Acute and chronic effects of high intensity interval exercise on performance and muscle function

Abstract

High intensity interval training (HIIT) has recently emerged as an effective method for improving athletic performance in elite or recreational athletes of almost all sports, in addition to offering health related fitness benefits. Interval training at or near VO2max speed is considered an effective approach to enhance endurance. However, it has not been previously explored whether changing the running surface slope during HIIT may result in distinct muscular metabolic and structural adaptations. It is expected that due to a variation in metabolic cost, muscle recruitment patterns and possibly the lengths at which the involved muscles operate, compared to level running, slope modulation could differentially affect strength or endurance capacity determinants. Furthermore, implementation of incline in a running exercise training intervention could potentially differentiate redox status balance and autonomic nervous system indices since different muscle mechano reflexes may differentially modulate sympathetic and parasympathetic neural outflow during exercise. The purpose of the study was to assess differences in body composition, strength & power outcomes, muscle architecture, endurance capacity determinants, redox status imbalance and HRV indices after 8 weeks of HIIT.Methods: A preliminary pilot work was used to determine work:rest ratios, feasible sampling, subject tolerance to uphill and downhill HIIT, and guided the design of the HIIT protocol. Then, fourteen healthy and generally active volunteers, aged 31.9 ± 6.9 were randomly divided in two groups: the Uphill group (UG, n=7), performed uphill HITT training and the Downhill group (DG, n=7) downhill HIIT training, including 16 workouts in 8 weeks. Each workout consisted of ten 30 s runs with a work to rest ratio of 1:2 at 90% of their Maximum Aerobic Speed (MAS), at either +10 or -10 grade. At midpoint the MAS was determined anew to account for any need for adjustment. A variety of physical (body composition, muscle architecture indices), physiological (strength and power performance, aerobic capacity, heart rate variability indices) and biochemical (blood redox status markers) assessments were performed before and after the intervention. Statistical analysis included raw data and relative values (as per index) or delta differences. Results: Study 1Body weight and BMI remained unchanged for both groups, with no differences between the UG and DG either pre- or post-intervention Relative lean tissue mass, and relative fat mass changed (p < 0.05) by + 4.5 ± 4.0 %, and - 11.5 ± 9.6 % respectively only in the DG. Also only in the DG squat jump (cm) improved significantly (by +9.5 ± 11.7%, p<0.05). Similarly, DG improved absolute values of knee extension rate of torque development (N.m) in the time fractions of 50 ms from 22.9 ± 3.3 pre-training to 52.4 ± 34.1 post training (p <0.05) and 100 ms from 50.6 ± 18.4 pre-training to 102.2 ± 74.1 post-training (p < 0.05) and Impulse (N.m*s over 0 – 300 ms) from 24.3 ± 8.8 pre-training to 38.8 ± 19.1 post-training (p < 0.05) (p<0.05), while knee flexion peak torque angle was significantly decreased in both groups (p<0.05). In contrast, the UG increased the number of repetitions and total work (J) by 21.2 ± 32.6 % and 13.8 ± 21.2%, respectively (p < 0.05). Fascicle length fL (in cm) was found to have decreased post-training, in the pooled data (from 8.066 ± 1.132 to 7.301 ± 1.126 cm, p<0.05) and in the downhill group (p<0.05). Also, muscle thickness (in cm) of VL muscle was significantly reduced in the pooled data (from 2.590 ± 0.374 to 2.420 ± 0.378 cm, p<0.05) and per group average (approx. by -6.5%). No differences however were found between groups in muscle architecture pennation angle, muscle length, and muscle thickness pre and post training, whether in absolute or relative to baseline terms.Study 2Results: After the training intervention, VO2max didn’t change for any group. RQ and MAS was improved for the downhill group (p = 0.010 and p = 0.051 respectively), post-exercise lactate was higher for the downhill group (p = 0.001), while RE remained unchanged for both groups. There was a significant time by group interaction for Tmax (p = 0.021), which though improved by 25.5% in the uphill group didn’t reach statistical significance (p = 0.064). There was however a significant different percentage change between groups (p = 0.021). Study 3For TAC, there was a significant effect of training (p = 0.008), significant differences between resting