Влияние на възрастта върху силата и динамиката на повторното удължаване след спиране на тетаничната стимулация в предния тибиален мускул, част 1

Резюме

Цел По време на редуващи се движения през ставата, смяната от една посока на въртене към противоположната може да бъде повлияна от забавянето и скоростта на намаляване на напрежението и съответствието с повторното удължаване на активната преди това мускулна група. Като се има предвид, че процесът на стареене може да повлияе на гореспоменатите фактори, тази работа имаше за цел да сравни динамиката както на намаляването на въртящия момент на глезена, така и на повторното удължаване на мускулите, отразено от механомиограма (MMG), в предния тибиален мускул поради важната му роля в походката.

Cistanche може да действа като средство против умора и подобрител на издръжливостта, а експериментални проучвания показват, че отварата от Cistanche tubulosa може ефективно да защити чернодробните хепатоцити и ендотелните клетки, увредени при носещи тежести плуващи мишки, да регулира експресията на NOS3 и да стимулира чернодробния гликоген синтез, като по този начин упражнява ефикасност против умора. Богатият на фенилетаноидни гликозиди екстракт от Cistanche tubulosa може значително да намали нивата на серумната креатин киназа, лактат дехидрогеназа и лактат и да повиши нивата на хемоглобина (HB) и глюкозата при ICR мишки и това може да играе роля против умората чрез намаляване на мускулните увреждания и забавяне на обогатяването на млечна киселина за съхранение на енергия при мишки. Таблетките Compound Cistanche Tubulosa значително удължават времето за плуване с натоварване, повишават чернодробния гликогенов резерв и намаляват нивото на серумната урея след тренировка при мишки, показвайки своя ефект против умора. Отварата от Cistanchis може да подобри издръжливостта и да ускори премахването на умората при трениращи мишки, а също така може да намали повишаването на серумната креатин киназа след физическо натоварване и да поддържа ултраструктурата на скелетните мускули на мишки нормална след тренировка, което показва, че има ефектите за повишаване на физическата сила и против умора. Cistanchis също значително удължава времето за оцеляване на отровени с нитрити мишки и повишава толерантността към хипоксия и умора.

Кликнете върху изключителна умора

【За повече информация:george.deng@wecistanche.com / WhatsApp:8613632399501】

МетодиПо време на фазата на релаксация, след прилагане на супрамаксимална 35 Hz стимулация в повърхностната двигателна точка, при 20 млади (Y) и 20 стари (O) субекта, бяха измерени въртящият момент (T) и динамичните характеристики на MMG.

РезултатиАнализът T и MMG осигурява: (I) началото на затихването след прекратяване на стимулацията (T: 22,51±5,92 ms [Y] и 51,35±15,21 ms [O]; MMG: 27,38±6,93 ms [Y] и 61,41±1 ms [Y] 18,42 ms [0]); (II) максималната скорост на намаляване (T: −110.4±45.56 Nm/s [Y] и − 52.72±32.12 Nm/s [O]; MMG: − 24.47±10.95 mm/s [ Y] и −13,76±6,54 mm/s [O]); (III) мускулното съответствие, измерващо намаляването на MMG на всеки 10% намаление на въртящия момент (бин 20–10%: 15,69±7,5[Y] и 10,8±3,3 [O]; интервал 10–0%: 22,12±10,3 [Y ] и 17.58±5.6 [0]).

ЗаключениеРезултатите от мускулна релаксация са различни при Y и O и могат да бъдат наблюдавани чрез неинвазивен метод, измерващ физиологичните променливи на динамиката на въртящия момент и повторното удължаване в края на електромеханичното свързване, преди това предизвикано от невромускулната стимулация.

