Executive functions, self-paced exercise and cycling performance
- Autores: Darías Manuel Holgado Núñez
- Directores de la Tesis: Mikel Zabala Díaz (dir. tes.), Daniel Sanabria Lucena (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Granada ( España ) en 2019
- Idioma: inglés
- ISBN: 9788413063089
- Número de páginas: 130
- Títulos paralelos:
- Funciones ejecutivas, ejercicio autorregulado y rendimiento ciclista
- Tribunal Calificador de la Tesis: Carlos Javier Gómez Ariza (presid.), José César Perales López (secret.), Elisa Martín Arévalo (voc.), Virginia López Alonso (voc.), Paola Cesari (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Biomedicina por la Universidad de Granada
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: DIGIBUG
- Resumen
- español
El principal objetivo de la presente tesis doctoral era entender el rol de las funciones ejecutivas (cognitivas) en el ejercicio aeróbico autorregulado (ciclismo). El ejercicio autorregulado es una actividad física en la que el esfuerzo tiene que ser distribuido de la mejor manera posible para alcanzar el objetivo de la prueba (ej., cubrir una distancia los más rápido posible o cubrir la mayor distancia posible en un tiempo dado) (1,2). La autorregulación del esfuerzo físico requiere de la monitorización y control del feedback procedente de los músculos y sistemas cardiorrespiratorio hacía el cerebro (3). Desde un punto de vista aplicado, podríamos considerar que el ejercicio aeróbico autorregulado es un comportamiento dirigido hacia un objetivo que involucra varios procesos cognitivos, y en particular de funciones ejecutivas (ej., control inhibitorio o memoria de trabajo) . En consecuencia, cualquier cambio a nivel cognitivo (y cerebral relacionado con los procesos cognitivos objeto de estudio) afectará al rendimiento físico. Para entender esta relación, en un primer capítulo introductorio resumimos el papel de las funciones ejecutivas sobre el ejercicio autorregulado, la evidencia empírica acerca de las bases neurales involucradas, y las distintas manipulaciones donde las funciones ejecutivas podrían ser relevantes sobre el ejercicio autorregulado. A continuación, presentamos una serie experimental donde estudiamos el rol de las funciones ejecutivas en el ejercicio autorregulado bajo tres manipulaciones experimentales. Primero, investigamos el efecto ergogénico del tramadol sobre el rendimiento físico y cognitivo. A continuación, intentamos comprender los efectos de la estimulación transcraneal por corriente directa (eTCD) (aplicada sobre el córtex dorsolateral prefrontal izquierdo) en índices objetivos y subjetivos del rendimiento físico. Finalmente, investigamos el papel de la carga cognitiva (ejecutiva) durante el ejercicio autorregulado. A continuación, pasamos a resumir los estudios empíricos que componen esta tesis.
Los analgésicos son fármacos ampliamente utilizados en el deporte para tratar el dolor y procesos antiinflamatorios asociados con las lesiones (4). Sin embargo, se ha detectado que existe una tendencia entre los atletas de todos los niveles a usar estos fármacos analgésicos, no solo para tratar lesiones menores, sino que también para entrenar y competir (5). Por lo tanto, además de por sus efectos periféricos, existe la posibilidad de que los atletas estén usando estos fármacos por sus efectos a nivel de sistema nervioso central para incrementar el rendimiento físico durante los entrenamientos y competiciones. Algunos de estos fármacos podrían tener un efecto sobre la activación de estructuras cerebrales superiores (por ejemplo, la corteza prefrontal o la corteza cingulada anterior) involucradas en el dolor y el procesamiento cognitivo. Uno de estos fármacos comúnmente utilizados por los ciclistas, es el tramadol (6). El tramadol podría mejorar el rendimiento físico mediante la reducción del esfuerzo percibido, la percepción del dolor o el estado de ánimo. Sin embargo, el tramadol es conocido por sus frecuentes efectos secundarios, como la somnolencia o las náuseas, que pueden tener un efecto negativo en las funciones cognitivas y en rendimiento deportivo (7). Por lo tanto, en una serie de dos experimentos, nuestro objetivo fue estudiar el efecto del tramadol sobre el rendimiento físico y el procesamiento cognitivo en el ciclismo.
