Wpływ wieku na dynamikę siły i ponownego wydłużania po odstawieniu stymulacji tężcowej w mięśniu piszczelowym przednim, część 1

Abstrakcyjny

Cel Podczas ruchów naprzemiennych w obrębie stawu na zmianę kierunku rotacji z jednego kierunku na przeciwny może mieć wpływ opóźnienie i tempo redukcji napięcia oraz podatność na ponowne wydłużanie poprzednio aktywnej grupy mięśni. Biorąc pod uwagę, że proces starzenia może wpływać na wyżej wymienione czynniki, celem tej pracy było porównanie dynamiki zarówno spadku momentu obrotowego kostki, jak i ponownego wydłużania mięśni, odzwierciedlonej w mechanomiogramie (MMG), w mięśniu piszczelowym przednim ze względu na jego ważną rolę w chodzie.

Cistanche może działać przeciw zmęczeniu i zwiększać wytrzymałość, a badania eksperymentalne wykazały, że wywar z Cistanche tubulosa może skutecznie chronić hepatocyty i komórki śródbłonka wątroby uszkodzone u pływających myszy obciążonych ciężarem, zwiększać ekspresję NOS3 i promować glikogen wątrobowy syntezę, wykazując w ten sposób działanie przeciwzmęczeniowe. Ekstrakt Cistanche tubulosa bogaty w glikozydy fenyloetanowe może znacząco obniżyć poziom kinazy kreatynowej, dehydrogenazy mleczanowej i mleczanu w surowicy oraz zwiększyć poziom hemoglobiny (HB) i glukozy u myszy ICR, co może działać przeciw zmęczeniu poprzez zmniejszenie uszkodzenia mięśni oraz opóźnianie wzbogacania kwasu mlekowego w celu magazynowania energii u myszy. Compound Cistanche Tubulosa Tablets znacząco wydłużał czas pływania z obciążeniem, zwiększał rezerwę glikogenu w wątrobie i zmniejszał poziom mocznika w surowicy po wysiłku fizycznym u myszy, wykazując działanie przeciwzmęczeniowe. Odwar z Cistanchis może poprawić wytrzymałość i przyspieszyć eliminację zmęczenia u ćwiczących myszy, a także może zmniejszyć podwyższenie poziomu kinazy kreatynowej w surowicy po wysiłku fizycznym i utrzymać normalną ultrastrukturę mięśni szkieletowych myszy po wysiłku, co wskazuje, że ma działanie zwiększające siłę fizyczną i przeciwdziałające zmęczeniu. Cistanchis znacząco wydłużał także czas przeżycia myszy zatrutych azotynami i zwiększał tolerancję na niedotlenienie i zmęczenie.

Kliknij ekstremalne zmęczenie

【Więcej informacji:george.deng@wecistanche.com / WhatsApp:8613632399501】

MetodyW fazie relaksacji, po zastosowaniu supramaksymalnej stymulacji 35 Hz w powierzchownym punkcie motorycznym, u 20 młodych (Y) i 20 starszych (O) pacjentów, zmierzono moment obrotowy (T) i charakterystykę dynamiki MMG.

WynikiAnaliza T i MMG wykazała: (I) początek zaniku po zaprzestaniu stymulacji (T: 22,51±5,92 ms [Y] i 51,35±15,21 ms [O]; MMG: 27,38±6,93 ms [Y] i 61,41± 18,42 ms [O]); (II) maksymalna szybkość redukcji (T: −110,4±45,56 Nm/s [Y] i − 52,72±32,12 Nm/s [O]; MMG: − 24,47±10,95 mm/s [ Y] i −13,76±6,54 mm/s [O]); (III) podatność mięśni, mierząca redukcję MMG o każde 10% redukcji momentu obrotowego (bin 20–10%: 15,69±7,5[Y] i 10,8±3,3 [O]; bin 10–0%: 22,12±10,3 [Y ] i 17,58±5,6 [O]).

WniosekWyniki relaksacji mięśni różnią się w Y i O i można je monitorować za pomocą nieinwazyjnej metody, mierząc fizjologiczne zmienne momentu obrotowego i dynamiki ponownego wydłużania na końcu sprzężenia elektromechanicznego uprzednio wywołanego stymulacją nerwowo-mięśniową.

