Lihasmuisti – totta vai tarua?

Lihasmuisti - totta vai tarua?

Kerran rakennettu lihasmassa on helpompi kasvattaa takaisin kuin rakentaa ensi kertaa. Puhekielessä ilmiötä nimitetään ”lihasmuistiksi”, mutta mistä oikeastaan on kyse? Artikkelin on kirjoittanut Suorituskykyvalmentajan sisällöntuottaja, valmentaja Velu Immonen asiantuntijoiden yhteistyöllä.

Avainkohdat:

  • Kun säännöllinen harjoitusärsyke lakkaa useammaksi viikoksi, esimerkiksi loukkaantumisen johdosta, menetetään lihasmassaa. Kuitenkin mikäli harjoitteluun palataan, lihakset kasvavat nopeammin, kuin ensimmäisellä kerralla lihasta harjoitettaessa.
  • Tätä ”lihasmuistiksi” kutsuttua ilmiötä selitetään usein sillä, että harjoittelun seurauksena kohonnut tumien määrä ei laske harjoitustauon aikana, joten harjoitteluun palaavan lihasten proteiinisynteesikapasiteetti on korkeampi kuin harjoittelemattomilla henkilöillä.
  • Uusimpien tutkimuksien perusteella ilmiötä voidaan selittää epigeneettisillä muutoksilla eli DNA:n luentaan vaikuttavat metyyliryhmät tai niiden poistuminen muokkautuu harjoittelun aikana ja osa näistä muistijäljistä mahdollisesti säilyy useiden viikkojen harjoittelemattomuudenkin jälkeen.

Lihasmuisti ja voimaharjoittelu

Useampi kattava kirjoitus on jo julkaistu siitä, kuinka vähällä saavutuksia voidaan ylläpitää, mutta entä jos kaikesta huolimatta harjoittelu joudutaan keskeyttämään? Moni valmentajista ja valmennettavista ovat korona-aikana joutuneet mukautumaan uusiin olosuhteisiin, mikä on varmasti vaikuttanut tavalla tai toisella harjoitusmotivaatioon. Harjoittelun aloittaminen tauon jälkeen voi tuntua turhauttavalta, oli keskeyttämisen syy mikä tahansa.

Onneksemme harjoitteluun paluuta edesauttaa lihasmuisti-ilmiö, joka on puhekielessä tunnettu jo vuosikymmenet. Yksinkertaisuudessaan ilmiö on varmasti jokaiselle meistä tuttu: harjoittelu lopetetaan, ”gainssit” menetetään, mutta voima ja lihasmassa saadaan takaisin vain murto-osalla alkuperäisestä työstä. Lihasmuistia on myös tutkittu, joskin käsitys sen taustalla vaikuttavista tekijöistä on vaihdellut.  

Voimaominaisuuksien palautumista on pitkään selitetty neuraalisilla ja taidollisilla tekijöillä.1 Kun harjoittelu lakkaa, laskee motoristen yksiköiden rekrytointi hitaammin kuin lihassolun koko, ja tästä johtuen ainakin lyhyiden tai keskipitkien harjoitustaukojen jälkeen harjoitteluun palaava henkilö kykenee rekrytoimaan enemmän lihassoluja samaan työhön kuin harjoittelematon yksilö.

Näistä edellä kuvatuista tekijöistä johtuen myös lihasmassa kehittyy välillisesti nopeammin. Tämä ei kuitenkaan selitä kaikkea. itse asiassa, lihasmassan nopean palautumisen takana vallitsevia mekanismeja on alettu ymmärtää vasta viime vuosikymmenellä.2

Jotta voimme perehtyä aiheeseen tarkemmin, on ensin määriteltävä muutama käsite.

Lihasmuisti – mitä sillä oikein tarkoitetaan?

Muistin mielletään yleisesti tarkoittavan aivoissa tapahtuvia prosesseja. Kognitiivinen psykologi Margaret W. Matlin määrittelee sen seuraavasti: ”Muistilla tarkoitetaan tietojen säilyttämistä ajan myötä.” Tämä viittaisi siihen, että muistilla voidaan tarkoittaa muissakin järjestelmissä kuin aivoissa tapahtuvaa muistamista. On esimerkiksi esitetty, että immuunijärjestelmä kykenisi ”muistamaan” antigeenejä3  tai että solu voisi muistaa, mistä kehonosasta se on otettu.4 Herää kysymys siitä, voiko yksittäinen lihas muistaa jotain menneisyydestä, esimerkiksi entisen kokonsa.

Vaikka muistiin liitetään sana ”lihas”, on käsiteviidakko edelleen varsin sekava. Käsite ”lihasmuisti” yhdistetään kirjallisuudessa usein motoriseen oppimiseen, joka puolestaan liittyy keskushermoston toimintaan. Tämä juontaa juurensa todennäköisesti Descartesin ajalle, jolloin tämä tulkitsi luutunsoittajien muistavan käsillään, kuinka jokin kappale soitetaan.2 Yleisesti voimaharjoittelua koskevissa tutkimuksissa,5, 6 kuin myös tässä kirjoituksessa lihasmuistilla tarkoitetaan kykyä uudelleen rakentaa aiemmin hankittu lihasmassa (sekä voima) erinäisistä syistä johtuneen harjoitustauon jälkeen aiempaa helpommin.

