전경골근근의 파상풍 자극 철수 후 힘과 역동성 재연장에 대한 연령의 영향 1부

추상적인

목적 관절을 가로질러 교대로 움직이는 동안 한 회전 방향에서 반대 방향으로의 전환은 지연과 장력 감소 속도 및 이전에 활동했던 근육 그룹의 재연장에 대한 순응도에 의해 영향을 받을 수 있습니다. 노화 과정이 위에서 언급한 요인에 영향을 미칠 수 있다는 점을 고려하여, 이 작업은 보행에서 중요한 역할을 하기 때문에 전방 경골근에서 기계근조영술(MMG)에 의해 반영되는 발목 토크 감소와 근육 재연장의 역학을 비교하는 것을 목표로 했습니다.

Cistanche는 항피로 및 체력 강화제 역할을 할 수 있으며 실험 연구에 따르면 Cistanche tubeulosa 달임은 체중을 견디는 수영 쥐에서 손상된 간 간세포 및 내피 세포를 효과적으로 보호하고 NOS3 발현을 상향 조절하며 간 글리코겐을 촉진할 수 있는 것으로 나타났습니다. 합성하여 항피로 효능을 발휘합니다. 페닐에타노이드 글리코시드가 풍부한 Cistanche tubeulosa 추출물은 ICR 생쥐의 혈청 크레아틴 키나제, 젖산 탈수소효소 및 젖산 수치를 크게 감소시키고 헤모글로빈(HB) 및 포도당 수치를 증가시킬 수 있으며, 이는 근육 손상을 감소시켜 항피로 역할을 할 수 있습니다. 생쥐의 에너지 저장을 위한 젖산 농축을 지연시키는 것입니다. 복합 Cistanche Tubulosa 정제는 쥐의 체중 부하 수영 시간을 유의하게 연장하고 간 글리코겐 보유량을 증가시키며 운동 후 혈청 요소 수치를 감소시켜 항피로 효과를 나타냈습니다. 시스탄치스 달임은 운동하는 쥐의 지구력을 향상시키고 피로 해소를 촉진할 수 있으며, 부하 운동 후 혈청 크레아틴 키나아제의 상승을 감소시키고 운동 후 쥐의 골격근 미세구조를 정상으로 유지하는 효과가 있음을 나타냅니다. 체력 강화 및 피로 회복 효과가 있습니다. Cistanchis는 또한 아질산염에 중독된 쥐의 생존 시간을 크게 연장하고 저산소증과 피로에 대한 내성을 강화했습니다.

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행동 양식이완 단계 동안 표면 운동점에 최대 35Hz 자극을 가한 후 젊은(Y) 20명과 노인(O) 20명을 대상으로 토크(T)와 MMG 역학 특성을 측정했습니다.

결과T 및 MMG 분석은 다음을 제공합니다: (I) 자극 중단 후 붕괴의 시작(T: 22.51±5.92 ms [Y] 및 51.35±15.21 ms [O]; MMG: 27.38±6.93 ms [Y] 및 61.41± 18.42ms[O]); (II) 최대 감소율(T: -110.4±45.56 Nm/s [Y] 및 - 52.72±32.12 Nm/s [O]; MMG: - 24.47±10.95 mm/s [ Y] 및 -13.76±6.54 mm/s [O]); (III) 토크의 10% 감소마다 MMG 감소를 측정하는 근육 순응도(bin 20-10%: 15.69±7.5[Y] 및 10.8±3.3[O]; bin 10-0%: 22.12±10.3[Y) ] 및 17.58±5.6[O]).

결론근육 이완 결과는 Y와 O에서 다르며 이전에 신경근 자극에 의해 유도된 전기 기계적 커플링이 끝날 때 토크의 생리적 변수와 다시 연장되는 역학을 측정하는 비침습적 방법으로 모니터링할 수 있습니다.

