ВЛИЯНИЕ РЕАЛЬНОЙ МИКРОГРАВИТАЦИИ НА МЫШЕЧНУЮ АРХИТЕКТУРУ И ФУНКЦИЮ СКЕЛЕТНОЙ МЫШЦЫ ЧЕЛОВЕКА
PDF

Ключевые слова

ультразвуковое исследование
угол наклона и длина волокон
трехглавая мышца голени
космический полет
произвольное и электрически вызванное сокращение

Как цитировать

Коряк, Ю. А. (2020). ВЛИЯНИЕ РЕАЛЬНОЙ МИКРОГРАВИТАЦИИ НА МЫШЕЧНУЮ АРХИТЕКТУРУ И ФУНКЦИЮ СКЕЛЕТНОЙ МЫШЦЫ ЧЕЛОВЕКА. Российский физиологический журнал им. И. М. Сеченова, 106(9), 1144–1162. https://doi.org/10.31857/S0869813920090034

Аннотация

Исследовали влияние продолжительной микрогравитации на архитектуру и сократительные свойства трехглавой мышцы голени (ТМГ) у трех космонавтов. Определяли максимальную произвольную силу (МПС), максимальную силу (Ро), время одиночного сокращения (ВОС), время полурасслабления (1/2 ПР), время развития напряжения и рассчитывали силовой дефицит (Рд). Ультразвуковые изображения (УЗИ) медиальной (МИМ), латеральной (ЛИМ) икроножных и камбаловидной (КМ) мышц определяли при изменении положения угла голеностопного сустава в диапазоне от -15 (тыльное сгибание) до +30 (подошвенное сгибание) и в положении коленного сустава с углом 180. В каждом положении были получены продольные УЗИ с определением длины ( Lв ) и угла наклона волокон ( в ) относительно апоневроза. После микрогравитации МПС и Ро ТМГ уменьшились на 26 % и 18 % соответственно, а Рд увеличился на 30 %. ВОС и 1/2 ПР уменьшились на ~ 5 % и ~ 10 % соответственно. Скорость развития произвольного сокращения ТМГ снизилась, но электрически вызванного сокращения не изменилась. При положении голеностопного сустава -15Lв МИМ, ЛИМ и КМ уменьшалась с 45, 53 и 39 мм до 27, 43 и 27 мм, а при положении +30  с 26, 33 и 27 до 18, 25 и 17 мм соответственно. При этом в изменялся на 9 , 8 , 5  и на 11 , 10  и 8  соответственно. МИМ имела самые большие изменения в в пределах от 31до 45. Изменения в функциях ТМГ предполагают, что невесомость изменяет не только периферические процессы, но также изменяет и координационные механизмы управления мышечным аппаратом. Различные Lв и в мышц и их изменения могли быть связаны с различиями в способностях генерации силы этих мышц и упругих характеристик сухожилий и апоневрозов.

https://doi.org/10.31857/S0869813920090034
PDF

Литература

Gopalakrishnan R., Gencenc K.O., Rice A.J., Lee S.M.C., Evans H.J., Maender C.C., Ilaslan H., Cavanagh P.R. Muscle volume, strength, endurance, and exercise loads during 6-month missions in space. Aviat. Space Environ. Med. 81: 91–102. 2010.

Kubo K., Akima H., Kouzaki M., Ito M., Kawakami Y., Kanehisa H., Fukunaga T. Changes in the elastic properties of tendon structures following 20 days bed rest in humans. Eur. J. App. Physiol. 83: 463-468. 2000.

Narici M.V., Cerretelli P. Changes in human skeletal muscle architecture induced by disuse atrophy. J. Physiol. 506: 59. 1998.

Berg H.E., Larsson L., Tesch P.A. Lower limb skeletal muscle function after 6 weeks of bed rest. J. Appl. Physiol. 82: 182-188. 1997.

Koryak Yu.A. Influence of simulated microgravity on mechanical properties in the human triceps surae muscle in vivo. I: Effect of 120 days of bed‑rest without physical training on human muscle musculo‑tendinous stiffness and contractile properties in young women. Eur. J. Appl. Physiol. 114: 1025–1036. 2014.

Akima H., Kubo K., Imai M., Kanehisa H., Suzuki Y., Gunji A., Fukunaga T. Inactivity and muscle: effect of resistance training during bed rest on muscle size in the lower limb. Acta Physiol. Scand. 172: 269–278. 2001.

Григорьева Л.Г., Козловская И.Б. Влияние невесомости и гипокинезии на скоростно-силовые свойства мышц человека. Космич. биол. и авиакосмич. мед. 21(1): 27-30. 1987 [Grigor’eva L.S., Kozlovskaya I.B. Effect of microgravity and hypokinesia on the strength-velocity properties of human muscles. Kosm. Biol. Aviakosm. Med. 21. 27-30. 1987. (In Russ)].