Tässä kirjoituksessa emme siis perehdy siihen, kuinka vielä vuosien tauon jälkeen kykenet hyppäämään pyörän selkään ja jatkamaan pyöräilyä siitä, mihin lapsena jäit. Sen sijaan tutustumme varsinaisen LIHASmuistin fysiologisiin mekanismeihin sekä siihen, kuinka tätä efektiä voit harjoittelussasi hyödyntää.

Mitä ovat satelliittisolut?

Toinen määriteltävä käsite on satellittisolu. Muistin virkistykseksi, lihakset koostuvat lihassolukimpuista, jotka nimensä mukaisesti koostuvat kimpuista lihassoluja. Lihassolut ovat monitumaisia, jopa yli 10cm pitkiä sylinterimäisiä koneistoja, jotka ovat toiminnan keskipisteenä kaiken tyyppisissä lihassupistuksissa. Pituudestaan huolimatta solut ovat halkaisijaltaan ainoastaan 10-120 mikrometriä, joten ne ovat paljaalle silmälle miltei näkymättömiä. Lihassolua mikroskooppisesti tarkastellessa voidaan havaita, että sen pintaa peittää proteiinivahvisteinen soluketto, joka koostuu solu- sekä tyvikalvosta.

Muista kehon lihaksista poiketen lihassolut omaavat useita, jopa satoja tumia, jotka sijaitsevat välittömästi lihassolukalvon alla. Tumat mahdollistavat pitkien ja proteiinitiheiden lihassolujen normaalin toiminnan oletettavasti säätelemällä pienen itsenäisen alueen toimintaa solun sisällä. Lisäksi tumat sisältävät solun perintöaineksen (DNA:n), jolloin ne omaavat tärkeän roolin lihaksen kasvussa ja kehityksessä. Lihassolun omien tumien ohella lihassolu- ja tyvikalvon välisessä tilassa sijaitsevat myös lihassolujen pienet kantasoluiksi luokiteltavat satelliittisolut. Satelliittisolut ovat suunnilleen samankokoisia lihassolun tumien kanssa ja näiden tehtäviin kuuluu solun kasvun ja kehityksen ohella vammoihin, immobilisaatioon sekä harjoitteluun reagoiminen.

Lihasmuisti - totta vai tarua?

Kuva 1. Randolph & Pavlath, K. 2015 – Mekaanisesta kuormituksesta johtuen satelliittisolut muodostavat yksitumaisen lihassolun esiasteita (myoblasti) sekä jakaantuvat tuman ja sen sisältämän perimän jakautuessa kahdeksi identtiseksi kopioksi toisistaan (mitoosi).  Jakautuneet solut sulautuvat toisiinsa muodostaen pitkiä jonoja (myotuubeja) ja alkavat tuottaa supistuvan komponentin proteiineja.

Toistaiseksi ei ole havaittu, että lihassolut voisivat jakaantua ihmisillä, mutta satelliittisolut voivat. Terveessä ja vaurioitumattomassa lihassolussa satelliittisolut ovat ”uinuvia”, mutta ne aktivoituvat lihassolun vaurioituessa esimerkiksi mekaanisen kuormituksen (erityisesti eksentrisen lihastyön) vaikutuksesta. Tällöin satelliittisolut alkavat jakautua ja näin niiden määrä lisääntyy (eng. proliferation). Jakautuneet solut kiinnittyvät toisiinsa (eng. adhesion) muodostaen pitkiä jonoja lopulta sulautuen toisiinsa (eng. fusion). Nämä yhdistyneet satelliittisolut alkavat sitten tuottaa supistuvan komponentin proteiineja muodostaen ehjiä ja toimintakykyisiä lihassoluja.

Yleisesti hyväksytyn mallin mukaisesti lihassolun kasvaessa pituutta tai paksuutta, siihen liitetään uusia tumia aktiivisista satelliittisoluista edellä kuvatun prosessin mukaisesti. On myös teorisoitu, että juuri tämä on satelliittisolujen tärkein hypertrofinen rooli, sillä se mahdollistaa lihaksen mitoottisen kapasiteetin säilyttämisen. Näin myös lihaksen kapasiteetti tuottaa uusia supistuvan komponentin proteiineja kasvaa. Vastaavasti lihassolun surkastuessa (atrofia) esimerkiksi käyttämättömyyden johdosta, laskee tumien määrä lihassolun ohjelmoidun solukuoleman (apoptoosi) kautta. Näin tumien määrä lihassolun tilavuuteen nähden säilyisi suhteellisen vakiona, vaikka lihassolun koko muuttuisi huomattavasti.

Lihasmuisti - totta vai tarua?

Kuva 2. Gundersen, K. 2016 – Oppikirjamalli lihassolun kasvusta ja surkastumisesta.

Edellä kuvattu malli on kuitenkin saanut paljon kritiikkiä, eikä se jätä juuri tilaa lihasmuisti-ilmiölle. Tämänkaltainen malli puoltaa teoriaa, jonka mukaan tumalla olisi aina vastattavanaan tietyn kokoinen alue solun sisällä (engl. myonuclear domain -theory). Ajatusmalli juontaa juurensa mitä todennäköisimmin vuosituhannen vaihteessa tehtyihin tutkimuksiin, joissa erinäisiä biomarkkereita seuraamalla tulkittiin tumien kuolevan lihaksen surkastuessa. Kyseessä oli kuitenkin mitä luultavammin muiden solujen tumien jäänteet, ei lihassolujen. Toisin sanoen emme tiedä, pitääkö teoria sittenkään paikkaansa.

