Un pelvis mai larg nu crește costul locomotor la oameni, cu implicații asupra evoluției
Anna G. Warrener
1 Departamentul de biologie evolutivă umană, Universitatea Harvard, 11 Divinity Avenue, Cambridge, Massachusetts, 02138, Statele Unite ale Americii,
Kristi L. Lewton
2 Departamentul de Anatomie și Neurobiologie, Școala de Medicină a Universității Boston, 72 East Concord St. (L 1004), Boston, Massachusetts, 02118, Statele Unite ale Americii,
Herman Pontzer
3 Departamentul de antropologie, Hunter College, 695 Park Ave., New York, New York, 10065, Statele Unite ale Americii,
Daniel E. Lieberman
1 Departamentul de Biologie Evolutivă Umană, Universitatea Harvard, 11 Divinity Avenue, Cambridge, Massachusetts, 02138, Statele Unite ale Americii,
Conceput și proiectat experimentele: AGW KLL HP DEL. A efectuat experimentele: AGW KLL. Analiza datelor: AGW KLL. Reactivi/materiale/instrumente de analiză contribuite: AGW HP DEL. Am scris lucrarea: AGW KLL HP DEL.
Date asociate
Tabelul B din textul S1. Lungimile și rapoartele fibrelor musculare de la exemplarele cadaverice.
Tabelul C și textul S1. Antropometria subiectului.
Tabelul D în textul S1. EMA și R măsurate în timpul locomoției.
Tabelul E și textul S1. Costul locomotor net pentru toți subiecții.
Toate datele relevante se află în hârtie și în fișierele sale de informații de suport.
Abstract
Introducere
O provocare biomecanică unică a mersului biped al omului este echilibrarea corpului peste un singur membru de sprijin în timpul mersului și alergării. Deoarece articulația șoldului se află la o anumită distanță de linia mediană a corpului, pelvisul tinde să se rotească departe de partea de sprijin în timpul sprijinului cu un singur picior. Mușchii abductorului de șold (gluteus medius, gluteus minimus și tensor fasciae latae) contracarează această rotație producând o forță opusă pe bazin redirecționând astfel centrul de masă al corpului pentru a menține echilibrul mediolateral. Pentru a menține echilibrul în jurul articulației șoldului, momentul extern care acționează în jurul șoldului în plan mediolateral trebuie să fie opus unui moment intern egal și opus, generat în primul rând de mușchii abductorului șoldului.
Materiale și metode
Utilizarea subiecților umani a fost aprobată prin revizuirea IRB a Programelor de Protecție a Cercetării Umane atât la Universitatea Harvard (# 17229), cât și la Universitatea Washington din St. Louis (# 09-0216) și toți subiecții au acordat consimțământul scris înainte de participarea la studiu. Subiecții au fost grupați în funcție de sex pe baza auto-identificării lor la momentul testării inițiale.
Au fost efectuate două experimente, unul la Universitatea Harvard și unul la Universitatea Washington din St. Louis. În primul experiment, datele metabolice au fost colectate pe cincisprezece subiecți (bărbați n = 8, femei n = 7) pentru a compara costul locomotor net între bărbați și femei. În al doilea experiment, am colectat date de imagistică prin rezonanță cinetică, cinetică și magnetică (RMN), în plus față de datele metabolice la douăzeci și șase de indivizi (masculin n = 13, feminin n = 13) pentru a examina modul în care lățimea pelviană și abductorul șoldului EMA afectează costul locomotor. Subiecții erau toți alergători de recreere fizici și nefumători între 20 și 35 de ani.
Cinematică și cinetică
Subiecții au mers și au trecut peste o platformă de forță AMTI model-SAU (1000Hz) încorporată pe jumătate pe o cale lungă de 7,8 m, în timp ce datele cinematice (200Hz, Vicon) au fost înregistrate simultan. Datele din studiile în care doar un singur picior a intrat în contact cu forța-platformă, viteza a fost constantă (definită ca diferența dintre impulsurile de rupere orizontală absolută și impulsurile de accelerare mai mici de 30%) și la 0,25 m/s de viteza de încercare a benzii de rulare metabolice. pentru mersul pe jos și alergarea într-o analiză ulterioară. Din aceste date, au fost disponibile studii complete de mers pe jos pentru douăzeci și cinci de persoane, iar testele de alergare au fost disponibile pentru douăzeci și unu de persoane. Datele cinematice au fost filtrate folosind un filtru Butterworth de ordinul al patrulea, cu întârziere zero, cu o frecvență de tăiere de 6Hz.
