[論文レビュー] More than energy cost: Multiple benefits of the long Achilles tendon in human walking and running

Anthony J. Blazevich, Jared R. Fletcher|arXiv (Cornell University)|May 26, 2022

Muscle activation and electromyography studies被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、人間の長大なアキレス腱が、歩行や走行時のエネルギー消費を削減する以上の、多数のバイオメカニカルおよび生理的利点を提供すると提案している。短く軽い筋肉を可能にし、弾性エネルギーの貯蔵を向上させることで、肢の慣性を低減し、衝撃力の低減、振動の減衰、筋肉損傷の軽減を実現する。これらは神経運動系の疲労と主観的作動負荷の低下をもたらし、初期ホミニンにおけるより長い腱への進化的選択を促した可能性がある。

ABSTRACT

Elastic strain energy is stored and released from long, distal tendons such as the Achilles during locomotion, reducing locomotor energy cost by minimising muscle shortening distance and speed, and thus activation. However, numerous additional, often unrecognised, advantages of long tendons may speculatively be of greater evolutionary advantage, including the reduced limb inertia afforded by shorter and lighter muscles (reducing proximal muscle force requirement); reduced energy dissipation during the foot-ground collision; capacity to store and reuse the muscle work done to dampen the vibrations triggered by foot-ground collisions; and attenuation of work-induced muscle damage. Cumulatively, these effects should reduce both neuromotor fatigue and sense of locomotor effort, allowing humans to choose to move at faster speeds for longer. As these benefits are greater at faster locomotor speeds, they are consistent with the hypothesis that running gaits used by our ancestors exerted substantial evolutionary pressure on Achilles tendon length.

研究の動機と目的

• 長大なアキレス腱の、弾性エネルギー回収を超えるバイオメカニカルおよび生理的利点を調査すること。
• 腱長が筋力、肢の慣性、および運動効率に与える影響を明らかにすること。
• 腱長が神経運動系の疲労と運動負荷の主観的評価に与える役割を評価すること。
• 人間の歩行と持久力に及ぼす腱長の進化的意義を評価すること。

提案手法

• 歩行および走行時の腱-筋の力学的解析モデルの構築。
• 短い筋肉長および短縮速度の低減に起因する筋力低減の定量的評価。
• 長大な腱が可能にする短く軽い筋肉による肢の慣性低減の評価。
• 足部と地面の衝突に伴うエネルギー散逸と、腱の弾性による振動減衰のモデリング。
• 弾性エネルギーの貯蔵と放出による作業誘発筋損傷の軽減の評価。
• これらの要因を統合した運動効率および疲労低減の包括的枠組みの構築。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 長大なアキレス腱が、弾性エネルギー回収を超えてもたらすバイオメカニカル利点は何か？
• RQ2 腱長は、運動中に筋力要請と肢の慣性にどのように影響するか？
• RQ3 腱の弾性は、足部と地面の衝突に伴うエネルギー散逸と振動をどの程度低減するか？
• RQ4 腱長は、作業誘発筋損傷の軽減にどのように寄与するか？
• RQ5 初期ホミニンにおいて、より長いアキレス腱が選択された可能性のある進化的圧力は何か？

主な発見

• 長大なアキレス腱は、短く軽い筋肉を可能にすることで、肢の慣性を低減し、運動に必要な近位筋力の要請を減少させる。
• 腱内の弾性エネルギーの貯蔵と放出により、筋肉の短縮距離と速度が低減され、活性化要請が低下する。
• 腱の弾性により、足部と地面の衝突に起因する衝撃力と振動が減衰し、エネルギー散逸が低減される。
• 腱が作業エネルギーを貯蔵・再利用できる能力により、筋肉損傷が軽減され、神経運動系の疲労が低減する。
• これらの総合的利点により、運動負荷の主観的評価が低下し、持続的な高速走行が可能となり、持久力の向上が支援される。
• これらの利点は、高い運動速度下で顕著に現れ、ランニング能力を持つホミニンにおける腱の長さへの進化的圧力の兆候である。