Ширший таз не збільшує опорно-рухових витрат у людей, що має наслідки для еволюції
Анна Г. Уорренер
1 Кафедра еволюційної біології людини, Гарвардський університет, 11 Divinity Avenue, Кембридж, штат Массачусетс, 02138, Сполучені Штати Америки,
Крісті Л. Льютон
2 Кафедра анатомії та нейробіології Медичної школи Бостонського університету, вул. Східна Конкорд, 72 (L 1004), Бостон, штат Массачусетс, 02118, Сполучені Штати Америки,
Герман Понцер
3 Департамент антропології, Коледж Хантера, 695 Park Ave., Нью-Йорк, Нью-Йорк, 10065, Сполучені Штати Америки,
Даніель Е. Ліберман
1 кафедра еволюційної біології людини, Гарвардський університет, 11 Divinity Avenue, Кембридж, штат Массачусетс, 02138, Сполучені Штати Америки,
Задумав і спроектував експерименти: AGW KLL HP DEL. Виконував експерименти: AGW KLL. Проаналізовано дані: AGW KLL. Внесені реагенти/матеріали/інструменти для аналізу: AGW HP DEL. Написав папір: AGW KLL HP DEL.
Пов’язані дані
Таблиця B у тексті S1. Довжина та співвідношення м’язових волокон з трупних зразків.
Таблиця С у тексті S1. Предметна антропометрія.
Таблиця D у тексті S1. ЕМА і R, виміряні під час руху.
Таблиця E у тексті S1. Чиста вартість руху для всіх предметів.
Усі відповідні дані знаходяться в газеті та в допоміжних файлах.
Анотація
Вступ
Унікальним біомеханічним викликом кроку людини, що крокує двостороннім ходом, є балансування тіла над однією опорною кінцівкою під час ходьби та бігу. Оскільки тазостегновий суглоб лежить на деякій відстані від середньої лінії тіла, таз має тенденцію обертатися від опорної сторони під час підтримки однією ногою. М'язи, що викрадають стегно (сідничний сідничний м’яз, сідничний сідничний м’яз та тензор фасційних лат) протидіють цьому обертанню, виробляючи протилежну силу на таз, тим самим перенаправляючи центр маси тіла на підтримку посереднього рівноваги. Для підтримання рівноваги щодо кульшового суглоба зовнішньому моменту, що діє навколо стегна в медіолатеральній площині, повинен протиставлятися рівний і протилежний внутрішній момент, породжений головним чином м’язами, що відводять стегна.
Матеріали і методи
Використання досліджуваних людей було схвалено оглядом IRB Програмами захисту досліджень людини як в Гарвардському університеті (# 17229), так і у Вашингтонському університеті в Сент-Луїсі (# 09–0216), і всі суб’єкти надали письмову згоду до участі у дослідженні. Суб'єкти були згруповані за статтю на основі їх самоідентифікації під час первинного тестування.
Було проведено два експерименти, один в Гарвардському університеті і один у Вашингтонському університеті в Сент-Луїсі. У першому експерименті метаболічні дані були зібрані на п’ятнадцяти суб’єктах (чоловіки n = 8, жінки n = 7), щоб порівняти чисті локомоторні витрати між чоловіками та жінками. У другому експерименті ми зібрали дані про кінематичну, кінетичну та магнітно-резонансну томографію (МРТ) на додаток до метаболічних даних про двадцять шість осіб (чоловіки n = 13, жінки n = 13), щоб дослідити, як ширина тазу та викрадач стегна. EMA впливає на вартість руху. Усі суб’єкти були фізично підготовленими рекреаційними бігунами та некурящими у віці від 20 до 35 років.
Кінематика та кінетика
Суб'єкти йшли та бігли по силовій платформі AMTI-АБО (1000 Гц), вбудованій наполовину в 7,8-метрову колію, одночасно реєструючи дані кінематики (200 Гц, Vicon). Дані випробувань, в яких лише одна стопа контактувала з силовою платформою, швидкість була постійною (визначалася як різниця між абсолютним горизонтальним імпульсом розриву та прискоренням менше 30%) і в середньому 0,25 м/с метаболічної швидкості бігової доріжки були середніми для ходьби та бігу при подальшому аналізі. З цих даних були доступні повні випробування на ходьбу для двадцяти п’яти осіб, а бігові - для двадцяти одного. Дані кінематики фільтрували за допомогою фільтра Баттерворта з нульовим відставанням четвертого порядку з частотою відсікання 6 Гц.