Ключови думиСтареене · Процес на релаксация · Скорост на намаляване на въртящия момент · Стимулация · MMG

Съкращения

D Закъснение

MC мускулно съответствие

MMG Механомиограма

MMG0T MMG в края на намаляването на въртящия момент

N Нормализирано

RR Скорост на намаление

SERCA Sarcoendoplasmic reticulum ATPase калциев транспорт

T Въртящ момент

TR Време на намаляване

САЩ ултразвук

Въведение

Редуващото се движение на става, като глезен, коляно или лакът, е свързано с координираното, редуващо се активиране на мускулите флексор и екстензор, действащи през пантата. Докато мускулите, осигуряващи ъглов импулс към посоката на въртене на ставата, се наричат ​​агонисти, мускулната група, генерираща противоположен ъглов импулс, се определя като антагонисти. Всеки път, когато въртенето на ставата се обърне, има размяна между ролите на мускулите антагонисти и агонисти. Преминаването от една посока на въртене към противоположната, както и фазата на повторно удължаване на предишния агонист се повлияват от (а) намаляването на напрежението на предишната активна мускулна група, (б) съответствието на тази последна с повторно удължаване от новия активен агонист. Следователно, оценката на биомеханичните параметри по време на тези два гореспоменати процеса може да предостави функционални данни за характеризиране на мускулните характеристики, засягащи последователната активност на агонист-антагонист.

Походката може да се разглежда като глобално редуващо се движение, произтичащо от комбинацията на няколко стави, редуващи се последователности фексия-разгъване. Според Westerblad et al. (1997), "забавеното отпускане на мускула на антагониста може да противодейства на желаното движение по време на бързи, редуващи се движения". По този начин, по време на нормално движение, забавянето на релаксацията на предишната активна мускулна група може значително да повлияе на динамиката на прехода на ставата от посока на въртене към следващата. Това може да повлияе на параметрите на придвижване, особено при възрастни хора. Наистина данните за анализа на походката показват, че възрастта влияе върху походката по отношение на дължината на крачката и продължителността на фазата (Mulas et al. 2021; Fukuchi et al. 2019). Промените в походката при възрастните хора също са свързани с повишен риск от институционализиране и смърт. Например, доказано е, че намаляването на скоростта на ходене предсказва продължителността на живота (Studenski et al. 2011). Освен това, нарушенията в баланса и походката са замесени в повишен риск от падане (Osoba et al. 2019).

На тази база изглежда важно да се оцени динамиката на намаляване на мускулното напрежение и повторно удължаване след активиране при млади и стари субекти. Функционалните параметри, описващи силата и процеса на повторно удължаване по време на фазата на релаксация, не са сравнително добре описани в гореспоменатите популации. Забавянето на началото на намаляването на силата, от спиране на миоелектричната активност или нейната скорост на затихване при различни условия като маневра преди и след разтягане (Longo et al. 2017, 2014) или преди и след умора (Cè et al. 2014a, 2014b), е изследван в литературата. Само няколко проучвания съобщават за поведението на сигнала на напрежението и повърхностната механомиограма (MMG), открит от акселерометър, наблюдаващ повторното удължаване на мускула, във фазата на релаксация, когато са записани едновременно (Cè et al. 2014a, 2013b; Esposito et al. 2016; Лонго и др. 2014). Наистина, те са използвали MMG като индикатор за началото на повторното удължаване, но не и за неговата времева динамика.

За да се оцени поведението на въртящия момент и дължината на мускула в края на мускулната контракция, е възможно да се използва експериментална настройка, описана по-рано от нашата група (Cogliati et al. 2020), в която изометричният въртящ момент на дорзалната флексия на глезена и дължината на тибиалиса антериор бяха измерени едновременно чрез динамометрична клетка и повърхностна механомиография, съответно. Обосновката може да се обобщи по следния начин. Тъй като мускулът е система с постоянен обем, всяко скъсяване по време на контракция осигурява увеличаване на напречния диаметър на мускула. Тази промяна на размерите може да бъде уловена от лазерен сензор. По аналогия, по време на мускулна релаксация след активност, лазерният сигнал за разстояние може да се разглежда като индекс на процеса на повторно удължаване на мускула. Изследването на промените в дължината на мускулите чрез повърхностен MMG вече е приложено в детайли (Orizio et al. 1996; Yoshitake et al. 2005; Beck et al. 2005). Обосновката за приемане на MMG като косвена мярка за промени в дължината на мускула, вместо събирането на ултразвукови (УЗ) изображения от активния мускул, се основава на следните съображения: (а) понастоящем е малко вероятно УЗ техниката да осигурява повече от 30– 60 кадъра в секунда с времева разделителна способност от 30–15 ms (твърде ниска за добро проследяване на поведението във времето на повторно удължаване след прекратяване на мускулната активност), (b) експерименталната настройка е доста сложна, изискваща роботизирана ръка, поддържаща US сонда, потопена в басейн, способен да поеме дисталния крак, (c) последващата обработка на всяко изображение за извличане на промяната на дължината е сложна и отнема много време, (d) цената на US система е много по-голяма от простата лазерен сензор за разстояние. И накрая, изборът на MMG сигнал прави репликацията на изследването лесна.

