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Effect of different exercise intensities after cessation of high-intensity training program on physical fitness, isokinetic muscle function and skeletal muscle metabolism: a synthesis of human and animal study

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Alternative Title
고강도 훈련프로그램 후 운동강도가 체력 등속성 , 근기능 및 골격근 대사에 미치는 영향
Abstract
The purpose of this study was to investigate whether different exercise intensities during 4-week detraining period could maintain changes in body composition, cardiovascular risk factors, physical fitness, and isokinetic muscle function of obese adult female after 8 weeks of high-intensity training (HIT) and activate aerobic and anaerobic exercise-related signaling pathway in soleus muscle of obese rats. Study-Ⅰ was a human subject study and 21 obese women took part in this experiment excluding 11 subjects who did not meet the criteria, 19 subjects with COVID-19 infection, and 7 subjects with personal circumstances. All participants were divided into 4 groups; a non-training group (NTG), a low-intensity exercise group (LIG), and a moderated-intensity exercise group (MIG) according to the exercise intensity during the 4-week detraining period after 8-week HIT. Body composition, cardiovascular risk factors, physical fitness, and isokinetic knee and trunk muscle functions of each group were compared and analyzed. The high-intensity training program was applied three times a week for 8 weeks, and exercise intensity was set at RPE 8~18 with short rest period of 10∼30 seconds. And then during 4-week detraining period, the exercise intensity in LIG was RPE 8∼10, and RPE 12∼14 for MIG. To confirm the effect of exercise intervention during detraining period, body composition, cardiovascular risk factors, physical fitness, and isokinetic muscle function were measured before and after 8-week HIT, and after 4-week detraining. Significant differences between groups and periods were confirmed by two-way repeated measures ANOVA, and differences between groups were confirmed by one-way ANOVA, and Scheffe's post-hoc was performed. As a result of this study, body composition significantly decreased in waist circumference, hip circumference, and waist-height ratio in MIG, and had a positive effect on the improvement of muscular endurance, agility, and cardiorespiratory endurance. However, there was no positive effect on improvement of cardiovascular index and isokinetic muscle function in all groups. Therefore, the study-Ⅰ suggested important information that continuous moderate-intensity exercise is necessary during the detraining period to maintain the anti-obesity effect of the high-intensity training program performed for 8 weeks.
In the study-Ⅱ, we conducted animal study to confirm aerobic and anaerobic metabolism in skeletal muscle based on the results of the human study obtained from Study-Ⅰ. The purpose of study-Ⅱ was to examine whether low of moderate intensity of exercise during the detraining period could positively keep up activation of signaling pathway related with aerobic and anaerobic metabolism in the flexor pollicis longus and soleus muscles obtained by 8-week HIT. SD rats (6 weeks old, n=36) participated in HIT program for 8 weeks, and then during the detraining period, low or moderate intensity exercise was applied for 2 weeks. all rats were randomly assigned into 5 groups; the non-exercise group (NEG, n=6), the group that finished high-intensity exercise (EG, n=6), the resting group (CD2, n=6), the low-intensity exercise group (LID2, n=6), and the moderated-intensity exercise group (MID2, n=6) during the detraining period. The high-intensity exercise program was treadmill exercise 3 times a week at a speed of 24m/min for 30 minutes a day for 8 weeks. For 2-week detraining, low-intensity treadmill exercise was performed at 8m/min and moderated-intensity treadmill exercise at 16m/min three times a week. Activation of muscle hypertrophy and mitochondrial biosynthesis-related signaling pathway in the flexor pollicis longus and soleus muscles were confirmed by Western blot analysis. Differences between groups were analyzed by one-way ANOVA, and Tukey was performed as a post-hoc. As a result of study 2, expression level of PI3K in the flexor pollicis longus muscle was higher in EG and LID2 than in NEG, and Akt and p-mTOR in MID2 and EG were increased significantly compared to those in NEG, CD2, and LID2. In addition, the phosphorylated level of AMPK in the soleus muscle was higher in CD2 and MID2 than in NEG, and FNDC5 in LID2 dynamically upregulated compared to those in EG and CD2. Therefore, study 2 suggested new evidence that moderate intensity exercise during detraining period might consistently maintain activation in muscle hypertrophy-related protein pathway after 8-week HIT, and low intensity exercise might continuously activate aerobic metabolism in skeletal muscle obtained by HIT.|본 연구의 목적은 실험동물과 비만인을 대상으로 8주간 고강도 훈련프로그램 후 운동강도 차이에 따른 비만 성인 여성의 신체 구성, 심혈관 지표, 건강 체력 및 등속성 근기능에 미치는 영향을 확인하고, 골격근의 유·무소산성 근대사 관련 단백질의 생화학적 변화를 검증하고자 하였다. 본 연구는 비만 성인 여성을 대상으로 한 인간대상연구(연구 1)과 실험동물을 이용한 동물대상연구(연구 2)로 구성되었다.