values before and after the training intervention for the downhill group (0.955 ± 0.098 vs 0.861 ± 0.082 mmol DPPH*L-1 respectively) and significant differences between post-exercise values before and after the training intervention (0.981 ± 0.079 vs 0.869 ± 0.079 mmol DPPH*L-1 respectively) for the uphill group (p <0.05). For PC, the analysis showed a significant sampling point effect, a significant time by point interaction and a significant group effect (p<0.05). Post-hoc tests showed that the two groups were significantly different only at post-exercise values before the training intervention (uphill = 1.03 ± 0.17, downhill =0.79 ±0.11 nMol*mg-1 protein) (p < 0.05). For TBARS (μMol*L-1), the analysis showed a significant effect of training and a significant point by group interaction (p <0.05). Post-hoc tests showed that the two groups were significantly different at resting values only after the training intervention (uphill = 6.515 ± 1.159 μMol*L-1 ; downhill = 4.925 ± 0.841 μMol*L-1) while for the downhill group post-exercise values were significantly different after the training intervention (pre-training = 5.138 ± 1.243 ; post-training = 6.018 ± 1.259 μMol*L-1 )(p <0.05). Study 4Four separate HRV analyses were conducted: (1) the entire 15-min workout; (2) the 2-min post-exercise recovery period; (3) the ten 30-sec exercise periods; and, (4) the ten 60-sec recovery periods. More specifically: For analysis 1, there was a time effect for SDNN, Poincaré SD2, α2, and SDNN index (p<0.05), there was a group effect for Mean RR, SDNN, RRtri, Poincaré SD2, ApEn, SampEn, α1, SDANN, and SDNN index (p<0.05) and there was a time*group interaction for TINN and for Poincaré SD2 (p<0.05). Post-hoc tests, showed that there were significant changes after the training program only in the downhill group for Mean RR (478.6 ± 64.0 vs 508.7 ± 45.9 ms), SDNN (20.5 ± 9.9 vs 31.2 ± 16.1 ms), TINN (197.4 ± 84.6 vs 294.1 ± 150.3 ms), Poincaré SD2 (23.8 ± 10.5 vs 39.4 ± 19.9 ms), SDANN (8.6 ± 7.4 vs 14.6 ± 5.5 ms), and SDNN index (53.2 ± 19.8 vs 64.5 ± 19.4 ms); (p<0.005). For analysis 2, there was a time effect for RMSSD, Poincaré SD1, and Poincaré SD2/SD1 (p<0.05), there was a group effect for Mean RR, SDNN, RRtri, Poincaré SD1, Poincaré SD2/SD1, ApEn, SampEn, α1 (p<0.05), while there was no time*group interaction (p>0.05). Post-hoc tests showed that there were significant changes after the training program only in the downhill group for STD HR (3.9 ± 1.3 vs 5.1 ± 1.5 bpm), RMSSD (8.6 ± 3.7 vs 12.8 ± 5.1 ms), pNN50(%) (0.2 ± 0.4 vs 1.2 ± 1.4), Poincaré SD1 (6.1 ± 2.6 vs 9.1 ± 3.6 ms), and Poincaré SD2/SD1 (4.1 ± .05 vs 3.3 ± .09); (p<0.05). Analysis 3 demonstrated a time effect for Mean RR (p = 0.042), main effects of the training slope (group effect) for Mean RR, RMSSD, HF, and Poincaré SD1 (p<0.05), and a time by group interaction for Mean RR (p = 0.037). For analysis 4, there was a group effect for SDNN, Poincaré SD2 and ApEn (p<0.05). Overall Conclusions: We demonstrated that during high speed interval training, variations in slope can be used to induce specific muscle endurance or power performance improvements, and to improve specific running performance determinants, corresponding to the endurance (uphill) or power-oriented (downhill) modality of training.Regarding strength and power, the Downhill HIIT intervention significantly improved jumping performance to a degree that has been previously shown only with heavy loads of eccentric training. This finding was accompanied by an improved rate of force development for the downhill group. On the other hand, only the Uphill group further improved resistance to a knee extension fatigue protocol. These improvements were not explained by differential muscle architecture changes and were impressive considering the brevity of the training sessions, the low training frequency and the short training period. Regarding aerobic capacity, the Uphill HIIT resulted in an improved time to exhaustion. Both groups maintained maximal oxygen update, with the Uphill improving their running economy.Regarding redox status indices, interval running on sloping surfaces seemed to attenuate blood antioxidant capacity both acutely and after an 8 week training period. HIIT training overall attenuated exercise induced PC changes, with values tending to be lower for the downhill group..Finally, HRV indices after 8 weeks of Interval training on sloping surfaces appeared to be intensity dependent with lower intensity exercise favoring reactivation of PSNS, while the mode of muscle contraction didnt seem to affect training outcomes.

