Abstract

Introducere

Animalele produc o serie de mișcări de propulsie, cum ar fi alergarea și mersul pe jos, care angajează proprietățile inerțiale ale segmentelor corpului. Aparatul motor este, de asemenea, dotat cu proprietăți viscoelastice care asigură stocarea și disiparea energiei și contribuie la stabilitatea corpului în timpul locomoției. Mușchii și membrele au fost modelate ca sisteme amortizoare de masă-arc cu componentele de amortizare asociate adesea cu proprietățile mușchilor [McMahon, 1984; Lin și Rymer, 1993]. Experimentele actuale de locomoție la om au investigat potențialul ca țesutul adipos să influențeze dinamica mișcării [Devita și Hortobagyi, 2003]. Autorii au concluzionat că indivizii obezi au o gamă de mișcare scăzută la nivelul piciorului [Devita și Hortobagyi, 2003] și o cheltuială energetică crescută [Browning și colab., 2009]. Scopul acestui studiu a fost de a testa dacă grăsimea normală, în special tamponul de grăsime poplitee, poate influența parametrii de mișcare în timpul locomoției la animalele non-obeze.

Tamponul de grăsime poplitee la pisică este situat între mușchii mediali și laterali ai hamstringului și acoperă atașamentele proximale ale mușchilor gastrocnemius [Crouch, 1969]. Dispunerea acestor mușchi formează un buzunar posterior articulației genunchiului, iar tamponul de grăsime este situat în acest buzunar, sub fascia crurală. Prin urmare, tamponul de grăsime popliteu este o structură incompresibilă și viscoelastică [Geerling și colab., 2008] cu spațiu limitat pentru extindere. S-a demonstrat că alte tampoane de grăsime au proprietăți similare. De exemplu, un studiu realizat de Cirovic și colab. [2005] a descris grăsimea orbitală care înconjoară globul ocular ca fiind o structură incompresibilă și viscoelastică, care îi permite să limiteze accelerația globului ocular prin amortizarea mușchilor extraoculari de pe globul ocular. Această amortizare crește stabilitatea ochiului în timpul mișcării.

Am evaluat efectele îndepărtării grăsimii poplitee asupra cinematicii pășirii membrului posterior felin și am întrebat dacă îndepărtarea grăsimii poplitee va spori accelerația unghiulară și va crește gama de mișcare a articulațiilor membrelor posterioare. Pisica decerebrată locomotivă spontană a fost selectată pentru investigațiile privind rolul tamponului de grăsime poplitee în timpul locomoției, deoarece acest preparat permite evaluarea rezultatelor acute fără influența adaptărilor neuronale sau musculo-scheletice pe termen lung care s-ar putea dezvolta chiar și în timpul recuperării chirurgicale în un experiment cronic. Acest preparat a fost utilizat pe scară largă în studii în domeniul controlului motorului [Whalen, 1996]. Am constatat că accelerațiile unghiulare ale articulațiilor șoldului, genunchiului și gleznei au crescut după lipectomie, susținând ipoteza noastră că grăsimea poplitee contribuie la amortizarea membrelor posterioare.

Materiale și metode

Protocolul experimental folosit pentru a determina rolul plăcii de grăsime poplitee în mersul pe bandă de nivel a fost aprobat de Comitetele de îngrijire și utilizare a animalelor de la Universitatea Emory și Georgia Institute of Technology. Acest protocol a fost efectuat pe 3 pisici masculi (fig.1). 1). Datele au fost colectate folosind 6 camere Vicon pentru a înregistra locațiile markerului 3D de la pisică la 250 sau 125 Hz pentru a filtra zgomotul de fond. Analiza video a experimentului a fost utilizată pentru demarcarea manuală a evenimentelor de contact cu laba și cu labă. Localizarea articulației genunchiului a fost calculată prin proiectarea unui vector de la markerul maleolului lateral prin piciorul superior până la genunchi cu magnitudinea lungimii piciorului premăsurat. Traiectoriile markerului au fost procesate post-hoc în Matlab (Mathworks, Inc.) și cu un filtru Butterworth de ordinul 4, low-pass, la 6 Hz. Unghiurile incluse pentru articulațiile șoldului, genunchiului și gleznei în plan sagital au fost calculate utilizând codul Matlab scris personalizat și orientate așa cum se arată în figura 1 .

dovezi

Anatomia membrului posterior al pisicii și plasarea markerului cinematic. Diagrama din dreapta arată amplasarea tamponului de grăsime poplitee, precum și locațiile markerilor cinematici. Axele marchează orientarea markerilor în spațiul 3D. Diagrama din stânga sus ilustrează unghiurile incluse în raport cu amplasarea factorilor de cinematică.