Imagistică prin rezonanță magnetică
Au fost obținute RMN complet ale corpului inferior, scanate izotrop la o rezoluție de 1,7 mm, pentru fiecare subiect din cel de-al doilea grup de studiu pe un scaner Avanto 1,5T de la Centrul de Cercetare a Imagisticii Clinice, Universitatea Washington din St. Louis. Dimensiunile pelvine, brațele momentului muscular și arhitectura a 16 mușchi ai membrului inferior au fost măsurate utilizând software-ul Analize 10.0, Resurse de imagistică biomedicală, Clinica Mayo (Text S1). Datele de coordonate tridimensionale pentru centrele de rotație ale șoldului, genunchiului și gleznei prelevate de la subiectul RMN au fost utilizate pentru a crea repere articulare în raport cu markerii cinematici filtrați pe coloana vertebrală iliacă anterioară superioară stângă (ASIS), epicondil lateral și maleol lateral markeri respectiv. Aceste puncte de referință au fost apoi utilizate în calcule ulterioare ale mișcării segmentare și articulare. Centrul de masă al segmentului și momentul de inerție au fost calculate de la de Leva (1996) [28] și reduse la lungimile segmentului subiect și la masa corporală.
Avantajul mecanic efectiv al abductorului de șold (EMA)
EMA a răpitorilor de șold a fost măsurată în două moduri, folosind mai întâi static folosind o lățime biacetabulară pe jumătate, măsurată ca diametrul dintre centrele articulației șoldului drept și stâng vizualizate din RMN, ca un proxy pentru R despre șold („EMA anatomică”) . În al doilea rând, o măsură dinamică a EMA („EMA locomotorie”) a fost calculată în timpul încercărilor de mers pe jos și de rulare cu forță folosind o rutină de dinamică inversă scrisă personalizată MATLAB [23,29].
La șold, momentul net este dat de ecuația:
unde coapsa I este momentul de inerție al segmentului coapsei în jurul capătului proximal rezolvat folosind teorema axei paralele [23], coapsa α este accelerația unghiulară a coapsei, M coapsa D este momentul care acționează la segmentul distal al coapsei, r șold-COM este vectorul pozițional al șoldului față de centrul de masă al coapsei, g este gravitațional, r coapsa D-șold este vectorul pozițional al segmentului distal al coapsei față de șold și F coapsa D este vectorul de forță care acționează asupra segmentul distal al coapsei. Toate multiplicările vectoriale sunt produse încrucișate. Bratul momentului extern, R, care acționează în jurul șoldului a fost calculat astfel:
Valorile lui R la mijlocul perioadei de contact picior-sol au fost utilizate pentru calculele EMA locomotorii. Atât pentru „EMA anatomică” statică, cât și pentru măsurile dinamice ale EMA în timpul locomoției, brațul momentului abductorului de șold a fost determinat direct din RMN (text S1).
Cost locomotor
Costul locomotor a fost calculat ca volum net de oxigen consumat în timpul exercițiului peste VO2 de odihnă prin respirometrie cu flux deschis (PA-10 Oxygen Analyzer, Sable Systems International) [30,31] pe o bandă de alergare staționară la o viteză de mers de 1,5 m/s 1SD Froude = 0,25 ± 0,04) și 2,5 m/s viteză de rulare (medie ± 1SD Froude = 0,69 ± 0,08) pentru toți subiecții (unde Froude = viteza 2/înălțimea șoldului × gravitație). Diferențele de cost între bărbați și femei au utilizat eșantionul metabolic combinat dintr-unul și două experimente, făcând disponibile date despre costul net pentru un total de patruzeci și unu de bărbați și femei (bărbați n = 21, femei n = 20). Nu au existat diferențe semnificative în ceea ce privește costul de funcționare între cele două studii (P = 0,734) și, în timp ce costurile medii de mers pe jos au fost ușor mai mari în grupul din cele două studii (2,24 J kg -1 m -1 față de 2,03 J kg -1 m -1 pentru studiul unu, P = 0,02) ambele valori ale grupului se încadrează în măsurătorile medii raportate pentru analize anterioare ale costului metabolic al mersului pe jos [32].