Influence of fatigue on muscle activation patterns during changes of direction in elite female soccer players

Introduction: anterior cruciate ligament (ACL) injury is a significant problem in young female athletes, especially in sports that involve abrupt sidecutting manoeuvres and unexpected changes of directions. Non-contact injury is the most common mechanism of ACL wounds and it is determined by multifactorial aspects (intrinsic and extrinsic factors). A preventive neuromuscular and proprioceptive training programme is necessary to reduce the high incidence of this damage. It is essential to assess how fatigue changes some kinematic and kinetic parameters, while performing changes of direction. Due to fatigue, also muscle control, muscle reaction patterns, coordination and control of body may change, significantly. Purpose of the study: the aim of this study is to analyse the electromyographic signal that describe the behaviour of the dominant lower limb during changes of direction. The test is performed by a pool of female subjects, during a fatigue protocol that includes continuous changes of direction. Materials and methods: eighteen female subjects practicing high level soccer were evaluated (age range: 20-31 years). After a brief warm-up, composed by light running, exercises for joint mobility and stretching, lactate sampling was performed in order to monitor the level of fatigue. The functional test was based on the detection of electromyographic activity of the dominant lower limb during a shuttle run, at a set speed (70% of the maximum aerobic speed). Heart rate was also detected during the test. Finally, after a questionnaire on the subjective perception of effort, blood lactate sampling was repeated after 1, 3 and 5 minutes from the end of the exercise. The muscles we analysed are rectus femoris, vastus medialis, vastus lateralis, biceps femoris, semitendinosus, tibialis anterior, gastrocnemius medialis and gastrocnemius lateralis. Before being analysed, the electromyographic signal was filtered and rectified. Our aim was to assess fatigue influence on the signal intensity, the time of muscle activation and on the EMG frequency content. Results: it was found that the increase in exercise intensity, in terms of repetition of the gesture, seems to not determine a univocal alteration in muscle activation patterns: some athletes, due to fatigue, increased the activation of some muscle groups, while other decrease it. Among participants there is a reduction in the frequency content of the signal, but there is not a common trend of a delay or an anticipation in the muscle onset times. Our statistical analysis claims that the behaviour of adaptation to a fatigue state is highly subject-dependent. Discussion: the different adaptation to the exercise load confirms that we cannot assume fatigue as the only factor responsible for ACL tears. A reduction in muscle activity may be responsible for an overload of ligaments and other structures that compose the tibiofemoral joint; there are other external loads on the tibia that contribute to the generation of a risky condition for the leg. Spectral changes of the electromyographic signal are determined by the decrease of the speed of propagation of the action potential, connected to the production of acid catabolites (effects of metabolism). During fatigue, there is also the accumulation of lactate, the decrease of the pH value and the exhaustion of substrates (phosphocreatine and ATP). There are also some changes that occur at the level of the central nervous system in the activation of the motor unit. Our outcomes are in line with these assumptions; the more the athletes were fatigued, the more they reduced their spike frequency. The results confirm the strong specificity of the muscle patterns; therefore, it must be considered by acting on an individual level in the prevention programs.

Introduzione: la lesione del legamento crociato anteriore (ACL) è un problema significativo nelle giovani atlete, in particolare negli sport che comportano brusche manovre di spostamento laterale e inaspettati cambi di direzione. La lesione senza contatto con l’avversario è il meccanismo più comune dei danni dell’ACL ed è determinata da aspetti multifattoriali (fattori intrinseci ed estrinseci). Un programma di allenamento neuromuscolare e propriocettivo preventivo è necessario per ridurre l'elevata incidenza di questo danno. È essenziale valutare in che modo, mentre si eseguono cambi di direzione, la fatica modifica alcuni parametri cinematici e cinetici. A causa dell'affaticamento, anche il controllo muscolare, i modelli di reazione muscolare, la coordinazione e il controllo del corpo possono cambiare in modo significativo. Scopo dello studio: lo scopo di questo studio è di analizzare il segnale elettromiografico che descrive il comportamento dell'arto inferiore dominante durante i cambi di direzione. Il test viene eseguito da un gruppo di soggetti femminili, durante un protocollo di fatica che include continui cambi di direzione. Materiali e metodi: sono state valutate 18 calciatrici che praticano attività sportiva ad alto livello (fascia di età: 20-31 anni). Dopo un breve riscaldamento, composto da corsa leggera, esercizi per la mobilità articolare e lo stretching, è stato eseguito un campionamento del lattato per monitorare il livello di affaticamento. Il test funzionale si è basato sul rilevamento dell'attività elettromiografica dell'arto inferiore dominante durante una corsa shuttle, a una velocità impostata (70% della velocità aerobica massima). Durante il test è stata registrata la frequenza cardiaca. Infine, dopo un questionario sulla percezione soggettiva dello sforzo, il prelievo del lattato è stato ripetuto dopo 1, 3 e 5 minuti dalla fine dell'esercizio. I muscoli che abbiamo analizzato sono retto femorale, vasto mediale, vasto laterale, bicipite femorale, semitendinoso, tibiale anteriore, gastrocnemio mediale e gastrocnemio laterale. Prima di essere analizzato, il segnale elettromiografico è stato filtrato e rettificato. Il nostro obiettivo era verificare l'influenza della fatica sull'intensità del segnale, sul tempo di attivazione muscolare e sul contenuto in frequenza. Risultati: si è riscontrato che l'aumento dell'intensità dell'esercizio, in termini di ripetizione del gesto, non sembra determinare un'evidente alterazione dei pattern di attivazione muscolare; alcune atlete, a causa della fatica, aumentano l'intensità di attivazione di alcuni gruppi muscolari, mentre altre la diminuiscono. Tra i soggetti c'è una riduzione del contenuto in frequenza del segnale, ma non una tendenza di un ritardo o di un'anticipazione dei tempi di attivazione muscolare. La nostra analisi statistica afferma che il comportamento dell'adattamento a uno stato di affaticamento è fortemente dipendente dal soggetto. Discussione: il diverso adattamento allo sforzo conferma che non possiamo assumere la fatica come unico fattore responsabile delle lesioni dell’ACL. Una riduzione dell'attività muscolare può essere responsabile di un sovraccarico dei legamenti e delle altre strutture che compongono l'articolazione tibiofemorale; ci sono altri carichi esterni sulla tibia che contribuiscono alla generazione di una condizione rischiosa per la gamba. I cambiamenti dello spettro del segnale elettromiografico sono determinati dalla diminuzione della velocità di propagazione del potenziale d'azione, collegata alla produzione di cataboliti acidi (effetti del metabolismo). Durante l'affaticamento, si verificano anche l'accumulo di lattato, la diminuzione del valore del pH e l'esaurimento dei substrati (fosfocreatina e ATP). Ci sono anche alcuni cambiamenti che si verificano a livello del sistema nervoso centrale nell'attivazione dell'unità motoria. I nostri risultati sono in linea con questi presupposti; più le atlete erano affaticate, più riducevano la frequenza di sparo. I risultati confermano la forte specificità dei modelli muscolari che, pertanto, deve essere considerata agendo a livello individuale nei programmi di prevenzione.