Arkitektonisk girforhold - Architectural gear ratio
Arkitektonisk girforhold , også kalt anatomisk girforhold (AGR) er et trekk ved pennatmuskel definert av forholdet mellom muskels langsgående belastning og muskelfiberstamme . Det er noen ganger også definert som forholdet mellom muskel- forkorting hastighet og fiber forkorte hastighet.
AGR = ε x /ε f
hvor ε x = langsgående belastning (eller muskelforkortingshastighet) og ε f er fiberstamme (eller fiberforkortingshastighet) I fusiform muskel er fibrene langsgående, så langsgående belastning er lik fiberbelastning, og AGR er alltid 1.
Når pennatmusklen aktiveres, roterer fibrene når de forkortes og trekker i en vinkel. I pennatmuskler orienteres fibrene i en vinkel mot muskelens virkningslinje og roterer etter hvert som de forkortes, og blir mer skrå slik at kraftdelen som styres langs muskelens virkningslinje avtar gjennom en sammentrekning. Kraftutgang er avhengig av fiberrotasjonsvinkelen, så endringer i muskeltykkelse og vektoren for endring i tykkelse varierer; basert på kraften som blir produsert. På grunn av rotasjonsbevegelsen; pennate muskler opererer med lave hastigheter (lav forkortelsesavstand). Forkortelseshastigheten til pennatmusklen som helhet er større enn de enkelte fibre. Dette gir opphav til eiendommen til AGR. Fiberrotasjon reduserer musklens utgangskraft, men øker utgangshastigheten ved å la muskelen fungere ved et høyere girforhold (muskelhastighet/fiberhastighet). Azizi og Brainerd demonstrerte at girforholdet mellom pennatmuskel kan variere; avhengig av ekstern belastning.
Segmentert muskulatur, som pennatmuskel, har fibre justert i en vinkel, og på grunn av denne funksjonen i design, når muskelfibrene øker i vinkel i forhold til medialaksen , sammen med retningen og mengden muskelbølging, øker det arkitektoniske girforholdet. Et variabelt girforhold, basert på forskjellige anatomiske posisjoner , laste- og bevegelsesforhold, har siden blitt kalt romlig varierende girforhold. Forekomsten av romlig varierende girforhold gir opphav til en ny innsikt i muskelbiologi; "Inhomogen muskelmekanikk."
Et trekk ved forholdet er at det er et optimalt girforhold for hver muskel; som forholdet mellom lengde-spenning og kraft-hastighet beskriver. Lengdespenning refererer til den maksimale spenningen som kan opprettes over belastningsområdet for muskelfiber og krafthastighet refererer til kraften som er mulig for fiberen sammenlignet med forkortingshastigheten. Disse to muskulaturfunksjonene er med på å definere en optimal AGR for en muskel.
Muskel modell
Det arkitektoniske girforholdet forklares gjennom den segmenterte muskelmodellen 3 foreslått av Emanuel Azizi, hvor et muskelsegment er vist som en enkelt muskelfiber festet til myosepta av en Siren lacertina en akvatisk salamander i en viss akutt vimpelvinkel. Modellen lar segmenter bule ut ulikt i horisontal og vertikal retning og ble brukt til å beregne det arkitektoniske girforholdet for hvert segment. Foreløpige modellresultater viser at med muskelbølger vil det arkitektoniske girforholdet øke. Ulike utbulingsforhold ble studert, og vist i figur 2 Modellresultatene viser jo mer en muskel buler i dorsoventral høyde, jo lenger muskelfibrene forkortes, og gir derfor et høyere arkitektonisk girforhold.
I vimpelmuskler legger segmenter med høyere vimpelvinkler ut mindre kraft per forkortelse av muskelfibre. Derfor er det arkitektoniske girforholdet til en pennatmuskel høyere enn det arkitektoniske girforholdet for spindellignende muskler (f.eks. Fusiform). En mindre fiberlengde nøytraliserer dette høyere arkitektoniske girforholdet hvis muskelfibrene må presses inn i samme rom.
Penningsvinkel og muskelskade
Den rotatorkuff omfatter fire pennate muskler, den supraspinatus , infraspinatus , subscapularis og teres mindre , og deres tilhørende sener. Disse musklene danner en mansjett rundt det glenohumerale leddet og fungerer for å stabilisere og manipulere skulderen.
Den pennation vinkel til dreie cuff myofibers, vinkelen ved hvilken fibrene kobles til det tilhørende sene, påvirker de kontraktile egenskaper og funksjon i hele pennate muskelen. For eksempel bestemmer pennasjonsvinkelen det arkitektoniske girforholdet som en pennatmuskel opererer ved. En stor innledende vinkel resulterer i en stor AGR og hastighetsforsterkning.