Tumien käytös eläimillä

Vaikuttaisi ainakin olevan yleisesti hyväksyttyä, että tumien määrä kasvaa lukuisten hypertrofisten olosuhteiden vaikutuksesta.2 Kasvumekanismi kuitenkin vaikuttaisi eroavan merkittävästi siitä, mitä oppikirjoissa on esitetty. Asiantuntijat kiistelevät edelleen siitä, kumpi kasvaa ensin; lihastumien määrä, vaiko niiden vastuualueen koko. Selvää on kuitenkin se, että lihas kasvaa, lisääntyi sitten kumpi tahansa. Tästä syystä emme käytä enempää aikaa lihaskasvun mekanismien spekuloimiseen, joka ei varsinaisesti edes kuulu tämän kirjoituksen aihealueeseen. Sen sijaan meille oleellinen kysymys kuuluu: säilyvätkö tumat harjoittelemattomuuden seurauksena.

Voidaanko hankitut tumat menettää?

Vuonna 2010 julkaistussa norjalaistutkimuksessa kävi ensi kerran ilmi, että harjoittelun seurauksena lisääntynyt tumien määrä säilyy pitkänkin harjoittelemattomuuden jälkeen.7 Tutkimus oli mahdollista toteuttaa vasta tuolloin, sillä tutkijoilla oli käytössään uusi in vivo mikroskooppitekniikka, jolla lihassolujen kokoa, tumien määrää jne. voidaan seurata reaaliajassa vahingoittamatta itse lihasta. Tutkimuksessa visualisoitiin mikroskoopilla yksittäisiä lihassoluja hiiren jalassa, jotka on kuvattu alla (Kuva 3). Lihassoluun injektoitiin erityistä väriainetta, joka sitoutui yksittäisiin tumiin (kuvassa tumia esittävät vaaleat pisteet katkoviivan sisällä).

Lihasmuisti - totta vai tarua?

Kuva 3. Mukailtu: Bruusgaard ym. 2010. – Lihassolu kasvaa ensin 14vrk harjoittelun seurauksena, jonka jälkeen lihas surkastuu. Huomioi, että tumien määrä kasvaa ylikuormittamisen seurauksena ja pysyy ennallaan vielä 14 vuorokautta intervention jälkeen.

Tutkimuksessa hiirillä toteutettiin vastusharjoittelua synergistiseksi amputaatioksi kutsutulla menetelmällä (raajasta leikataan lihas -> toinen lihas kompensoi -> kompensoiva lihas kasvaa) 14 vuorokauden ajan. Tämän ajanjakson jälkeen tutkijat halusivat aiheuttaa lihaksen surkastumisen, joka toteutettiin kolmella eri menetelmällä: 1) ko. lihaksen hermon leikkaaminen, 2) hermon leikkaaminen kemikaalilla ja 3) pakottamalla hiiren jalat ilmaan. Kunkin tekniikan ideana oli se, ettei kyseistä lihasta voida käyttää. Tällöin lihas ei voi supistua eikä lihaskasvun kannalta oleellista lihasproteiinisynteesiä tapahdu ja lihas surkastuu. Uuden kuvantamismenetelmän avulla lihasta päästiin tarkastelemaan kussakin prosessin vaiheessa ja tulokset yllättivät.

Ylikuormituksen seurauksena havaittiin tumien määrän lisääntyvän 37%:lla (49±1.8 -> 67±2.4) ja lihaksen poikkipinta-ala (CSA) kasvoi 35% (1,018±73μm² -> 1,379±78μm²). Jakson jälkeen varpaiden pitkän ojentajalihaksen (EDL) hermot leikattiin (denervaatio) ja tuloksia seurattiin 14 päivän ajan. Tänä aikana lihaksen poikkipinta-ala laski 40% (1,379±78 μm²-> 555±48μm²) korkeimmasta mitatusta arvosta. Lihaksen surkastumisesta huolimatta tumien määrä ei laskenut harjoittelemattomuuden seurauksena merkittävästi (Kuva 3). Tämä tulos antoi ensiviitteet siitä, että aiempi teoria tumien ohjelmoidusta kuolemasta ei pitäisikään paikkaansa, vaan hankitut tumat säilyisivät.

Lihasmuisti - totta vai tarua?

Kuva 4.  Bruusgaard ym. 2010. – Tutkimuksen pohjalta luodun mallin mukaan lihasmassan kasvun seurauksena hankitut tumat ovat pysyviä.

Tutkimus puoltaisi sitä, että nousujohteisen harjoittelun seurauksena kasvanutta lihasmassaa edeltää tumien määrän nousu. Lisäksi vaikuttaisi siltä, että tumat säilyisivät lihasmassan surkastumisesta huolimatta jopa kolmen kuukauden ajan. Tämä tutkimus antoi ensiviitteet siitä, ettei tumia menetetäkään harjoittelemattomuuden seurauksena. Tulokset eivät siis tue oppikirjamallia, jonka mukaan tumalla olisi vastattavanaan aina tietynkokoinen alue solun sisällä. Tästä johtuen Bruusgaard ym. ehdottivat toisenlaista mallia, jonka mukaan kohonneesta tumien määrästä johtuva suurempi proteiinisynteesikapasiteetti mahdollistaisi lihasmuisti-efektin (Kuva 4).