키워드노화 · 이완과정 · 토크감소율 · 자극 · MMG

약어

D 지연

MC 근육 순응도

MMG 기계근조도

MMG0T 토크 감소 종료 시 MMG

N 정규화됨

RR 감소율

SERCA Sarcoendoplasmic reticulum 칼슘 수송 ATPase

T 토크

TR 감소 시간

미국 초음파

소개

발목, 무릎 또는 팔꿈치와 같은 관절의 교번 운동은 경첩을 가로질러 작용하는 굴근 및 신근 근육의 조화되고 교번적인 활성화와 관련됩니다. 관절 회전 방향으로 각운동량을 제공하는 근육을 주동근이라 하고, 반대의 각운동량을 생성하는 근육군을 길항근이라고 정의합니다. 관절 회전이 역전될 때마다 길항근과 주동근의 역할이 바뀌게 됩니다. 한 회전 방향에서 반대 방향으로의 전환 및 과거 작용근의 재연신 단계는 (a) 이전에 활동했던 근육 그룹의 장력 감소, (b) 이 마지막 근육의 재신장 순응에 영향을 받습니다. 새로운 활성 작용제에 의해. 결과적으로, 앞서 언급한 두 가지 과정 동안의 생체역학적 매개변수의 평가는 작용제-길항제 순차적 활동에 영향을 미치는 근육 특징을 특성화하는 기능적 데이터를 제공할 수 있습니다.

보행은 굴곡-신전 순서를 교대로 수행하는 여러 관절의 조합으로 인해 발생하는 전체적인 교대 운동으로 간주될 수 있습니다. Westerblad et al. (1997), "길항근 근육의 느린 이완은 빠르고 교대로 움직이는 동안 원하는 움직임을 방해할 수 있습니다." 따라서 정상적인 운동 중에 이전에 활성화된 근육 그룹의 이완 속도가 느려지면 회전 방향에서 다음 방향으로의 관절 전환의 역학에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 이는 특히 노인 대상의 운동 매개변수에 영향을 미칠 수 있습니다. 실제로 보행 분석에 관한 데이터는 연령이 보폭 길이와 단계 지속 기간에 영향을 미친다는 것을 시사합니다(Mulas et al. 2021; Fukuchi et al. 2019). 노인의 보행 변화는 시설 수용 및 사망 위험 증가와도 관련이 있습니다. 예를 들어, 걷는 속도의 감소는 기대 수명을 예측하는 것으로 입증되었습니다(Studenski et al. 2011). 또한 균형 및 보행 장애는 낙상 위험 증가와 관련이 있습니다(Osoba et al. 2019).

이를 바탕으로 젊은 피험자 및 노년 피험자에서 활성화 후 근육 긴장 감소 및 다시 연장의 역학을 평가하는 것이 중요해 보입니다. 이완 단계 동안의 힘과 다시 늘어나는 과정을 설명하는 기능적 매개 변수는 위에서 언급한 집단에서는 비교적 잘 설명되어 있지 않습니다. 근력 활동 중단으로 인한 힘 감소 시작 지연 또는 스트레칭 전후 동작(Longo et al. 2017, 2014) 또는 피로 전후(Cè et al. 2014a, 2014b), 문헌에서 조사되었다. 단지 소수의 연구만이 동시에 기록되었을 때 이완 단계에서 근육 재신장을 모니터링하면서 가속도계에 의해 감지된 장력 및 표면 기계근도(MMG) 신호의 동작을 보고합니다(Cè et al. 2014a, 2013b; Esposito et al. 2016; Longo 외 2014). 실제로 그들은 MMG를 발병 기간 연장의 지표로 사용했지만 시간 역학에 대해서는 사용하지 않았습니다.