En studie fra 2011 om menneskelige kadaveriske skuldre antyder at senetår kan påvirke vinkel på rotator mansjettmusklene. Forskere sammenlignet pennasjonsvinkelen mellom en kontrollgruppe og tåregrupper som omfatter enten senetårer med delvis eller full tykkelse. Gjennom disseksjon av ti skadde og ti ikke-skadede cadeveriske skuldre, oppdaget studien en sammenheng mellom senestørrelse og en økning i vinkel mellom to av rotator mansjettmuskulaturen. Pennasjonsvinkelen forble upåvirket på tvers av alle rotator -mansjettmuskulaturen i den delvise sene -rivegruppen, noe som tyder på at en terskel -rivestørrelse må overskrides for å kunne endre pennasjonsvinkelen. Senetår i full tykkelse påvirket ikke pennasjonsvinkelen til subscapularis eller teres minor muskler. Imidlertid var en sammenheng mellom rotator mansjettens rivestørrelse i full tykkelse og pennasjonsvinkelen til supraspnatus og infraspinatus muskler tydelig. Lengden på senetåren med full tykkelse er sterkt korrelert med en økning i pennasjonsvinkelen til supraspinatus-muskelen. I tillegg var en moderat sterk sammenheng mellom området med full tykkelse og den resulterende økningen i vinkel på infraspinatus.
Økningen i pennasjonsvinkelen kan føre til endringer i muskelstrukturen. I en studie med sauefag resulterte en kronisk rotator mansjettrev i en økning i både vinkelvinkelen og separasjonen mellom myofibre i rotator mansjettmuskulaturen. Fettceller befolket deretter den omorganiserte muskelen. Dette fenomenet var også tydelig i det nevnte menneskelige eksperimentet.
Økningen i pennasjonsvinkel etter senetår i full tykkelse vil resultere i en endring av PCSA for supraspinatus og infraspinutus muskler. Dette vil redusere kraftproduserende kapasitet til disse musklene. Imidlertid kan delvis senetår, som ikke resulterte i en endring i pennation i noen av rotator mansjettmusklene, ikke forringe musklens kraftproduserende egenskaper. Azizis observasjoner om variabel giring i pennatmuskler antyder videre at senetår vil påvirke AGR for supraspinatus og infraspinutus. Den større vinkelvinkelen kan resultere i økt AGR.
Noen forskere foreslår at lappetransplantasjoner bør brukes på uopprettelige tårer i rotatoren. Selv om denne øvelsen reduserer smerte, blir ikke muskelstyrken fullstendig gjenopprettet. Ovennevnte studie av menneskelig rotator -mansjett korrelerer pennasjonsvinkel med rivelengde i supraspinatus -muskelen. Derfor kan det hende at et lappetransplantat ikke løser lengdeendringen som er nødvendig for å gjenopprette vinkelvinkelen; tilbaketrekking av den revne senen kan redusere vinkel etter riften og gjenopprette muskelstyrken i større grad.
Intrafasciular belastning viste at muskelen var ujevn, og at det arkitektoniske girforholdet er det høyeste ved den proksimale regionen av muskelen, men senker mot den distale regionen. "Det er for øyeblikket ikke mulig å bestemme den presise fordelingen av stress gjennom en muskel, men det virker rimelig å anta at den totale (integrerte) kraften ved et tverrsnitt av muskelen og senen forblir ganske konstant langs den proximodistale aksen. De mindre tverrsnittsområdene etter hvert som muskelen tynnes og blir sene, vil dermed resultere i en høyere spenningskonsentrasjon for å imøtekomme den samme belastningen over et mindre område og derfor potensielt høyere belastninger hvis materialegenskapene forblir konstante. "
Muskelarkitektur og motstandstrening
Den muskel arkitekturen av pennate muskler, for eksempel den menneskelige quadriceps , er meget plastisk og påvirker sterkt kontraktile egenskaper. Endringer i pennate muskelarkitektoniske egenskaper, for eksempel pennasjonsvinkel og dermed PCSA, kan endre musklens kraftproduserende evner så vel som AGR som musklen opererer på. Parallelogrammodeller forutsier at total PCSA av bipennate muskler øker proporsjonalt med synd (ennpenning) mens total kraft som utøves på den assosierte aponeurosen minker med cos (θpenning). Dette teoretiserer at generering av pennate muskelkraft øker til en 45 graders vinkel er oppnådd.