Експериментален дизайн, който може спретнато да предостави основни данни за връзката между процесите на намаляване на напрежението и повторно удължаване на активен мускул, след като активността е оттеглена, трябва да се основава на стимулирани контракции. По този начин е възможно да се сведе до минимум несигурността на индивидуалния модел на затихване на спирането на задвижването на централната нервна система, което може да повлияе на резултата от промените в мускулния контрактилен статус по време на фазата на релаксация.

Като се има предвид възможното значение при определяне на механичната ефективност на редуващи се движения, тази работа имаше за цел да сравни в тибиалиса антериор на млади и стари субекти динамиката на:

а) намаляване на въртящия момент в глезена;

(b) повторно удължаване на мускула по време на фазата на релаксация.

Струва си да се подчертае колко важно е изследването на механиката на предния тибиален мускул, като се има предвид основната му роля в цикъла на походката както за стабилизиране на глезенната става по време на ранната фаза на позиция, така и за повдигане на стъпалото по време на ранната фаза на люлеене (Lacquaniti et др. 2012 г.). В резултат на това неговата динамика на релаксация може дълбоко да повлияе на времето на прехода към следващите фази на походката.

Материали и методи

Обекти и измервания

Двадесет активни млади участници (10 мъже и 10 жени; възраст 21–33 години) и 20 активни възрастни участници (10 мъже и 10 жени; възраст 65–80 години) с не са включени ортопедични или неврологични заболявания за участие в това проучване. След като получиха пълно обяснение на експериментите, те предоставиха своето писмено информирано съгласие. Субектите бяха помолени да се въздържат от прием на кофеин и интензивна физическа активност през 24 часа преди теста. Това проучване е проведено според най-новата версия на Декларацията от Хелзинки и одобрено от местната комисия по етика. Доминиращият долен крайник на участниците беше позициониран върху специфичен велоергометър, оборудван с динамометрична клетка (фиг. 1), която измерва въртящия момент, генериран по време на електрически стимулираните контракции на предния тибиален мускул (Cogliati et al. 2020). Докато бедрото и коляното бяха съответно фиксирани на 90 градуса и 180 градуса, глезена беше позициониран в неутрална позиция на 110 градуса. Кракът беше закрепен към дървената плоча, свързана с динамометричната клетка (модел SM-100 N, от Interface Inc., Scottsdale, US-AZ). Силовият сигнал, получен от динамометричната клетка, беше лентово филтриран при 0–64 Hz и усилен (MISO-OT Bioelettronica, Торино, Италия). За да се получи въртящият момент на дорзалната флексия, произведен от всеки субект, разстоянието между опорната точка на глезена и динамометричната клетка при стъпалото беше измерено и използвано за преобразуване на сигнала за сила в въртящ момент [T=F (N) × d (m) ]. Според Orizio et al. (Orizio et al. 1999, 2008), изместването на повърхността на предния тибиален мускул се трансдуцира като механомиографски сигнал с помощта на оптичен лазерен сензор за разстояние (M5L/20, MEL Mikroelektronik, Германия). Уредът има следните характеристики: обхват на измерване±10 mm, чувствителност 1 V/mm, линейност 0,6%, разделителна способност<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).