근육 수축이 끝날 때 토크와 근육 길이 거동을 평가하기 위해 우리 그룹(Cogliati et al. 2020)에서 이전에 설명한 실험 설정을 사용할 수 있습니다. 여기서 발목 배측 굴곡의 등척성 토크와 전경골근 길이는 다음과 같습니다. 각각 로드 셀과 표면 기계근학으로 동시에 측정됩니다. 그 근거는 다음과 같이 요약될 수 있다. 근육은 일정한 부피 시스템이기 때문에 수축 중 단축될 때마다 근육의 가로 직경이 증가합니다. 이러한 치수 변화는 레이저 센서로 감지할 수 있습니다. 비유하자면, 활동 후 근육 이완 과정에서 레이저 거리 신호는 근육 재연장 과정의 지표로 간주될 수 있습니다. 표면 MMG에 의한 근육 길이 변화에 대한 연구는 이미 자세히 구현되었습니다(Orizio et al. 1996; Yoshitake et al. 2005; Beck et al. 2005). 활동 중인 근육에서 초음파(US) 이미지를 수집하는 대신 근육 길이 변화의 간접적인 측정으로 MMG를 채택하는 이론적 근거는 다음 고려 사항을 기반으로 합니다. (a) 현재 미국 기술은 30– 30-15ms의 시간 분해능으로 초당 60프레임(근육 활동 중단 후 재신장의 시간 동작을 잘 추적하기에는 너무 낮음), (b) 실험 설정은 로봇 팔이 필요로 하는 매우 복잡합니다. 원위 다리를 수용할 수 있는 풀에 담긴 US 프로브, (c) 길이 변화를 추출하기 위한 각 이미지의 후처리는 복잡하고 시간이 많이 소요됩니다. (d) US 시스템의 비용은 단순한 시스템보다 훨씬 큽니다. 레이저 거리 센서. 마지막으로 MMG 신호를 선택하면 연구 복제가 쉬워집니다.

활동이 중단된 후 활성 근육의 장력 감소 및 다시 늘어나는 과정 관계에 대한 기본 데이터를 깔끔하게 제공할 수 있는 실험 설계는 자극된 수축을 기반으로 해야 합니다. 이러한 방식으로, 이완 단계 동안 근육 수축 상태의 변화 결과에 영향을 미칠 수 있는 중추 신경계 구동 정지의 개별 페이딩 패턴의 불확실성을 최소화하는 것이 가능합니다.

교번 동작의 기계적 효율성을 결정하는 데 있어 가능한 의미를 고려하여 이 작업은 젊은 피험자와 노인 피험자의 전경골근에서 다음의 역학을 비교하는 것을 목표로 했습니다.

(a) 발목에서의 토크 감소;

(b) 이완 단계에서 근육이 다시 늘어납니다.

초기 자세 단계 동안 발목 관절의 안정화와 초기 스윙 단계 동안 발 높이를 위한 보행 주기에서 주요 역할을 한다는 점을 고려할 때 전방 경골근 역학에 대한 연구가 얼마나 중요한지 강조할 가치가 있습니다(Lacquaniti et al. al.2012). 결과적으로, 이완 역학은 보행의 다음 단계로 전환되는 타이밍에 깊은 영향을 미칠 수 있습니다.

재료 및 방법

주제 및 측정

여가 활동이 활발한 젊은 참가자 20명(남성 10 및 여성 10, 21~33세) 및 여가 활동이 활발한 노년층 참가자 20명(남성 10명, 여성 10명, 65~80세) 이 연구에 참여하기 위해 정형외과적 또는 신경학적 장애는 모집되지 않았습니다. 실험에 대한 자세한 설명을 들은 후 서면 동의서를 제공했습니다. 피험자들에게 시험 전 24시간 동안 카페인 섭취와 격렬한 신체 활동을 자제하도록 요청했습니다. 이 연구는 헬싱키 선언의 최신 버전에 따라 수행되었으며 지역 윤리위원회의 승인을 받았습니다. 참가자의 주요 하지를 로드 셀(그림 1)이 장착된 특정 인체공학계에 위치시켰으며, 이는 전경골근근의 전기 자극 수축 동안 생성된 토크를 측정했습니다(Cogliati et al. 2020). 엉덩이와 무릎은 각각 90도, 180도로 고정한 반면, 발목은 110도로 중립자세에 위치시켰다. 로드 셀(모델 SM-100 N, Interface Inc., Scottsdale, US-AZ)에 연결된 나무판에 발을 묶었습니다. 로드 셀에 의해 획득된 힘 신호는 0~64Hz에서 대역 통과 필터링되고 증폭되었습니다(MISOOT Bioelettronica, Turin, Italy). 피험자별 배측굴곡 토크를 구하기 위해 발목 지렛대와 발판 로드셀 사이의 거리를 측정하여 힘 신호를 토크 [T=F(N) × d(m)로 변환하는데 사용했습니다. ]. Orizio et al. (Orizio et al. 1999, 2008), 경골근 전방 근육 표면의 변위는 광학 레이저 ​​거리 센서(M5L/20, MEL Mikroelektronik, Germany)를 사용하여 기계근조검사 신호로 변환되었습니다. 장비에는 다음과 같은 특징이 있습니다: 측정 범위±10mm, 감도 1V/mm, 선형성 0.6%, 분해능<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).