Słowa kluczoweStarzenie się · Proces relaksacji · Stopień redukcji momentu obrotowego · Stymulacja · MMG

Skróty

Opóźnienie

MC Podatność mięśni

Mechanomiogram MMG

MMG0T MMG na końcu redukcji momentu obrotowego

N Znormalizowany

RR Stopa redukcji

SERCA ATPaza transportująca wapń w retikulum sarkoendoplazmatycznym

Moment obrotowy T

TR Czas redukcji

USG USA

Wstęp

Naprzemienny ruch stawu, takiego jak kostka, kolano czy łokieć, jest związany ze skoordynowaną, naprzemienną aktywacją mięśni zginaczy i prostowników działających w poprzek zawiasu. Podczas gdy mięśnie zapewniające moment pędu w kierunku kierunku obrotu stawu nazywane są agonistami, grupę mięśni generującą przeciwny moment pędu określa się mianem antagonistów. Za każdym razem, gdy rotacja stawu zostaje odwrócona, następuje zamiana ról mięśni antagonistycznych i agonistycznych. Na przejście z jednego kierunku rotacji na przeciwny i fazę ponownego wydłużania poprzedniego agonisty wpływa: a) redukcja napięcia poprzednio aktywnej grupy mięśniowej, b) podatność tej ostatniej na ponowne wydłużenie przez nowego aktywnego agonistę. W związku z tym ocena parametrów biomechanicznych podczas tych dwóch wyżej wymienionych procesów może dostarczyć danych funkcjonalnych pozwalających scharakteryzować cechy mięśniowe wpływające na sekwencyjną aktywność agonisty-antagonisty.

Chód można uznać za globalny ruch naprzemienny wynikający z połączenia kilku stawów naprzemiennych sekwencji zgięciowo-prostowych. Według Westerblada i in. (1997), „powolne rozluźnienie mięśni antagonisty może przeciwdziałać pożądanemu ruchowi podczas szybkich, naprzemiennych ruchów”. Zatem podczas normalnego ruchu spowolnienie rozluźnienia wcześniej aktywnej grupy mięśni może znacząco wpłynąć na dynamikę przejścia stawu z kierunku obrotowego do następnego. Może to mieć wpływ na parametry lokomocyjne, zwłaszcza u osób w podeszłym wieku. Rzeczywiście, dane dotyczące analizy chodu sugerują, że wiek wpływa na długość kroku i czas trwania fazy chodu (Mulas i in. 2021; Fukuchi i in. 2019). Zmiany w chodzie u osób starszych są również powiązane ze zwiększonym ryzykiem hospitalizacji i śmierci. Wykazano na przykład, że zmniejszenie prędkości chodzenia jest czynnikiem prognostycznym średniej długości życia (Studenski i in. 2011). Ponadto zaburzenia równowagi i chodu powiązano ze zwiększonym ryzykiem upadków (Osoba i in. 2019).

Na tej podstawie istotna wydaje się ocena dynamiki redukcji i ponownego wydłużania napięcia mięśniowego po aktywacji u osób młodych i starszych. Parametry funkcjonalne opisujące proces siły i ponownego wydłużania w fazie relaksacji nie są stosunkowo dobrze opisane w wyżej wymienionych populacjach. Opóźnienie początku spadku siły od ustania aktywności mioelektrycznej lub prędkość jej zaniku w różnych warunkach, takich jak manewr przed i po rozciąganiu (Longo et al. 2017, 2014) lub przed i po zmęczeniu (Cè et al. 2014a, 2014b) był przedmiotem badań w literaturze. Tylko kilka badań opisuje zachowanie sygnału napięcia i mechanomiogramu powierzchniowego (MMG) wykrywanego przez akcelerometr monitorujący ponowne wydłużenie mięśnia w fazie relaksacji, gdy jest jednocześnie rejestrowany (Cè i in. 2014a, 2013b; Esposito i in. 2016; Longo i wsp. 2014). Rzeczywiście, wykorzystali MMG jako wskaźnik ponownego wydłużenia początku, ale nie jego dynamiki czasowej.