연구 1의 목적은 비만 성인 여성을 대상으로 8주 동안의 고강도 훈련프로그램 적용 후 4주 동안 완전휴식, 저, 중강도 운동강도를 적용하여 신체 구성, 심혈관 지표, 건강 체력 및 등속성 무릎과 코어 근기능에 미치는 영향을 비교, 분석하였다. 56명의 참가자 중 기준을 충족하지 못한 11명을 제외한 45명이 8주간 고강도 훈련프로그램에 참여하였으며, 코로나-19로 인하여 19명, 개인 사정 5명을 제외한 21명이 훈련프로그램을 종료하였다. 이후 완전휴식집단(NTG, n=7), 저강도 운동집단(LIG, n=7), 중강도 운동집단(MIG, n=7), 3개의 집단으로 무선배정하여 4주간 운동을 실시하였으며, 완전휴식집단 1명, 저강도 운동집단 1명이 제외되어 19명의 측정자료가 분석에 사용되었다. 고강도 훈련프로그램은 8주간 주 3회, RPE 12∼18, 운동과 휴식 비율 1:1∼3, 운동시간 10∼30초, RPE 8∼18로 적용하였으며, 4주간 저강도 운동집단은 주 3회, RPE 8∼10, 운동과 휴식 비율 1:3, 운동시간 20∼30초로, 중강도 운동집단은 주 3회, RPE 12∼14, 운동과 휴식 비율 1:2, 운동시간 20∼30초로 실시하였다. 운동의 효과를 확인하기 위해 신체 구성, 심혈관 위험인자, 건강 체력 및 등속성 근기능을 8주 운동 전, 후, 4주 운동 후에 측정하여 분석에 사용하였다. 집단과 시기 간 상호작용 효과는 이원반복측정분산분석을 사용하였으며, 집단 간의 차이는 일원분산분석을 사용하였으며, 사후검정은 Scheffe-HSD를 실시하였다. 본 연구의 결과, 신체 구성은 MIG에서 허리둘레, 엉덩이둘레, 허리·신장비율에서 유의하게 감소하였으며, 근지구력, 순발력, 심폐지구력 개선에 긍정적인 영향을 미쳤다. 그러나 모든 집단에서 심혈관 지표, 등속성 근기능 개선에는 긍정적인 영향을 미치지 못하였다. 따라서 연구 1에서는 8주간 수행한 고강도 훈련프로그램의 운동 효과를 4주간 유지하기 위해서는 저강도 이상의 지속적인 운동이 요구되며, 중강도 이상의 규칙적인 운동은 비만인의 신체 구성, 건강 체력 개선에 효과적임을 시사한다.
