Frontiers in Physiology

Einführung

Die maximale Sauerstoffaufnahme (VO2max) kann definiert werden als die maximale integrierte Kapazität des Lungen-, Herz-Kreislauf- und Muskelsystems zur Aufnahme, zum Transport und zur Nutzung von O2 (Poole et al., 2008). Der VO2max-Test, der in der Regel durch einen inkrementellen Belastungstest auf dem Laufband oder dem Fahrradergometer gemessen wird, ist zu einem Eckpfeiler der klinischen und angewandten Physiologie im Zusammenhang mit körperlicher Betätigung geworden. Seine Anwendungsmöglichkeiten sind zahlreich und reichen von Spitzensportlern bis hin zu Personen mit verschiedenen pathologischen Zuständen (Mancini et al., 1991; Bassett und Howley, 2000). Obwohl die VO2max seit etwa einem Jahrhundert erforscht wird, ist sie in der Literatur immer noch Gegenstand von Diskussionen und Meinungsverschiedenheiten (Noakes, 1998; Bergh et al., 2000; Levine, 2008; Ekblom, 2009; Noakes und Marino, 2009; Spurway et al., 2012). Insbesondere die Untersuchung der Methoden zur VO2max-Messung ist ein Forschungsgebiet, das über die Jahre hinweg eine Herausforderung dargestellt hat (Midgley et al., 2007, 2008). Kürzlich veröffentlichte interessante Ergebnisse (Beltrami et al., 2012; Mauger und Sculthorpe, 2012) führen zu einer zusätzlichen Debatte über die Messung des wahren VO2max-Wertes und seiner Begrenzungs-/Regulierungsmechanismen. In diesem Artikel beschreiben wir kurz die aktuellen Testmethoden und Mechanismen der VO2max-Beschränkung/Regulierung und erörtern die neuen Erkenntnisse dieser beiden aktuellen Studien und ihre möglichen Auswirkungen auf das Feld.

Gegenwärtige Messung und VO2max-Beschränkungs-/Regulierungsmechanismen

Eines der populärsten Konzepte, das zur Ermittlung der VO2max während eines inkrementellen Belastungstests verwendet wird, ist das Auftreten des Plateaus. Der Ursprung dieses Konzepts geht auf die Studien von Hill und Lupton (1923) vor 90 Jahren zurück, in denen sie die Existenz einer individuellen Trainingsintensität vorschlugen, über die hinaus kein Anstieg der VO2 erfolgt und die die Grenze der kardiorespiratorischen Kapazität darstellt. Die Notwendigkeit des Auftretens eines Plateaus bei der Bestimmung der VO2max stößt jedoch an Grenzen, da es nicht überall vorkommt (Doherty et al., 2003; Astorino et al., 2005). Um dieses Problem zu lösen und sicherzustellen, dass Personen am Ende eines inkrementellen Belastungstests stets „maximale“ Bedingungen erreichen, die zu echten VO2max-Werten führen, wurde die Verwendung physiologischer Parameter als Kriterien für die Unterbrechung des Belastungstests auf der Grundlage des Atmungsaustauschverhältnisses, der maximalen Herzfrequenz und der Blutlaktatkonzentration populär (Poole et al., 2008). Diese Parameter können jedoch, wenn sie als Kriterien für die VO2max-Bestimmung verwendet werden, den tatsächlich gemessenen Wert um bis zu 26 % unterschätzen (Poole et al., 2008). Die derzeitige Lösung für die VO2max-Bestimmung, wenn das Plateau nicht auftritt, ist die Verwendung des VO2-Peaks, der ein konsistenter VO2max-Index zu sein scheint, solange nach dem inkrementellen Test ein konstanter supramaximaler Belastungstest durchgeführt wird, der als „Verifikationsphase“ bezeichnet wird (Day et al., 2003; Midgley und Carroll, 2009).