Näyttöä lihasmuistia vastaan – Dungan ym. 2019

Jottei tämän tekstin tuoma viesti olisi liian yksiselitteinen, on pakkaa sotkettava hieman – Viime vuonna julkaistussa tutkimuksessa Dungan ja kumppanit ovat löytäneet mahdollisesti näyttöä lihasmuisti-ilmiötä vastaan.8 Tutkimus haastaa ajatuksen siitä, että harjoittelun seurauksena kertyneet tumat säilyisivät ajan mittaan. Kuten edeltä ilmeni, Bruusgaard kollegoineen käytti tutkimuksissaan synergistiseksi amputaatioksi kutsuttua menetelmää, joka ei varsinaisesti mallinna ihmisten voimaharjoittelua. Tässä uudessa tutkimuksessa toteutettu vastusharjoittelu oli hieman lähempänä todellisuutta.

Tutkimus toteutettiin hiirillä, jotka jaettiin neljään ryhmään seuraavasti: ryhmä 1), jossa toteutettiin 8 viikkoa vastusharjoittelua (n=9), ryhmä 2), jossa toteutettiin 8 viikkoa vastusharjoittelua ja 12 viikkoa taukoa (n=8) sekä kontrolliryhmät 3) ja 4), joissa ei toteutettu voimaharjoittelua (+ iät olivat laitettu vastaamaan ryhmiä 1 ja 2). Voimaharjoittelua mallinnettiin juoksupyörällä kasvattaen pyörän vastusta nousujohteisesti. Tutkimuksen aikana seurattiin hiirien juoksun määrää, aikaa sekä nopeutta. Lisäksi tutkimuksen eri vaiheissa mitattiin hoikan kantalihaksen (plantaris) lihasmassaa sekä -solutyyppiä, poikkipinta-alaa ja tumien määrää.

Lihasmuisti - totta vai tarua?

Kuva 9. Mukailtu: Psilander ym. 2018. – Lihassolun poikkipinta-ala (vasen kaavio) kaikissa lihassolutyypeissä sekä tumien määrä per lihassolu (oikea kaavio).

Harjoittelun kokonaismäärä pysyi samana koko tutkimuksen ajan kuitenkin vastuksen vaihdellessa. Kuten arvata saattoi, havaittiin plantaris -lihaksen lihasmassan sekä poikkipinta-alan kasvavan kahdeksan viikon harjoittelun seurauksena. Hankittu lihasmassa sekä lihaksen poikkipinta-ala kuitenkin menetettiin 12 viikon harjoittelemattomuuden seurauksena. Lisäksi mainittakoon, että harjoittelujakson aikana havaittiin lihaksen lihassolutyypin muuttuvan oksidatiivisemmaksi (IIx/IIb -> IIa). Tämäkin muutos kuitenkin palautui 12 viikon harjoittelemattomuuden seurauksena lähes täysin (IIa -> IIx/IIb).

Sekä tumien että satelliittisolujen määrä lisääntyi harjoittelun seurauksena, mutta mikä yllättävintä, vastasivat näiden määrät kontrolliryhmiä 12 viikon harjoittelemattomuuden jälkeen. Tässä tutkimuksessa realistisemmilla menetelmillä saatiin siis vastakkainen tulos verrattuna Bruusgaardin ym. tutkimukseen. Tarkoittaako tämä, ettei lihasmuisti-ilmiötä selittävä malli pidäkään paikkaansa? – Ei välttämättä. Tulos olisi voinut olla täysin eri, mikäli harjoittelua olisi jatkettu pidempään. Tämän tutkimuksen pohjalta ei voida tehdä lopullisia johtopäätöksiä, joten joudumme odottamaan lisätutkimuksia.

Säilyvätkö hankitut tumat ihmisillä?

Lyhyt vastaus – Todennäköisesti kyllä. Anabolisia steroideja käyttävillä sekä lihassolujen poikkipinta-alan että tumien määrän on todettu kasvavan jopa ilman harjoittelua.9 Lisäksi jo vuosia sitten on havaittu, että anabolisia steroideja käyttäneillä on käytön lopettamisen jälkeenkin enemmän tumia kuin käyttämättömillä.10 Viime vuosina on kuitenkin julkaistu kaksi merkittävää ihmisillä toteutettua tutkimusta aiheen tiimoilta, ja mikä merkittävintä, tutkimuksissa ei käytetty lainkaan anabolisia aineita. Nämä tutkimukset lihasfysiologian saralla ovat tuoneet uuden näkökulman tähän niin kutsuttuun lihasmuistiin. Tutustutaanpa asiaan hieman tarkemmin.

Menettävätkö ihmiset harjoittelun myötä kertyneet tumat – Psilander ym. 2018

Kristian Gundersenin laboratorio päätti tutkia vastaisiko aiemmin harjoitettu jalka harjoittelematonta raajaa paremmin harjoitusärsykkeeseen.11 Tutkimus suoritettiin 35 viikon aikana, ja se sisälsi kaksi harjoitusjaksoa, joiden välissä oli 20 viikon mittainen detraining-jakso. Ensimmäisen harjoitusjakson aikana suoritettiin unilateraalista harjoittelua kymmenen viikon ajan ja toisen harjoitusjakson aikana bilateraalista voimaharjoittelua viiden viikon ajan. Tutkimus toteutettiin 19:llä harjoittelemattomalla henkilöllä keskiarvoiän ollessa 25.