El Experimento 1 reveló que el tramadol mejoró el rendimiento físico aproximadamente un 5% durante una prueba de ciclismo autorregulada (contrarreloj) de 20 minutos (8). El tramadol pareció permitir a los participantes lograr una mayor potencia media sin modificar la actividad eléctrica cerebral, la percepción del esfuerzo o el estado de ánimo. Los resultados de este experimento parecían respaldar la hipótesis de que el tramadol podría mejorar el rendimiento físico, sin embargo, esto no fue corroborado en el Experimento 2.
El Experimento 2 fue diseñado para replicar el Experimento 1 y para probar la hipótesis de que el tramadol podría tener un efecto sobre la atención sostenida durante ejercicio (8). Para ello, los participantes completaron una tarea de discriminación de estímulos al mismo tiempo que realizaban la prueba de ciclismo de 20 minutos. La tarea cognitiva consistió en una presentación aleatoria de una secuencia de estímulos visuales de un círculo azul frecuente (no objetivo), un círculo azul raro pequeño (objetivo 1) y un cuadrado rojo (objetivo 2) en una pantalla. Contrariamente a los resultados observados en el Experimento 1, el tramadol no mejoró el rendimiento físico ni afectó la atención sostenida a nivel comportamental en comparación con la condición de placebo, es decir, ni la precisión en la respuesta ni el tiempo de reacción difirieron significativamente entre las condiciones experimentales. No obstante, durante la tarea de atención sostenida, encontramos que el tramadol provocó una actividad cerebral más baja (i.e., mayor supresión con respecto a la línea base) en la banda de frecuencia alfa vinculada al procesamiento de estímulos (relevante para la tarea) en la condición de tramadol en respecto a la de placebo. Una mayor actividad de alfa se ha considerado como un indicador de mayor alerta (9). Por el contrario, otro estudio que utilizó una tarea similar, interpretó la reducción de la banda alfa cuando se presentan objetivos poco comunes, como un esfuerzo mental más alto para detectar objetivos poco frecuentes (10). Por lo tanto, nuestros resultados podrían apuntar a la necesidad de una mayor asignación de recursos cognitivos para detectar objetivos poco frecuentes cuando los participantes reciben tramadol versus placebo.
En el siguiente estudio, siguiendo un enfoque diferente, planteamos la hipótesis de que la estimulación de las áreas cerebrales relacionadas con las funciones ejecutivas podría mejorar el rendimiento del ejercicio autorregulado, si el ejercicio autorregulado depende de funciones ejecutivas. Aunque, varios estudios habían investigado el efecto de la eTCD sobre el rendimiento físico, ninguno de ellos había abordado la cuestión de si la estimulación anódica de la corteza dorsolateral prefrontal izquierda afectaría al rendimiento en una tarea de ejercicio físico autorregulado (11). Curiosamente, los resultados de nuestro estudio no apoyaron la idea de que la eTCD anódica afecte ni el rendimiento autorregulado ni la actividad cerebral oscilatoria, tanto en reposo como durante el ejercicio (12). Este hallazgo agregó más inconsistencia a los resultados ambiguos publicados hasta la fecha. Por lo tanto, a la vista de nuestros resultados nulos y la inconsistencia de la literatura, decidimos realizar un meta análisis para comprobar si la eTCD tenía un efecto real en índices de rendimiento físico. El meta análisis mostró que la eTCD tiene un efecto pequeño, aunque positivo, sobre el rendimiento deportivo (Hedges ’g = 0,34) (13). Ninguno de los moderadores incluidos (ej., localización, intensidad o duración de la estimulación) en el análisis explicaba la varianza en los datos. Además de ser un tamaño de efecto pequeño, detectamos que los resultados positivos podrían estar sobreestimados por artefactos metodológicos y el sesgo de las publicaciones. A día de hoy, con los datos del meta análisis no podemos establecer que la eTCD sea una herramienta eficaz para mejorar el rendimiento deportivo (13–15).
