ORIGINAL ARTICLE

Cardiorespiratory and perceptual responses to walking and running at the same speed

Walace David Monteiro^{I, II}; Claudio Gil Soares de Araújo^{III, IV}

^IInstituto de Ciências da Atividade Física (ICAF / Aeronáutica), Rio de Janeiro - Brazil

^IIUniversidade Salgado de Oliveira (UNIVERSO), Rio de Janeiro - Brazil

^IIIClínica de Medicina do Exercício (CLINIMEX), Rio de Janeiro - Brazil

^IVUniversidade Gama Filho (UGF), Rio de Janeiro - Brazil

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SUMMARY

BACKGROUND: It is possible that different forms of locomotion, when carried out at the same speed, may have a distinct influence on the physiological and perceptual responses to exercise.

OBJECTIVE: To compare the cardiorespiratory responses and the subjective perception of the effort to walk and run at the same speed, as determined from the walk-run transition speed (WRTS).

METHODS: From an initial sample of 453 subjects enrolled in the compulsory military service, 12 young adult men were selected and carefully homogenized as to age, sex, anthropometric characteristics, aerobic condition and experience in a treadmill. In preliminary sessions, the individual WRTS was determined. Thereafter, on three different days, the subjects walked and ran in balanced order, in each of the following speeds: WRTS; WRTS - 0.5 km/h; WRTS + 0.5 km/h, so as to obtain exhaled gases, heart rate (HR) and perception of effort measurements.

RESULTS: The protocol for WRTS detection was highly reproducible (r = 0.92, p <0.05). In an intensity of exercise above the WRTS, the perceived effort, the HR, and the ventilatory variables-VE, VO₂, VCO₂ and R-showed higher values during walking than during running (p <0.05), whereas at the WRTS and at the speed of 0.5 km/h below WRTS, the form of locomotion did not affect the cardiorespiratory and perceptual variables (p> 0.05).

CONCLUSION: Walking at a speed above the WRTS tends to be more stressful to the subject, from a physiological and perceptual point of view. It seems appropriate to individualize the WRTS and standardize the form of locomotion for determining a more accurate and physiological intensity of the aerobe exercises.

Key Words: Walking; running; oxygen consumption; heart rate; exercise.

Introduction

The energy expenditure of exercise varies according to its characteristics¹. Man, being bipedal, uses only walking and running as natural forms locomotion. When the displacement speed is increased, there is a critical moment in which there is a transition from walking to running, which characterizes the walk-run transition speed (WRTS). Several factors influence the WRTS. Key features are the anthropometric characteristics, the level of physical fitness, the duration of the activity and the perception of the intensity of the effort.

But what exactly makes an individual choose to walk or run at a given speed? The answer to this question is far from settled^2-6. Whatever the mechanism responsible for the WRTS, the knowledge of the physiological responses to walking and running, at a speed near the WRTS can provide important data for the prescription for aerobic exercise in healthy subjects and in patients with cardiovascular diseases. This becomes practical whenever it is necessary to combine walking and running at specified intervals of time in the same session of exercises. The analysis of these alternatives becomes even more relevant for individuals who tend to have a maximum oxygen uptake between 6 and 10 METs, for whom walking involves little effort, while running is an effort above the ventilatory anaerobe threshold (VAT) .

Unfortunately, few experiments have investigated the physiological responses obtained just above or below the WRTS^7-9. Furthermore, methodological limitations of the studies complicate inferences on the subject. Among the main limitations are the lack of reproducibility of the protocol for WRTS detection, the small number of subjects in the samples and the variability of their anthropometric characteristics, and the limited time to monitor the activities^7,10.

Considering these limitations, this study aimed to compare the responses in cardiorespiratory variables and perception of the effort, during walking and running at the WRTS, and at levels slightly above and below the WRTS, in a carefully homogenized sample regarding sex, anthropometric characteristics, aerobic condition and adaptation to work on a treadmill.

Methods

Sample

To homogenize the sample, we selected men aged between 18 and 19 years, enrolled in the military service. From a total of 453 subjects, all suitable for physical activity by a medical evaluation, those selected ranged between the 35^th and 65^th percentiles in height for the group. Then, we identified those whose body mass values were closest to the median value of the group, totaling 53 volunteers. Subsequently, we excluded those who participated in competitive sports or that were accustomed to training in a treadmill. Next, we excluded 12 subjects who had the lowest limb lengths in the group. Among the remaining, we selected 24 volunteers with more homogeneous values of aerobe condition, obtained in a field test (using the same strategy: median ± 12). In addition to selecting individuals to be submitted to a cardiopulmonary exercise test, the field test aimed to eliminate a possible influence of the VAT in the detection of the WRTS. To make sure that the members of the sample reached the WRTS below the VAT speed, we identified, initially, the subjects whose VAT was over 9 METs in the field test. Considering that the VAT in non-athletes usually occurs between 60% and 70% of the peak oxygen uptake (VO₂peak), the members of the study should have, at least, maximum aerobic power values between 14 and 16 METs, which would correspond to distances between 2700 and 3200 m in the 12-minute field test¹¹.

For the 24 selected subjects, a treadmill adaptation training was conducted, consisting of a 15-minute running on two different days, as an adaptation of the original proposal by Wall and Charteris^12,13. Finally, a maximal cardiopulmonary exercise testing was conducted, using a ramp treadmill protocol, from which 12 subjects were selected among those who met the criteria of the maximal exercise test and whose VAT and VO₂peak results were closer to the median value shown by the group. Thus, 12 subjects were selected, carefully homogenized as to the following features (minimum and maximum): a) gender and age: men aged 18.6 ± 0.5 years (18 to 19); b) body mass of 66.4 ± 1.1 kg (64 to 68); c) height of 174.5 ± 1.4 cm (174 to 176); d) length of lower limbs of 83.3 ± 1.2 cm (81 to 85.4); e) VO₂ peak of 52.2 ± 2.2 ml.kg^-1.min^-1 (50 and 57.1); f) VAT of 39.8 ± 2.6 ml.kg^-1.min^-1 ( 36.5 and 45.6). Prior to participation in the experiment the volunteers signed a term of free informed consent and the study protocol was approved by the Institutional Ethics Committee.

