Increasing critical power and anaerobic work capacity with high

116 Pages·2014·2.45 MB·English

by  Sandro Müller

ETH Library
Increasing critical power and
anaerobic work capacity with high-
intensity training or bicarbonate
supplementation
Doctoral Thesis
Author(s):
Müller, Sandro M.
Publication date:
2014
Permanent link:
https://doi.org/10.3929/ethz-a-010163442
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DISS. ETH NO. 21887

INCREASING CRITICAL POWER AND ANAEROBIC
WORK CAPACITY WITH HIGH-INTENSITY TRAINING
OR BICARBONATE SUPPLEMENTATION

A thesis submitted to attain the degree of

DOCTOR OF SCIENCES of ETH ZURICH

(Dr. sc. ETH Zurich)

presented by

SANDRO MANUEL MÜLLER

MSc ETH HMS, ETH Zurich

born on 19.06.1987

citizen of Bürglen TG

accepted on the recommendation of

Prof. Dr. David P. Wolfer, examiner

Prof. Dr. Urs Boutellier, co-examiner

Dr. Marco Toigo, co-examiner

2014

Summary

The critical power (CP) concept is an extensive approach for characterization of endurance
performance ability by covering its aerobic and anaerobic parts. CP represents theoretically the
highest power output that can be maintained for an indefinite time. The second parameter of the
concept is defined as a finite work capacity that is used when exercising above CP (W′). In most
endurance and team sports disciplines, an increase in CP with a concomitant improvement in W′
is aspired. A higher CP is thereby sought to increase fatigue resistance, while a higher W′
strengthens coping with power peaks (e.g. sprints). Training and nutritional strategies might be
used to achieve these desired improvements. On the one hand, sodium bicarbonate (NaHCO ) is
3
known as an efficient ergogenic aid during high-intensity exercise and is therefor promising in
enhancing competition performance. On the other hand, classical endurance training leads to
improvements in CP, while conventional resistance training leads to increases in W′. However,
it is known that, especially in trained athletes, the efficiency and effectiveness of classical
training modalities is limited. Therefore, we aimed at further improving CP and/or W′ with
novel effective and efficient training stimuli as well as by the application of an up to the present
uninvestigated NaHCO supplementation protocol.
3

In the first study, we addressed for the first time the multiday acute NaHCO supplementation.
3
This ingestion protocol is frequently used during multiday competitions and tournaments. In
eight well-trained endurance athletes, time-to-exhaustion (T ) at CP was improved with
lim
NaHCO supplementation compared to placebo on five consecutive testing days. In
3
concomitance to the performance enhancement, pretest [HCO −] and blood pH were increased
3
on every testing day to the same extent, respectively. The high salt loading due to NaHCO
3
supplementation led to an increase in plasma volume, which might have presumably attenuated
a further increase in [HCO −]. This mechanism might have limited the performance-enhancing
3
effect of NaHCO . Consequently, it is advised for athletes during multiday competitions or
3
tournaments at CP intensity to use NaHCO as ergogenic aid.
3
I
II Summary
In a second study, we aimed at increasing the effectiveness and efficiency of classical training
modalities by overcoming the interference effect. Based on previous research in our laboratory
showing that resistance training with superimposed side-alternating whole-body vibration
(WBV) and vascular occlusion, termed vibroX, leads simultaneously to endurance and
resistance type adaptations, we provided the final proof of concept that vibroX induced these
adaptations simultaneously also in endurance-trained males with their associated training-
induced energy stress. VibroX increased CP, cross-sectional area (CSA) of myosin heavy-chain
(MyHC)-1 and -2 fibers from M. vastus lateralis, and overall capillary-to-fiber ratio, while
conventional resistance training did not increase any of these variables. W′ was increased with
conventional resistance training and showed a non-significant increase with vibroX. Hence,
vibroX increased CP in endurance-trained males and prevented the interference effect that
occurred with conventional resistance training.

In the third study, we addressed major disadvantages of conventional aerobic high-intensity
interval training (HIT), namely decreases in W′ and muscle fiber atrophy of MyHC-2 fibers. By
replacing the low-intensity rest intervals with side-alternating WBV decreases in W′, CSA of
MyHC-2A fibers from M. vastus lateralis, maximal voluntary torque, rate of force
development, and maximal countermovement jump power were prevented without additional
time commitment. In addition, CP, overall capillary-to-fiber ratio, peak cardiac output, and
oxidative enzyme activities were similarly increased after conventional aerobic HIT and HIT
combined with WBV during rest intervals. Therefore, HIT with WBV during rest intervals is
advised for athletes in team and endurance sports, wherein anaerobic performance and/or
capacity play a deciding role.