Harjoittelua toteutettiin kolmesti viikossa (ma, ke, pe) suorittaen kolme sarjaa per harjoitus vaihdellen keskiraskaita kuormia (70-75%1RM) sekä raskaita kuormia (80-85%1RM) aaltoilevaa periodisaatiomallia mukaillen. Liikkeinä käytettiin jalkaprässiä ja polvenojennusta laitteessa. Kuormitus oli nousujohteista ja kuormaa lisättiin viikoittain, jonka lisäksi kerran viikossa (pe) liikkeet suoritettiin uupumukseen saakka. Lisäksi ensimmäisessä jaksossa (viikot 4 ja 8) käytettiin matalan kuorman (20-30%1RM) BFR-harjoittelua neljä sarjaa (2 x submaks. + 2 x failure) viidesti viikossa vaihdellen polvenojennuksen sekä jalkaprässin välillä päivittäin. Koehenkilöille mahdollistettiin riittävä proteiininsaanti tarjoamalla 25g heraproteiinivalmistetta välittömästi harjoituksen jälkeen.

Tutkimuksessa seurattiin lihaspaksuutta, sekä unilateraalisen polven ojennuksen ykköstoistomaksimia (1RM). Edellä mainitun lisäksi unilateraalisesti harjoitetusta jalasta otettiin lihaspala ennen ja jälkeen ensimmäisen jakson sekä molemmista jaloista ennen ja jälkeen toisen harjoitusjakson. Lihaspaloja käytettiin lihassolujen volyymin laskemiseen sekä solukohtaisen poikkipinta-alan ja tumien määrän selvittämiseksi.

Lihasmuisti - totta vai tarua?

Kuva 9. Mukailtu: Psilander ym. 2018. – Lihassolun poikkipinta-ala (vasen kaavio) kaikissa lihassolutyypeissä sekä tumien määrä per lihassolu (oikea kaavio).

Ensimmäisen jakson aikana unilateraalisesti suoritettavan polven ojennuksen 1RM kasvoi 20%, lihaspaksuus n. 2mm ja lihassolujen koko noin 17% (joista tyypin I lihassolujen osuus oli 13% ja tyypin II 18%) harjoitetussa jalassa. Lisäksi kontrollijalankin todettiin kehittyvän voimatasoiltaan noin 5% lihaspaksuuden ja solukoon säilyessä ennallaan.

Detraining -jakson jälkeen menetettiin ainoastaan 40% hankitusta voimasta, mutta kaikki gainssit lihaspaksuuden osalta menetettiin. Toisen jakson jälkeen sekä treenattavan että treenaamattoman jalan voimatasot ja lihaspaksuus kehittyivät saman verran molemmissa jaloissa, kun lihaskoko muuttumattomana. Lihasten tumien määrän sekä niiden määrään suhteutetun pinta-alan ei todettu muuttuvan tutkimuksen aikana. Lisäksi sukupuolten välillä ei havaittu merkittäviä eroja harjoitusjaksojen välillä. Kuitenkin lihasvoiman, -paksuuden ja -solukoon havaittiin yleisesti ottaen olevan korkeampi miehillä kuin naisilla.

Tämän tutkimuksen tulosten perusteella aiemmin treenattu lihas ei ensisilmäyksellä näyttäisi vastaavan uudelleenharjoitteluun toisin kuin harjoittelematon lihas. Tutkimuksessa on havaittavissa kuitenkin pari ongelmaa. Ensinnäkään detraining-jakson aikana ei havaittu merkittävää poikkipinta-alan laskua, joka viittaisi siihen, ettei riittävää surkastumista tapahtunut lihasmuisti-ilmiön testaamiseksi. Toiseksi ensimmäisen harjoitusjakson aikana ei havaittu riittävää tumien määrän nousua, joten toisen jakson aikana harjoitetun ja kontrollijalan välillä ei ollut riittäviä eroavaisuuksia. Tämä tutkimus ei siis yksiselitteisesti todista, etteivät tumat säily. Ihmisillä toteutettavia tutkimuksia vaaditaan kuitenkin lisää.

Epigeneettinen muisti – Seaborne ym. 2018

Vuonna 2018 julkaistiin ensimmäinen varsinaisesti lihasmuisti-ilmiötä ihmisillä tarkasteleva tutkimus.12 Tutkimuksessa tarkasteltiin epigeneettisiä muutoksia harjoittelun, harjoittelemattomuuden ja uudelleenharjoittelun aikana. Tutkimuksen tarkoituksena oli ensinnäkin selvittää, muuttaako vastusharjoittelu geenien metylaatiota. Toiseksi haluttiin tutkia, säilyykö mahdolliset muutokset detraining-jakson yli, jolloin ne helpottaisivat lihasmassan ja voiman kasvua uudelleenharjoitusjaksolla. Olettamuksena oli, että geenien metylaatio laskisi tietyillä säätelyalueilla voimaharjoittelun seurauksena ja että madaltunut metylaatio säilytettäisiin harjoitusjaksoa seuraavan detraining -jakson ajan.

