Des chercheurs en biophysique créent un modèle mathématique qui prédit le meilleur moyen de développer du muscle

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Les chercheurs ont développé un modèle mathématique qui peut prédire le régime d’exercice optimal pour la construction musculaire.

Les chercheurs de l’Université de Cambridge ont utilisé des méthodes de biophysique théorique pour construire le modèle, qui peut indiquer à quel point un effort spécifique entraînera la croissance d’un muscle et combien de temps cela prendra. Le modèle pourrait former la base d’un produit logiciel, où les utilisateurs pourraient optimiser leurs régimes d’exercice en entrant quelques détails de leur physiologie individuelle.

Le modèle est basé sur des travaux antérieurs de la même équipe, qui ont découvert qu’un composant du muscle appelé titine est responsable de la génération des signaux chimiques qui affectent la croissance musculaire.

« Étonnamment, on ne sait pas grand-chose sur pourquoi ou comment l’exercice renforce les muscles : il y a beaucoup de connaissances anecdotiques et de sagesse acquise, mais très peu de données concrètes ou prouvées. » – Eugène Terentjev

Les résultats, rapportés dans le Journal biophysique, suggèrent qu’il existe un poids optimal auquel effectuer un entraînement en résistance pour chaque personne et chaque objectif de croissance musculaire. Les muscles ne peuvent être proches de leur charge maximale que pendant très peu de temps, et c’est la charge intégrée au fil du temps qui active la voie de signalisation cellulaire qui conduit à la synthèse de nouvelles protéines musculaires. Mais en dessous d’une certaine valeur, la charge est insuffisante pour provoquer beaucoup de signalisation, et le temps d’exercice devrait augmenter de façon exponentielle pour compenser. La valeur de cette charge critique est susceptible de dépendre de la physiologie particulière de l’individu.

Nous savons tous que l’exercice renforce les muscles. Ou faisons-nous? « Étonnamment, on ne sait pas grand-chose sur pourquoi ou comment l’exercice développe les muscles : il y a beaucoup de connaissances anecdotiques et de sagesse acquise, mais très peu de données concrètes ou prouvées », a déclaré le professeur Eugene Terentjev du laboratoire Cavendish de Cambridge, l’un des les auteurs de l’article.

Lors de l’exercice, plus la charge est élevée, plus il y a de répétitions ou plus la fréquence est élevée, plus l’augmentation de la taille musculaire est importante. Cependant, même en regardant l’ensemble du muscle, pourquoi ou combien cela se produit n’est pas connu. Les réponses aux deux questions deviennent encore plus délicates à mesure que l’accent est mis sur un seul muscle ou sur ses fibres individuelles.

Les muscles sont constitués de filaments individuels, qui ne mesurent que 2 micromètres de long et moins d’un micromètre de diamètre, plus petits que la taille de la cellule musculaire. “Pour cette raison, une partie de l’explication de la croissance musculaire doit être à l’échelle moléculaire”, a déclaré le co-auteur Neil Ibata. « Les interactions entre les principales molécules structurelles du muscle n’ont été reconstituées qu’il y a environ 50 ans. La façon dont les protéines accessoires plus petites s’intègrent dans l’image n’est toujours pas tout à fait claire. »

C’est parce que les données sont très difficiles à obtenir : les gens diffèrent considérablement dans leur physiologie et leur comportement, ce qui rend presque impossible la conduite d’une expérience contrôlée sur les changements de taille musculaire chez une personne réelle. “Vous pouvez extraire des cellules musculaires et les examiner individuellement, mais cela ignore ensuite d’autres problèmes tels que les niveaux d’oxygène et de glucose pendant l’exercice”, a déclaré Terentjev. « C’est très difficile de tout regarder ensemble.

Terentjev et ses collègues ont commencé à examiner les mécanismes de mécanodétection – la capacité des cellules à détecter les signaux mécaniques dans leur environnement – ​​il y a plusieurs années. La recherche a été remarquée par l’Institut anglais du sport, qui souhaitait savoir si cela pouvait être lié à leurs observations sur la rééducation musculaire. Ensemble, ils ont découvert que l’hyper/atrophie musculaire était directement liée aux travaux de Cambridge.

En 2018, les chercheurs de Cambridge ont lancé un projet sur la façon dont les protéines des filaments musculaires changent sous l’effet de la force. Ils ont découvert que les principaux constituants musculaires, l’actine et la myosine, manquent de sites de liaison pour les molécules de signalisation. Il devait donc s’agir du troisième composant musculaire le plus abondant – la titine – qui était responsable de la signalisation des changements de force appliquée.