In der Literatur werden derzeit zwei theoretische Hauptmodelle diskutiert, die darauf abzielen, die Mechanismen der VO2max-Begrenzung und/oder -Regulierung zu erklären. Das klassische Modell geht davon aus, dass die VO2max durch die maximale Kapazität des Herzens, die Muskeln mit O2 zu versorgen, begrenzt wird, d.h. wenn man die VO2max erreicht, arbeitet das Herz-Kreislauf-System an seiner Grenze (Ekblom, 2009). Das andere Modell geht davon aus, dass das Herz-Kreislauf-System nie eine Arbeitsgrenze erreicht und dass die VO2max durch die Anzahl der in den trainierenden Gliedmaßen rekrutierten motorischen Einheiten reguliert und nicht begrenzt wird, die immer submaximal ist (Noakes und Marino, 2009). Dieses Modell schlägt also vor, dass es immer eine physiologische Reserve gibt, sowohl kardiovaskulär als auch neuromuskulär, sobald die Anzahl der motorischen Einheiten, die von den aktiven Muskeln während des Trainings rekrutiert werden, vom Gehirn reguliert wird, um ein katastrophales Versagen der Körpersysteme zu verhindern (Noakes und Marino, 2009).

Ist die VO2max, die wir messen, wirklich maximal?

Unabhängig von den VO2max-Begrenzungs-/Regulationsmechanismen (Ekblom, 2009; Noakes und Marino, 2009) wird angenommen, dass die Umsetzung spezifischer Kriterien während des inkrementellen Belastungstests wie Dauer (Midgley et al., 2008), das Vorhandensein einer „Verifizierungsphase“ (Day et al., 2003; Midgley und Carroll, 2009) und die Geschwindigkeit der VO2-Probenerfassung (Astorino, 2009), wahre VO2max-Werte erhalten werden. Zwei neuere Studien stellen diese Annahmen jedoch in Frage.

Die erste Studie (Mauger und Sculthorpe, 2012) verglich einen konventionellen inkrementellen Belastungstest (d. h. mit festen Belastungsschritten bis zur freiwilligen Erschöpfung) mit einem maximalen selbstgesteuerten inkrementellen Belastungstest, der durch die individuelle Wahrnehmung der Anstrengung gesteuert wurde. Die Gesamtdauer des letzteren betrug 10 Minuten, aufgeteilt in 5 Phasen von je 2 Minuten, in denen die Probanden die Belastungsintensität zu jedem Zeitpunkt kontrollierten, um ein individuelles Belastungsempfinden von 11, 13, 15, 17 bzw. 20 auf der 15-stufigen Borg-Skala zu erreichen. Interessanterweise führte dieser maximale selbstgesteuerte Stufentest zu einer signifikant höheren VO2max (≈8 %; Abbildung 1A) im Vergleich zu den Werten, die während des konventionellen Stufentests ermittelt wurden (Mauger und Sculthorpe, 2012).

Die zweite Studie (Beltrami et al., 2012) verglich einen konventionellen inkrementellen Belastungstest mit einem dekrementellen Protokoll (d. h. mit zeitlich abnehmenden Belastungsintensitäten). Dieses dekrementelle Protokoll begann mit der Geschwindigkeit, die während der „Verifizierungsphase“ des inkrementellen Tests verwendet wurde, d. h. 1 km h-1 schneller als die letzte Stufe, die während des konventionellen Übungstests erreicht wurde. Diese Intensität wurde für 60 % der individuellen Zeit beibehalten, die die Probanden während der „Verifizierungsphase“ tolerieren konnten, mit einer anschließenden Geschwindigkeitsreduzierung von 1 km h-1 für 30 s und aufeinanderfolgenden Reduzierungen von 0,5 km h-1, wobei jede Stufe jeweils für 30, 45, 60, 90 und 120 s beibehalten wurde. Ähnlich wie der maximale selbstgesteuerte Inkrementaltest (Mauger und Sculthorpe, 2012) führte der vorgeschlagene Dekrementaltest zu einer signifikant höheren VO2max (≈4,4 %; Abbildung 1B) im Vergleich zum herkömmlichen Inkrementaltest (Beltrami et al, 2012).

