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Muscle Eccentric Contractions Increase in Downhill and High-Grade Uphill Walking
Frontiers in Bioengineering and Biotechnology ( IF 5.7 ) Pub Date : 2020-10-14 , DOI: 10.3389/fbioe.2020.573666
Xiao Hu , Nathaniel T. Pickle , Alena M. Grabowski , Anne K. Silverman , Silvia S. Blemker

In Duchenne muscular dystrophy (DMD), one of the most severe and frequent genetic diseases in humans, dystrophic muscles are prone to damage caused by mechanical stresses during eccentric contractions. Eccentric contraction during walking on level ground likely contributes to the progression of degeneration in lower limb muscles. However, little is known about how the amount of muscle eccentric contractions is affected by uphill/downhill sloped walking, which is often encountered in patients’ daily lives and poses different biomechanical demands than level walking. By recreating the dynamic musculoskeletal simulations of downhill (−9°, −6°, and −3°), uphill (+3°, +6°, and +9°) and level walking (0°) from a published study of healthy participants, negative muscle mechanical work, as a measure of eccentric contraction, of 35 lower limb muscles was quantified and compared. Our results indicated that downhill walking overall induced more (32% at −9°, 19% at −6°, and 13% at −3°) eccentric contractions in lower limb muscles compared to level walking. In contrast, uphill walking led to eccentric contractions similar to level walking at low grades (+3° and +6°), but 17% more eccentric contraction at high grades (+9°). The changes of muscle eccentric contraction were largely predicted by the changes in both joint negative work and muscle coactivation in sloped walking. As muscle eccentric contractions play a critical role in the disease progression in DMD, this study provides an important baseline for future studies to safely improve rehabilitation strategies and exercise management for patients with DMD and other similar conditions.

中文翻译:

下坡和高级上坡步行时肌肉离心收缩增加

在杜氏肌营养不良症 (DMD) 中,这是人类最严重和最常见的遗传疾病之一,营养不良的肌肉在离心收缩期间容易受到机械应力造成的损伤。在平地上行走时的离心收缩可能导致下肢肌肉退化的进展。然而,关于肌肉离心收缩量如何受到上坡/下坡坡步行的影响知之甚少,这在患者日常生活中经常遇到,并且与水平步行相比提出了不同的生物力学要求。通过重新创建下坡(-9°、-6° 和 -3°)、上坡(+3°、+6° 和 +9°)和水平行走 (0°) 的动态肌肉骨骼模拟健康的参与者,负肌肉机械工作,作为离心收缩的衡量标准,对 35 块下肢肌肉进行量化和比较。我们的结果表明,与水平行走相比,下坡行走总体上引起了更多(-9° 时 32%,-6° 时 19%,-3° 时 13%)下肢肌肉的离心收缩。相比之下,上坡步行导致的离心收缩与低坡度(+3°和+6°)的水平行走相似,但在高坡度(+9°)时离心收缩增加了 17%。肌肉离心收缩的变化在很大程度上是通过倾斜行走中关节负功和肌肉共激活的变化来预测的。由于肌肉离心收缩在 DMD 的疾病进展中起着关键作用,因此本研究为未来的研究提供了重要的基线,以安全地改善 DMD 和其他类似疾病患者的康复策略和运动管理。我们的结果表明,与水平行走相比,下坡行走总体上引起了更多(-9° 时 32%,-6° 时 19%,-3° 时 13%)下肢肌肉的离心收缩。相比之下,上坡步行导致的离心收缩与低坡度(+3°和+6°)的水平行走相似,但在高坡度(+9°)时离心收缩增加了 17%。肌肉离心收缩的变化很大程度上是通过倾斜行走中关节负功和肌肉共激活的变化来预测的。由于肌肉离心收缩在 DMD 的疾病进展中起着关键作用,因此本研究为未来的研究提供了重要的基线,以安全地改善 DMD 和其他类似疾病患者的康复策略和运动管理。我们的结果表明,与水平行走相比,下坡行走总体上引起了更多(-9° 时 32%,-6° 时 19%,-3° 时 13%)下肢肌肉的离心收缩。相比之下,上坡步行导致的离心收缩与低坡度(+3°和+6°)的水平行走相似,但在高坡度(+9°)时离心收缩增加了 17%。肌肉离心收缩的变化在很大程度上是通过倾斜行走中关节负功和肌肉共激活的变化来预测的。由于肌肉离心收缩在 DMD 的疾病进展中起着关键作用,因此本研究为未来的研究提供了重要的基线,以安全地改善 DMD 和其他类似疾病患者的康复策略和运动管理。和 13% 在 -3°)下肢肌肉的离心收缩与水平行走相比。相比之下,上坡步行导致的离心收缩与低坡度(+3°和+6°)的水平行走相似,但在高坡度(+9°)时离心收缩增加了 17%。肌肉离心收缩的变化在很大程度上是通过倾斜行走中关节负功和肌肉共激活的变化来预测的。由于肌肉离心收缩在 DMD 的疾病进展中起着关键作用,因此本研究为未来的研究提供了重要的基线,以安全地改善 DMD 和其他类似疾病患者的康复策略和运动管理。和 13% 在 -3°)下肢肌肉的离心收缩与水平行走相比。相比之下,上坡步行导致的离心收缩与低坡度(+3°和+6°)的水平行走相似,但在高坡度(+9°)时离心收缩增加了 17%。肌肉离心收缩的变化在很大程度上是通过倾斜行走中关节负功和肌肉共激活的变化来预测的。由于肌肉离心收缩在 DMD 的疾病进展中起着关键作用,因此本研究为未来的研究提供了重要的基线,以安全地改善 DMD 和其他类似疾病患者的康复策略和运动管理。在低坡度(+3°和+6°)下,上坡行走导致的离心收缩类似于水平行走,但在高坡度(+9°)时离心收缩增加了 17%。肌肉离心收缩的变化在很大程度上是通过倾斜行走中关节负功和肌肉共激活的变化来预测的。由于肌肉离心收缩在 DMD 的疾病进展中起着关键作用,因此本研究为未来的研究提供了重要的基线,以安全地改善 DMD 和其他类似疾病患者的康复策略和运动管理。在低坡度(+3°和+6°)下,上坡行走导致的离心收缩类似于水平行走,但在高坡度(+9°)时离心收缩增加了 17%。肌肉离心收缩的变化在很大程度上是通过倾斜行走中关节负功和肌肉共激活的变化来预测的。由于肌肉离心收缩在 DMD 的疾病进展中起着关键作用,因此本研究为未来的研究提供了重要的基线,以安全地改善 DMD 和其他类似疾病患者的康复策略和运动管理。
更新日期:2020-10-14
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