Traiectoriile medii ale unghiurilor de șold, genunchi și gleznă și accelerații unghiulare au fost evaluate prin calcularea în medie a primelor 10 etape ale fiecărui studiu în fiecare afecțiune (înainte sau după lipectomie) împreună. Punctele de date din fiecare pas au fost calculate în 50 de coșuri (sau 2% din ciclul de pași), ceea ce a eliminat variabilitatea lungimii între pași, dar a păstrat variabilitatea traiectoriei în fiecare pas individual. Accelerația unghiulară și viteza au fost calculate luând prima și a doua dată derivate ale unghiului inclus, respectiv. Au fost alese puncte de timp specifice de-a lungul ciclului pasului pentru analiză: poziția medie (punctul 1), labă off (punctul 2), leagănul mediu (punctul 3) și decelerarea vârfului la sfârșitul re-extensiei genunchiului 4).

Un test ANOVA cu două căi și un test Tukey post-hoc au fost efectuate folosind Statistica pentru a determina dacă a existat o schimbare semnificativă a unghiurilor incluse și a accelerațiilor unghiulare la cele 4 puncte de timp alese în toate experimentele. ANOVA cu două căi a fost selectat pentru a testa efectul principal al perturbării dintre animale.

Rezultate

Incluse unghiuri, viteze și accelerații unghiulare înregistrate în timpul mersului la nivel. Graficele arată rezultatele dintr-o singură etapă a unei pisici membre intacte, începând și terminând cu contactul labei (PC) și înainte și după lipectomie. PO = Paw off.

Accelerații unghiulare incluse

Accelerația unghiulară a fost cuantificată înainte și după lipectomie pentru a evalua proprietățile de amortizare a grăsimii poplitee. Viteza unghiulară și accelerațiile articulațiilor șoldului, genunchiului și gleznei au crescut și au scăzut substanțial pe tot parcursul ciclului de pași, așa cum se arată în figura 2. 2. Toate cele 3 articulații au accelerat în direcția de extensie în timpul poziției, viteza de vârf atinsă la mijlocul poziției și apoi a decelerat spre labă, unde a fost atinsă extensia maximă. După inversarea în direcție de la extensie la flexie la labă, unghiurile articulațiilor s-au accelerat în direcția de flexie și, în cele din urmă, au decelerat spre contactul labei. Pentru genunchi, poziția unghiulară a depășit poziția la contactul labei în timpul oscilației și apoi s-a extins din nou spre contactul labei. Un vârf suplimentar de decelerare a avut loc la genunchi la sfârșitul acestei re-extensii și s-au observat mici vârfuri corespunzătoare pentru șold și gleznă. Valorile maxime și minime ale vitezei și accelerației au crescut toate după lipectomie, sugerând o scădere a amortizării sistemului.

Vârfurile din profilurile de accelerație unghiulară s-au produs aproximativ în același timp înainte și după lipectomie. Aceste vârfuri au fost măsurate pentru a cuantifica și a grupa rezultatele la animale, așa cum se arată în figura 3. 3. Cele 4 puncte de timp au corespuns aproximativ poziției medii (punctul 1), labei (punctul 2), leagănului mediu (punctul 3) și decelerării vârfurilor la sfârșitul re-extensiei genunchiului (punctul 4). Pentru toate cele 3 articulații, cele mai mari accelerații au avut loc la punctele de timp 2 și 3, corespunzând aproximativ la picioare și la mișcare. După lipectomie, accelerația unghiulară a crescut semnificativ pentru aceste puncte de timp. Au fost observate decelerări substanțiale la punctul de timp 4 doar pentru genunchi, iar lipectomia a avut și efectul de a crește această decelerare în timpul re-extensiei.

A Accelerații unghiulare medii (+ SD) la articulațiile șoldului, genunchiului și gleznei, măsurate înainte și după lipectomie. Asteriscurile indică diferențe semnificative. b Modificări procentuale în accelerația unghiulară pentru articulații și puncte de timp în care modificările au fost semnificative.

Modificările procentuale în accelerația unghiulară au fost de asemenea calculate pentru fiecare punct de timp și articulație în care modificările au fost semnificative. Efectele lipectomiei asupra accelerației unghiulare au fost mai mici pentru șold decât pentru genunchi și gleznă la punctele de timp 2 și 3. Creșterile medii ale accelerației unghiulare pentru cele 3 articulații în aceste puncte de timp și la punctul de timp 4 pentru genunchi au variat între aproximativ 20 și 40%.

Discuţie

Pentru a determina rolul plăcii de grăsime poplitee în membrele posterioare în timpul mersului la nivel, plăcuța de grăsime a fost îndepărtată între perioadele de pași spontani la pisica decerebrată premamilară. Nu s-au găsit modificări semnificative în zona de mișcare a articulațiilor șoldului, genunchiului și gleznei. Cu toate acestea, a fost observată o creștere semnificativă a accelerației unghiulare la unghiurile de șold, genunchi și gleznă incluse, susținând ipoteza că grăsimea poplitee ajută la controlul accelerației unghiulare a membrului prin amortizare.

Proprietăți vâscoase

Tamponul de grăsime popliteu este o structură viscoelastică [Geerling și colab., 2008] în interiorul membrului care poate contribui la amortizare datorită configurației sale paralele mecanic cu elementele musculare ale membrului. Creșterile semnificative în accelerația unghiulară a unghiurilor articulare incluse după lipectomie, care au fost observate aici, constituie dovada noastră pentru contribuția grăsimii poplitee la amortizare. În mod similar, un studiu al grăsimii orbitale incompresibile care înconjoară globul ocular a arătat că spațiul limitat pentru expansiunea grăsimii acționează pentru a reduce accelerarea globului ocular [Cirovic și colab., 2005].

