L’esercizio intenso mette alla prova la capacità della maggior parte degli organi del corpo, e anche le funzioni vitali del cuore e del sistema respiratorio ne risentono. A questo proposito, il cervello ha una posizione interessante, e in questo volume di Experimental Physiology, Ross et al. (2007) dimostrano che la fatica centrale, relativa alla giunzione neuromuscolare, si sviluppa dopo una maratona. Il cervello attiva i muscoli ma, d’altra parte, i muscoli rappresentano un potente concorrente (“il gigante addormentato”, L. B. Rowell) per la fornitura continua di ossigeno e substrato su cui il cervello fa affidamento. L’affaticamento centrale è stato dimostrato per contrazioni muscolari particolarmente lente durante un esercizio molto intenso di breve durata con abbassamento della tensione di ossigeno nel cervello (Rasmussen et al. 2007) e l’affaticamento centrale non è limitato a situazioni prevedibili, come quando l’esercizio provoca una temperatura cerebrale elevata o un basso livello di glucosio nel sangue (Nybo & Secher, 2004). Anche se il meccanismo o i meccanismi coinvolti nell’affaticamento centrale rimangono sconosciuti, è importante chiarire come, quando e perché si sviluppa l’affaticamento centrale durante l’esercizio. La fatica centrale può essere considerata una precauzione di sicurezza per l’organismo attivo per bilanciare la funzione dei vari organi. Al contrario, un effetto importante dell’allenamento è quello di alleviare la fatica centrale durante l’esercizio intenso. Inoltre, la comprensione dei meccanismi responsabili della fatica centrale può essere rilevante per il trattamento dei pazienti che soffrono di malattie associate alla fatica cronica.
È affascinante come il cervello, per ore, possa stressare il corpo anche dopo aver “colpito il muro” durante una maratona. Questo è ancora più impressionante in un ambiente di laboratorio. La maratona ha affascinato i fisiologi fin dall’inizio dei moderni giochi olimpici, come esempio di esercizio estremo. È un’osservazione classica che la velocità di corsa diminuisce notevolmente quando il livello di glicogeno muscolare diminuisce a un livello critico che richiede che la strategia di attivazione cambi di conseguenza. La rottura dello stile di corsa suggerisce che i muscoli non sono più attivati in modo ideale e, utilizzando tecniche elettrofisiologiche, Ross et al. (2007) forniscono una prima visione dei fenomeni all’interno del sistema nervoso centrale (SNC) che, senza dubbio, sono interessati dall’esercizio di lunga durata.
Ross et al. (2007) usano l’interpolazione di twitch per esprimere l’efficacia dell’attivazione centrale nel reclutamento dei muscoli. Fino a quando Gandevia e colleghi non hanno introdotto con cura la stimolazione magnetica transcranica (TMS) per l’interpolazione delle contrazioni (Todd et al. 2003), la misurazione dell’attivazione volontaria è stata valutata mediante stimolazione elettrica del nervo motore (Merton, 1954). La TMS fornisce il vantaggio di accedere alle cellule all’interno della corteccia motoria negli esseri umani svegli e, quindi, una stima dell’attività nelle vie motoneuronali. Anche se l’effetto della TMS è complesso (Petersen et al. 2003), la TMS apre una finestra per la valutazione del reclutamento delle fibre muscolari; tuttavia, rimane la necessità di un’attenta interpretazione dei risultati.
Il nervo motore del muscolo tibiale anteriore si trova in prossimità del ramo del nervo peroneo comune, e la stimolazione elettrica volta ad attivare il muscolo tibiale anteriore può attivare i muscoli peronei (Gandevia & McKenzie, 1988) così che l’interpretazione del suo ruolo nella produzione di coppia intorno all’articolazione della caviglia sarà complessa. Ross et al. (2007) hanno stimolato il nervo periferico con una stimolazione magnetica, e resta da stabilire come questo stimolo includa vari rami del nervo peroneo comune.