Aby ocenić zachowanie momentu obrotowego i długości mięśnia na końcu skurczu mięśni, można zastosować układ eksperymentalny opisany wcześniej przez naszą grupę (Cogliati i in. 2020), w którym obliczono izometryczny moment zgięcia grzbietowego kostki i przednią długość mięśnia piszczelowego. jednocześnie mierzone odpowiednio za pomocą ogniwa obciążnikowego i mechanomiografii powierzchniowej. Uzasadnienie można streścić w następujący sposób. Ponieważ mięsień jest układem o stałej objętości, każde skrócenie podczas skurczu powoduje zwiększenie średnicy poprzecznej mięśnia. Tę różnicę wymiarową można wykryć za pomocą czujnika laserowego. Analogicznie, podczas relaksacji mięśni po wysiłku, laserowy sygnał odległości można uznać za wskaźnik procesu ponownego wydłużania mięśni. Badania zmian długości mięśni pod wpływem powierzchniowego MMG zostały już szczegółowo wdrożone (Orizio i in. 1996; Yoshitake i in. 2005; Beck i in. 2005). Uzasadnienie przyjęcia MMG jako pośredniej miary zmian długości mięśni zamiast gromadzenia obrazów USG aktywnego mięśnia opiera się na następujących rozważaniach: (a) obecnie mało prawdopodobne jest, aby technika USG dostarczała więcej niż 30– 60 klatek na sekundę przy rozdzielczości czasowej 30–15 ms (zbyt mała, aby dobrze śledzić zachowanie czasowe ponownego wydłużania po ustaniu aktywności mięśnia), (b) układ eksperymentalny jest dość złożony i wymaga ramienia robota podtrzymującego Sonda USG zanurzona w basenie mieszczącym dystalną część nogi, (c) przetwarzanie końcowe każdego obrazu w celu wyodrębnienia zmiany długości jest złożone i czasochłonne, (d) koszt systemu USG jest znacznie większy niż prostego laserowy czujnik odległości. Wreszcie wybór sygnału MMG ułatwia powtórzenie badania.

Projekt eksperymentu, który może w zwięzły sposób dostarczyć podstawowych danych na temat związku procesów redukcji napięcia i ponownego wydłużania aktywnego mięśnia po zaprzestaniu aktywności, musi opierać się na stymulowanych skurczach. W ten sposób można zminimalizować niepewność dotyczącą indywidualnego wzorca zanikania zawieszenia napędu ośrodkowego układu nerwowego, który może mieć wpływ na wynik zmian stanu kurczliwego mięśni w fazie relaksacji.

Biorąc pod uwagę możliwe znaczenie w określaniu mechanicznej wydajności ruchów naprzemiennych, celem tej pracy było porównanie dynamiki mięśnia piszczelowego przedniego młodych i starszych osób.

(a) redukcja momentu obrotowego w kostce;

(b) ponowne wydłużanie mięśni w fazie relaksacji.

Warto podkreślić, jak ważne jest badanie mechaniki mięśnia piszczelowego przedniego, biorąc pod uwagę jego główną rolę w cyklu chodu, zarówno dla stabilizacji stawu skokowego we wczesnej fazie stania, jak i dla uniesienia stopy we wczesnej fazie zamachu (Lacquaniti i in. al. 2012). W konsekwencji dynamika jego relaksacji może głęboko wpływać na moment przejścia do kolejnych faz chodu.