Die wichtigste Erklärung, die die Autoren für die Ergebnisse der ersten Studie (Mauger und Sculthorpe, 2012) anführen, ist, dass die Art des selbstgesteuerten Protokolls eine höhere Leistungsabgabe für das gleiche Maß an wahrgenommener Anstrengung oder Unbehagen ermöglicht haben könnte, was zu einer höheren VO2max vor der freiwilligen Erschöpfung führte. Dies geschah, obwohl die Werte für die Herzfrequenz, die Ventilation und das Atemaustauschverhältnis ähnlich wie beim konventionellen Protokoll waren. Zusätzliche Hinweise wie ein größerer relativer Beitrag der sauerstoffabhängigen Typ-1-Fasern mit einer daraus resultierenden Verringerung der anaeroben Komponente des Tests und/oder ein Anstieg des Sauerstoffbedarfs und der Sauerstoffverwertung aufgrund der hohen Leistungsabgabe in der letzten Phase des inkrementellen Selbsttests könnten ebenfalls zu der festgestellten höheren VO2max beigetragen haben (Mauger und Sculthorpe, 2012). Es ist anzumerken, dass bereits Kritik an dieser Studie geäußert wurde (Chidnok et al., 2013). Gleichzeitig vermuten die Autoren der zweiten Studie (Beltrami et al., 2012), dass Unterschiede in der antizipatorischen Belastungswahrnehmung der Protokolle, die im konventionellen inkrementellen Test zunahmen und im dekrementellen Test abnahmen, die sympathischen oder parasympathischen Antriebe beeinflusst haben könnten und zu unterschiedlichen metabolischen Reaktionen auf die Belastung und die höhere VO2max führten. Überraschenderweise zeigten beide Studien, dass entweder untrainierte (Mauger und Sculthorpe, 2012) oder trainierte (Beltrami et al., 2012) Personen die höheren VO2max-Werte bei submaximalen Belastungen erreichten, was das traditionelle Konzept in Frage stellt, dass die VO2max bei der maximalen Belastung auftritt.

Implikationen der neuen Erkenntnisse

Wenn einmal erkannt und weiter untermauert wurde, dass die derzeitigen VO2max-Messmethoden (d.h., konventionelles inkrementelles Trainingsprotokoll) in der Tat submaximale Werte liefern, welche Auswirkungen haben dann die neu gefundenen wahren VO2max-Werte (Beltrami et al., 2012; Mauger und Sculthorpe, 2012) auf den bestehenden Wissensstand in diesem Bereich? Unserer Meinung nach würde ein beträchtlicher Teil des wissenschaftlichen Wissens aufgrund des Vorhandenseins eines systematischen Fehlers leicht beeinträchtigt werden. Bei Studien, die die Wirkung bestimmter Interventionen auf die VO2max überprüfen sollen, sind beispielsweise bereits Unterschätzungen der VO2max in die Ergebnisse eingeflossen. Da die Werte vor und nach der Intervention mit demselben Protokoll gemessen werden, würden die Auswirkungen der Intervention auf die VO2max-Werte trotz der Unterschätzung des wahren VO2max-Wertes korrekt gemessen werden. Im Gegensatz dazu würde bei Studien, die auf VO2max-Prozentsätzen basieren, wie z. B. dem aeroben Trainingsbereich für die kardiorespiratorische Fitness, der üblicherweise zwischen 50 und 85 % der VO2max schwankt, der Intervallbereich nach rechts verschoben werden. Ebenso müssten die indirekten Gleichungen zur Schätzung der VO2max überarbeitet werden, da sie auf VO2max-Referenzwerte zurückgreifen, die nach den neuen Erkenntnissen (Beltrami et al., 2012; Mauger und Sculthorpe, 2012) submaximal sind. Bei Kenntnis der Unterschätzung der VO2max durch die konventionellen inkrementellen Protokolle wären mathematische Gleichungen jedoch in der Lage, a posteriori Korrekturen vorzunehmen, um solche Ungenauigkeiten zu reduzieren/zu korrigieren.