Mistä on kyse? – Jotta voit ymmärtää tämän tutkimuksen tulokset, on välttämätöntä ymmärtää vähintään genetiikan perusteet. Lyhyt oppimäärä: Tumien kromosomeissa sijaitseva DNA on jättimäinen molekyyli, joka pitää sisällään solujen perintöaineksen eli geenit. Näitä geenejä sitten ”luetaan” (transkriptio) RNA:n tuottamiseksi. Tämä RNA sitten ”käännetään” (translaatio) proteiineiksi, jotka käytännössä vastaavat suurimmasta osasta kehon toiminnoista. Toisin kuin genetiikka (joka liittyy DNA:n emäsjärjestyksessä olevan tiedon periytymiseen), epigenetiikalla tarkoitetaan sellaista solun informaatiota, joka tarvitaan geenien ilmentymisen säätelyyn mutta jota ei löydy itse DNA:n emäsjärjestyksestä eli sekvenssistä. Toisin sanoen solun epigeneettinen informaatio periytyy tytärsoluille solun jakautuessa, mutta toisaalta tämä informaatio on mahdollista myös ohjelmoida uudestaan. Epigeneettisillä muutoksilla puolestaan tarkoitetaan muutoksia geenien luennassa (tai solujen fenotyypeissä, joita ei ole DNA:ssa). Nämä taas vaikuttavat geenien luennasta vastaaviin alueisiin DNA:ssa joko aktivoiden tai inaktivoiden geenejä. Viime kädessä informaatio, joka ratkaisee, minkälaiseksi solu erilaistuu ja miten solu toimii, ei siis määräydy ainoastaan DNA:sta, vaan tähän voivat vaikuttaa lukuisat epigeneettiset muutokset, kuten harjoittelu, ruokavalio ja stressi.

Sitten itse asiaan – Tutkimus suoritettiin seitsemällä terveellä harjoittelemattomalla mieshenkilöllä (27.6±2.4 vuotta; 82.5±6.0kg). Tutkimus oli jaettu kolmeen vaiheeseen, joista ensimmäisessä toteutettiin seitsemän viikkoa nousujohteista vastusharjoittelua. Harjoitusohjelma koostui kahdesta alakropan treenikerrasta viikossa (kyykky, jalkaprässi, askelkyykky, polven ojennus sekä koukistus ja pohjenousu) ja yhdestä yläkropan treenistä (penkki- ja pystypunnerrus, ylätalja, kulmasoutu sekä ojentajapunnerrus). Kutakin harjoitetta suoritettiin neljä sarjaa 8-10 toistoa ja kuormaa lisättiin, kun osallistujat saivat suoritettua kolmella ensimmäisellä sarjalla kymmenen toistoa (tuplaprogressio). Tätä vaihetta seurasi seitsemän viikon harjoitustauko, jonka jälkeen samaa harjoitusohjelmaa käyttäen suoritettiin uudelleenharjoitusjakso.

Tutkimuksen aikana voimaa mitattiin maksimaalisella polven ojennuksella isometrisesti ja jalan rasvatonta massaa seurattiin DEXA:lla. Mittaukset suoritettiin sekä ennen että jälkeen ensimmäisen jakson ja ennen ja jälkeen kolmannen jakson. Geenien metylaatiota ja ilmenemistä mitattiin ulomman reisilihaksen lihassolunäytteistä, joka otettiin samoina ajankohtina muiden mittausten kanssa. Tarkastelun kohteina olivat vain ne alueet, joita pidettiin oleellisina tutkimuksen aiheen kannalta. Lisäksi tutkimuksen ajan seurattiin volyymikuormaa joka toimi sarjojen määrän pysyessä muuttumattomana varsin hyvänä mittarina koko kehon voimatasojen nousulle.

Lihasmuisti - totta vai tarua?

Kuva 6. Mukailtu: Seaborne ym. 2018. – Kuvassa esiteltynä tutkimusasetelma sekä tutkimuksen aikana suoritettavat mittaukset.

Tutkimuksessa havaittiin jalan rasvattoman massan nousevan 6.5±1.0% harjoitusjakson aikana, laskevan 4.6±0.6% harjoitustauon aikana ja taas kasvavan 12.3±1.3% lähtötasosta (5.9±1.0% harjoitusjakson jälkeisestä mitasta) uudelleenharjoitusjakson aikana. Vastaavasti polven ojennuksen havaittiin nousevan 9.3±3.5% harjoittelun seurauksena, laskevan 8.3±2.8% detraining -jakson aikana ja taas kasvavan 18.0±3.6% uudelleenharjoiteltaessa. Geenien metylaation ja ilmenemisen osalta havaittiin globaaleja muutoksia. Ensimmäisen harjoitusjakson aikana DNA:n metylaation havaittiin laskevan n.9150 säätelyalueella ja kasvavan (hypermetylaatio) n. 8200 alueella (Kuva 7. vas.). Samaa kuviota toistaen metylaatio laski noin 8900:lla alueella ja kasvoi n. 8650 alueella detraining -jakson jälkeen mitattuna. Lisäksi uudelleenharjoiteltaessa kasvanut metylaatio pysyi miltei samana (n.8350), mutta laskenut metylaatio miltei kaksinkertaistui (n.18800).

Lihasmuisti - totta vai tarua?

Kuva 7. Mukailtu: Seaborne ym. 2018.
Vasemmalla kuvattuna geenien metylaation ja ilmenemisen muutokset. Vaalea palkki (hypometylaatio) kuvastaa metylaation laskua ja vastaavasti tumma palkki (hypermetylaatio) metylaation kasvua. Oikeassa graaafissa tummalla viivalla on kuvattuna mRNA:n ilmenemisen ja vastaavasti katkoviivalla DNA:n metylaation nousu ja lasku tutkimuksen eri vaiheissa.   