Materiały i metody

Przedmioty i pomiary

Dwudziestu młodych uczestników aktywnych rekreacyjnie (10 mężczyzn i 10 kobiet; wiek 21–33 lat) i 20 starszych uczestników aktywnych rekreacyjnie (10 mężczyzn i 10 kobiet; wiek 65–80 lat) z Do udziału w tym badaniu nie włączono żadnych schorzeń ortopedycznych ani neurologicznych. Po otrzymaniu pełnego wyjaśnienia eksperymentów wyrazili pisemną świadomą zgodę. Badanych poproszono o powstrzymanie się od spożycia kofeiny i intensywnej aktywności fizycznej w ciągu 24 godzin poprzedzających badanie. Badanie to zostało przeprowadzone zgodnie z najnowszą wersją Deklaracji Helsińskiej i zatwierdzone przez lokalną komisję etyczną. Końcówkę dolną dominującą uczestników umieszczono na specjalnym ergometrze wyposażonym w czujnik obciążenia (ryc. 1), który mierzył moment obrotowy generowany podczas elektrycznie stymulowanych skurczów mięśnia piszczelowego przedniego (Cogliati i wsp. 2020). Podczas gdy biodro i kolano były ustawione odpowiednio pod kątem 90 stopni i 180 stopni, kostka znajdowała się w pozycji neutralnej pod kątem 110 stopni. Stopę przymocowano paskiem do drewnianej płyty połączonej z ogniwem obciążnikowym (model SM-100 N firmy Interface Inc., Scottsdale, USA-AZ). Sygnał siły uzyskany przez ogniwo obciążnikowe został przefiltrowany pasmowo przy częstotliwości 0–64 Hz i wzmocniony (MISOOT Bioelettronica, Turyn, Włochy). Aby obliczyć moment zgięcia grzbietowego wytwarzany przez każdego pacjenta, zmierzono odległość pomiędzy punktem podparcia kostki a czujnikiem obciążenia na płycie stopy i wykorzystano ją do przeliczenia sygnału siły na moment obrotowy [T=F (N) × d (m) ] Według Orizio i in. (Orizio i wsp. 1999, 2008) przemieszczenie powierzchni mięśnia piszczelowego przedniego transdukowano jako sygnał mechanomiograficzny za pomocą optycznego laserowego czujnika odległości (M5L/20, MEL Mikroelektronik, Niemcy). Przyrząd posiada następujące cechy: zakres pomiarowy±10 mm, czułość 1 V/mm, liniowość 0,6%, rozdzielczość<6 μm, bandwidth 0–10 kHz. The laser beam was pointed to the tibialis anterior muscle belly presenting the largest displacement during the tetanic stimulation. The common position was at about 1 cm from the tibial crest as reported in Fig. 1. The device provided an output DC voltage proportional to the distance between the laser beam head emitter and the reflecting muscle surface. The measure of the distance of the reflecting surface from the laser source was not affected by surface rotation within±15° and±30° concerning the short and long axis of the laser head, respectively. The force and MMG were digitized at a frequency of 1024 samples/s (CED-1401 of Cambridge Electronic Design of Cambridge).

Zastosowano stymulator elektryczny do dostarczania dwufazowych prostokątnych bodźców (czas trwania każdej fazy 100 µs) na mięsień piszczelowy przedni. Elektrodę katodową (5×5 cm) umieszczono w okolicy skóry nad głównym punktem motorycznym mięśnia piszczelowego przedniego (ryc. 1), który zidentyfikowano według Gobbo i wsp. (2011). Elektrodę anodową (15×10 cm) umieszczono na mięśniu brzuchatym łydki. Zwiększając amplitudę ciągu stymulacji o częstotliwości 1 Hz (10 impulsów na każdy poziom amplitudy 0,1 V) od minimalnej wartości 0,5 V, maksymalny impuls stymulacyjny identyfikowano jako amplitudę bodźca wywołującą największe pojedyncze drganie. Do punktu motorycznego mięśnia podawano trzy serie impulsów o częstotliwości 35 Hz trwające 3 sekundy z 1-minutową przerwą pomiędzy stymulacjami. Powierzchniowe EMG wywołane przez ciąg stymulacji wykrywano przy użyciu dwóch samoprzylepnych, wstępnie żelowanych elektrod srebrnych (o średnicy 1 cm; odległość między elektrodami 30 mm). EMG kondycjonowano przy użyciu filtra środkowoprzepustowego Butterwortha trzeciego rzędu (10–512 Hz). Po konwersji A/D przez CED-1401 (Cambridge Electronic Design, Cambridge, Wielka Brytania) zdigitalizowane sygnały przechowywano na komputerze PC i próbkowano z szybkością 1024 próbek/s.

Przetwarzanie sygnału: analizowane parametry w fazie relaksacji

Aby osiągnąć cel pracy, opisana poniżej analiza dotyczy fazy relaksacji stymulowanego skurczu tężcowego, co zostało częściowo uwzględnione już w kilku badaniach (Cè i in. 2013b, 2014a, 2013c; Esposito i in. 2016, 2011 ;Longo i wsp. 2016).