Η διαλειμματική προπόνηση στην μέγιστη αερόβια ταχύτητα ή κοντά σε αυτή, θεωρείται ως μια αποτελεσματική προσέγγιση για την ενίσχυση της αντοχής. Ωστόσο, εκτιμάται ότι η μεταβολή της εδαφικής κλίσης πάνω στην οποία εκτελείται το τρέξιμο δύναται να έχει ως αποτέλεσμα ιδιαίτερες προσαρμογές σε σχέση με την μεταβολική επιβάρυνση και την μυϊκή δομή. Οι συγκεκριμένες προσαρμογές εμφανίζονται ως αποτέλεσμα της διαφοροποίησης της μεταβολικής επιβάρυνσης, του μοτίβου της επιστράτευσης των μυϊκών ινών και πιθανών του μήκους στο οποίο οι εργαζόμενοι μύες λειτουργούν κατά την άσκηση σε σύγκριση με το τρέξιμο στο επίπεδο. Επιπλέων, η ενσωμάτωση κλίσης σε ένα πρόγραμμα προπόνησης με διαλειμματικό τρέξιμο θα μπορούσε να διαφοροποιήσει την οξειδοαναγωγική κατάσταση (REDOX) του μυός και την μεταβλητότητα της καρδιακής συχνότητας (HRV) καθώς οι μυϊκοί μηχανοϋποδοχείς διαφοροποιούν την λειτουργία του συμπαθητικού και παρασυμπαθητικού νευρικού συστήματος στην διάρκεια της άσκησης. Σκοπός της μελέτης ήταν να διερευνήσει διαφορές στην σωματική σύσταση, την μέγιστη δύναμη και την αντοχή στην δύναμη, την αρχιτεκτονική του μυός, παράγοντες απόδοσης στο τρέξιμο (μέγιστη κατανάλωση οξυγόνου, δρομική οικονομία και χρόνο παραμονής στην MAS), σε δείκτες της οξειδοαναγωγικής κατάστασης (Total antioxidant Capacity-TAC, Πρωτεϊνικά Καρβονύλιας-PC, ουσίες που αντιδρούν με το Θειοβαρβιτουρικο οξύ-TBARS) και σε δείκτες μεταβλητότητας της καρδιακής συχνότητας (HRV), ύστερα από ένα πρόγραμμα διαλειμματικής άσκησης υψηλής έντασης (HIIT) διάρκειας 8 εβδομάδων. Μεθοδολογία: Στην έρευνα έλαβαν μέρος δεκατέσσερις υγιείς και γενικά δραστήριοι εθελοντές και ηλικίας 31.9 ± 6.9 και χωρίστηκαν σε δύο ομάδες: η ομάδα της ανηφόρας (n=7), έκανε προπόνηση στην ανηφόρα και η ομάδα της κατηφόρας έκανε προπόνηση στην κατηφόρα (n=7), εκτελώντας 16 προπονήσεις σε διάστημα 8 εβδομάδων. Η κάθε προπόνηση περιελάμβανε δέκα επαναλήψεις των 30 δευτερολέπτων τρέξιμο με λόγο άσκησης προς ξεκούραση 1:2 στο 90% της Μέγιστης Αερόβιας Ταχύτητας (ΜΑΤ), σε κλίση +10 ή -10 %.