Monitored variables

The monitored cardiorespiratory variables were oxygen uptake (VO₂), pulmonary ventilation (VE) and carbon dioxide production (VCO₂), obtained through the Medical Graphics metabolic analyzer, model GPX / D (Saint Louis, USA); and heart rate (HR), measured by the Polar monitor model Accurex Plus (Kempele, Finland). We also calculated the pulse of oxygen (O₂ Pulse), the ventilatory equivalent of oxygen (VE/VO₂) and of carbon dioxide (VE/VCO2), and the respiratory exchange ratio (R). Data were monitored continuously and their average values were recorded at each minute of exercise.

The perception of effort was assessed by the Borg CR10 Scale, using separate values for local and general effort perceptions, at every minute of exercise. For local perception of effort, after standardized instructions on the proper way to quantify the perceived effort¹⁴, the subject was required to report the symptoms observed in the lower limbs. Due to the inability to verbally express the values of the Borg scale because of the apparatus used to measure the ventilatory variables, the evaluator pointed to the values on a scale located in front of the treadmill, and the subject indicated the estimated value of perceived exertion at each moment.

Determination of the individual WRTS

As the WRTS determination is protocol-dependent^7,10, we initially determined its reproducibility, with an application on three separate days for 48 hours. After a 2-minute warm up at 4.5 km/h, the protocol began at a speed of 5.5 km/h, which was increased at every 15 seconds by 0.1 km/h. After reaching the WRTS, the subject continued in the protocol for another minute and thirty seconds. Finally, the speed was reduced to 4.5 km/h for two minutes, and the protocol was ended. To identify the exact moment in which each volunteer modified the form of locomotion, the tests were filmed, and the WRTS was determined using a video-tape, to identify the exact moment in which the individual spontaneously showed, in a definitive manner, the flight phase that characterizes running.

Evaluation of responses during different forms of locomotion

In this stage, the subjects were instructed to walk and run for eight minutes, with an intensity of effort corresponding to the individual WRTS, and at a speed equivalent to the WRTS ± 0.5 km/h. The choice of this time span to monitor the locomotion was due to the fact that individuals find it extremely difficult to remain walking above the WRTS, after the limit of eight minutes is exceeded. Thus, to standardize the comparison of the monitored variables, the same activity was applied to all speeds and forms of locomotion. The cardiorespiratory variables were monitored continuously and registered at the end of each minute of activity. As for perceived exertion, the subjects were asked to report it at the end of each minute of activity. For comparison purposes, we used the average value for eight minutes of activity. In addition, in order to stabilize the values of R, the subjects first walked at 5 km/h for two minutes. After this, the speed and form of locomotion selected for each day were applied. Data collection was performed during three days, in which the subjects carried out two activities at each visit, with an interval of one hour, minimizing the possibility of fatigue. The order of implementation of the various activities was balanced. In separate test days for each volunteer, the data were collected at the same time, and the subjects always used the same sport shoes.

Statistical treatment

To determine the reproducibility of the WRTS detection protocol, we used the intraclass correlation coefficient. To compare the differences in each of the cardiorespiratory responses and the general and local perception of effort during walking and running, in three speeds studied, we used an ANOVA for repeated measures of an entry accompanied by a post-hoc verification of Bonferroni ( p <0.05). The software STATISTICA for Windows, version 6.0, Statsoft Incorporation (Tulsa, USA), was used for all data analyses. The figures were prepared with GraphPad Prism 5 (San Diego, USA).

Results

In the WRTS detection, we observed very similar values within three days of tests, reflecting a low interday variability (8.2 km/h; 8.1 km/h; 8.1 km/h, respectively, p> 0, 05). In addition, the protocol was highly reproducible and showed an intraclass correlation coefficient of 0.92 (p <0.05).

The physiological responses to exercise differed in the speeds and forms of locomotion that were assessed in the study. The general and local effort perceptions also showed different behaviors (Figure 1), tending to be higher during walking, especially above the WRTS (p <0.05). The results for local perception of effort were consistently higher than those reported for general perception (p <0.05).

The HR and VO₂ responses increased with the increase in speed. However, statistical differences (p <0.05) between forms of locomotion were only observed above the WRTS (Figures 2 and 3). At this speed, the HR was about 20 bpm higher during walking than during running, while the VO₂ was superior by 5 ml.kg^-1.min^-1. Comparing the lowest and the highest speed investigated, we found that the HR increased, on average, by only 2.5% during running, and by 22% during walking. The same analysis for the VO₂ shows that at a speed of 0.5 km/h below the WRTS, the oxygen uptake is about 3 ml.kg^-1.min^-1 lower for walking (7%), while at the speed of 0.5 km/h above the WRTS, running represents an economy of 15%.

Regarding VE and VCO₂ responses, data for the speed above the transition were significantly higher (p <0.05) than those obtained in other monitored intensities (Figure 4), with a behavior similar to those observed for HR and VO₂. As for O₂ and CO₂ ventilatory equivalents (Figure 5), we observed very similar values during walking and running in the two lower speeds studied, and significant increases for walking at a speed above the transition (p <0.05).

The O₂ pulse showed no significant difference between walking and running in any of the three speeds studied (p> 0.05) (Figure 6), although a trend to progressively higher values was observed when the speed was increased in both forms of locomotion. For all speeds investigated, walking had systematically higher values of R than running, although a significant difference (p <0.05) for walking was only observed at the higher speed (Figure 7).

Discussion

The components of a prescription for exercises include the selection of sport modality, intensity of effort, duration of the activity, weekly frequency and pattern of exercise progression^15,16. These components are used to determine prescriptions in subjects of all ages, functional abilities and clinical conditions^17-20. Despite the importance of all components, the intensity of effort is one of the most difficult to quantify. As to the form of locomotion, the selection of the appropriate modality is the first element to be defined, since it may influence the intensity of effort.

Before discussing the results, the influence of the protocols in obtaining the variables, as determined from the WRTS is worth mentioning. In continuous protocols with stages of less than four minutes, the responses to the effort can behave differently from those observed in protocols that use efforts of constant intensity in more prolonged stages^7,21. In the case of protocols with longer stages, the variable values can be computed throughout the monitoring period. Thereafter, these variable values are compared to verify the existence of differences between the two forms of locomotion^8,9. This procedure allows the study of exercise prescription in more realistic conditions and, therefore, we chose this strategy to monitor the responses to walking and running, investigating the values of cardiorespiratory and effort perception variables in eight minutes.