In conclusion, increases in CP were achieved with vibroX as well as with HIT (with or without
WBV during rest intervals). W′ was increased following resistance training and the decrease in
W′ after conventional aerobic HIT was prevented by the addition of WBV during rest intervals.
The novel training modalities induced thereby higher and/or additional adaptations compared to
classical modalities. Consequently, training efficiency and effectiveness was improved by
applying the novel training modalities. Athletes engaged in team or endurance sports, in which
anaerobic performance and capacity play a deciding role, aiming at increasing CP are advised to
incorporate vibroX or HIT with WBV during rest intervals into their training routine.
Furthermore, T at CP was improved with daily acute NaHCO supplementation on five
lim 3
consecutive days. During multiday competitions or tournaments with intensities at the threshold
Summary III
between the heavy and severe intensity domains, it is recommended to ingest daily a single
acute dose of NaHCO before competition.
3
IV Summary
Zusammenfassung

Das Critical Power (CP)-Modell stellt einen umfassenden Ansatz zur Charakterisierung der
Ausdauerleistungsfähigkeit dar. Dabei deckt es den aeroben und anaeroben Teil der
Ausdauerleistungsfähigkeit ab. In der Theorie entspricht CP der höchsten Leistung, welche
über eine unbegrenzte Zeit erbracht werden kann. Der zweite Parameter des Modells ist
definiert als eine begrenzte Menge Arbeit, welche bei einer Leistung oberhalb von CP
abgerufen wird (W′). In den meisten Ausdauer- und Spielsportdisziplinen wird eine Steigerung

von CP mit einer gleichzeitigen Steigerung von W′ angestrebt. Ein höheres CP wird dabei mit
einer erhöhten Ermüdungsresistenz in Verbindung gesetzt. Eine Erhöhung des W′ dient zur
Erreichung von höheren Leistungsspitzen und zur längeren Erhaltung dieser Spitzen (z.B.
während Sprints). In erster Linie soll Training auf die Verbesserung dieser beiden Variablen
abzielen. Klassisches Ausdauertraining führt dabei zu einer Steigerung von CP, während
konventionelles Krafttraining zu einer Steigerung von W′ führt. Es ist jedoch allgemein bekannt,
dass die Effizienz und Effektivität klassischer Trainingsmodalitäten, speziell bei gut-trainierten
Athleten, limitiert ist. Zusätzlich zum Training können Ernährungsstrategien zur optimalen
Wettkampfleistung beitragen. Dabei ist bekannt, dass Natriumbikarbonat (NaHCO ) ein
3
potentes Mittel zur Leistungssteigerung während hoch-intensiven Belastungen ist. Basierend auf
diesen Grundlagen hatten wir die Absicht weitere Verbesserungen in CP und W′ durch den
Einsatz von neuen effektiven und effizienten Trainingsreizen sowie einem bis dato noch
unerforschten NaHCO -Supplementationsprotokoll zu erzielen.
3

In der ersten Studie befassten wir uns erstmalig mit der mehrtägigen akuten Einnahme von
NaHCO . Dabei handelt es sich um ein Protokoll, welches regelmässig bei mehrtägigen
3
Wettkämpfen und Turnieren eingesetzt wird. Die Fahrzeit bis zur Erschöpfung (T ) bei CP war
lim
bei acht sehr gut trainierten Ausdauersportlern an allen fünf Messtagen mit NaHCO -
3
Supplementierung länger im Vergleich zu Placebo. Parallel zur längeren Fahrzeit waren die
Vortest-[HCO −] und der Blut-pH-Wert an allen Tagen höher bei der Intervention verglichen
3
mit dem Placebo. Die hohe Salzzufuhr als Folge der NaHCO -Supplementierung führte zu einer
3
V
VI Zusammenfassung
Steigerung des Plasmavolumens, welche womöglich eine weitere Erhöhung der [HCO −]
3
verhinderte und so ebenfalls die leistungssteigernde Wirkung der Supplementierung limitierte.
Zusammenfassend wird Athleten, die in mehrtägigen Wettkämpfen oder Turnieren teilnehmen
und deren Wettkampfintensität um CP liegt, angeraten täglich NaHCO direkt vor dem
3
Wettkampf einzunehmen.

