Dinamika aktivnosti ili međumišićna koordinacija nožnih mišića pri sunožnom odrivu

The aim of the present study was to reveal the general (agonistic/antagonistic) functions of the lower extremity muscles during the double leg push off in a horizontal lying position. These muscles were vastus lateralis, vastus medialis (VAS), gluteus maximus (GLU), biceps femoris (BF), rectus femoris (RF), soleus (SOL) and gastrocnemius (GAS). One male athlete participated in the study. He performed 5 push-offs in 3 different starting positions. The kinematic trajectories were measured. The mathematical model of the human body was applied, the six muscular forces being the outer variables determining the action. The functions have been defined according to the partial derivative of the front surface force with respect to muscles’ forces, that followed the Lagrange- Euler equations, describing the motion of the model. Comparing the values of how much muscles can affect movement, it is possible to set the criterion of motor control sensitivity, which defines the ultimate limit of a large range of starting positions, for which the general, close-to-optimal muscle coordination pattern enables performance with almost negligible reduction in the performance.UVOD Matematički modeli mogu pripomoći boljem razumijevanju dinamike ljudskog kretanja. Usprkos pojednostavljivanju, model mora biti dovoljno kompleksan da bi dobiveni rezultati bili valjani i upotrebljivi u praksi. U dobroj izvedbi pojedinih gibanja jednostavnih, stereotipnih motoričkih aktivnosti (hodanje, trčanje, skokovi), u kojima sudjeluje veći broj mišićnih skupina, uvijek se pojavljuje jedan uzorak koordinacije mišićne aktivacije (motorički program). Dosadašnja istraživanja nedvojbeno potvrđuju proksimalnodistalni redoslijed aktivacije mišića donjih ekstremiteta pri sunožnom skoku u vis (Bobbert i Van Ingen Schennau, 1988). Početni položaji, međutim, nisu nikada potpuno jednaki. Svaka promjena početnog položaja uzrokuje malu promjenu aktivacije mišića. No ako su promjene početnog položaja prevelike, postojeći model aktivacije ne može više osiguravati optimalan mišićni ucinak. Ipak, postoji, takozvani, ‘optimalni’ uzorak koordinacije aktivacije mišića koji omogućuje učinkovitost i pri određenom rasponu otklona od idealnih početnih položaja. Tako središnji živčani sustav racionalno pojednostavljuje kompleksnost optimalnoga koordinacijskog uzorka (Van Soest, Van Ingen Schennau, 1998). Drugo pitanje odnosi se na utvrđivanje graničnih vrijednosti unutar kojih je moguće koristiti isti kretni uzorak. Stoga je cilj ovog rada bio uz pomoć matematičkog modela ljudskoga tijela utvrditi globalne (agonist/antagonist) uloge pojedinih mišića pri sunožnom odrivu u ležećem položaju te opažati promjene u aktivaciji pojedinog mišića s obzirom na utjecaj različitih startnih pozicija. METODE Ispitanik (dobi od 26 godina, visine 176 cm, mase 68 kg) izvodio je vodoravne odrive na spravi ‘nožna preša’ (model M051, Technogym, Gambettola, Italija) u ležećem položaju (os trupa u smjeru odriva). Na odrivnu površinu bila je pricvršćena tenziometrijska ploča (model 9287, Histler, Winterthur, Švicarska). Ispitanik je odriv izvodio iz tri različita položaja, definirana s obzirom na kut pod kojim je koljenski zglob bio pogrčen. U 1. početnom položaju koljena su inicijalno bila potpuno opružena, a u 3. maksimalno pogrčena. Iz svakoga je položaja ispitanik izvodio pet maksimalnih sunožnih odriva. U izvedbi odriva goniometrom se mjerila kutna brzina opružanja koljenskog zgloba te udaljenost zgloba kuka od odrivne površine, što je omogućilo