The only trial that investigated ventilatory variables during running and walking based on the WRTS determination was conducted by Mercier et al⁹, and followed seven subjects for four minutes at the WRTS and at speeds corresponding to 0.5 and 1 km/h above and below the WRTS. No differences were found for VO₂, VE, HR, VE/VO₂ and R at the WRTS, and at 0.5 km/h above the WRTS, but there were differences for VO₂, VE and HR at 0.5 km/h below the WRTS. At velocities corresponding to ±1 km/h, all variables showed differences between walking and running. However, the small number of subjects, and the heterogenous anthropometric features and cardiorespiratory fitness limited the results. In addition, each form of locomotion was accompanied only for 4 minutes, which represents a short interval of time to obtain stability of the cardiorespiratory variables, especially in intensity above the WRTS. Finally, there were no reported data concerning the reproducibility of the protocol for detection of the WRTS, which limits the consistent inferences obtained from the study.

Brisswalter and Mottet⁸ also investigated the relationship between the energy costs at speeds that were imposed and selected based on the WRTS. As the objectives of the study focused on the energy demand, the only data obtained from exhaled gases measurements were the VO₂ values during running and walking. This experiment showed methodological problems similar to those observed by Mercier et al⁹, which also reduces the consistency of the results.

The data found in this study appear to be opposed to those observed by Mercier et al⁹. In our study, we obtained similar data for the monitored cardiorespiratory variables at 0.5 km/h below the WRTS, which did not occur at 0.5 km/h above the WRTS. At the latter speed, significant differences were observed in ventilatory (except O₂ pulse) and HR variables between walking and running. The exception found for the O₂ pulse can be explained by the similar increases in VO₂ and HR values, which rendered the relationship between these variables essentially constant at the assessed speeds.

Besides the cardiorespiratory responses, our study followed the local and general perception of effort. In both forms of perception, there was a greater value during walking than during running, at a speed above the WRTS, corroborating the data observed for HR and ventilatory variables. At all speeds, the local perception had higher scores than the general perception during walking, suggesting a strong influence of peripheral factors on this form of locomotion^3,5. Above the WRTS, VO₂, HR and VE responses were higher during walking than during running, possibly due to an increased recruitment of the muscles of the trunk and upper limbs with the increase in speed in this form of locomotion, also increasing the eccentric work for carrying out the movement⁵. There may be a relationship between the local perception of greater effort and the greater increase in cardiorespiratory variables. Prilutsky and Gregor³ evaluated several leg muscles during walking and running at speeds between 55 and 145% of the WRTS by EMG, noting that the action of the flexor muscles was greater during walking than during running above the WRTS. The lower VO₂ during running at higher speeds may be a consequence of the elastic energy stored during the running support stage^22,23, as occurs in walking²⁴.

Three aspects seem to explain the differences between this study and the one conducted by Mercier et al⁹. The first concerns the sample selection. The sample of the above mentioned study was small and heterogeneous regarding gender, anthropometric characteristics, aerobic condition and experience in working on a treadmill. The careful homogeneization of these characteristics in this study may have contributed to a greater control of the measurements obtained, since they can affect the cardiorespiratory responses to exercise. The difference in the WRTS detection protocols may also have influenced the differences in results. Only one study presented data on reproducibility of the WRTS detection protocol, in which an intraclass coefficient of 0.72 was observed for the WRTS determined in different days⁷. In this study, there was a high reproducibility of the WRTS detection protocol, which showed an intraclass correlation coefficient of 0.92, higher than the value reported in the literature.

Finally, we highlight the difference in monitoring time of variables between the studies. Our data were followed for eight minutes, while Mercier et al⁹ followed for just four minutes, which may have not be sufficient for the stabilization of the measurements, especially at speeds above the WRTS. An important detail to be highlighted concerns the exercise tolerance while walking at a speed of 1 km/h above the WRTS. In our experiment, the subjects have reported marked fatigue while walking after the fourth minute at 0.5 km/h above the WRTS, and they had to be constantly encouraged to continue until the end of the eighth minute. A pilot study showed that there was no stability of measurements and that it was extremely difficult to make volunteers remain walking for more than four or five minutes at 1 km/h above the WRTS. From the application, this means that walking fast at speeds above the WRTS may not be a good strategy for completing the exercise, due to the rapid increase in cardiorespiratory and perceptual responses to exercise.

If walking is the most appropriate form of locomotion for the initial phase of cardiac rehabilitation programs, the subsequent inclusion of running is quite common and recommended. However, for those who do not fit in these two extremes, the choice of one or other activity may have implications in the possibilities of effort tolerance²⁵. The results of this study call attention to the impact that the choice of the form of locomotion can have in quantifying the intensity of the exercise. The perception of effort, which was higher during walking in all investigated speeds, calls attention to the importance of monitoring peripheral factors, as well as the metabolic data. In this sense, the Borg scale focused on perceptions of local efforts can assist in monitoring the exercise intensity. In addition, small variations in speed in different forms of locomotion can cause different responses to the effort. In this study, a variation of approximately 15% in speed and in the form of locomotion represented individual differences of up to 50% in the VO₂ measured during exercise (Figure 3). For some subjects, the HR varied by up to 25 bpm between running and walking at the same speed. However, changes in running speed around the WRTS did not significantly affect the HR responses and may even be more convenient to some subjects from a locomotor point of view (Figure 2).

The data of this research also suggest implications for the energy expenditure of the activity. The use of equations for prescribing exercise based on the expenditure of energy may be relatively useful in submaximal activities, standardized and carried out under steady-state conditions. However, the adoption of such equations does not apply to a range of speeds in which occurs the transition between walking and running, more typically between 6 and 8 km/h. In this case, for the same form of locomotion, the individual variability in VO₂ and consequently in energy expenditure, may reach 20%, making difficult the use of predictive equations¹. The choice between walking or running at the same speed raises different implications in energy demand, as shown in this study VO₂ data, highlighting the influence of different forms of locomotion, when the exercise is conducted at speeds above or below the WRTS. At intensities below, or even at the WRTS, running tends to provide slightly higher values than those of walking. However, above the WRTS, walking will have more influence on VO₂ values, and thus on the expenditure of energy, than running. These findings emphasize the importance of choosing the form of locomotion in the exercise programs for cardiac rehabilitation, in which the subjects exercise in intensity near the WRTS, with clinical implications and greater safety in the prescription of atictivities^1,26.

