科學家開發出一種數學模型，可以預測出鍛鍊肌肉的最佳方案。

來自劍橋大學的研究人員使用理論生物物理學方法來構建模型，可以告訴人們特定的運動量會使肌肉增長多少以及需要多長時間。最後，他們打算以模型為基礎開發出一款運動指導APP……

劍橋的團隊之前發現肌肉中有一種叫做titin的成分，負責產生影響肌肉生長的化學訊號。

刊發在《生物物理學》上的論文指出，對於每個人來說，都存在一個阻力訓練的最佳配重。肌肉只能在很短的時間內接近其最大負荷，而正是隨著時間推移整合的負荷激活了導致新肌肉蛋白合成的細胞訊號通路。但如果低於某個值，負荷就不足以引起很多訊號傳遞，運動時間就必須成倍增加來補償。這個臨界負荷的值可能取決於個人的特定生理結構。

“我們都知道，運動可以增強肌肉。或者說我們真的知道嗎？“論文作者之一、劍橋大學卡文迪什實驗室的尤金·泰倫傑夫教授說，”令人驚訝的是，人們對運動為什麼或如何鍛鍊肌肉瞭解不多：有很多傳聞和個體經驗，但很少有確鑿或經證實的資料。”

鍛鍊時，負荷越大，重複次數越多或頻率越高，那麼肌肉增長就越大。然而，即使在觀察整個肌肉時，當我們把注意力轉移到單塊肌肉或其單個纖維時，肌肉如何增長以及會增長多少，這兩個問題就變得更加棘手。

肌肉是由單個細絲組成的，它們只有2微米長，直徑不到1微米，比肌肉細胞的大小還要小。“正因為如此，對肌肉生長的部分解釋必須是在分子尺度上。”共同作者尼爾·伊巴塔說，“肌肉中主要結構分子之間的相互作用大約在50年前才被拼湊起來。如何把較小的、附屬的蛋白質納入其中，現在仍不完全清楚。”

這是因為資料非常難得：人們的生理和行為差異很大，因此幾乎不可能對真人的肌肉大小變化進行對照實驗。特倫特耶夫說：“你可以提取肌肉細胞並單獨觀察這些細胞，但這就忽略了其他問題，如運動期間的氧氣和葡萄糖水平。要把它們整體看待，是非常困難的。”

特倫特耶夫和同事幾年前開始研究機械感應的機制——細胞感知其環境中機械線索的能力。這項研究受到了英國體育學院的關注，他們對這項研究可能在肌肉康復方面的影響很感興趣。

2018年，劍橋大學的研究人員開始了關於肌肉細絲中的蛋白質在受力情況下如何變化的專案。他們發現，主要的肌肉成分，肌動蛋白和肌球蛋白，缺乏訊號分子的結合點，所以必須是第三大豐富的肌肉成分——肌球蛋白——負責發出應用力變化的訊號。

每當一個分子的一部分處於足夠長的緊張狀態時，它就會切換到一個不同的狀態，暴露出一個以前隱藏的區域。如果這個區域能夠與參與細胞訊號傳遞的小分子結合，它就會啟用該分子，產生一個化學訊號鏈。肌肽是一種巨大的蛋白質，當肌肉被拉伸時，它的一大部分被延長，但在肌肉收縮時，分子的一小部分也處於緊張狀態。titin的這一部分包含所謂的titin激酶結構域，它是產生影響肌肉生長的化學訊號的。

如果受到更多的力，或在相同的力下保持更長時間，該分子更有可能被開啟。這兩種情況都會增加啟用訊號分子的數量。然後這些分子會誘導合成更多的信使RNA，導致新的肌肉蛋白質的產生，肌肉細胞的橫截面也會增加。

伊巴塔本人也是一名熱衷於運動的運動員。他說：”我很高興能夠更好地瞭解肌肉生長的原因和方式。避免低效率的運動方案可以節省大量的時間和資源，並透過定期的高價值訓練最大限度地發揮運動員的潛力，給定運動員能夠實現的特定量。”

特倫特耶夫和伊巴塔著手構建一個能夠對肌肉生長進行定量預測的數學模型。他們從一個簡單的模型開始，該模型記錄了titin分子在力的作用下開啟並啟動訊號級聯的情況。他們使用顯微鏡資料來確定機率，即一個肌肽激酶單元在力的作用下開啟或關閉並激活一個訊號分子的可能性。

然後他們透過額外資訊，如代謝能量交換，以及重複長度和恢復，使該模型變得更加複雜。該模型與過去長期研究的資料吻合的良好。

“我們的模型為

肌肉增長主要發生在最大負荷的70%時

這一觀點提供了生理基礎，這是阻力訓練背後的科學。低於這個數值，鈦蛋白激酶的開啟率會急劇下降，並排除機械敏感訊號的發生。超過這個數值，快速耗竭就會阻止好結果，我們的模型已經定量地預測了這一點。”

英國體育學院高階力量與調理教練Fionn MacPartlin說：“精英運動員的挑戰之一是最大限度地適應，同時平衡相關因素，如能量成本。這項工作讓我們對肌肉如何感知和應對負荷的潛在機制有了更多的瞭解，這可以幫助我們更有針對性地設計干預措施來滿足這些目標。”

該模型還解決了肌肉萎縮的問題，顯示長期臥床休息或宇航員在微重力狀態下的後果：肌肉在開始惡化之前可以荒廢多長時間，以及最佳恢復方案可能是什麼。（侵刪）