전기 자극기는 전경골근 근육에 이상성 직사각형 자극(각 단계의 100 µs 지속 시간)을 전달하는 데 사용되었습니다. 캐소드 전극(5×5cm)은 Gobbo et al에 따라 식별된 전경골근의 주 운동 지점(그림 1) 위의 피부 영역에 배치되었습니다. (2011). 양극 전극(15×10 cm)을 비복근 근육에 위치시켰다. 1Hz 자극 트레인의 진폭(각 0.1V 진폭 레벨당 10펄스)을 최소값 0.5V에서 증가시킴으로써 최대 자극 펄스는 가장 큰 단일 경련을 유도하는 자극 진폭으로 식별되었습니다. 3초 동안 지속되는 35Hz 펄스의 3개 열차가 자극 사이에 1분 간격으로 근육의 운동점에 투여되었습니다. 자극 트레인에 의해 유발된 표면 EMG는 두 개의 자체 접착식 사전 겔화 은 전극(직경 1cm, 전극 간 거리 30mm)을 사용하여 감지되었습니다. EMG는 3차 버터워스 대역통과 필터(10~512Hz)를 사용하여 조절되었습니다. CED-1401(Cambridge Electronic Design, Cambridge, UK)에 의한 A/D 변환 후, 디지털화된 신호는 PC에 저장되고 1024 샘플/초로 샘플링되었습니다.

신호 처리: 이완 단계 동안 분석된 매개변수

연구 목적을 달성하기 위해 아래에 설명된 분석은 이미 여러 연구에서 부분적으로 고려된 자극된 파상풍 수축의 이완 단계에 관한 것입니다(Cè et al. 2013b, 2014a, 2013c; Esposito et al. 2016, 2011). ; Longo 외 2016).

세 가지 자극 열차 중 마지막 자극 전 100ms 시간 간격에서 가장 큰 토크 값을 갖는 열차가 각 피험자에 대해 선택되었습니다. 토크와 MMG는 50Hz에서 디지털 방식으로 저역 통과 필터링된 후 100ms 시간 간격의 평균 값을 참조하여 100%로 정규화되었습니다. EMG 신호는 파상풍 자극열로 인한 전기적 활동의 종료를 식별하는 데 사용되었습니다. 마지막 자극 후 전기적 활동이 완료된 시간은 유발된 EMG가 파상풍 자극 전 1초 신호 샘플에서 계산된 평균값 ± 3SD에 도달하는 시간 표시였습니다(그림 2 참조).

이완 전기기계적 지연

이완 단계에서는 전기 활동의 끝과 토크 및 MMG 붕괴의 시작 사이에 지연(D)이 관찰될 수 있습니다. D는 토크(DT)와 MMG(DMMG) 모두에 대해 신호가 자극 중 평균값의 3 표준 편차를 감소한 시점으로 계산되었습니다(그림 2).

토크 감소율 및 MMG 감소율

토크 신호(RRT)와 MMG 신호(RRMMG)의 감소율은 Δ토크 또는 ΔMMG와 Δ시간 사이의 비율로 계산되었습니다(그림 2). 특히, 최대 감소 속도를 식별하기 위해 두 신호에 걸쳐 1ms 간격으로 20ms 이동 창을 사용했습니다(Cogliati et al. 2020; Haf et al. 2015). NRRT 및 NRRMMG를 얻기 위해 정규화된 신호에 대해 동일한 계산이 수행되었습니다.

80~20% 신호 감소를 위한 시간 간격

RR 또는 NRR에서 제공하는 개별 정보 외에도 정규화된 토크와 MMG(TRT 및 TRMMG) 모두 감소의 80~20% 범위에서 감소하는 시간을 계산하여 신호 감쇠의 역학을 추가로 특성화했습니다. 선택된 범위를 사용하면 두 신호가 모두 초기 및 최종 과도 상태에서 동적으로 변경될 때 젊은 피험자와 노년 피험자의 두 신호의 시간 동작을 비교할 수 있습니다.

