skeletal System. Jonh Wiley & Sons Ltd, VAZ, M.A., ZHANG, Y.T., HERZOG, W., GUIMARÃES, A.C.S. & MACINTOSH, B.R. The behavior of human rectus femoris and vastus lateralis during fatigue and recovery: an electromyographic and vibromyographic study. Electromyogr. Clin. Neurophysiol., n.36, , s para contato: candotti@bios.unisinos.br fcastro@esef.ufrgs.br eduardoscheeren@bol.com.br