Another aspect to be highlighted is the importance of the form of locomotion in the behavior of the VE and the O₂ and CO₂ ventilatory equivalents. Above the WRTS, a larger increase was observed in these indicators during walking than during running, which can result in implications for the subjects who have cardiorespiratory limitations^27-29. This fact further reinforces the need to correctly select the form of locomotion in the prescription for exercise in these individuals.

The use of energy substrates also appears to be influenced by the form of locomotion. At the speeds investigated, walking tended to present systematically higher values of R than running, and the difference was significant (p <0.05) above the WRTS. Regarding the influence of the form of locomotion in fatigue at the end of eight minutes of walking, the VO₂ exceeded that obtained in the VAT, which does not happen during running. These findings also stressed the importance of a proper selection of the form of locomotion in the exercise prescription, especially in programs of 20 to 60 minutes, which are recommended to improve the aerobic fitness¹.

Therefore, the WRTS detection is a recommended strategy to determine limits on walking during a session of aerobic exercises, especially for subjects who need more care in the control of physiological variables during exercise.

Conclusion

From a homogenized sample regarding sex, age, anthropometric characteristics, aerobic condition and experience in working on a treadmill, we found that at the speed of 0.5 km/h above the WRTS, the local and general perceptions of effort and the responses of HR, VO₂, VE, VCO₂ and R showed higher values during walking than during running, demonstrating the influence of the form of locomotion as an indicator of relative intensity of effort, use of energy substrate and tolerance to fatigue. At the WRTS, or at a speed of 0.5 km/h below the WRTS, the form of locomotion did not induce significant differences on the assessed cardiorespiratory variables and in the perception of effort. These data reinforce the importance of selecting the appropriate form of locomotion in the aerobic exercise prescription. However, due to the relatively short time span to monitor the investigated speeds, it was not possible to accurately extrapolate our findings to exercise sessions that exceed 30 minutes, which are designed to increase cardiorespiratory fitness. Future studies should be conducted with longer follow-up of variables, to further determine the influence of the form of locomotion on aerobic exercise prescriptions to non-athletes.

Potential Conflict of Interest

No potential conflict of interest relevant to this article was reported.

Sources of Funding

This study was partially funded by CNPq.

Study Association

This article is part of the thesis of doctoral submitted by Walace David Monteiro, from Universidade Gama Filho.

References

ARTÍCULO ORIGINAL

Respuestas cardiorrespiratorias y perceptivas para las mismas velocidades de caminata y carrera

Walace David Monteiro^{I, II}; Claudio Gil Soares de Araújo^{III, IV}

^IInstituto de Ciências da Atividade Física (ICAF / Aeronáutica)

^IIUniversidade Salgado de Oliveira (UNIVERSO)

^IIIClínica de Medicina do Exercício (CLINIMEX)

^IVUniversidade Gama Filho (UGF), Rio de Janeiro - Brasil

Correspondencia

RESUMEN

FUNDAMENTO: Es posible que diferentes formas de locomoción, cuando se ejecutan a una misma velocidad, influyan de forma diferente sobre las respuestas fisiológicas y perceptivas al esfuerzo.

OBJETIVO: Comparar las respuestas cardiorrespiratorias y de percepción subjetiva al esfuerzo, al caminar y al correr a las mismas velocidades, determinadas a partir de la velocidad de transición caminata-carrera (VTCC).

MÉTODOS: A partir de una muestra inicial de 453 individuos en servicio militar obligatorio, se seleccionaron 12 hombres adultos jóvenes y homogeneizados criteriosamente en cuanto a sexo, edad, características antropométricas, condición aeróbica y experiencia en ejercicios en cinta sin fin. En sesiones preliminares, se determinó individualmente la VTCC. Posteriormente, en tres días diferentes, los individuos caminaron y corrieron, en orden balanceado, a cada una de las siguientes velocidades: VTCC, VTCC - 0,5 km/h y VTCC + 0,5 km/h, con obtención de medidas de gases expirados, de la frecuencia cardíaca (FC) y de la percepción de esfuerzo.

RESULTADOS: El protocolo para detección de la VTCC se mostró altamente reproducible (r=0,92; p<0,05). En intensidad superior a la VTCC, la percepción del esfuerzo, la FC y las variables ventilatorias VE, VO2, VCO2 y R - presentaron valores mayores en la caminata con relación a la carrera (p<0,05), mientras que a la VTCC, y a 0,5 km/h por debajo de ésta, la forma de locomoción no influyó en las variables cardiorrespiratorias y perceptivas (p>0,05).

CONCLUSIÓN: La caminata a velocidades superiores a la VTCC tiende a ser más estresante desde el punto de vista fisiológico y perceptivo. Parece conveniente determinar individualmente la VTCC y normalizar la forma de locomoción para una prescripción más fisiológica y fidedigna de la intensidad de los ejercicios aeróbicos.

Palabras clave: Caminata, carrera, consumo de oxígeno, frecuencia cardíaca, ejercicio.

Introducción

El gasto energético del ejercicio varía de acuerdo con su característica¹. El hombre, por ser bípedo, utiliza sólo la caminata y la carrera como formas naturales de ambulación. Cuando la velocidad de desplazamiento aumenta, alcanzamos un momento crítico en que cambiamos de camina a carrera, caracterizando la velocidad de transición caminata-carrera (VTCC). Varios factores influyen en la VTCC, y entre ellos se destacan las características antropométricas, el nivel de condicionamiento físico, la duración de la actividad y la percepción de la intensidad del esfuerzo.

Pero, ¿qué es lo que hace exactamente que un individuo opte por caminar o correar a una velocidad dada? La respuesta a esta pregunta está lejos de ser respondida^2-6. Independientemente del mecanismo responsable por la VTCC, el conocimiento de las respuestas fisiológicas en la caminata y en la carrera, a velocidades próximas a la VTCC, puede ofrecer datos importantes para la prescripción de ejercicios aeróbicos en individuos saludables, así como en portadores de enfermedades cardiovasculares. Esto resulta práctico cuando es necesario combinar la caminata y la carrera en intervalos específicos de tiempo en la misma sesión de ejercicios. El análisis de estas alternativas se vuelve todavía más relevante para individuos que tienden a presentar un consumo máximo de oxígeno entre 6 y 10 MET, en los cuales caminar implica es un esfuerzo pequeño, mientras el correr representa un esfuerzo superior al umbral anaeróbico ventilatorio (VT).