da se, na temelju poznavanja dužina pojedinih segmenata donjih ekstremiteta, izračunaju sve koordinate tijela u vremenu. Kako bi se uklonio rizik od ozljede, odriv je bio slobodan samo u prvih 15 cm pokreta. Telemetrijskim EMG uređajem (Biotel 88, Glonner, Munchen, Njemacka) mjerene su aktivacije 6 mišića: m. vastus lateralis i m. vastus medialis (VAS), m. gluteus maximus (GLU), m. biceps femoris (BF), m. rectus femoris (RF), m. soleus (SOL) i m. gastrocnemius (GAS). Po dvije bipolarne elektrode bile su postavljene na kožu iznad pojedinih mišića lijeve noge na razmaku od 22 mm (otpor <5 kU). EMG signali prikupljali su se pri frekvenciji od 1000 Hz, zatim je za svih pet odriva iz istog početnog položaja određena prosječna mjera, a signal je izgladen (obrađen s pomoću niskopropusnog filtra, granična frekvencija 10 Hz). Iz o vremenu ovisnog EMG signala izvedena je proporcionalna vrijednost mišićne aktivacije (Enoka, 1994) pojedinog mišića, koja se kretala u intervalu 0-1. Izračun vrijednosti mišićne aktivacije za VAS dobiven je kao prosječna vrijednost za mišiće m. vastus medialis i m. vastus lateralis. Opis modela. U istraživanju je korišten dvodimenzionalni matematički model ljudskog tijela, kod kojega su mišićne sile predstavljale generatore gibanja. Model se sastojao od četiri kruta jednodimenzionalna segmenta (oba stopala – lijevo i desno, u daljnjem tekstu samo ‘stopalo’, oba koljena - u daljnjem tekstu samo ‘koljeno’, oba bedra - u daljnjem tekstu samo ‘bedro’, i ‘trup’), gibljiva samo u sagitalnoj ravnini. Model pojedinog mišića bio je pojednostavljen u najvećoj mogućoj mjeri. Mišić je opisan kao jednodimenzionalna veza bez mase, koja je jednostavno generirala silu između dviju točaka, u kojima se spajala na kosti. Točke hvatišta mišića na kost bile su određene s obzirom na anatomske podatke Bobberta i Huijinga (1990). Lagrange-Eulerove jednadžbe i relativni izvodi. Hretanje tijela moguće je opisati uz pomos Lagrange-Eulerovih jednadžbi. Postoje dvije jednadžbe kojima je sustav moguće opisati uz pomoć dvije varijable, tj. generalizirane koordinate. Te dvije koordinate predstavljaju kut između horizontalne osi i stopala te između horizontalne osi i koljena. Kako bi se utvrdile uloge mišića u kretanju, iz dviju izvedenih jednadžbi najprije je bilo potrebno izraziti silu potiska na odrivnu ploču, koja je po Newtonovu zakonu izravno povezana s ubrzanjem težišta tijela. Količina na osnovi koje je bilo moguće utvrditi pojedine uloge mišića u kretanju određena je kao parcijalni izvod sile potiska u svakoj od šest mišićnih aktivacija (u daljnjem tekstu ‘izvod’). Izračunati izvodi ovise o parametrima modela i parametrima njegove kinematike te predstavljaju neposredne pokazatelje u kojoj mjeri odredeni mišić utječe na povećanje ili smanjenje sile potiska u svakom trenutku odriva. Pozitivni izvod poklapa se s agonističkom, a negativni s antagonističkom ulogom pri odrivu, s time da se kao apsolutna vrijednost izvoda opisuje osjetljivost odrivne sile na aktivaciju odredenog mišića. REZULTATI I RASPRAVA U sva tri početna odrivna položaja dostignute su gotovo jednake završne brzine (neposredno prije nego što se je tijelo počelo zaustavljati). Time je omogućena usporedba odrivne sile i vremenskih parametara odriva. Dobivene su značajne razlike mišićnih aktivacija. U sva tri odrivna položaja najveća je aktivnost zabilježena za mišiće VAS, RF i GLU, a najmanja za BF. Dobivene su znatno veće razlike izvoda za svaki od šest mišića. Izvodi svih mišića, osim izvoda za mišić BF, bili su u ukupnom vremenskom trajanju za sve odrazne položaje pozitivni. To