Беше използван електрически стимулатор за доставяне на двуфазни правоъгълни стимули (100 µs продължителност на всяка фаза) върху предния тибиален мускул. Катодният електрод (5 × 5 cm) беше поставен в областта на кожата над главната двигателна точка на предния тибиалис (фиг. 1), която беше идентифицирана съгласно Gobbo et al. (2011). Анодният електрод (15 × 10 cm) беше позициониран върху коремния мускул. Чрез увеличаване на амплитудата на 1 Hz стимулационен влак (10 импулса на всяко ниво на амплитуда от 0,1 V), от минималната стойност от 0,5 V, максималният стимулационен импулс беше идентифициран като амплитудата на стимула, предизвикваща най-голямото единично потрепване. Три серии от 35 Hz импулси с продължителност 3 секунди бяха приложени към двигателната точка на мускула с 1 минутна пауза между стимулациите. Повърхностната ЕМГ, предизвикана от стимулационния влак, беше открита с помощта на два самозалепващи се предварително желирани сребърни електрода (1 cm в диаметър; междуелектродно разстояние 30 mm). EMG беше кондициониран с помощта на лентов филтър на Butterworth от трети ред (10–512 Hz). След A/D преобразуване от CED-1401 (Cambridge Electronic Design, Кеймбридж, Обединеното кралство), цифровизираните сигнали бяха съхранени на компютър и взети на проби при 1024 проби/s.

Обработка на сигнала: анализирани параметри по време на фазата на релаксация

За постигане на целта на работата, анализът, описан тук по-долу, се отнася до фазата на релаксация на стимулираната тетанична контракция, която вече е частично разгледана от няколко проучвания (Cè et al. 2013b, 2014a, 2013c; Esposito et al. 2016, 2011 ; Longo и др., 2016 г.).

От трите стимулационни влака, този с най-голяма стойност на въртящия момент в интервала от 100 ms преди последния стимул беше избран за всеки субект. Въртящият момент и MMG бяха цифрово нискочестотни филтрирани при 50 Hz и впоследствие нормализирани до техните 100%, отнасящи се до средните стойности в интервали от 100 ms. ЕМГ сигналът се използва за идентифициране на края на електрическата активност, дължаща се на тетаничния стимулационен влак. Времето, в което електрическата активност е завършена, след последния стимул, е времевата маркировка, в която предизвиканата ЕМГ достига средната си стойност ±3 SD, изчислена от 1 s сигнална проба преди тетаничната стимулация (виж Фиг. 2).

Релаксационно електромеханично забавяне

По време на фазата на релаксация може да се наблюдава забавяне (D) между края на електрическата активност и началото на въртящия момент и разпадането на MMG. D се изчислява като моментът от време, когато сигналите намаляват с 3 стандартни отклонения от тяхната средна стойност по време на стимулация, както за въртящ момент (DT), така и за MMG (DMMG) (фиг. 2).

Скорост на намаляване на въртящия момент и скорост на намаляване на MMG

Скоростта на намаляване на сигнала на въртящия момент (RRT) и MMG сигнала (RRMMG) се изчислява като съотношението между Δвъртящия момент или ΔMMG и Δвремето (фиг. 2). По-конкретно, подвижен прозорец от 20 ms със стъпка от 1 ms беше използван в двата сигнала, за да се идентифицира максималната скорост на намаляване (Cogliati et al. 2020; Haf et al. 2015). Същото изчисление беше извършено върху нормализираните сигнали за получаване на NRRT и NRRMMG.

Времевият интервал за 80–20% намаляване на сигнала

В допълнение към дискретната информация, предоставена от RR или NRR, времето на намаляване както на нормализирания въртящ момент, така и на MMG (TRT и TRMMG) в диапазона от 80–20% от техните намаления беше изчислено, за да се характеризира допълнително динамиката на затихването на сигнала. Избраният диапазон ни позволява да сравним поведението във времето на двата сигнала от млади и стари субекти, когато и двата се променят динамично извън първоначалния и крайния преходен процес.