연구 2에서는 연구 1에서 도출된 인간대상연구의 결과를 바탕으로 골격근내 유·무산소성 근대사 관련 단백질 기전을 확인하기 위해 동물대상연구를 수행하였다. 연구 2에서는 SD계열 쥐를 대상으로 8주 동안의 고강도 훈련프로그램 적용 후 운동 중단 기간(2주) 동안 운동강도를 저, 중강도로 적용하여 장무지굴근과 가자미근의 유·무산소성 근대사 관련 단백질 발현량에 미치는 영향을 확인하였다. 모든 실험 쥐(n=30)는 비운동집단(NEG, n=6), 8주 고강도 운동집단(EG, n=6), 8주 고강도 훈련프로그램 후 2주 동안의 완전 휴식집단(CD2, n=6), 8주 고강도 훈련 후 2주 동안의 저강도 지속운동집단(LIG2, n=6), 8주 고강도 훈련 후 2주 동안의 중강도 지속운동집단(MIG, n=6), 총 5개 집단으로 구성하였다. 고강도 훈련프로그램은 트레드밀 운동으로 주 3회, 24m/min의 속도, 하루 30분씩, 8주간 실시하였으며, 2주간 저강도 운동은 8m/min, 중강도 운동은 16m/min으로 주 3회, 일 30분, 트레드밀 운동을 수행하였다. 장무지굴근과 가자미근의 근비대와 미토콘드리아 생합성 관련 단백질 발현은 웨스턴 블롯 분석방법으로 확인하였다. 집단 간 차이는 일원분산분석 후 사후검정으로 Tuky-HSD를 수행하였다. 장무지굴근 내 PI3K의 발현량은 EG와 LID2가 NTG 보다 높았으며, Akt, p-mTOR은 MID2와 EG가 NEG, CD2, LID2 보다 유의하게 증가하였다. 가자미근 내 p-AMPK의 발현량은 CD2와 MID2가 NEG보다 높았으며, FNDC5는 LID2가 EG, CD2보다 유의하게 증가하였다. 따라서 연구2에서는 고강도 훈련프로그램 후 중강도 운동은 무산소성 근비대 단백질의 변화에 긍정적인 영향을 미쳤으며, 저강도 운동은 유산소성 근비대 단백질의 변화에 긍정적인 영향을 미치는 것으로 확인되었다.
Author(s)
Yu Joo-In
Issued Date
2023
Awarded Date
2023-02
Type
Dissertation
URI
https://dcoll.jejunu.ac.kr/common/orgView/000000011117
Alternative Author(s)
유주인
Affiliation
Graduate School Jeju National University
Department
대학원 체육학과
Advisor
서태범
Table Of Contents
I. Introduction 1
1. Research significance 1
2. Research purpose 5
3. Research hypothesis 5
4. Research Limitations 7
5. Operational definitions 8
II. Literature review 10
1. Physiological changes due to detraining 10
2. Strategies to prevent the negative effects of training withdrawal 11
3. Obesity and exercise 13
III. Study Ⅰ: Effects of different exercise intensities during detraining period on body composition, cardiovascular risk factor, physical fitness, and isokinetic muscle function in obese adult women after 8-weeks high-intensity training. 15
1. Research significance 15
2. Research purpose 17
3. Materials and Methods 17
4. Statistical analysis 26
5. Results 27
IV. Study Ⅱ: Effects of different exercise intensities during the detraining period on HIT-induced aerobic and anaerobic metabolism in the flexor pollicis longus and soleus muscles. 155
1. Research significance 155
2. Research purpose 157
3. Materials and Methods 157
4. Statistical analysis 161
5. Results 162
V. Discussion 176
VI. Conclusion and recommendations 183
1. Conclusion 183
2. Recommendations 184
Reference 185
국문초록 195
Degree
Doctor
Publisher
Graduate School Jeju National University
Citation
Yu Joo-In. (2023). Effect of different exercise intensities after cessation of high-intensity training program on physical fitness, isokinetic muscle function and skeletal muscle metabolism: a synthesis of human and animal study.
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  • 엠바고2023-02-17
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