Yksinkertaistettuna DNA:n metylaatiolla siis tarkoitetaan tiettyyn kohtaan DNA-juostetta kiinnittyneitä metyyliryhmiä. Nämä metyyliryhmät asettuvat geenejä lukevien entsyymien tielle näin estäen niiden lukemisen. Vahvasti metyloitunut geeni on siis yleensä ”sammuksissa” ja puolestaan metyyliryhmien irrotessa geeni ikään kuin käynnistyy ja näin ollen geenejä voidaan taas lukea ja proteiineja muodostaa. Tutkimuksen kannalta oleellinen havainto oli siis se, että hypertrofian kannalta oleelliset geenit hypometyloituivat (metylaatio laskee) hypertrofisen harjoittelun seurauksen. Tällöin geenit ovat luettavissa ja RNA:ta voidaan muodostaa tehokkaasti (Kuva 7. oik.). Puolestaan kun RNA:n ilmeneminen nousee, voidaan myös proteiineja tuottaa tehokkaammin ja tätä kautta lihasmassa kehittyy.

Merkittävintä oli kuitenkin se, että nämä harjoittelun seurauksena saavutetut metylaatiotason muutokset ylläpidettiin detraining -jakson yli. Tämä tarkoittaa potentiaalisesti sitä, että lihas ”muistaa” nousujohteisen harjoittelun seurauksena kasvaneen lihasmassan epigeneettisten muutosten kautta. Tulokset ovat uraauurtavia, sillä tämä on ensimmäinen ihmisillä toteutettu tutkimus, joka antaa viitteitä selvästä mekanismista lihasmuisti-ilmiön taustalla. Tämä tutkimus osoittaisi, että on täysin mahdollista, että lihaskasvussa hyödylliset geenit ovat valmiina luettaviksi ja puolestaan lihaskasvua hidastavat geenit valmiiksi suljettuina, kun harjoittelu aloitetaan uudelleen. Sitä miten kauan nämä muutokset kestävät, ei voida varmaksi sanoa. On jopa mahdollista, että ne kestävät enemmän kuin tutkittu seitsemän viikkoa. Muissa tutkimuksissa on havaittu, että esimerkiksi kasvuun liittyvät epigeneettiset muutokset säilyvät läpi ihmisen eliniän.13 

Viimeisimpänä, vaan ei vähäisimpänä – Snijders ym. toivat viime vuonna julkaistussa tutkimuksessaan lisää dataa lihasmuistia vastaan.

Tutkimuksen14 koehenkilöinä toimivat 26 vanhempaa (ka. 70 vuotta) treenaamatonta aikuista, jotka toteuttivat koko kropan periodisoitua harjoittelua kolmesti viikossa 24 viikon ajan. Ohjelma piti sisällään 4×8 jalkaprässiä sekä polven ojennusta ja 3×8 rintaprässiä sekä horisontaalista vetoa kussakin harjoituksessa. Lisäksi harjoitusten välillä vaihdeltiin 2-3 sarjaa ylätaljaa/vatsarutistusta tai hauiskääntöä/ojentajapunnerrusta. Tätä harjoitusohjelmaa seurasi 12 kuukauden tauko harjoittelusta.

Lihasmuisti - totta vai tarua?

Taulukko 1. Mukailtu: Snijders ym. 2019. – Tutkimuksissa mitattu lihassolujen poikkipinta-ala sekä tumien määrä per lihassolu ennen, jälkeen ja vuoden päästä harjoittelusta.

Tuloksien osalta meitä kiinnostaa lähinnä se, mitä tapahtui lihaksen poikkipinta-alalle sekä tumien määrälle. Tutkimuksessa havaittiin tyypin II lihassolujen poikkipinta-alan kasvavan merkittävästi 24 viikon harjoittelun aikana (Taulukko 1) ja pienenevän vuoden harjoittelemattomuuden aikana. Toisin sanoen tulokset ovat relevantteja lihasmuistin tutkimiseksi ja nyt meitä kiinnostaa se mitä tapahtui tumille. Kuten taulukosta 1. voidaan huomata, kasvoi tumien määrä harjoittelun seurauksena, mutta niiden määrän havaittiin myös laskevan lähtötasolle lihasten surkastuessa.

Koska tumat eivät säilyneet, tämä tutkimustulos viittaisi siis siihen, ettei lihasmuisti-ilmiötä tapahtuisi ainakaan vanhemmilla ihmisillä – eikä ainakaan edellä kuvatun muistivarasto-mekanismin mukaisesti. Painotan edelleen sitä, että tutkimuksessa keskityttiin 70-vuotiaihin, ei aikuisiin tai nuoriin aikuisiin. Tämä on täysin omaa spekulaatiotani, mutta ehkä juuri edellä kuvatut epigeneettiset muutokset osaltaan selittävät tätä tutkimustulosta. On nimittäin havaittu, että DNA:n metylaatio muuttuu systemaattisesti eli epigeneettinen kello tikittää hyvin tarkalleen kalenteri-iän mukaan.15  Toisin sanoen joissakin DNA:n metylaatiokohdissa metylaatiotasomuutokset tapahtuvat kellomaisesti koko läpi koko elämän, ja muutos voi olla joko kasvavaa tai vähenevää.

Yhteenveto

Kuten aina, on tämäkin kirjoitus hyvä päättää lausahdukseen: ”lisätutkimusta kaivataan”. Lihasmuisti on ilmiönä erittäin todellinen, mutta selittäviä tekijöitä sen takana ei vielä ymmärretä täysin. Lisäksi on epäselvää, kuinka kauan lihasmuistin vaikutukset kestävät.