Akima H., Foley J.M., Prior B.M., Dudley G.A., Meyer R.A. Vastus lateralis fatigue alters recruitment of musculus quadriceps femoris in humans. J. Appl. Physiol. 92: 679-684. 2002.

Kozlovskaya I.B. In: Neurophysiological effects caused by short-and long-term exposures to microgravity. Aerospace Sci. Ed.Yajima K. Tokyo. Nihon Univer. 145-150. 1991.

LeBlanc A., Gogia P., Schneider V., Krebs J., Schonfeld E., Rvans H. Calf muscle area and strength changes after five weeks of horizontal bed rest. Am. J. Sp. Med. 16: 624-629. 1988.

Alkner B.A., Tesch P.A. Efficacy of a gravity-independent resistance exercise device as a countermeasure to muscle atrophy during 29-day bed rest. Acta Physiol. Scand. 181: 345–357. 2004.

Loram I.D., Maganaris C.N., Lakie M. Paradoxical muscle movement in human standing. J. Physiol. 556: 683–689. 2004.

Stapley P., Pozzo T., Grishin A., Papaxanthis C. Investigating centre of mass stabilisation as the goal of posture and movement coordination during human whole body reaching. Biol. Cybern. 82: 161–172. 2000.

Sarabon N., Stefan L., Jan C., Milan S., Helmut K. Strength training in elderly people improves static balance: a randomized controlled trial. Eur. J. Transl. Myol. Basic Appl. Myol. 23: 85–89. 2013.

Friedrich J.А., Brand R.А. Muscle fiber architecture in the human lower limb. J. Biotech. 23: 91-95. 1990.

Kawakami Y., Akima H., Kubo K., Muraoka Y., Hasegawa H., Kouzaki M., Imai M., Suzuki Y., Gunji A., Kanehisa H., Fukunaga T. Changes in muscle size, architecture, and neural activation after 20 days of bed rest with and without resistance exercise. Eur. J. Appl. Physiol. 84: 7–12. 2001.

Rugg S.G., Gregor R.J., Mandelbaum B.R., Chiu L. In vivo moment arm calculations at the ankle using magnetic resonance imaging (MRI). J. Biomech. 23: 495-501. 1990.

Kawakami Y., Nakazawa K., Fujimoto T., Nozaki D., Miyashita M., Fukunaga T. Specific tension of elbow flexor and extensor muscles based on magnetic resonance imaging. Eur. J. Appl. Physiol. 68: 139-147. 1994.

Anderson D.E., Bean J.F., Holt N.E., Keel J.C., Bouxsein M.L. Computed tomography-based muscle attenuation and electrical impedance myography as indicators of trunk muscle strength independent of muscle size in older adults. Am. J. Phys. Med. Rehabil. 93: 553-561. 2014.

Hiraoka A., Aibiki T., Okudaira T., Toshimori A., Kawamura T., Nakahara H., Suga Y., Azemoto N., Miyata H., Miyamoto Y., Ninomiya T., Hirooka M., Abe M., Matsuura B., Hiasa Y., Michitaka K.. Muscle atrophy as pre-sarcopenia in Japanese patients with chronic liver disease: computed tomography is useful for evaluation. J. Gastroenterol. 50: 1206-1213. 2015.

Rutherford O.M., Jones D.A. Measurement of fibre pennation using ultrasound in the human quadriceps in vivo. Eur. J. Appl. Physiol. 65: 433–437. 1992.

Kuno S., Fukunaga T. Measurement of muscle fibre displacement during contraction by real-time ultrasonography in humans. Eur. J. Appl. Physiol. 70: 45-48. 1995.

Narici M.V., Hoppeler H., Kayser B., Landoni L., Classen H., Gavardi C., Conti M., Ceretelli P. Human quadriceps cross-sectional area, torque and neural activation during 6 months strength training. Acta Physiol. Scand. 157: 175–186. 1996.

Kawakami Y., Abe T., Fukunaga T. Muscle-fiber pennation angles are greater in hypertrophied than in normal muscles. J. Appl. Physiol. 74: 2740-2744. 1993.

Kawakami Y., Abe T., Kuno S.Y., Fukunaga T. Training-induced changes in muscle architecture and specific tension. Eur. J. Appl. Physiol. 72: 37-43. 1995.

Gans C., Bock W.J. The functional significance of muscle architecture — a theoretical analysis Ergeb. Anat, Entwicklungsgesch. 38: 115–142. 1965.

Gans C. Fiber architecture and muscle function. Exerc. Sport Sci. Rev. 10: 160-207. 1982.