In einer zweiten Studie versuchten wir die Effektivität und Effizienz von klassischen
Trainingsmodalitäten zu steigern, indem wir einen Ansatz zur Überwindung des
Interferenzeffektes untersuchten. Basierend auf vorgängiger Forschung in unserem Labor,
welche zeigen konnte, dass Krafttraining mit überlagerter seitenalternierender
Ganzkörpbervibration (GKV) und vaskulärer Okklusion, vibroX genannt, gleichzeitig kraft-
und ausdauertypische Adaptationen erzielen kann, wollten wir den Machbarkeitsnachweis
dieser Adaptationen auch in ausdauer-trainierten Athleten mit ihrem hohen trainings-bedingtem
Energiestress liefern. Achtwöchiges vibroX-Training führte zu einer Steigerung von CP, der
Querschnittsfläche von Typ-1 und Typ-2 Muskelfasern des M. vastus lateralis und des totalen
Kapillaren-zu-Muskelfaser-Verhältnisses. Im Gegensatz dazu führte klassisches Krafttraining
zu keinen Steigerungen dieser Variablen. W′ hingegen nahm mit klassischem Krafttraining zu
und zeigte einen nicht-signifikanten Anstieg nach vibroX-Training. VibroX führte daher zu
einer Steigerung von CP in ausdauer-trainierten Männern und verhinderte den Interferenzeffekt,
welcher bei klassischem Krafttraining aufgetreten ist.

In einer dritten Studie befassten wir uns mit der Abnahme von W′ und der Muskelatrophie von
Typ-2 Muskelfasern der Oberschenkelmuskulatur, welches typischerweise Folgen des
konventionellen hoch-intensiven Intervalltrainings (HIT) darstellen. Durch Ersetzen der nieder-
intensiven Pausenintervalle mit seitenalternierender GKV konnten Abnahmen in W′, der
Querschnittsfläche von Typ-2A Muskelfasern des M. vastus lateralis, dem maximal
willkürlichen Drehmoment bei der Knieextension, der Geschwindigkeit der
Drehmomentsentwicklung bei der Knieextension und der Sprungleistung beim Zweibeinsprung
mit Ausholbewegung verhindert werden. Die Prävention dieser Abnahmen gelangen ohne
zusätzlichen Zeitaufwand, da die Pausenintervalle effektiver genutzt wurden. Zudem führte das
konventionelle HIT und das HIT mit seitenalternierender GKV in den Pausenintervallen zu
denselben Adaptationen in CP, dem totalen Kapillaren-zu-Muskelfaser-Verhältnis, des Peak-
Herzminutenvolumens und der Aktivität von oxidativen Enzymen. Aus diesem Grund wird
Team- und Spielsportlern, deren Training auf die Steigerung der Ermüdungsresistenz und
Zusammenfassung VII
gleichzeitig auf eine Erhöhung der anaeroben Leistungsfähigkeit und Kapazität abzielt, HIT mit
seitenalternierender GKV während den Pausenintervallen angeraten.

Zusammenfassend kann eine Steigerung von CP erreicht werden durch vibroX und durch HIT
(mit oder ohne seiten-alternierender GKV). W′ konnte durch Krafttraining gesteigert werden
und die Abnahme in W′ als Folge des konventionellen HITs wurde durch Addition von
seitenalternierender GKV in den Pausenintervallen verhindert. Die neuen Trainingsmodalitäten
führten zu höheren und/oder zusätzlichen Adaptationen im Vergleich zu den klassischen
Trainingsmodalitäten. Daher konnte die Trainingseffektivität und -effizienz durch Anwendung
der neuen Trainingsmodalitäten gesteigert werden. Athleten in Team- und Ausdauersportarten,
in welchen neben der Ermüdungsresistenz ebenfalls die anaerobe Leistungsfähigkeit und
Kapazität eine tragende Rolle spielen, wird zur Steigerung von CP vibroX oder HIT mit
seitenalternierender GKV während den Pausenintervallen angeraten. Zudem konnte T an CP
lim
durch tägliche akute NaHCO -Supplementierung an fünf aufeinander folgenden Tagen
3
gesteigert werden. Während mehrtägigen Wettkämpfen oder Turnieren bei einer Intensität an
der Schwelle zwischen der schweren und harten Intensitätsdomäne wird die tägliche Einnahme
von einer akuten Dosis NaHCO direkt vor dem Wettkampf angeraten.
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