Infelizmente, pocos experimentos investigaron las respuestas fisiológicas obtenidas por encima o por debajo de la VTCC^7-9. Además de ello, limitaciones metodológicas de los estudios dificultan inferencias sobre el asunto. Entre las principales, se destacan al fata de reproducibilidad del protocolo para detección de la VTCC, el reducido número de sujetos de las muestras y la variabilidad de sus características antropométricas, además del reducido tiempo de monitoreo de las actividades^7,10. Considerando tales limitaciones, se buscó en este estudio comparar las respuestas de variables cardiorrespiratorias y de percepción al esfuerzo en la caminata y en la carrera, en la VTCC, así como en niveles discretamente por encima y por debajo de ésta, en muestra cuidadosamente homogeneizada en cuanto al sexto, características antropométricas, condición aeróbica y adaptación al trabajo en cinta sin fin.

Métodos

Muestra

Para homogeneizar la muestra, se consideraron hombres con edades entre 18 y 19 años, que prestaban servicio militar obligatorio. A partir del cuantitativo de 453 individuos, aptos por evaluación médica para la práctica de actividad física, se seleccionaron aquellos que se situaban en el intervalo entre los percentiles de 35 y 65 del grupo para estatura. A continuación, se identificaron aquellos con valores de masa corporal más próximos al valor mediano del grupo, totalizando 53 voluntarios. Posteriormente, se excluyeron aquellos que participaban de deportes de competición o incluso los que estuvieran habituados al entrenamiento en cinta sin fin. A seguir, se excluyeron 12 individuos que presentaban longitudes de miembros inferiores más extremos en el grupo. Entre los remanentes, se identificaron 24 voluntarios con valores más homogéneos de condición aeróbica, obtenidos en prueba de campo (usando la misma estrategia: mediana ± 12). Además de seleccionar a los individuos a ser encaminados para test cardiopulmonar de ejercicio, la prueba de campo buscó eliminar una posible influencia del VT en la detección de la VTCC. Para tener la seguridad de que los integrantes de la muestra alcanzaban la VTCC por debajo de la velocidad de VT, identificamos inicialmente a los individuos cuyo VT se encontraba por encima de 9 MET en la prueba de campo. Considerando que el VT en no atletas generalmente ocurre entre el 60% y el 70% del consumo de oxígenos de pico (VO_2pico), los integrantes del estudio deberían presentar, al menos, valores de potencia aeróbica máxima entre 14 y 16 MET, lo que implicaría la cobertura de distancias entre 2.700 y 3.200 m en la prueba de campo de 12 minutos¹¹.

Para los 24 individuos así seleccionados, se realizó un entrenamiento para adaptación a la cinta sin fin, compuesto por 15 minutos ejecutados en dos días distintos, conforme adaptación de la propuesta original de Wall y Charteris^12,13. Finalmente, se realizó un test cardiopulmonar de ejercicio máximo, utilizando el protocolo en rampa, a partir del cual se seleccionaron 12 individuos entre los que cumplieron los criterios de test máximo, con resultados de VO_2pico y VT más próximos del valor mediano exhibido por el grupo. De esta forma, se seleccionaron 12 individuos homogeneizados criteriosamente en cuanto a los siguientes aspectos (mínimo y máximo): a) género y edad: hombres de 18,6 ± 0,5 anos (18 a 19); b) masa corporal de 66,4 ± 1,1 kg (64 a 68); c) estatura de 174,5 ± 1,4 cm (174 a 176); d) longitudes de miembros inferiores de 83,3 ± 1,2 cm (81 a 85,4); y VO_2pico de 52,2 ± 2,2 ml.kg^-1.min^-1 (50 y 57,1); f) VT de 39,8±2,6 ml.kg^-1.min^-1 (36,5 y 45,6). Anteriormente a la participación en el experimento, los voluntarios firmaron un término de consentimiento libre e informado y el protocolo del estudio fue aprobado por el comité de ética institucional.

Variables monitoreadas

Las variables cardiorrespiratorias monitoreadas fueron: consumo de oxígeno (VO₂), ventilación pulmonar (VE) y producción de gas carbónico (VCO₂), obtenidas a través de analizador metabólico Medical Graphics modelo GPX/D (Saint Louis, Estados Unidos), además de la frecuencia cardíaca (FC), medida por el monitor Polar modelo Accurex Plus, (Kempele, Finlandia). Se calcularon además, el pulso de oxígenos (pulso de O₂) los equivalentes ventilatorios para el oxígenos (VE/VO₂) y de gas carbónico (VE/VCO₂), y el cociente de intercambio respiratorio (R). Los datos se monitorearon continuamente y sus medidas se registraron a cada minuto de ejercicio.

La percepción al esfuerzo se evaluó mediante la escala de Borg CR10, adoptando los valores separados para las percepciones general y local del esfuerzo a cada minuto de ejercicio. Para la percepción local del esfuerzo, tras instrucciones normalizadas sobre la forma adecuada para cuantificar el esfuerzo percebido¹⁴, se solicitó al evaluado dar un nota referente a los síntomas verificados en los miembros inferiores. Debido la imposibilidad de expresar verbalmente los valores de la escala de Borg, por causa del aparato usado en la medida de las variables ventilatorias, el evaluador pasaba una regla sobre los valores de la escala, situada frente a la cinta, y el evaluado indicaba el valor referente al esfuerzo percibido en el momento.