Gans C., Gaunt А.S. Muscle architecture in relation to function. J. Biomech. 24. 53-65.1991.

Fukunaga T., Ichinose Y., Ito M., Kawakami Y., Fukashiro S. Determination of fascicle length and pennation in a contracting human muscle in vivo. J. Appl. Physiol. 82: 354–358. 1997.

Muhl Z.F. Active length-tension relation and the effect of muscle pennation on fiber lengthening. J. Morphol. 173: 285-292. 1982.

Коряк Ю.А., Кузьмина М.М., Бережинский И.В., Коваленко В.М. Продолжительная электромиостимуляционная тренировка мышц у человека в условиях механической разгрузки двигательного аппарата и ее влияние на архитектуру и функцию трехглавой мышцы голени. Фундамент. исслед. 3: 69-87. 2010. [Koryak Yu.A., Kuz’mina M.M., Berezhinsky I.V., Kovalenko V.М. Long-term electromyostimulation training of muscles in a man in the conditions of mechanical unloading of the muscular apparatus and its influence on the architecture and function of the human triceps surae muscle. Fundament. Res. 3: 69-87 2010. (In Russ)].

Maganaris C.N., Baltzopoulos V., Sargeant A.J. Changes in Achilles tendon moment arm from rest to maximum isometric plantarflexion: in vivo observations in man. J. Physiol. 510: 977-985. 1998.

Хельсинкская Декларация Всемирной медицинской ассоциации. 1964. [WMA Declaration of Helsinki – Ethical Principles for Medical Research Involving Human Subjects. 1964].

Aagaard P., Andersen J.L., Dyhre-Poulsen P., Leffers A.M., Wagner A., Magnusson S.P., Halkjaer-Kristensen J., Simonsen E.B. A mechanism for increased contractile strength of human pennate muscle in response to strength training: changes in muscle architecture. J. Physiol. 534(2): 613–623. 2001.

Blazevich A.J., Gill N.D., Bronks R., Newton R.U. Training-specific muscle architecture adaptation after 5-wk concurrent training in athletes. Med. Sci. Sports Exerc. 35: 2013-2022. 2003.

Kanehisa H., Muraoka Y., Kawakami Y., Fukunaga T. Fascicle arrangements of vastus lateralis and gastrocnemius muscles in highly trained soccer players and swimmers of both genders. Int. J. Sports Med. 24: 90–95. 2003.

Kubo K., Kanehisa H., Azuma K., Ishizu M., Kuno S.Y., Okada M., Fukunaga T. Muscle architectural characteristics in young and elderly men and women. Int. J. Sports Med. 24: 125–130. 2003.

Kawakami Y., Ichinose Y., Fukunaga T. Architectural and functional features of human triceps surae muscles during contraction. J. Appl. Physiol. 85: 398–404. 1998.

Fukunaga Т. Roy R.R., Shellock F.G., Hodgson J.A., Day М.К., Lee Р.L.,

Kwong-Fu Н., Edgerton V.R. Physiological cross-sectional area of human leg muscles based оn magnetic resonance imaging. J. Orthop. Res. 10: 926-934. 1992.

Berg H.E., Tedner B., Tesch P.A. Changes in lower limb muscle cross-sectional area and tissue fluid volume after transition from standing to supine. Acta Physiol. Scand. 148: 379-385. 1993.

Scott S.J., Engstrom C.M., Loeb G.E. Morphometry of human thigh muscles: determination of fascicle architecture by magnetic resonance imaging. J. Anat. 182: 249-257. 1993.

Finni T., Hodgson J.A., Lai A.M., Edgerton V.R., Sinha S. Nonuniform strain of human soleus aponeurosis-tendon complex during submaximal voluntary contractions in vivo. J. Appl. Physiol. 95: 829–837. 2003.

Коц Я.М., Абсалямов Т.М., Зорин В.П., Коряк Ю.А., Кузнецова С.П., Син Л.Д. Модификация тендометрического метода измерения силы сокращения отдельных мышц у человека. Физиология человека. 2: 1045-1048. 1976. [Kots Ya.M., Absalyamov T.M.,

Zorin V.P., Koryak Yu.A., Kuznetsov S.P., Sin L.D. Modification of the tendometric method to measure the force contraction for individual human muscles. Human Physiology. 2: 1045-1048. 1976. (In Russ)].

Коряк Ю.А. Адаптация скелетных мышц к изменению нагрузки. Экспериментальное исследование. LAP LAMBERT Acad. Publisahid. GmbH & Co. KG Germany. 2011. [Koryak Yu.A. Adaptation of the skeletal muscles to the load change. Ed. House Acad. Natural History 2012. (In Russ)].