근육 순응도

토크 감소와 근육 다시 연장 사이의 시간 관계에 대한 자세한 설명을 얻기 위해 상대 토크 감소의 10개 빈 각각에 대한 상대 MMG 변화량(100에서 0까지) %: 100~90%, 90~80%, 80~70%, …, 10~0%)가 계산되었습니다. 이 값은 이완 과정 전반에 걸쳐 빈별 근육 순응도(MC)를 반영합니다.

토크 감소 종료 시 MMG(MMG0T)

토크 감소과정이 완료되어 0%에 도달했을 때 남은 재연장량인 %MMG를 피험자별로 정량화하였다. 이 매개변수는 MMG0T로 식별되었으며 장력 감소와 비교하여 전체 길이 연장 프로세스 효율성의 척도를 제공합니다. 즉, 힘이 느껴지면 길이 연장이 얼마나 불완전한가를 나타냅니다. {{5} }.

통계 분석

데이터는 통계 소프트웨어(Sigmaplot 11)를 사용하여 분석되었습니다. 양방향 분산 분석(ANOVA)을 사용하여 D, NRR 및 TR에 대한 연령(젊은이와 노인) 및 신호(토크 및 MMG)의 주요 효과와 상호 작용 효과를 조사했습니다. ANOVA가 유의미한 경우 Tukey 사후 테스트를 통해 쌍별 비교가 이루어졌습니다. 근육 순응도의 경우 ANOVA의 두 가지 요소는 나이와 상대 토크 감소 구간이었습니다. 또한, 자극 수축 중 최대 토크, RRT, RRMMG 및 MMG0T(통계적 유의성 p<0.05).

그래프에서 별표(*)의 개수는 다음과 같이 통계적으로 유의미한 차이를 나타냅니다.< 0.05 (*); p<0.01 (**); p<0.001 (***).

이 연구에서 보고된 데이터는 이미 출판된 연구에서 젊은이와 노인 대상의 자발적 수축과 자극된 수축이 시작될 때 근육 역학을 비교하는 데 사용되는 전방경골근 파상풍 반응 중에 감지된 신호에서 나온 것입니다(Cogliati et al. 2020).

결과

이전 섹션에 나열된 매개변수가 계산된 대표적인 젊은이와 노인 대상의 정규화된 토크(빨간색 선) 및 MMG(검은색 선) 신호의 예는 그림 3에서 찾을 수 있습니다. 젊은 피험자와 노인 피험자 사이의 두 신호 감쇠의 시작과 두 신호의 서로 다른 기울기는 이완 과정을 통해 분명합니다.

최대 자극 수축

자극된 수축의 최대 토크는 청년과 노년 사이에 유의미한 차이가 있었습니다(청년의 경우 4.9±2.5Nm, 노인의 경우 2.6±1.7Nm; 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.

이완 전기기계적 지연(DT 및 DMMG)

양방향 ANOVA는 연령이 유의미한 영향을 미치는 것으로 나타났습니다(p<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.

토크. 이완 단계가 시작될 때 DT는 젊은이와 노인 사이에 유의미한 차이가 있었습니다(젊은 사람의 경우 22.51±5.92ms, 노인의 경우 51.35±15.21ms, p<0.001) (Fig. 4).

MMMG. DMMG는 DT와 동일한 행동을 보였으며, 젊은이와 노인 사이에 상당한 차이가 관찰되었습니다(젊은 사람의 경우 27.38±6.93ms, 노인의 경우 61.41±18.42ms, p<0.001) (Fig. 4).

토크 감소율 및 MMG 감소율(RRT 및 RRMMG)

자극된 수축 철수 후 붕괴 단계 동안, 젊은이와 노인의 최대 RRT는 각각 -110.4 ± 45.56 Nm/s 및 -52.72 ± 32.12 Nm/s로 그룹 간의 통계적 차이를 보여줍니다( 독립 t-검정, p < 0.001). 따라서 젊은 대상(-24.47 ± 10.95 mm/s)의 최대 RRMMG는 노인(-13.76 ± 6.54 mm/s) 대상보다 유의하게 높았습니다(독립 t-검정, p < 0.001). 정규화된 신호를 고려할 때 결과는 유사했습니다. 양방향 ANOVA는 연령이 유의미한 영향을 미치는 것으로 나타났습니다(p<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).

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