Efecte intersegmentare

Accelerările articulațiilor în timpul fazei de oscilație pot fi deosebit de predispuse la cupluri de interacțiune care decurg din proprietățile inerțiale ale segmentelor membrelor. De exemplu, extensia genunchiului poate provoca extensia gleznei [Prilutsky și colab., 1996]. Prin asigurarea amortizării elementelor musculare ale articulației genunchiului, tamponul de grăsime scade accelerația articulației genunchiului, reducând astfel interacțiunea cuplului între segmentele membrelor legate de articulația genunchiului. Acest lucru poate fi deosebit de important în timpul fazei de oscilare a ciclului de pași (punctele de timp 3 și 4) când articulația genunchiului este flexată și piciorul nu este în contact cu solul, deoarece efectele inerțiale cuplează acțiunile articulației genunchiului și articulației gleznei . De fapt, s-a constatat că cel mai mare efect al lipectomiei de a crește accelerația unghiulară a avut loc la ieșirea labei și în timpul oscilației.

Considerații funcționale

S-a observat într-un raport recent al unui model al membrului posterior felin [Bunderson și colab., 2008] că a fost destul de dificil să se găsească modele de activare musculară care au condus la posturi stabile ale modelului membrelor, cu excepția cazului în care rigiditatea a fost crescută prin încorporarea feedback-ului de lungime . Incorporarea unui dumping suplimentar ar fi putut contribui, de asemenea, la stabilizarea membrului. În general, se crede că mușchii oferă surse importante de descărcare a membrelor [Lin și Rymer, 2001]. Rezultatele acestui studiu sugerează că tamponul de grăsime poplitee contribuie, de asemenea, la amortizarea membrului prin capacitatea sa de a disipa energia. Rezultatele noastre sugerează că stabilitatea membrelor model poate fi îmbunătățită prin încorporarea țesutului adipos. În plus, stabilitatea ar putea fi îmbunătățită și mai mult prin reprezentarea fasciei, o structură care asigură cuplarea mecanică între articulații [Stahl, 2010].

Din aceste rezultate, s-a observat o mică creștere a intervalului de mișcare al șoldului, genunchiului și gleznei în urma îndepărtării tamponului de grăsime poplitee. Datorită localizării grăsimii incompresibile în spatele genunchiului, tamponul de grăsime se poate extinde neglijabil doar împotriva setului de mușchi din spatele genunchiului și ușor înapoi spre piele, limitând astfel cantitatea de deformare posibilă. La rândul său, acest lucru poate limita fizic măsura în care genunchiul este capabil să se flexeze. Prin urmare, deși nu s-au observat modificări semnificative în domeniul mișcării în timpul mersului la nivel, studiile viitoare vor fi importante în determinarea rolului tamponului de grăsime în limitarea intervalului de mișcare în situații care necesită o flexie articulară mai mare, cum ar fi aterizarea din sărituri sau ghemuirea. În plus, prezența unei grăsimi poplitee excesive ar putea duce la limitări semnificative ale intervalului de mișcare a genunchiului.

Înțelegerea ulterioară a rolului grăsimii la nivelul membrelor poate contribui la înțelegerea efectelor obezității asupra mișcării. Efectul viscoelastic pe care îl are grăsimea asupra genunchiului scade propulsia oferită pentru a conduce membrul prin ciclul de pași. În consecință, un moment crescut de flexiune plantară se observă la gleznă pentru a crește propulsia la oameni [Devita și Hortobagyi, 2003]. Tamponul de grăsime poplitee la persoanele obeze are ca rezultat o supra-amortizare a membrului, ceea ce are ca rezultat o mai mare disipare a energiei atunci când tasta de grăsime este comprimată. Această creștere a cheltuielilor energetice a fost raportată într-un studiu care a comparat mersul între indivizi obezi și non-obezi [Browning și colab., 2009]. Rezultatele au arătat că persoanele obeze plătesc un cost metabolic mai mare în timpul mersului.

Concluzie

Tamponul de grăsime poplitee are un rol semnificativ în amortizarea accelerațiilor unghiulare ale membrului posterior datorită poziției sale anatomice în spatele genunchiului și datorită proprietăților viscoelastice ale țesutului adipos. Rezultatele acestui experiment pot fi aplicate modelelor membrelor posterioare și cunoașterii efectelor obezității asupra mișcării. Ar trebui făcute investigații suplimentare pentru a examina efectele grăsimii poplitee în mersul și alergarea fără nivel.

Mulțumiri

Autorii doresc să le mulțumească lui Ramaldo Martin, Irrum Niazi și Chris Tuthill pentru asistența lor în timpul experimentelor și contribuția lor la rezultatele analizei. Acest proiect a fost finanțat de către Institutul Național de Sănătate/Institutul Național pentru Sănătatea Copilului și Dezvoltarea Umană subvenția 32571 și prin sprijin financiar de la Institutul de Tehnologie din Georgia.