Αποτελέσματα: Μελέτη 1Το ποσοστό της άλιπης σωματικής μάζας, το ποσοστό της λιπώδους σωματικής μάζας και το στατικό άλμα (cm) μεταβλήθηκαν σημαντικά κατά + 4.5 ± 4.0 %, - 11.5 ± 9.6 % and +9.5 ± 11.7%, κατά αντιστοιχία (p < 0.05) μόνο στην ομάδα της κατηφόρας. Ομοίως, μόνο η ομάδα της κατηφόρας βελτίωσε τον ρυθμό ανάπτυξης ροπής των εκτεινόντων μυών του γονάτου σε απόλυτες τιμές (Nm) στις χρονικές στιγμές των 50 ms από 22.9 ± 3.3 πριν την προπόνηση, σε 52.4 ± 34.1 μετά την προπόνηση και των 100 ms από 50.6 ± 18.4 πριν την προπόνηση, σε 102.2 ± 74.1 μετά την προπόνηση (p <0.05) και την ώθηση (N.m*s στα 0 – 300 ms) από 24.3 ± 8.8 πριν την προπόνηση, σε 38.8 ± 19.1 μετά την προπόνηση (p < 0.05) (p<0.05), ενώ η γωνία στην οποία εμφανίστηκε η μέγιστη τιμή της ροπής για την κάμψη γονάτου μειώθηκε σημαντικά και για τις δύο ομάδες (p<0.05). Αντίθετα, η ομάδα της ανηφόρας αύξησε τον αριθμό επαναλήψεων στην δοκιμασία κόπωσης και το συνολικό έργο (J) κατά 21.2 ± 32.6 % και 13.8 ± 21.2%, αντίστοιχα (p < 0.05). Δεν βρέθηκαν διαφορές μεταξύ των ομάδων στην αρχιτεκτονική του μυός. Μελέτη 2Στο τέλος της προπονητικής περιόδου η μέγιστη αερόβια ικανότητα (VO2max) έμεινε αμετάβλητη και για τις δύο ομάδες. Το αναπνευστικό πηλίκο (RQ) μεταβλήθηκε προς κατανάλωση υδατανθράκων και η μέγιστη αερόβια ταχύτητα (Maximum Aerobic Speed- MAS) βελτιώθηκε για την ομάδα της κατηφόρας (p = 0.010 and p = 0.051 αντίστοιχα), η συγκέντρωση γαλακτικού οξέος στο τέλος της προπόνησης αυξήθηκε για την ομάδα της ανηφόρας (p = 0.001), ενώ η δρομική οικονομία (RE) έμεινε αμετάβλητη και στις δύο ομάδες. Για τον χρόνο εξάντλησης στην MAS υπήρξε σημαντική αλληλεπίδραση μεταξύ των ομάδων (p = 0.021), αλλά αν και βελτιωμένη κατά 25.5% για την ομάδα της ανηφόρας δεν βρέθηκε στατιστικά σημαντικά βελτιωμένη (p = 0.064). Ωστόσο υπήρξε σημαντική διαφορά στο ποσοστό μεταβολής της MAS μεταξύ των δύο ομάδων (p = 0.021). Μελέτη 3Στο τέλος της προπονητικής περιόδου, για την TAC, υπήρξε σημαντική επίδραση της προπόνησης (p = 0.008), σημαντική διαφορά στις τιμές ηρεμίας για την ομάδα της κατηφόρας (0.955 ± 0.098 vs 0.861 ± 0.082 mmol DPPH*L-1) και σημαντικές διαφορές στις τιμές μετά την άσκηση (0.981 ± 0.079 vs 0.869 ± 0.079 mmol DPPH*L-1 respectively) για την ομάδα της ανηφόρας (p <0.05). Για τα PC, σημαντική επίδραση του χρόνου λήψης δείγματος, σημαντική αλληλεπίδραση του χρόνου λήψης δείγματος και της προπόνησης και σημαντική επίδραση της ομάδας (p<0.05). Post-hoc tests έδειξαν ότι οι δύο ομάδες διέφεραν σημαντικά μετά στην άσκηση μόνο πριν την έναρξη της προπόνησης (Ανηφόρα = 1.03 ± 0.17, Κατηφόρα =0.79 ±0.11 nMol*mg-1 protein) (p < 0.05). Για τα TBARS, υπήρξε σημαντική επίδραση της προπόνησης και σημαντική αλληλεπίδραση του χρόνου λήψης δείγματος και της ομάδας (p <0.05). Post-hoc tests έδειξαν ότι οι δύο ομάδες είχαν σημαντικές διαφορές στις τιμές ηρεμίας στο τέλος της προπονητικής περιόδου (Ανηφόρα = 6.515 ± 1.159 μMol*L-1 ; Κατηφόρα = 4.925 ± 0.841 μMol*L-1), ενώ στην ομάδα της κατηφόρας οι τιμές μετά την άσκηση ήταν σημαντικά διαφορετικές (pre-training = 5.138 ± 1.243 ; post-training = 6.018 ± 1.259 μMol*L-1 )(p <0.05). Μελέτη 4Έγιναν τέσσερις διαφορετικές Αναλύσεις σε δείκτες HRV: (1) στην διάρκεια της προπονητικής μονάδας 15-min; (2) στην διάρκεια αποκατάστασης των 2-min στο τέλος της προπονιτκής μονάδας; (3) στην διάρκεια των δέκα επαναλήψεων τρεξίματος των 30-sec; and, (4) και στην διάρκεια της αποκατάστασης των 60-sec μεταξύ των επαναλήψεων της άσκησης. Πιο συγκεκριμένα: Για την Ανάλυση 1, υπήρξε επίδραση της προπόνησης για τους δείκτες SDNN, Poincaré SD2, α2, και SDNN index (p<0.05), επίδραση της ομάδας για τους δείκτες Mean RR, SDNN, RRtri, Poincaré SD2, ApEn, SampEn, α1, SDANN, και SDNN index (p<0.05) και υπήρξε αλληλεπίδραση της προπόνησης και της ομάδας για τους δείκτες TINN και Poincaré SD2 (p<0.05). Post-hoc tests, έδειξαν ότι στο τέλος της προπονητικής περιόδου, υπήρξε σημαντική μεταβολή μόνο για την ομάδα της κατηφόρας για τους δείκτες Mean RR (478.6 ± 64.0 vs 508.7 ± 45.9 ms), SDNN (20.5 ± 9.9 vs 31.2 ± 16.1 ms), TINN (197.4 ± 84.6 vs 294.1 ± 150.3 ms), Poincaré SD2 (23.8 ± 10.5 vs 39.4 ± 19.9 ms), SDANN (8.6 ± 7.4 vs 14.6 ± 5.5 ms), και SDNN index (53.2 ± 19.8 vs 64.5 ± 19.4 ms); (p<0.005). Για την Ανάλυση 2, υπήρξε, σημαντική επίδραση της προπόνησης για τους δείκτες RMSSD, Poincaré SD1, και Poincaré SD2/SD1 (p<0.05), σημαντική επίδραση της ομάδας για τους δείκτες Mean RR, SDNN, RRtri, Poincaré SD1, Poincaré SD2/SD1, ApEn, SampEn, α1 (p<0.05), ενώ δεν βρέθηκε σημαντική αλληλεπίδραση της προπόνησης με την ομάδα (p>0.05). Post-hoc tests έδειξαν ότι υπήρξε σημαντική μεταβολή στο τέλος της προπονητικής περιόδου μόνο στην ομάδα της κατηφόρας στους δείκτε STD HR (3.9 ± 1.3 vs 5.1 ± 1.5 bpm), RMSSD (8.6 ± 3.7 vs 12.8 ± 5.1 ms), pNN50(%) (0.2 ± 0.4 vs 1.2 ± 1.4), Poincaré SD1 (6.1 ± 2.6 vs 9.1 ± 3.6 ms), and Poincaré SD2/SD1 (4.1 ± .05 vs 3.3 ± .09); (p<0.05).. Για