En una etapa final, intentamos llenar un vacío existente en la literatura sobre el efecto de la carga (ejecutiva) mental durante el ejercicio autorregulado, ya que en la mayoría de los estudios previos la tarea cognitiva se ha realizado antes de un ejercicio físico (16). La carga cognitiva se manipuló usando una tarea de memoria de trabajo (n-back) con dos niveles de dificultad para inducir dos niveles de carga cognitiva, baja (1-back) y alta carga (2-back). Anticipamos que si el ejercicio autorregulado está determinado por el procesamiento ejecutivo y la n-back también requiere un procesamiento ejecutivo, era probable que se esperase un empeoramiento en el rendimiento físico debido a la incapacidad de autorregularse de manera eficiente. Sin embargo, a pesar de que la tarea con más demandas cognitivas fue más exigente (menor precisión y tiempos de respuestas más lentos) que la de baja carga cognitiva, y por lo tanto una mayor dificultad en términos de demandas ejecutivas, los resultados no proporcionaron evidencia suficiente para decir que la alta carga empeore el rendimiento físico o modifique la percepción del esfuerzo percibido (17). Estos resultados están en línea con los hallazgos anteriores de esta tesis, pudiendo especular que el ejercicio autorregulado no depende de función ejecutiva.
En conclusión, los resultados de la serie de experimentos llevados a cabo durante la tesis no apoyan la idea de que el ejercicio autorregulado dependa en gran medida de procesamiento ejecutivo. Aunque el tramadol podría afectar el rendimiento físico en el Experimento 1, la actividad cerebral oscilatoria no se vio afectada durante el ejercicio y se desconocen los mecanismos de la posible mejora (en la actualidad estamos llevando a cabo otro estudio para clarificar los resultados anteriores). Eso también fue cierto en el experimento de eTCD, ya que la estimulación cerebral no afectó el rendimiento físico o la actividad cerebral. Finalmente, una mayor carga cognitiva durante el ejercicio físico autorregulado tampoco pareció afectar el rendimiento físico. De manera crucial, los resultados de esta tesis pueden señalar que las funciones ejecutivas podrían no tener un papel decisivo en el ejercicio autorregulado, en contra de lo que se supone. Sin embargo, el papel de las funciones ejecutivas en el ejercicio podría estar mediado por varios factores como, por ejemplo, la experiencia deportiva.
- English
The main aim of the present thesis was to understand the role of executive (cognitive) functions in self-paced aerobic exercise (cycling). A self-paced exercise is a physical activity in which the effort has to be distributed in the best possible way to achieve the objective of the event (e.g., to cover a given distance as quickly as possible or to cover the largest possible distance in a given time) (1,2). Self-paced exercise requires the monitoring and control of feedback from the muscles and cardiorespiratory systems to the brain (3).. From an applied point of view, we could consider that the self-paced aerobic exercise is a goal-directed behaviour towards an objective that involves several cognitive processes, and in particular of executive functions (e.g., inhibitory control or working memory) (18). Consequently, any change at cognitive level (and brain related to the cognitive processes under study) will affect physical performance. To understand this relationship, in an introductory chapter we summarized the role of executive functions on the self-paced exercise, and the empirical evidence of the neural basis. We also summarized the different manipulations that have been designed to investigate the role of the executive functions on self-paced exercise. In the following chapters, we describe the three studies we have conducted to investigate the role of executive functioning on the self-paced exercise. First, we investigated the ergogenic effect of tramadol on physical and cognitive performance. Next, we attempt to understand the effects of transcranial direct current stimulation (tDCS) (applied to the left dorsolateral prefrontal cortex) on objective and subjective indices of exercise performance. Finally, we investigated the role of cognitive (executive) load during self-paced exercise.
Analgesics drugs are widely used in sports to treat pain and anti-inflammatory processes associated with injuries (4). However, it has been detected that there is a tendency among athletes of all levels to use these drugs, not only to treat minor injuries, but also to train and compete (5). Therefore, in addition to its peripheral effects, there is a possibility that athletes are using these drugs for their effects in the central nervous system to increase physical performance during training and competitions. Some of these drugs could have an effect on the activation of higher brain structures (e.g., prefrontal cortex or anterior cingulate cortex) involved in pain and cognitive processing. One of these drugs commonly used by cyclists is tramadol (6). Tramadol could improve physical performance by reducing perceived exertion, pain perception and/or mood. However, tramadol is known for its frequent side effects, such as drowsiness or nausea, which can have a negative effect on cognitive functions and exercise performance (7). Therefore, in a series of two experiments, our objective was to study the effect of tramadol on physical performance and cognitive processing in cycling.
