Coordination of intrinsic and extrinsic foot muscles during walking
Karl E ZelikKarl E ZelikValentina la scaleiaValentina la scaleiaYuri IvanenkoYuri IvanenkoFrancesco Lacquaniti
Research Interest
November 2014European Journal of Applied Physiology 115(4)
DOI: 10.1007/s00421-014-3056-x
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The human foot undergoes complex deformations during walking due to passive tissues and active muscles. However, based on prior recordings it is unclear if muscles that contribute to flexion/extension of the metatarsophalangeal (MTP) joints are activated synchronously to modulate joint impedance, or sequentially to perform distinct biomechanical functions. We investigated the coordination of MTP flexors and extensors with respect to each other, and to other ankle-foot muscles. We analyzed surface electromyographic (EMG) recordings of intrinsic and extrinsic foot muscles for healthy individuals during level treadmill walking, and also during sideways and tiptoe gaits. We computed stride-averaged EMG envelopes and used the timing of peak muscle activity to assess synchronous vs. sequential coordination. We found that peak MTP flexor activity occurred significantly before peak MTP extensor activity during walking (P < 0.001). The period around stance-to-swing transition could be roughly characterized by sequential peak muscle activity from the ankle plantarflexors, MTP flexors, MTP extensors, and then ankle dorsiflexors. We found that foot muscles that activated synchronously during forward walking tended to dissociate during other locomotor tasks. For instance, extensor hallucis brevis and extensor digitorum brevis muscle activation peaks decoupled during sideways gait. The sequential peak activity of MTP flexors followed by MTP extensors suggests that their biomechanical contributions may be largely separable from each other and from other extrinsic foot muscles during walking. Meanwhile, the task-specific coordination of the foot muscles during other modes of locomotion indicates a high-level of specificity in their function and control. 人間の足は、受動的な組織と能動的な筋肉のために、歩行中に複雑な変形を起こします。ただし、以前の記録に基づいて、中足指節（MTP）関節の屈曲/伸展に寄与する筋肉が同期的に活性化されて関節インピーダンスを調節するのか、それとも連続して異なる生体力学的機能を実行するのかは不明です。 MTP屈筋と伸筋の相互の調整、および他の足首-足の筋肉の調整を調査しました。水平トレッドミル歩行中、および横向きおよびつま先歩行中の健康な個人の内在的および外因性の足の筋肉の表面筋電図（EMG）記録を分析しました。ストライド平均EMGエンベロープを計算し、ピーク筋活動のタイミングを使用して、同期と順次の調整を評価しました。ピークMTP屈筋活動は、歩行中のピークMTP伸筋活動の前に有意に発生したことがわかりました（P <0.001）。スタンスからスイングへの移行の前後の期間は、足首底屈筋、MTP屈筋、MTP伸筋、そして足首背屈筋からの連続的なピーク筋活動によって大まかに特徴付けることができます。前方歩行中に同期的に活性化した足の筋肉は、他の自発運動中に解離する傾向があることがわかりました。たとえば、短母趾伸筋と短趾伸筋の活性化のピークは、横向きの歩行中に切り離されます。 MTP屈筋とそれに続くMTP伸筋の連続的なピーク活動は、それらの生体力学的寄与が、歩行中に互いにおよび他の外因性足筋から大部分分離可能である可能性があることを示唆しています。一方、他の運動モードでの足の筋肉のタスク固有の調整は、それらの機能と制御における高レベルの特異性を示しています。
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