την Ανάλυση 3 υπήρξε επίδραση της προπόνησης για την Mean RR (p = 0.042), επίδραση της ομάδας για τους δείκτες Mean RR, RMSSD, HF, και Poincaré SD1 (p<0.05), και αλληλεπίδραση της προπόνησης και της ομάδας για την Mean RR (p = 0.037). Στην Ανάλυση 4, υπήρξε επίδραση της ομάδας για τους δείκτες SDNN, Poincaré SD2 και ApEn (p<0.05). Συμπεράσματα: Η μεταβολή της κλίσης πάνω στην οποία εκτελείται η διαλειμματική προπόνηση υψηλής ταχύτητας, μπορεί να αποτελέσει την βάση πάνω στην οποία θα επέλθει βελτίωση σε συγκεκριμένες παραμέτρους της μυϊκής αντοχής ή της μυϊκής ισχύος, και σε παράγοντες απόδοσης στο τρέξιμο ανάλογα με τον προσανατολισμό της προπόνησης προς την βελτίωση της αντοχής (ανηφόρα) ή της ισχύος (κατηφόρα).Αναφορικά με τους δείκτες δύναμης και ισχύος, η προπόνηση με διαλειμματικό τρέξιμο στην κατηφόρα βελτίωσε σημαντικά το άλμα και τον ρυθμό ανάπτυξης ροπής των εκτεινόντων του γόνατος. Από την άλλη, η προπόνηση με διαλειμματικό τρέξιμο στην ανηφόρα βελτίωσε την μυϊκή αντοχή.Όσον αφορά τους δείκτες αερόβιας ικανότητας, η μέγιστη πρόσληψη οξυγόνου δεν άλλαξε με την προπόνηση σε καμμία ομάδα. Βελτιώθηκε όμως ο χρόνος άσκησης έως την εξάντληση και, ως έναν βαθμό η οικονομία, για την ομάδα της ανηφόρας. Δεδομένης της μεγάλης διαφοράς στην συνολική επιβάρυνση, είναι αξιοσημείωτο ότι προπόνηση με διαλειμματικό τρέξιμο στην κατηφόρα διατήρησε την συνολική αερόβια ικανότητα στα αρχικά επίεπδα.Η διαλειμματική προπόνηση υψηλής ταχύτητας σε κλίση έδειξε να μειώνει την ολική αντιοξειδωτική ικανότητα (TAC) στο αίμα τόσο στην οξεία όσο και στην χρόνια φάση της άσκησης. Παράλληλα όμως παρατηρήθηκε μείωση της συγκέντρωσης PC στο αίμα στο τέλος της προπονητικής περιόδου. Επιπλέον, ενώ πριν την έναρξη της προπονητικής περιόδου το διαλειμματικό τρέξιμο στην κατηφόρα προκάλεσε λιγότερη υπεροξείδωση λιπών σε σύγκριση με την ανηφόρα, η αθροιστική επίδραση της έκκεντρης άσκησης στην διάρκεια του χρόνου, δύναται να αντιστρέψει το συγκεκριμένο αποτέλεσμα. Τέλος, η ένταση της άσκησης δείχνει να επηρεάζει τους δείκτες HRV μετά την προπονητική περίοδο 8 εβδομάδων με την άσκηση χαμηλής έντασης να επηρεάζει θετικά την ενεργοποίηση του παρασυμπαθητικού νευρικού συστήματος , ενώ η κλίση δείχνει να μην επηρεάζει προπονητικές προσαρμογές σχετικές με την μεταβλητότητα της καρδιακής συχνότητας.