Z trzech ciągów stymulacyjnych dla każdego pacjenta wybierano ten, który miał największą wartość momentu obrotowego w przedziale czasu 100 ms przed ostatnim bodźcem. Moment obrotowy i MMG poddano cyfrowej filtracji dolnoprzepustowej przy 50 Hz, a następnie znormalizowano do ich 100% w odniesieniu do wartości średnich w odstępach czasu 100 ms. Sygnał EMG wykorzystano do zidentyfikowania końca aktywności elektrycznej spowodowanej ciągiem stymulacji tężcowej. Czas, w którym aktywność elektryczna została zakończona, po ostatnim bodźcu, był momentem, w którym wywołane EMG osiągnęło swoją średnią wartość ± 3 SD obliczoną na podstawie próbki sygnału trwającej 1 sekundę przed stymulacją tężcową (patrz ryc. 2).

Opóźnienie elektromechaniczne relaksacyjne

Podczas fazy relaksacji można zaobserwować opóźnienie (D) pomiędzy końcem aktywności elektrycznej a początkiem zaniku momentu obrotowego i MMG. D obliczono jako moment czasowy, w którym sygnały zmniejszyły się o 3 odchylenia standardowe od swojej średniej wartości podczas stymulacji, zarówno dla momentu obrotowego (DT), jak i MMG (DMMG) (ryc. 2).

Szybkość redukcji momentu obrotowego i szybkość redukcji MMG

Szybkość redukcji sygnału momentu obrotowego (RRT) i sygnału MMG (RRMMG) obliczono jako stosunek Δmomentu obrotowego lub ΔMMG i Δczasu (rys. 2). W szczególności zastosowano ruchome okno trwające 20 ms z krokiem 1 ms dla dwóch sygnałów, aby określić maksymalną szybkość redukcji (Cogliati i in. 2020; Haf i in. 2015). Te same obliczenia przeprowadzono na znormalizowanych sygnałach, aby uzyskać NRRT i NRRMMG.

Przedział czasowy redukcji sygnału o 80–20%.

Oprócz dyskretnych informacji dostarczanych przez RR lub NRR, obliczono czas redukcji zarówno znormalizowanego momentu obrotowego, jak i MMG (TRT i TRMMG) w zakresie 80–20% ich redukcji, aby dokładniej scharakteryzować dynamikę zaniku sygnału. Wybrany zakres pozwala nam porównać zachowanie czasowe dwóch sygnałów pochodzących od młodych i starszych pacjentów, gdy oba zmieniają się dynamicznie poza początkowymi i końcowymi stanami przejściowymi.

Zgodność mięśni

Aby uzyskać szczegółowy opis zależności czasowej między spadkiem momentu obrotowego a ponownym wydłużeniem mięśni, wielkość względnej zmiany MMG dla każdego z dziesięciu przedziałów względnego spadku momentu obrotowego (od 100 do 0 %: 100–90%, 90–80%, 80–70%, …, 10–0%). Wartość ta odzwierciedla podatność mięśni bin po bin (MC) na ponowne wydłużenie w całym procesie relaksacji.

MMG na końcu redukcji momentu obrotowego (MMG0T)

Dla każdego badanego określono ilościowo %MMG, wielkość ponownego wydłużenia pozostała po zakończeniu procesu redukcji momentu obrotowego i osiągnięciu 0%. Parametr został zidentyfikowany jako MMG0T i stanowi miarę efektywności całego procesu ponownego wydłużania w porównaniu do redukcji naprężenia: innymi słowy, w jakim stopniu ponowne wydłużanie jest niekompletne, gdy odczuwana siła wynosi {{5} }.

Analiza statystyczna

Dane analizowano za pomocą oprogramowania statystycznego (Sigmaplot 11). Zastosowano dwukierunkową analizę wariancji (ANOVA) w celu zbadania głównego i interakcyjnego wpływu wieku (młody i stary) oraz sygnałów (moment obrotowy i MMG) na D, NRR i TR. Gdy analiza ANOVA była istotna, przeprowadzono porównania parami za pomocą testu post hoc Tukeya. W przypadku podatności mięśni dwoma czynnikami w ANOVA był wiek i względny spadek momentu obrotowego. Ponadto zastosowano niezależny test t w celu zbadania różnic między grupami (młodymi i starszymi) pod względem maksymalnego momentu obrotowego podczas stymulowanego skurczu, RRT, RRMMG i MMG0T (istotność statystyczna p<0.05).