znači da bi smanjena mišićna aktivacija mišića BF proizvela veću odrivnu silu u svakoj fazi odriva. S obzirom na vremenski tijek svih šest izvoda, najviše se ističe odriv iz trećeg početnog položaja (maksimalno pogrcena koljena), dok u ostala dva pocetna položaja na kraju faze odriva vrijednost izvoda za mišiće VAS, GLU i RF raste, a za mišić BF opada. Najznačajnije razlike u ovom radu pokazale su se u području osjetljivosti odrivne sile na aktivaciju mišića. U odrivu iz ležećeg položaja mišići VAS, GLU, RF i GAS imaju ulogu agonista, dok je mišić BF antagonist. Svako povećanje aktivacije mišića BF za posljedicu ima smanjenje mišićne sile u svakom trenutku odriva u svakomu od tri pocetna položaja. Od navedenih pocetnih položaja, prvi i drugi su se pokazali kao najviše ergonomski, dok je treći položaj manje ergonomski. U tom je položaju također utvrđena najveća osjetljivost gibanja na mišićne aktivacije. Također se pokazalo da se u 3. položaju valja koristiti drugačijom strategijom mišićne aktivacije nego u 1. i 2. položaju, u kojima su uloge mišića gotovo jednake, pa je moguće zaključiti kako u pozadini vjerojatno leži korištenje istog motoričkog programa. U odrivu iz 3. položaja utvrđen je zahtjev za povesanom motoričkom kontrolom i to uslijed veće osjetljivosti gibanja na mišićnu aktivaciju. Zbog toga je bilo moguće zaključiti kako pojedini mišić nije imao ni agonističku ni antagonističku ulogu, već je djelovanjem na sva tri zgloba pridonosio radu poluge ili kao fleksor ili kao ekstenzor. Pokazalo se da je svaki mišić u dva zgloba ekstenzor, dok je u jednom fleksor, ili pak da je u dva zgloba fleksor, a u jednom ekstenzor. Zbog prisutnosti određenih stereotipnih, u ovom primjeru odrivnih uzoraka mišićne koordinacije, manji odmaci od poželjnih i više ergonomskih početnih odraznih položaja ne narušavaju uzorak mišićne aktivacije. Gotovo jednako dobra učinkovitost odriva postiže se iz prvog i drugog položaja, dok se iz 3. položaja učinkovitost povezuje sa slabijom kontrolom pokreta. Vrijednosti izvoda na početku odriva su u početnom položaju mišića VAS, GLU i RF približno tri puta veće u usporedbi s vrijednostima u 1. i 2. položaju. To bi značilo da već i manji otkloni od vrijednosti aktivacija (i posljedicnih sila) navedenih mišića uzrokuju velika odstupanja u potisnoj sili skupa poluga, te uzrokuju odstupanja od idealnih trajektorija kretanja. Posljedicnu dopunsku kontrakciju u pojedinim zglobovima slijedi smanjena ucinkovitost kretanja i veća potrošnja energije. Izvod odrivne sile prema aktivacijama mišića može biti kriterij za utvrđivanje intervala onih odrivnih položaja unutar kojih opći koordinacijski obrazac dovodi do učinkovitog odriva/odraza, kod kojeg je kontrola pokreta visoka, te je značaj mehanizama periferne povratne informacije relativno nizak (Van Soest i Van Ingen Schennau, 1998). ZAKLJUČAK Istraživanjem su utvrđene uloge šest mišića pri odrivu iz ležećeg položaja. Mišić BF je imao ulogu antagonista, dok su ostali ispitivani mišići, VAS, GLU, RF, SOL i GAS, agonisti. U svim odrivima na kraju pokreta zabilježena je veća osjetljivost na kontrolu pokreta, nego na početku odriva. Drugi rezultat istraživanja kaže da je osjetljivost na motoričku kontrolu veća što je početni odrivni položaj manje ergonomski. Na temelju tih nalaza moguće je zaključiti kako je kretnju puno lakše kontrolirati na početku pokreta te iz raspona početnih položaja koji bi se mogli označiti kao više ergonomski. Na taj način ljudsko tijelo u gotovo beskrajnom spektru motoričkih akcija čuva visoku učinkovitost kretanja uz pomoć manjeg broja motoričkih programa