Мускулно съответствие

За да имате подробно описание на връзката във времето между намаляването на въртящия момент и повторното удължаване на мускула, размерът на относителната вариация на MMG за всеки от десетте интервала на относителния въртящ момент намалява (от 100 до 0 %: 100–90%, 90–80%, 80–70%, …, 10–0%) беше изчислен. Тази стойност отразява bin-by-bin мускулното съответствие (MC) към повторно удължаване през целия процес на релаксация.

MMG в края на намаляването на въртящия момент (MMG0T)

%MMG, оставащото количество повторно удължаване, когато процесът на намаляване на въртящия момент е завършен и достигнат 0% беше количествено определен за всеки субект. Параметърът беше идентифициран като MMG0T и осигурява мярка за ефективността на целия процес на повторно удължаване в сравнение с намаляването на напрежението: с други думи, колко повторното удължаване е непълно, след като усетената сила е {{5} }.

Статистически анализ

Данните бяха анализирани с помощта на статистически софтуер (Sigmaplot 11). Двупосочен анализ на дисперсията (ANOVA) беше използван за изследване на основния ефект и ефекта на взаимодействие на възрастта (млади и стари) и сигналите (въртящ момент и MMG) върху D, NRR и TR. Когато ANOVA беше значителна, бяха направени сравнения по двойки с post hoc теста на Tukey. За съответствието на мускулите, двата фактора за ANOVA бяха възрастта и относителното намаляване на въртящия момент. Освен това беше използван независим t-тест за изследване на разликите между групите (млади и стари) за максимален въртящ момент по време на стимулирана контракция, RRT, RRMMG и MMG0T (статистическа значимост p<0.05).

В графиките броят на звездичките (*) показва статистически значими разлики, както следва: p< 0.05 (*); p<0.01 (**); p<0.001 (***).

Данните, докладвани в тази работа, идват от сигнали, открити по време на предния тибиален тетаничен отговор, използвани за сравняване на мускулната механика в началото на доброволни и стимулирани контракции при млади и стари субекти във вече публикувани трудове (Cogliati et al. 2020).

Резултати

Пример за нормализирани сигнали за въртящ момент (червена линия) и MMG (черна линия) от представителни млади и стари субекти, от които са изчислени параметрите, изброени в предишния раздел, може да се намери на фиг. 3. Различното време при началото на затихването на двата сигнала между млади и стари субекти, както и различните наклони на двата сигнала се виждат чрез процеса на релаксация.

Максимална стимулирана контракция

Максималният въртящ момент при стимулирана контракция е значително различен между млади и възрастни възрастни (4,9±2,5 Nm за млади и 2,6±1,7 Nm за по-възрастни; 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.

Релаксационно електромеханично забавяне (DT и DMMG)

Двупосочната ANOVA разкрива значителен ефект от възрастта (стр<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.

Въртящ момент. В началото на фазата на релаксация DT е значително различно между млади и по-възрастни индивиди (22,51±5,92 ms за млади и 51,35±15,21 ms за по-възрастни; p<0.001) (Fig. 4).

MMG. DMMG показа същото поведение като DT, като се наблюдава значителна разлика между млади и по-възрастни индивиди (27,38±6,93 ms за млади и 61,41±18,42 ms за по-възрастни; p<0.001) (Fig. 4).

Скорост на намаляване на въртящия момент и скорост на намаляване на MMG (RRT и RRMMG)

По време на фазата на затихване след оттеглянето на стимулираната контракция, максималният RRT при млади и стари беше -110.4 ± 45,56 Nm/s и - 52,72 ± 32,12 Nm/s, съответно, показвайки статистическа разлика между групите ( независим t-тест; p < 0.001). Съответно, максималният RRMMG при млади (- 24, 47 ± 10, 95 mm / s) е значително по-висок, отколкото при стари (-13, 76 ± 6, 54 mm / s) субекти (независим t-тест, p <0, 001). При разглеждане на нормализираните сигнали резултатите са подобни. Двупосочната ANOVA разкрива значителен ефект от възрастта (стр<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).

【За повече информация:george.deng@wecistanche.com / WhatsApp:8613632399501】