Na wykresach liczba gwiazdek (*) oznacza różnice istotne statystycznie w następujący sposób: p< 0.05 (*); p<0.01 (**); p<0.001 (***).

Dane przedstawione w tej pracy pochodzą z sygnałów wykrytych podczas reakcji tężcowej mięśnia piszczelowego przedniego i wykorzystano je do porównania mechaniki mięśni na początku dobrowolnych i stymulowanych skurczów u młodych i starszych osób w już opublikowanych pracach (Cogliati i in. 2020).

Wyniki

Przykład znormalizowanych sygnałów momentu obrotowego (czerwona linia) i MMG (czarna linia) od reprezentatywnych młodych i starszych osób, z których obliczono parametry wymienione w poprzedniej sekcji, można znaleźć na ryc. 3. Różny czas w początek zaniku obu sygnałów pomiędzy młodymi i starszymi osobnikami, jak również różne nachylenia tych dwóch sygnałów są widoczne w procesie relaksacji.

Maksymalny stymulowany skurcz

Maksymalny moment obrotowy w skurczu stymulowanym różnił się istotnie pomiędzy młodymi i starszymi dorosłymi (4,9±2,5 Nm dla młodych i 2,6±1,7 Nm dla starszych; p<0.001). A t-test revealed a significant difference (p=0.002) between young  (3.01±1.17 mm) and old (2.01±0.73 mm) subjects for the maximal surface displacement transduced as MMG.

Opóźnienie elektromechaniczne relaksacyjne (DT i DMMG)

Dwukierunkowa ANOVA ujawniła istotny wpływ wieku (str<0.001) and signal (p=0.009) on D, but without an interaction between these factors (p=0.354). Specifically, the older subjects had a longer delay compared to younger subjects. Moreover, the beginning of relaxation for the MMG started after the torque signals.

Moment obrotowy. Na początku fazy relaksacji DT różniło się istotnie pomiędzy osobami młodymi i starszymi (22,51±5,92 ms dla młodych i 51,35±15,21 ms dla starszych; p<0.001) (Fig. 4).

MMG. DMMG wykazywało takie samo zachowanie jak DT, przy czym zaobserwowano istotną różnicę między osobami młodymi i starszymi (27,38±6,93 ms dla młodych i 61,41±18,42 ms dla starszych; p<0.001) (Fig. 4).

Szybkość redukcji momentu obrotowego i szybkość redukcji MMG (RRT i RRMMG)

W fazie zaniku, po wycofaniu stymulowanego skurczu, maksymalny RRT u osób młodych i starszych wynosił odpowiednio –110,4 ± 45,56 Nm/s i – 52,72 ± 32,12 Nm/s, co wskazuje na statystyczną różnicę między grupami ( niezależny test t; p < 0,001). W związku z tym maksymalne RRMMG u młodych (-24,47 ± 10,95 mm/s) było istotnie wyższe niż u starszych (-13,76 ± 6,54 mm/s) osób (niezależny test t, p < 0,001). Rozważając znormalizowane sygnały, wyniki były podobne. Dwukierunkowa ANOVA ujawniła istotny wpływ wieku (str<0.001) and signal (p<0.001) on the NRR, but without an interaction between these factors (p=0.508). Specifically, the NRR was higher for young subjects compared to old and the decrease of the MMG signal was slower than the torque signal (Fig. 5). Moreover, the maximal NRRT in young and old was − 1256.16 ± 333.36%/s and  − 1026.26 ± 267.76%/s, respectively, showing a statistical difference (p=0.004). Similarly, NRRMMG was statistically different between young (−867.79%/s±148.6%/s) and older (− 710.35±178.84%/s) subjects (p=0.044).

【Więcej informacji:george.deng@wecistanche.com / WhatsApp:8613632399501】