Магнітно-резонансна томографія
Повні МРТ нижньої частини тіла, скановані ізотропно з роздільною здатністю 1,7 мм, були отримані для кожного суб'єкта у другій досліджуваній групі на сканері Avanto 1,5T в Центрі клінічних досліджень зображень Вашингтонського університету в Сент-Луїсі. Розміри тазу, м’язові моменти рук та архітектура 16 м’язів нижньої кінцівки вимірювали за допомогою програмного забезпечення Analyze 10.0, Biomedical Imaging Resource, Clinic Mayo (S1 Text). Тривимірні координатні дані для центрів обертання тазостегнового, колінного та гомілковостопного суглобів, взяті з МРТ, були використані для створення суглобових орієнтирів щодо відфільтрованих кінематичних маркерів на лівому передньому верхньому клубовому відділі хребта (ASIS), латеральних епіконділів та латеральних маркерів молоточка відповідно. Потім ці орієнтири використовувались для подальших розрахунків сегментарного та суглобового руху. Центр маси сегмента та момент інерції були розраховані за де Лева (1996) [28] і масштабовані до довжини сегмента та маси тіла.
Ефективна механічна перевага викрадника стегна (EMA)
ЕМА викрадачів стегна вимірювали двома способами, спочатку статистично використовуючи половину біацетабулярної ширини, вимірювану як діаметр між правим і лівим центрами суглобів кульшового суглоба, що розглядається з МРТ, як проксі для R щодо стегна ("анатомічна ЕМА") . По-друге, динамічний показник ЕМА («руховий ЕМА») обчислювали під час випробувань на ходьбі та бігу з використанням силових пластин із використанням спеціальної письмової процедури зворотної динаміки MATLAB [23,29].
На стегні чистий момент задається рівнянням:
де I стегно - момент інерції сегмента стегна щодо проксимального кінця, вирішений за допомогою теореми про паралельну вісь [23], α стегно - кутове прискорення стегна, M стегнаD - момент, що діє на дистальний сегмент стегна, r стегна-COM - позиційний вектор стегна відносно центру мас стегна, g - сила тяжіння, r стегнаD-стегна - вектор положення дистального сегмента стегна щодо стегна, а F стегнаD - вектор сили, що діє на дистальний сегмент стегна. Всі векторні множення є перехресними добутками. Потім зовнішній момент, R, що діє навколо стегна, обчислювали як:
Значення R в середині періоду контакту ногою з землею використовувались для розрахунків рухової ЕМА. Як для статичних "анатомічних ЕМА", так і для динамічних показників ЕМА під час руху, рука моменту викрадника стегна визначалася безпосередньо з МРТ (текст S1).
Вартість локомотора
Локомоторні витрати розраховувались як чистий об’єм споживаного кисню під час тренування над VO2 у спокої за допомогою респірометрії з відкритим потоком (аналізатор кисню PA-10, Sable Systems International) [30,31] на стаціонарній біговій доріжці зі швидкістю ходьби 1,5 м/с (середнє значення ± 1SD Froude = 0,25 ± 0,04) та швидкість бігу 2,5 м/с (середня ± 1SD Froude = 0,69 ± 0,08) для всіх суб’єктів (де Froude = швидкість 2/висота стегна × гравітація). Різниця у вартості між чоловіками та жінками використовувала комбіновану метаболічну пробу з експериментів перший та другий, завдяки чому дані про чисті витрати стали доступними загалом для сорока одного чоловіка та жінки (чоловіки n = 21, жінки n = 20). Між двома дослідженнями не було значущих відмінностей у експлуатаційній вартості (Р = 0,734), і хоча середні витрати на ходьбу були трохи вищими у двох групах дослідження (2,24 Дж кг -1 м -1 проти 2,03 Дж кг -1 м -1 для першого дослідження, Р = 0,02) обидві величини групи знаходяться в межах середніх показників витрат, що повідомляються для попереднього аналізу метаболічних витрат на ходьбу [32].