On kuitenkin selvää, että tumien määrä kasvaa nousujohteisen harjoittelun seurauksena sekä eläimillä että ihmisillä. Aiempien teorioiden vastaisesti näyttäisi myös siltä, että hypertrofisesta stimuluksesta kertyneet tumat säilyvät ajan mittaan. Tämä tarkoittaa käytännössä sitä, että kun harjoittelu lopetetaan useamman viikon ajaksi, on kerran menetetty lihasmassa palautettavissa merkittävästi lyhyemmässä ajassa kuin se on alun perin hankittu. Lisäksi uusimmat tutkimukset antaisivat viiteitä siitä, että lihakset omaisivat niin kutsutun epigeneettisen muistin. Tällä tarkoitettiin sitä, että harjoittelusta johtuvat epigeneettisten merkkien muutokset solujen DNA:ssa säilyvät, vaikka harjoittelu lopetettaisiin. Tulee kuitenkin muistaa, että lihasmuisti-ilmiön taustalla vaikuttavat myös muut tekijät kuten hermostolliset tekijät, jotka hälvenevät lihasmassaa hitaammin tai mahdollisesti henkilön ikä.

Voima ja lihasmassa palautuvat siis varsin nopeasti tauon jälkeen. Joskus pienestä tauosta voi olla jopa hyötyä pidemmällä tähtäimellä. Tutkijat ovat spekuloineet, että lyhyet detraining -jaksot voivat ikään kuin resensitoida lihaksia hypertrofisille vasteille. Eli jos jotain sinun tulisi tästä tekstistä ottaa matkaasi, ota se fakta, että pieni tauko harjoittelusta ei ole maailmanloppu. Vuosien työn tulos ei mene hukkaan, vaikka olisitkin harjoittelematta useamman kuukauden. Toki, menetät tauon aikana lihasmassaa, mutta jo muutamassa kuukaudessa on mahdollista saavuttaa se takaisin.

Lisäksi ikäihmisille mainittakoon, ettei koskaan ole liian myöhäistä aloittaa voimaharjoittelu. Mutta koska satelliittisolut vähenevät iän myötä, on varsin suositeltavaa pyrkiä hankkimaan tumia ikään kuin varastoon jo nuoruusiällä. Mikäli tällöin hankitut tumat säilyvät, omaavat lihakset vielä vanhuudessakin kasvupotentiaalia, joka voidaan ulosmitata vaikka sarkopenian eli ikääntymisestä johtuvan lihaskadon torjumisessa.16 

Lähteet

1. Rutherford OM and Jones DA. The role of learning and coordination in strength training. Eur J Appl Physiol Occup Physiol 1986. DOI: 10.1007/bf00422902.

2. Gundersen K. Muscle memory and a new cellular model for muscle atrophy and hypertrophy. J Exp Biol 2016. DOI: 10.1242/jeb.124495.

3. Mackay CR. Dual personality of memory T cells. Nature 1999. DOI: 10.1038/44309.

4. Chang HY, Chi J, Dudoit S, et al. Diversity, topographic differentiation, and positional memory in human fibroblasts. PNAS 2002.

5. Taaffe DR and Marcus R. Dynamic muscle strength alterations to detraining and retraining in elderly men. Clinical Physiology 1997. DOI: 10.1111/j.1365-2281.1997.tb00010.x.

6. Staron RS, Leonardi MJ, Karapondo DL, et al. Strength and skeletal muscle adaptations in heavy-resistance-trained women after detraining and retraining. J Appl Physiol 1991. DOI: 10.1152/jappl.1991.70.2.631.

7. Bruusgaard JC, Johansen IB, Egner IM, et al. Myonuclei acquired by overload exercise precede hypertrophy and are not lost on detraining. PNAS 2010.

8. Dungan CM, Murach KA, Frick KK, et al. Elevated myonuclear density during skeletal muscle hypertrophy in response to training is reversed during detraining. Am J Physiol , Cell Physiol 2019. DOI: 10.1152/ajpcell.00050.2019.

9. Sinha-Hikim I, Artaza J, Woodhouse L, et al. Testosterone-induced increase in muscle size in healthy young men is associated with muscle fiber hypertrophy. Am J Physiol Endocrinol Metab 2002. DOI: 10.1152/ajpendo.00502.2001.

10. Eriksson A. Strength training and anabolic steroids. Umea: Umeå universitet Umea, 2006.

11. Psilander N, Eftestøl E, Cumming KT, et al. Effects of training, detraining, and retraining on strength, hypertrophy, and myonuclear number in human skeletal muscle. J Appl Physiol 2019. DOI: 10.1152/japplphysiol.00917.2018.

12. Seaborne RA, Strauss J, Cocks M, et al. Human Skeletal Muscle Possesses an Epigenetic Memory of Hypertrophy. Scientific Reports 2018. DOI: 10.1038/s41598-018-20287-3.

13. Sharples AP, Stewart CE and Seaborne RA. Does skeletal muscle have an ‘epi’-memory? The role of epigenetics in nutritional programming, metabolic disease, aging and exercise. Aging Cell 2016. DOI: 10.1111/acel.12486.

14. Snijders T, Leenders M, de Groot, L. C. P. G. M., et al. Muscle mass and strength gains following 6 months of resistance type exercise training are only partly preserved within one year with autonomous exercise continuation in older adults. Exp Gerontol 2019. DOI: 10.1016/j.exger.2019.04.002.

15. Kananen L. Aging-associated changes in the DNA methylome and characteristics of the epigenetic clock, Tampere University Press, 2018.

16. Alway SE and Siu PM. Nuclear Apoptosis Contributes to Sarcopenia. Exerc Sport Sci Rev 2008. DOI: 10.1097/JES.0b013e318168e9dc.

Vieritä ylös