Determinación de la VTCC individual

Con la identificación de la VTCC es dependiente del protocolo^7,10, inicialmente determinamos su reproducibilidad, a partir de la aplicación en tres días separados por 48 horas. Después de un calentamiento de dos minutos a 4,5 km/h, el protocolo iniciaba con una velocidad de 5,5 km/h, que era incrementada a cada 15 segundos en 0,1 km/h. Después de alcanzada la VTCC, el individuo proseguía en el protocolo por un minuto y treinta segundos más. Finalmente, se reducía la velocidad para 4,5 km/h por dos minutos y se finalizaba el protocolo. Para identificar el instante exacto en el cual cada voluntario modificaba la forma de locomoción se filmaron los test y la VTCC se determinó con auxilio de un videotape, permitiendo identificar el momento exacto en que el individuo espontáneamente pasaba a exhibir, de modo definitivo, la fase de vuelo que caracteriza la carrera.

Evaluación de las respuestas en las diferentes formas de locomoción

En esta etapa, los individuos fueron instruidos a caminar y a correr, durante ocho minutos, en intensidad de esfuerzo correspondiente a la VTCC individual, así como a velocidades equivalentes a ± 0,5 km/h de la misma. La opción por ese tiempo de monitoreo de las locomociones se debió al hecho de que los individuos tenía extrema dificultad en permanecer caminando por encima de la VTCC cuando se superaban los ocho minutos. De esta forma, para normalizar la comparación de las variables investigadas, se aplicó el mismo tiempo de actividad para todas las velocidades y locomociones. Las variables cardiorrespiratorias fueron monitoreadas continuamente y archivadas al final de cada minuto de actividad. En cuanto al esfuerzo percibido, se solicitó a los individuos que los indicaran al final de cada minuto de actividad. Para efectos de comparación, se utilizó el valor medio para los ocho minutos de actividad. Además, apuntando a estabilizar los valores del R, inicialmente los individuos caminaron a 5 km/h durante dos minutos. A partir de allí, se aplicaron la velocidad y locomoción seleccionadas para cada día. La recolección de datos se realizó en tres días, en los cuales los individuos ejecutaron dos actividades en cada visita, con intervalo de una hora, minimizando la posibilidad de fatiga. El orden de realización de las diversas actividades fue balanceado. En los distintos días de test, para cada voluntario, los datos se recolectaron en los mismos horarios y los individuos usaron siempre el mismo calzado deportivo.

Tratamiento estadístico

Para determinar la reproducibilidad del protocolo en la detección de la VTCC, se utilizó el coeficiente de correlación intraclase. Para comparar las diferencias en cada una de las respuestas cardiorrespiratorias y de percepción general y local del esfuerzo en las situaciones de caminata y carrera, en las tres velocidades estudiadas, se utilizó una ANOVA de medidas repetidas de una entrada acompañada de verificación post hoc de Bonferroni (p<0,05). Para todos los análisis de los datos se utilizó el software STATISTICA for Windows versión 6. 0, Statsoft Incorporation (Tulsa, Estados Unidos). Las figuras se prepararon en el GraphPad Prism 5 (San Diego, Estados Unidos).

Resultados

En la detección de la VTCC, se observaron valores medios muy similares en los tres días de tests, reflejando una baja variabilidad interdía (8,2 km/h, 8,1 km/h y 8,1 km/h, respectivamente; p>0,05). Además, el protocolo se mostró altamente reproducible, presentando un coeficiente de correlación intraclase de 0,92 (p<0,05).

Las respuestas fisiológicas al esfuerzo difirieron en las velocidades y formas de locomoción investigadas. Las percepciones del esfuerzo local y general también mostraron comportamientos distintos (figura 1), tendiendo a ser más altas para la caminata, especialmente por encima de la VTCC (p<0,05). Los resultados para percepción local del esfuerzo fueron sistemáticamente superiores a aquellos relatados para la percepción general (p<0,05).

Las respuestas de FC y VO₂ aumentaron con el incremento de las velocidades. Con todo, diferencias estadísticas (p<0,05) entre las locomociones fueron indicadas sólo por encima de la VTCC (figuras 2 y 3). A esa velocidad, la FC se mostró cerca de 20 lpm mayor en la caminata que en la carrera, mientras que el VO₂ se mostró superior en 5 ml. kg^-1. min^-1. Al compararlas con la menor y la mayor velocidad investigadas, se verificó que la FC aumentó, en promedio, sólo un 2,5% en la carrera y un 22% en la caminata. El mismo análisis para el VO₂ permite observar que, en la velocidad de 0,5 km/h por debajo de la transición, el consumo de oxígeno es cerca de 3 ml.kg^-1.min^-1 menor para la caminata (7%), mientras que en la velocidad de 0,5 km/h por encima de la velocidad de VTCC, la carrera economiza un 15% de oxígeno.

En lo que respecta a las respuestas de VE y VCO₂, los datos para la velocidad por encima de la transición se mostraron significativamente mayores (p<0,05) que los obtenidos en las otras intensidades estudiadas (figura 4), con comportamientos similares a aquellos observados para la FC y el VO₂. Ya para los equivalentes ventilatorios de O₂ y CO₂ (figura 5) se observaron valores muy similares para caminata y carrera en las dos menores velocidades estudiadas, además de aumentos importantes a favor de la caminata en la velocidad por encima de la transición (p<0,05).

El pulso de O₂ no presentó diferencia significativa entre la caminata y la carrera en ninguna de las tres velocidades estudiadas (p>0,05) (figura 6), aunque se haya observado una tendencia a valores progresivamente mayores cuando la velocidad se incrementaba en las dos formas de locomoción. Para todas las velocidades investigadas, la caminata presentó sistemáticamente valores de R superiores a los verificados en la carrera, aunque se haya verificado una diferencia significativa (p<0,05) en favor de la caminata sólo con la velocidad más alta (figura 7).

Discusión

Los componentes de una prescripción de ejercicios incluyen la selección de la modalidad, la intensidad del esfuerzo, la duración de la actividad, la frecuencia semanal y la forma de progresión del ejercicio^15,16. Estos componentes se aplican para desarrollar prescripciones en individuos de todas las edades, capacidades funcionales y condiciones clínicas^17-20. A pesar de la importancia de todos los componentes, la intensidad del esfuerzo es uno de los más difíciles de cuantificar. Tratándose de forma de locomoción, la selección de la modalidad apropiada aparece como el primer elemento a ser definido, puesto que puede influir en la intensidad del esfuerzo.