Experiment 1 revealed that tramadol improved physical performance by approximately 5% during a self-paced (time-trial) cycling test of 20 minutes (8). Tramadol appeared to allow participants to achieve greater mean power output without modifying brain electrical activity, rate of perceived exertion or mood. The results of this experiment seemed to support the hypothesis that tramadol could improve physical performance, however, this was not corroborated in Experiment 2.
Experiment 2 was designed to replicate Experiment 1 and to test the hypothesis that tramadol might have an effect on sustained attention during exercise (8). To do this, participants completed an oddball task while performing the 20 minutes cycling test. The cognitive task consisted of a random presentation of a sequence of visual stimuli of a frequent blue circle (non-target), a small rare blue circle (Target 1) and a red square (Target 2) on a screen. Contrary to the results observed in Experiment 1, tramadol did not improve physical performance or affect sustained attention at the behavioural level compared to the placebo condition, that is, neither the accuracy of the response nor the reaction time differed significantly between the experimental conditions. However, during the sustained attention task, we found that tramadol caused a lower brain activity (i.e., greater suppression with respect to the baseline) in the alpha frequency band linked to stimulus processing (relevant to the task) in the condition of tramadol compared to placebo. Higher alpha activity has been considered as an indicator of greater alertness (9). On the contrary, another study that used a similar task, interpreted the reduction of the alpha band when unusual objectives are presented, as a higher mental effort to detect infrequent objectives (10). Therefore, our results could point out to the need for greater allocation of cognitive resources to detect infrequent targets when participants received tramadol versus placebo.
In the next study, following a different approach, we hypothesized that the stimulation of a brain area related to executive functions could improve self-paced exercise performance, if self-paced exercise relies on executive functions. Even if several studies had investigated the effect of tDCS on physical performance, none of them had addressed the question of whether anodal stimulation over the left dorsolateral prefrontal cortex might affect self-paced aerobic exercise performance (11). Interestingly, the results of our study did not support the idea that anodal tDCS affects neither self-paced performance nor oscillatory brain activity, both at rest and during exercise (12). This finding added more inconsistency to the ambiguous results published to date. Therefore, in view of our null results and the inconsistency of the literature, we decided to perform a meta-analysis to check whether the tDCS had a real effect on indexes of exercise physical performance. The meta-analysis showed that tDCS has a small, albeit positive, effect on exercise performance (Hedges' g = 0.34) (13). None of the included moderators (e.g., location of stimulation, intensity or duration) in the analysis explained the variance in the data. In addition to the small effect size, we detected that the positive results could be overestimated by methodological artefacts and publication bias. To date, with our (and others) meta-analysis we cannot establish tDCS is an effective tool to improve exercise performance (13–15).
In a final study, we try to fill an existing gap in the literature on the effect of the cognitive (executive) load during self-paced exercise, since in most of the previous studies the cognitive task was performed prior to a physical exercise (16). The cognitive load was manipulated by using a working memory task (n-back) with two levels of difficulty to induce two levels of cognitive load, low (1-back) and high load (2-back). We anticipated that if the self-paced exercise is determined by executive processing and the n-back also requires executive processing, self-paced exercise performance would impair due to the inability to self-regulate efficiently. However, although the task with more cognitive demands was more demanding (lower precision and slower response times) than the one with low cognitive load, and therefore greater difficulty in terms of executive demands, the results did not provide enough evidence to affirm that high load worsens physical performance or modifies perceived perception of effort (17). These results are in line with the previous findings of this thesis, suggesting that self-paced exercise might not rely on executive functions.
In conclusion, the results of the series of experiments carried out during this thesis do not support the idea that self-paced exercise depends to a large extent on executive processing. Although tramadol could affect physical performance in Experiment 1, oscillatory brain activity was not affected during exercise and the mechanisms of possible improvement are unknown (we are currently conducting another study to clarify the previous results). That was also true in the tDCS’ experiment, since brain stimulation did not affect physical performance or brain activity. Finally, a greater cognitive load during self-paced physical exercise did not seem to affect physical performance. Crucially, the results of this thesis may indicate that executive functions may not play a decisive role in the self-paced exercise, contrary to what is assumed. However, we acknowledge that the role of executive functions in the exercise could be mediated by several factors, such as sports expertise.
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