Коряк Ю.А. Нервно-мышечная адаптация к кратковременным и продолжительным космическим полетам человека. ИМБП РАН. Российский сегмент. М. (Григорьев А.И., Ушаков И.Б., ред.) 2: 93-123. 2011. [Koryak Yu.A. Neuromuscular adaptation to short-term and long-duration space flights. ISS, RAS IBMP. Russia segment. М (Grigor’ev A.I., Ushakov I.B., eds.): 93-123. 2011. (In Russ)].

Водолазский Л.А., Мойкин Ю.В. Методика изучения рабочих движений в производственных условиях. Методы физиол. исследований труд. процессов. М. Наука. 1960. [Vodolazsky L.A., Moikin Yu.V. Methds for studying work movements in a production environment. Methods of physiological studies of work processes. M. Nauka. 1960. (In Russ)].

Powell Р., Roy R.R., Кanim P., Веllо M.A., Edgerton V.R. Predictability of skeletal muscle tension from architectural determinations in guinea pig hind-limbs. J. Appl. Physiol. 57: 1715-1721. 1984.

De Boer M.D., Maganaris C.N., Seynnes O.R., Rennie M.J., Narici M.V. Time course of muscular, neural and tendinous adaptations to 23 day unilateral lower-limb suspension in young men. J. Physiol. 583:1079–1091. 2007.

Reeves N.D., Maganaris C.N., Ferretti G., Narici M.V. Influence of 90-day simulated microgravity on human tendon mechanical properties and the effect of resistive countermeasures. J. Appl. Physiol. 98: 2278-2286. 2005.

Bodine S.С., Roy R.R., Meadows D.А., Zernicke R.F., Sacks R.D., Fonrnier М, Edgerton V.R. Architectural, histochemical, and contractile characteristics of а unique biarticular muscle: the cat semitendinosus. J. Neurophysiol. 48: 192-201. 1982.

Burkholder Т.J., Fingado В., Baron S., Lieber R.L. Relationship between muscle fiber types and sizes and muscle architectural properties in the mouse hindlimb. J. Morphol. 221: 177-190. 1994.

Friedrich J.А., Brand R.А. Muscle fiber architecture in the human lower limb. J. Biotech. 23: 91-95. 1990.

Herbert R.T., Gandevia S.C. Changes in pennation with joint angle and muscl torque: In vivo measurements in human brachialis muscle. J. Physiol. 482: 523-532. 1995.

Narici М.V., Вinzoni Т., Hiltbrand Е., Fasel J., Terrier F., Cerretelli P. In vivo human gastrocnemius architecture with joint angle at rest and during graded isometric соntraction. J. Physiol. 496: 287-297. 1996.

Maganaris C.N., Baltzopoulos V., Sargeant A.J. In vivo measurements of the triceps surae architecture in man: implications for muscle function. J. Physiol 512: 604–613. 1998.

Alexander R.McN. Animal Mechanics. Lecturer in Zoology at the University College of North Wates, Bangor. London. Sidgwick & Jackson. 1976.

Huijing Р.А. Architecture of the human gastrocnemius muscle and some functional consequences. Acta Anat. 123: 101-107. 1985.

Wickiewicz Т.L., Roy R.R., Powell P.L., Edgerton V.R. Muscle architecture of the human lower limb. Clin. Orthop. 179: 275-283. 1983.

Spector S.А., Gardiner Р.F., Zernicke R.F., Roy R.R., Edgerton V.R. Muscle architecture and force-velocity characteristics of cat soleus and medial gastrocnemius: implications for motor control. J. Neurophysiol. 44: 951-960. 1980.

Johnson М.А., Polgar J., Weightman D., Appleton D. Data оп the distribution of fibre types in thirty-six human muscles: аn autopsy study. J. Neurol. Sci. 18: 111-129. 1973.

Clément G., Gurfinkel V.S., Lestienne F. Mechanisms of posture maintenance in weightlessness. Vestibular and Visual Control on Posture and Locomotor Equilibrum (Black I, ed.). Karger. Basel. Switzerland: 158-163. 1985.

Gordon A.M., Huxley A.F., Jullian F.J. The variation in isometric tension with sarcomere length in vertebrate muscle fibres. J. Physiol.184. 170-192.1966.

Koryak Yu.A. Influence of long-term space flight on mechanical properties of the human triceps surae muscle: electromechanical delay and musculo-tendinous stiffness. J. Skeletal Muscle. 1(1): 1-10. 2017.

Koryak Yu.A. Influence of simulated microgravity on mechanical properties in the human triceps surae muscle in vivo. II: Effect of 120 days of bed-rest with physical training on human muscle musculo-tendinous stiffness and contractile properties in young women. Central Eur. J. Sport Med. 11: 125-143. 2015.