Antes de discutir los resultados obtenidos, cabe destacar la influencia de los protocolos para obtención de las variables, cuando se determinan a partir de la VTCC. En protocolos continuos, con etapas inferiores a cuatro minutos, las respuestas al esfuerzo pueden comportarse diferente de aquellas obtenidas en protocolos que utilizan esfuerzos de intensidad constante con etapas más prolongadas^7,21. En el caso de los protocolos con etapas más largas, se pueden computar los valores de las variables durante todo el tiempo de monitoreo. A partir de allí, los valores de esas variables se comparan para verificar la existencia de diferencias entre las dos formas de locomoción^8,9. Tal procedimientos permite el estudio en condiciones más reales de prescripción de ejercicios y, por ello, se optó por esa estrategia para seguir las respuestas en la caminata y carrera, investigando los valores medios de las variables cardiorrespiratorias y perceptivas en ocho minutos.

El único experimento que investigó variables ventilatorias en caminata y carrera a partir de la determinación de la VTCC fue realizado por Mercier et al. ⁹, acompañando siete individuos por cuatro minutos a la VTCC y a velocidades correspondientes a 0,5 y 1 km/h por encima y por debajo de ésta. No se encontraron diferencias para VO₂, VE, FC, VE/VO₂ y R en la VTCC, así como a 0,5 km/h por encima de la VTCC, no ocurriendo lo mismo con el VO₂, VE y FC a 0,5 km/h por debajo de la VTCC. A las velocidades correspondientes a ± 1 km/h, todas las variables presentaron diferencias entre caminata y carrera. Con todo, el reducido número de individuos, así como sus características antropométricas y de aptitud cardiorrespiratoria heterogéneas, limitan sus resultados. Además, cada forma de locomoción se acompañó sólo por cuatro minutos, lo que representa un intervalo de tiempo corto para obtención de estabilidad de las variables cardiorrespiratorias, especialmente en las intensidades por encima de la VTCC. Finalmente, no se relataron los datos referentes a la reproducibilidad del protocolo para detección de la VTCC, lo que limita la realización de inferencias consistentes a partir del estudio.

Brisswalter y Mottet⁸ también investigaron las relaciones entre el costo energético a velocidades impuestas y seleccionadas a partir de la VTCC. Como los objetivos del estudio se centraron en la demanda energética, el único dato proveniente de la medida de gases expirados fue el VO₂ en carrera y caminata. Este experimento presentó problemas metodológicos similares a los verificados por Mercier et al. ⁹, lo que también reduce la consistencia de sus resultados.

Los datos de este estudio se contraponen con los presentados por Mercier et al. ⁹ En la presente investigación se obtuvieron datos similares para las variables cardiorrespiratorias estudiadas a 0,5 km/h por debajo de la VTCC, no ocurriendo lo mismo a 0,5 km/h por encima de la VTCC. A esa velocidad, se observaron diferencias significativas en las variables ventilatorias (con excepción del pulso de O₂) y en la FC entre caminata y carrera. La excepción encontrada para el pulso de O₂ puede explicarse por el aumento similar del VO₂ y de la FC, haciendo que la relación entre esas variables permaneciera básicamente constante a las velocidades estudiadas.

Además de las respuestas cardiorrespiratorias, nuestro estudio acompañó la percepción general y local del esfuerzo. En las dos formas de percepción, se observó un valor mayor en la caminata con relación a la carrera por encima de la VTCC, corroborando los datos verificados para FC y variables ventilatorias. En todas las velocidades, la percepción local presentó scores más elevados que la percepción general para la caminata, sugiriendo fuerte influencia de factores periféricos en esa forma de locomoción^3,5. Por encima de la VTCC, las respuestas para VO₂, FC y VE fueron más altas en la caminata que en la carrera, posiblemente por un mayor reclutamiento de los músculos del tronco y de los miembros superiores con el incremento de la velocidad en esa locomoción, aumentando también el trabajo excéntrico para la realización del movimiento⁵. Es posible que haya una relación entre la mayor percepción local de esfuerzo y el mayor incremento de las variables cardiorrespiratorias. Prilutsky y Gregor³ evaluaron diversos músculos de la pierna durante caminata y carrera en velocidades entre el 55% y el 145% de la VTCC, a través de la EMG, observando que la acción de los músculos flexores fue mayor durante la caminata que durante la carrera por encima de la VTCC. Ya el VO₂ más bajo durante la carrera a velocidades más altas puede ser una consecuencia de la energía elástica almacenada durante la fase de apoyo de la carrera^22,23, lo que no ocurre en la caminata²⁴.

Tres aspectos parecen explicar las diferencias entre el presente estudio y el conducido por Mercier et al. ⁹. El primero se refiere a la selección muestral. La muestra del estudio supracitada fue reducida y heterogénea en cuanto al género, características antropométricas, condición aeróbica y experiencia en el trabajo en cinta sin fin. La cuidadosa homogenización de estas características en este estudio puede haber contribuido para un mayor control de las medidas obtenidas, ya que las mismas pueden afectar las respuestas cardiorrespiratorias al esfuerzo. La diferencia en el protocolo para detección de la VTCC también puede haber influido en las diferencias de resultados. Sólo un experimento presentó datos de reproducibilidad del protocolo para detección de la VTCC determinada en diferentes días⁷. En el presente estudio se verificó alta reproducibilidad del protocolo para detección de la VTCC, que mostró coeficiente de correlación intraclase de 0,92, valor superior al reportado en la bibliografía.

Finalmente, destacamos la diferencia del tiempo de monitoreo de las variables entre los estudios. Nuestros datos fueron acompañados durante ocho minutos, mientras que Mercier et al. ⁹ acompañaron sólo cuatro minutos, lo que puede no haber sido suficiente para la estabilización de las medidas, principalmente en velocidades por encima de la VTCC. Un detalle importante a destacar tiene relación con la tolerancia al esfuerzo al caminar a velocidad de 1 km/h por encima de la VTCC. En nuestro experimento, los individuos ya relataban cansancio acentuado para la caminata después del cuarto minuto a 0,5 km/h por encima de la VTCC, debiendo ser sumamente motivados para continuar hasta el final del octavo minuto. Un estudio piloto mostró que no había estabilidad de medidas y que era extremadamente difícil hace que los voluntarios permanecieran por más de cuatro o cinco minutos a 1 km/h por encima de la VTCC caminando. Desde el punto de vista aplicado, esto implica decir que caminar rápido a velocidades superiores a la VTCC puede no ser una buena estrategia para la realización de ejercicio, debido al rápido aumento de las respuestas cardiorrespiratorias y perceptivas al esfuerzo.