Chaque fois qu’une partie d’une molécule est sous tension pendant suffisamment longtemps, elle bascule dans un état différent, exposant une région précédemment cachée. Si cette région peut alors se lier à une petite molécule impliquée dans la signalisation cellulaire, elle active cette molécule, générant une chaîne de signal chimique. La titine est une protéine géante, dont une grande partie s’allonge lorsqu’un muscle est étiré, mais une petite partie de la molécule est également sous tension lors de la contraction musculaire. Cette partie de la titine contient le domaine dit de la titine kinase, qui est celui qui génère le signal chimique qui affecte la croissance musculaire.

La molécule sera plus susceptible de s’ouvrir si elle est soumise à plus de force ou si elle est maintenue sous la même force plus longtemps. Les deux conditions augmenteront le nombre de molécules de signalisation activées. Ces molécules induisent alors la synthèse de plus de messagers ARN, conduisant à la production de nouvelles protéines musculaires, et la section transversale de la cellule musculaire augmente.

Cette prise de conscience a conduit au travail actuel, commencé par Ibata, lui-même un athlète passionné. “J’étais ravi de mieux comprendre à la fois le pourquoi et le comment de la croissance musculaire”, a-t-il déclaré. “Tant de temps et de ressources pourraient être économisés en évitant les régimes d’exercices à faible productivité et en maximisant le potentiel des athlètes avec des séances régulières de valeur plus élevée, étant donné un volume spécifique que l’athlète est capable d’atteindre.”

Terentjev et Ibata ont entrepris de construire un modèle mathématique qui pourrait donner des prédictions quantitatives sur la croissance musculaire. Ils ont commencé avec un modèle simple qui gardait une trace des molécules de titine s’ouvrant sous la force et démarrant la cascade de signalisation. Ils ont utilisé des données de microscopie pour déterminer la probabilité en fonction de la force qu’une unité de titine kinase s’ouvre ou se ferme sous la force et active une molécule de signalisation.

Ils ont ensuite rendu le modèle plus complexe en incluant des informations supplémentaires, telles que l’échange d’énergie métabolique, ainsi que la durée de répétition et la récupération. Le modèle a été validé à l’aide d’études antérieures à long terme sur l’hypertrophie musculaire.

“Bien qu’il existe des données expérimentales montrant une croissance musculaire similaire avec des charges aussi faibles que 30% de la charge maximale, notre modèle suggère que des charges de 70% sont une méthode plus efficace pour stimuler la croissance”, a déclaré Terentjev, membre du Queens’ College. . “En dessous de cela, le taux d’ouverture de la titine kinase chute brutalement et empêche la signalisation mécanosensible d’avoir lieu. Au-dessus de cela, un épuisement rapide empêche un bon résultat, ce que notre modèle a prédit quantitativement. »

“L’un des défis de la préparation des athlètes d’élite est l’exigence commune de maximiser les adaptations tout en équilibrant les compromis associés tels que les coûts énergétiques”, a déclaré Fionn MacPartlin, entraîneur senior de force et de conditionnement à l’English Institute of Sport. “Ce travail nous donne un meilleur aperçu des mécanismes potentiels de la façon dont les muscles ressentent et réagissent à la charge, ce qui peut nous aider à concevoir plus spécifiquement des interventions pour atteindre ces objectifs.”

Le modèle aborde également le problème de l’atrophie musculaire, qui survient pendant de longues périodes d’alitement ou pour les astronautes en microgravité, montrant à la fois combien de temps un muscle peut se permettre de rester inactif avant de commencer à se détériorer, et quel pourrait être le régime de récupération optimal.

Finalement, les chercheurs espèrent produire une application logicielle conviviale qui pourrait donner des régimes d’exercices individualisés pour des objectifs spécifiques. Les chercheurs espèrent également améliorer leur modèle en étendant leur analyse avec des données détaillées pour les hommes et les femmes, car de nombreuses études sur l’exercice sont fortement biaisées en faveur des athlètes masculins.

Référence : « Pourquoi l’exercice renforce les muscles : le titin mechanosensing contrôle la croissance des muscles squelettiques sous charge » par Neil Ibata et Eugene M. Terentjev, 10 août 2021, Journal biophysique.
DOI: 10.1016/j.bpj.2021.07.023

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