Il vantaggio di usare la TMS per l’attivazione del muscolo tibiale anteriore è che ha una soglia bassa e, cosa importante, una soglia più bassa dell’antagonista (muscolo soleo). Questo è rilevante, soprattutto quando si valuta la forza extra indotta dallo stimolo, rispetto a uno sforzo volontario. L’attivazione volontaria del muscolo tibiale anteriore è stata inferiore al 90% della sua forza indotta dalla TMS, che è inferiore a quello che è stato trovato in studi che utilizzano la stimolazione elettrica. Tuttavia, la maratona ha ridotto significativamente la capacità di attivare il muscolo ad una prestazione massima. Va sottolineato che l’affaticamento centrale, misurato con la tecnica di interpolazione delle contrazioni, si recupera rapidamente dopo l’esercizio (Gandevia et al. 1996). Tuttavia, Ross et al. (2007) hanno trovato una chiara riduzione dell’attivazione volontaria del tibiale anteriore entro 20 minuti dopo la maratona che è scomparsa dopo 4 ore, dimostrando un cambiamento nell’output corticale.
Anche se i risultati presentati sono impressionanti, i meccanismi alla base dello sviluppo della fatica centrale non sono chiariti. Si è tentati di affrontare questi possibili meccanismi. L’attivazione del cervello aumenta il flusso sanguigno cerebrale perché il metabolismo neurale è aumentato, come espresso dai tassi metabolici cerebrali di ossigeno (CMRO2) e carboidrati (CMRCHO). Una diminuzione del rapporto tra CMRO2 e CMRCHO, essendo ∼6 a riposo, è una caratteristica dell’attivazione cerebrale, e l’esercizio strenuo aumenta l’assorbimento di carboidrati rispetto a quello di ossigeno (Dalsgaard, 2006). Il ridotto rapporto tra CMRO2 e CMRCHO sviluppato durante l’esercizio identifica l’esercizio come un potente attivatore del metabolismo cerebrale e illustra che l’esercizio provoca una marcata perturbazione del metabolismo cerebrale. Considerando che il cervello ha poca capacità di metabolismo anaerobico, il destino del surplus di carboidrati assunto durante l’attivazione è molto probabilmente quello di essere metabolizzato, anche se la clearance dell’ammoniaca può rappresentare circa il 10% del surplus di carboidrati assunto (Dalsgaard, 2006).
Durante l’esercizio, i muscoli rilasciano e il cervello assume ammoniaca. Il cervello non ha un ciclo dell’urea efficace e dipende dalla sintesi di glutammina dal glutammato per la rimozione dell’ammoniaca. L’eliminazione dell’ammoniaca può ridurre la concentrazione dei neurotrasmettitori eccitatori glutammato e acido γ-aminobutirrico, e tale disturbo potrebbe essere alla base della disfunzione cerebrale e della fatica cronica nelle malattie epatiche, suggerendo che l’ammoniaca può essere un “agente affaticante” durante l’esercizio (Nybo & Secher, 2004). Anche di interesse sono i sistemi serotoninergici e dopaminergici (Newsholme et al. 1987). La serotonina ha un ruolo nell’eccitazione, nella sonnolenza e nell’umore e, mentre la cinetica del metabolismo della serotonina non può essere valutata attraverso le differenze arteriovenose per il cervello, il suo precursore, il triptofano, può fornire tali informazioni. La dopamina è coinvolta nel controllo del movimento, e il metabolismo regionale della dopamina cerebrale è aumentato durante l’esercizio negli animali. Allo stesso modo, la concentrazione arteriosa di dopamina aumenta durante l’esercizio fisico intenso; tuttavia, non è stato osservato alcun cambiamento nel rilascio nel cervello (Nybo & Secher, 2004).
L’illustrazione della fatica centrale come un cambiamento nell’eccitazione corticale è un grande passo avanti. Tuttavia, i metodi applicabili, come la TMS, le differenze arterovenose e le tecniche di imaging, devono essere combinati per collegare i cambiamenti nell’eccitabilità corticale a quelli nel metabolismo cerebrale dei carboidrati, degli aminoacidi e dei neurotrasmettitori, così come alle segnalazioni metaboliche e ormonali tra il cervello e i muscoli. La domanda è quindi, che cosa è la gallina e che cosa è l’uovo? Pertanto, per chiarire le relazioni di causa ed effetto, il lavoro descrittivo deve passare alla fisiologia sperimentale e agli studi fisiologici integrativi che coinvolgono l’uomo.