En studie fra 2001, utført av Aagaard et al. , benyttet MR, ultralyd og muskelbiopsiteknikker for å undersøke forholdet mellom muskelarkitektur, kontraktil styrke og penningsvinkel i den menneskelige quadriceps -muskelen etter 14 ukers motstandstrening. Etter fullført opplæringsprogram, sa Aagaard et al. merket en symmetrisk økning i quadriceps CSA og volum, da hver økte henholdsvis 10,2 og 10,3 prosent; Imidlertid økte disse parameterne uforholdsmessig til quadriceps PCSA, som vokste 16 prosent. Den raske økningen i PCSA ble ledsaget av en 35,5% økning i fascicle pennation -vinkelen til vastus lateris, en av de store quadriceps -musklene, samt en 16% økning i myofiber CSA. Økningen i pennasjonsvinkelen i vastus lateris resulterte i en økning i musklens PCSA, et mål proporsjonalt med den kontraktile kraften en pennatmuskel er i stand til å produsere. Arbeid av Azizi et al. antyder at denne økningen i pennasjonsvinkelen til vastus lateris etter motstandstrening genererer en økning i muskelens AGR, en egenskap som gjør at hele muskelen kan trekke seg sammen med en høyere hastighet.
En studie fra 2007, utført av Blazevich et al. , gjentok og la til en ekstra dimensjon til Aagaard et al. er konklusjonene. Blazevich et al. undersøkte effekten av 10-ukers konsentrisk eller eksentrisk kneforlengelsestrening på arkitektoniske egenskaper til de menneskelige quadriceps med det formål å avdekke den mekaniske stimulansen som er involvert i arkitekturtilpasning. Begge treningsformene resulterte i økt toppkonsentrisk og eksentrisk styrke. Konsentrisk trening resulterer imidlertid i høyere konsentrisk toppstyrke. Ultralyd viser at lengden på muskelfiber på vastus medialus og vastus lateris øker på samme måte etter eksentrisk og konsentrisk trening, med endringene som skjer brått i løpet av de første 5 ukene av treningsprogrammet. Fordi fiberlengden var uavhengig av treningstype, Blazevich et al. tror driftsavstand bestemmer den optimale fiberlengden. Denne muskelegenskapen er viktig for å bestemme vinkel-dreiemomentforholdet til en muskel. Studien støttet pennation vinkeltrender avdekket av Aagaard et al. ; i tillegg Blazevich et al. konkluderte med at vinkelendringene i vastus lateris fascicle er uavhengige av treningstypen og modulerer sterkt med volum. Dette antyder at fiberlengde og vinkelendringer endres via separate mekaniske stimuli, dvs. henholdsvis operasjonsavstand og muskelvolum. Videre skjer disse vinkelendringene over en relativt lang tidsskala ettersom pennasjonsvinkelen økte til opphør av treningsprogrammet i uke 10. Blazevich et al. forutsi økningen i pennasjonsvinkelen sett etter eksentrisk eller konsentrisk trening, slik at pennatmuskelen kan feste flere fibre til den tilhørende aponeurosen, samt øke PCSA og AGR. Arkitektoniske modifikasjoner av pennate muskler flytter posisjonen der muskelen opererer på krafthastigheten og kraftlengdekurvene til regioner som er best egnet for muskelens funksjon. En økning i pennasjonsvinkel øker teoretisk både PCSA og AGR for en gitt pennatmuskel, slik at muskelen kan generere høyere krefter mens den opererer med høyere optimale hastigheter. En økning til fiberlengde vil tillate muskelen å fungere i lengre lengder.
Stamme og AGR -heterogenitet i en muskel
En studie fra 2009 som brukte magnetisk resonansavbildning og ultralyd, oppdaget heterogenitet av belastning og vinkelvinkel i medial gastrocnemius pennatmuskel under forskjellige sammentrekningsmåter. Parametere for fascikkelplassering og sammentrekningstype (eksentrisk eller passiv), bestemte størrelsen på belastningen som oppleves av forskjellige regioner i MG. Fascicle -ender nærmest den dype MG -aponeurosen (akillessenen) viste en økning i belastningen fra de proksimale til distale delene av MG -muskelen. Det omvendte ble sett i fascikkelendene ved siden av den overfladiske aponeurosen, som reduserte fiberstammen fra proksimale til distale deler av MG -muskelen. Disse trendene kan ha skyldes endringer i CSA i muskelen i de proksimale og distale ender av MG, noe som resulterte i områder med høy stress og belastningskonsentrasjon. Denne regionale variasjonen i belastningen ble ledsaget av en statistisk signifikant økning i AGR og hvilende vinkel fra distale til proksimale deler av muskelen. Videre var større endringer i pennasjonsvinkelen synlige i den proksimale enden av MG. De eksperimentelle AGR -verdiene modulerte seg positivt med pennasjonsvinkelen, så vel som avstanden mellom de dype og overfladiske apopneurosene, og kan ha blitt påvirket av regionale mønstre i ortogonal bukking. Disse trendene fremhever kompleksiteten til muskelfysiologi, ettersom forskjellige muskelområder kan trekke seg sammen med forskjellige kontraktile egenskaper, for eksempel belastning og AGR.