Si por un lado caminar es la locomoción más apropiada para la fase inicial de programas de rehabilitación cardíaca, la inclusión posterior de la carrera es bastante común y recomendada. Sin embargo, para aquellos que no se encuadran en estos dos extremos, la opción por una u otra actividad puede traer implicaciones en las posibilidades de tolerancia del esfuerzo²⁵. Los resultados de este estudio llaman la atención para el impacto que la selección de la forma de locomoción puede traer en la cuantificación de la intensidad del ejercicio. La percepción del esfuerzo, mayor en la caminata en todas las velocidades investigadas, alerta para la importancia del seguimiento de factores periféricos, conjuntamente con los datos metabólicos. En este sentido, la escala de Borg volcada a la percepción local del esfuerzo puede auxiliar el seguimiento de la intensidad del ejercicio. Además, pequeñas variaciones en la velocidad en las diferentes locomociones pueden provocar distintas respuestas al esfuerzo. En el presente estudio, una variación de aproximadamente un 15% a la velocidad y forma de locomoción representó diferencias individuales de hasta un 50% en el VO₂ medido durante el ejercicio (figura 3). Para algunos sujetos, la FC varió en hasta 25 lpm entre carrera y caminata a la misma velocidad. Ya variaciones de la velocidad de carrera alrededor de la VTCC no afectaron significativamente las respuestas de FC, pudiendo incluso ser más conveniente desde el punto de vista locomotor para algunos individuos (figura 2).

Los datos de la presente investigación también sugieren implicaciones en cuanto al gasto energético de la actividad. El uso de ecuaciones para describir el ejercicio en base al gasto de energía puede ser relativamente útil en actividades submáximas, normalizadas y realizadas en condiciones de steady-state. Con todo, la adopción de ecuaciones de esta naturaleza no se aplica a un intervalo de velocidad en que ocurre la transición entre caminata y carrera, más típicamente entre 6 y 8 km/h. En ese caso, para una misma forma de locomoción, la variabilidad individual en el VO_2, y por consiguiente en el gasto energético, puede llegar al 20%, dificultando el uso de ecuaciones predictivas¹. La opción por caminar o correr a la misma velocidad, tiene implicaciones distintas en la demanda energética, conforme lo indican los datos de VO₂ de este estudio, destacando la influencia diferencia de la locomoción, cuando el ejercicio se realiza a velocidades por encima o por debajo de la VTCC. En intensidades por debajo, o incluso en la VTCC, la carrera tiende a presentar valores ligeramente superiores a los de la caminata. No obstante, al superar la VTCC la caminata pasa a tener mayor influencia sobre el VO₂, y consecuentemente, sobre el gasto de energía con relación a la carrera. Estos hallazgos resaltan la importancia de la selección de la forma de locomoción en programas de ejercicio para rehabilitación cardíaca, en los cuales los sujetos se ejercitan en intensidades próximas a la VTCC, con implicaciones clínicas y mayor seguridad en la prescripción de la actividad^1,26.

Otro aspecto a ser destacado es la relevancia de la forma de locomoción en el comportamiento de la VE y de los equivalentes ventilatorios de O₂ y CO₂. Por encima de la VTCC, se observó gran incremento de estos indicadores en la caminata con relación a la carrera, lo que puede traer implicaciones para los sujetos que tienen restricciones cardiorrespiratorias^27-29. Tal hechos refuerza todavía más la necesidad de seleccionar correctamente la forma de locomoción para la prescripción del ejercicio en estos individuos.

La utilización del sustrato energético también parece ser influenciada por la forma de locomoción. En las velocidades investigadas, la caminata tendió a presentar valores sistemáticamente más elevados de R que la carrera, siendo la diferencia significativa (p<0.05) por encima de la VTCC. En cuanto a la influencia de la forma de locomoción en la fatiga, al final de los ocho minutos de caminata, el VO₂ superaba el obtenido en el VT, no ocurriendo lo mismo en la carrera. Estos hallazgos también indican la importancia de la selección adecuada de la locomoción en la prescripción del ejercicio, principalmente en los programas de 20 a 60 minutos, preconizados para el perfeccionamiento de la condición aeróbica¹. Entonces, la detección de la VTCC puede ser una estrategia recomendada para determinar límites en que la caminata puede realizarse en una sesión de ejercicio aeróbico, principalmente para individuos que necesitan mayores cuidados en cuanto al control de las variables fisiológicas durante el esfuerzo.

Conclusión

A partir de una muestra homogeneizada en cuanto a sexo, edad, características antropométricas, condición aeróbica y experiencia en el trabajo en cinta sin fin, se verificó que a 0,5 km/h por encima de la VTCC, las percepciones general y local del esfuerzo, así como las respuestas de FC, VO₂, VE, VCO₂ y R presentaron valores superiores para la caminata con relación a la carrera, demostrando la influencia de la forma de locomoción en los indicadores de intensidad relativa al esfuerzo, utilización del sustrato energético y tolerancia a la fatiga. En la VTCC, o a 0,5 km/h por debajo de ésta, la forma de locomoción no indujo diferencias significativas sobre las variables cardiorrespiratorias y de percepción al esfuerzo investigadas. Estos datos refuerzan la importancia de la selección adecuada de la forma de locomoción en la prescripción del ejercicio aeróbico. Con todo, debido al tiempo de monitoreo relativamente corto en las velocidades investigadas, no es posible extrapolar con precisión nuestros hallazgos para sesiones de ejercicios destinadas al aumento de la aptitud cardiorrespiratoria con duraciones superiores a 30 minutos. Estudios futuros deben ser conducidos con mayor tiempo de seguimiento de las variables, para determinar más detalladamente la influencia de la forma de locomoción en la prescripción del ejercicio aeróbico para no atletas.

Potencial Conflicto de Intereses

Declaro no haber conflicto de intereses pertinentes.

Fuentes de Financiación

El presente estudio fue parcialmente financiado por el CNPq.

Vinculación Académica

Este artículo es parte de la tesis de doctorado de Walace David Monteiro de la Universidad Gama Filho.

Referencias