Im Gegensatz zu den oben beschriebenen relativ geringen Auswirkungen stehen die Ergebnisse einer höheren VO2max als die, die üblicherweise bei konventionellen inkrementellen Belastungstests gefunden werden, im Widerspruch zu den theoretischen Modellen, die vorgeschlagen wurden, um ihre Begrenzungs-/Regulationsmechanismen zu erklären (Ekblom, 2009; Noakes und Marino, 2009). Wenn die bisher bei herkömmlichen inkrementellen Tests gefundenen VO2max-Werte durch die maximale Kapazität des Herzens, die Muskeln mit O2 zu versorgen, begrenzt sind (Ekblom, 2009), wie kann man dann einen solchen Anstieg erklären (Beltrami et al., 2012; Mauger und Sculthorpe, 2012)? Wir identifizieren zwei Möglichkeiten. Das theoretische Modell könnte immer noch richtig sein, d. h. die VO2max ist tatsächlich durch die maximale Kapazität des Herzens begrenzt, obwohl die bei herkömmlichen inkrementellen Tests gefundenen VO2max-Werte nicht wirklich maximal sind und alternative Protokolle in der Lage wären, sie zu erhöhen. Demgegenüber könnte das Modell mit der Aussage, dass die VO2max in erster Linie durch die Herzkapazität begrenzt wird, falsch sein, und es könnte ein anderer Mechanismus zur Erklärung ihrer Begrenzung/Regulierung existieren. Das andere theoretische Modell (Noakes und Marino, 2009) steht seinerseits ebenfalls im Widerspruch zu den Ergebnissen. Wenn das Gehirn die Anzahl der während des Trainings rekrutierten motorischen Einheiten reguliert, um ein katastrophales Versagen der Körpersysteme zu verhindern, und damit die erreichbare VO2max reguliert, warum sollte das Gehirn dann zulassen, dass die Personen bei diesen beiden neuen Protokollen (Beltrami et al., 2012; Mauger und Sculthorpe, 2012) höhere VO2max-Werte erreichen als bei den herkömmlichen inkrementellen Tests? Würde das Gehirn nicht auf der Grundlage afferenter Rückmeldungen aus verschiedenen Systemen die Anzahl der rekrutierten motorischen Einheiten in ähnlicher Weise regulieren, und zwar unabhängig vom durchgeführten Trainingsprotokoll?

Eine mögliche Erklärung für die jüngsten Befunde könnte auf den Vorschlag von Jones und Killian (2000) zurückgehen, die Beweise dafür zusammenfassten, dass kardiorespiratorische und sportliche Einschränkungen nicht auf der Kapazität der Sauerstofflieferungsmechanismen beruhen, sondern symptombezogen sind. Unter Berücksichtigung der peripheren und zentralen Wahrnehmung von Anstrengungsdaten wiesen diese Autoren darauf hin, wie wichtig es ist, diese Symptome als limitierende Faktoren bei der Messung der körperlichen Leistungsfähigkeit und der VO2max zu berücksichtigen (Jones und Killian, 2000). Ein neueres theoretisches Modell unterstreicht die überragende Bedeutung der Anstrengung für die Leistungsregulation und -toleranz bei Ausdauerbelastungen (Marcora und Staiano, 2010; Smirmaul et al., 2013). Die erreichten höheren VO2max-Werte (Beltrami et al., 2012; Mauger und Sculthorpe, 2012) könnten aufgrund der Unterschiede in den verwendeten Protokollen mit veränderten Wahrnehmungsreaktionen verbunden gewesen sein. Diese Möglichkeit bleibt jedoch spekulativ.

Schlussfolgerung

Die Vorschläge für verschiedene Trainingsprotokolle, die zu höheren VO2max-Werten führen, als sie üblicherweise bei den herkömmlichen inkrementellen Belastungstests gefunden werden, sollten die Gemeinschaft der Trainings- und Sportphysiologen interessieren. Gleichzeitig haben solche Erkenntnisse einen leichten Einfluss auf einen beträchtlichen Teil des Wissens, da sie beispielsweise die theoretischen Modelle zur Erklärung der VO2max-Begrenzung/Regulation in Frage stellen. Sie stellen aber auch das Konzept in Frage, dass die VO2max bei der maximalen Arbeitsbelastung auftritt. Während neuere Arbeiten gezeigt haben, dass es möglich ist, ein konventionelles VO2max-Plateau bis zu 15 Minuten aufrechtzuerhalten, indem man die individuelle Arbeitsbelastung verringert, d. h. während submaximaler Arbeit (Petot et al., 2012; Billat et al., 2013), ist nicht bekannt, ob dies auch für die gefundenen höheren VO2max-Werte möglich ist (Beltrami et al., 2012; Mauger und Sculthorpe, 2012). Die Vermutung, dass VO2max-Werte aufgabenabhängig sind und dass der herkömmliche inkrementelle Belastungstest keine echten Maximalwerte liefert, ist verlockend. Das Verständnis dafür, wie diese neuen Trainingsprotokolle höhere VO2max-Werte erzeugen, die Einflüsse verschiedener Protokolle auf die Wahrnehmungsreaktionen und die VO2max-Messung, die Bestimmung ihrer vollständigen Auswirkungen und Anwendungen sowie die spezifischen Begrenzungs-/Regulierungsmechanismen, die der VO2max zugrunde liegen, sind jedoch neue Horizonte, die Sport- und Bewegungswissenschaftler erforschen können.