How calluses boost barefoot walking
Nicholas Holowka
https://doi.org/10.25250/thescbr.brk338
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For most of our species existence, we humans wandered the earth barefoot, walking over a vast diversity of daunting and often dangerous terrains with no shoes to protect our feet. Instead, we relied in part on a natural line of defense: calluses that form in the epidermis, the outermost layer of the skin on the soles of our feet. Only relatively recently have we replaced this evolutionary solution to foot protection with comfy, cushioned footwear. Nowadays, calluses are widely viewed as unsightly and painful by-products of shoes that don't fit properly. However, shoes, sandals, and other types of footwear come with other potential costs, including losing sensory feedback from the ground below us through our sense of touch. In this study, we set out to determine whether the protection afforded by calluses also comes with similar costs.
To tackle this question, we traveled to a remote but beautiful region of eastern Kenya called the Nandi Hills. Here, people engage in non-industrialized farming, and many rarely, if ever, wear shoes. Our team included local researchers from Moi University led by Drs. Paul Okutoyi and Robert Ojiambo Mang'eni, and skin sensitivity experts led by Dr. Thomas Milani from the Technical University of Chemnitz in Germany. We used portable ultrasound equipment to image the soles of people's feet and measure callus thickness, and industrial devices to measure skin mechanical properties. We also utilized a specially-engineered vibrating probe that stimulates nerves in the foot called mechanoreceptors associated with the sense of touch, allowing us to measure their sensitivity. Lastly, we recorded our study participants walking over a platform that measures the amount of force the body imparts on the ground during foot contact. Subsequently, we traveled to the nearby city of Eldoret. We took the same measurements in people belonging to the same ethnolinguistic heritage as those in the Nandi Hills, but who had regularly worn footwear for most of their lives.
As we anticipated, habitually barefoot individuals had thicker, stiffer calluses than habitually shoe-wearing individuals. Across all study participants, there was a strong correlation between callus thickness and skin hardness. This evidence means that regularly walking barefoot results in calluses that protect against dangerous objects and surfaces that could pierce and otherwise damage the skin of the foot. However, we found that participants did not lose mechanoreceptor sensitivity as callus thickness increased, meaning that calluses, unlike shoes, still enable people to receive sensory feedback from the ground below their feet, which could come in handy when walking or running on treacherous terrains. Correspondingly, from our ground force data, we found no effect of how thick one's calluses were with how hard they hit the ground with their foot at the beginning of a step. As a matter of fact, this would be expected if calluses do not reduce tactile sensory feedback.
This last result made us curious about how thick calluses compare to modern shoes in affecting the way we walk. So, back at our lab at Harvard, we conducted a follow-up study with a sample of local participants, including individuals with thick calluses who professed to be frequently barefoot. We had them walk on a treadmill that measures ground forces barefoot, and in two types of shoes: a minimal shoe meant to simulate walking barefoot, and a heavily cushioned modern running shoe. We found that while once again callus thickness had no effect on walking, shoes changed the forces at ground contact, slowing the rate of force rise but ultimately increasing the magnitude of shock experienced by the leg. These effects were much more substantial in the cushioned athletic shoe.
Altogether, these findings demonstrated clear differences in how calluses versus shoes affect the way we interact with the ground underfoot while walking. We, humans, evolved as barefoot animals, and thus took advantage of a remarkable example of evolutionary engineering - the ability to develop thick calluses in response to the specific surfaces we encountered. This biologically engineered mechanism not only protected the soles of our feet but allowed us to maintain a keen sense of touch to detect dangerous objects or unstable footing. Furthermore, our research highlights the fact that shoes have fundamentally altered the way we walk, diminishing our sense of the world below us and changing the forces we experience with each step. While the implications of these changes for modern human health and safety are currently unclear, we advocate for future research on footwear that better mimics barefoot walking, and thereby brings us closer to how we evolved to walk and run.
私たちの種のほとんどは、人間が裸足で地球をさまよい、足を保護するための靴を履かずに、非常に多様で困難で危険な地形を歩いていました。代わりに、私たちは自然な防御線に部分的に依存しました：足の裏の皮膚の最外層である表皮に形成されるカルス。比較的最近になって、私たちは足を保護するためのこの革新的なソリューションを快適でクッション性のある履物に置き換えました。今日では、角質は、靴にぴったりと合わない、見苦しくて痛みを伴う副産物として広く見られています。ただし、靴、サンダル、およびその他の種類の履物には、触覚によって下の地面からの感覚フィードバックを失うなど、他の潜在的なコストが伴います。この研究では、カルスによる保護にも同様のコストが伴うかどうかを判断することに着手しました。
この問題に取り組むために、私たちはケニア東部のナンディヒルズと呼ばれる遠く離れた美しい地域を旅しました。ここでは、人々は非工業化農業に従事しており、多くの場合、靴を履くことはほとんどありません。私たちのチームには、博士が率いるMoi大学の地元の研究者が含まれていました。 Paul OkutoyiとRobert Ojiambo Mang'eni、およびドイツのケムニッツ工科大学のThomas Milani博士が率いる皮膚感受性の専門家。ポータブル超音波装置を使用して人々の足の裏を画像化し、カルスの厚さを測定し、産業用デバイスを使用して皮膚の機械的特性を測定しました。また、触覚に関連する機械受容器と呼ばれる、足の神経を刺激する特別に設計された振動プローブを利用して、その感度を測定できるようにしました。最後に、足の接触中に体が地面に与える力の量を測定するプラットフォームの上を歩く研究参加者を記録しました。その後、私たちは近くのエルドレットの街へと向かいました。私たちはナンディヒルズの人々と同じ民族言語的遺産に属している人々の同じ測定を行いましたが、彼らはほとんどの人生で定期的に履物を履いていました。
私たちが予想したように、常習的に裸足の個人は、常習的に靴を履いている個人よりも厚く硬いカルスを有していました。すべての研究参加者において、カルスの厚さと皮膚の硬さの間には強い相関がありました。この証拠は、定期的に裸足で歩くと、足の皮膚を突き刺したり損傷したりする危険な物体や表面から保護する角質ができることを意味します。ただし、カルスの厚さが増加しても、参加者は機械受容器の感度を失うことはありませんでした。つまり、靴とは異なり、カルスは足の下の地面から感覚フィードバックを受け取ることができるため、危険な地形を歩いたり走ったりするときに役立ちます。それに対応して、私たちの地上の力のデータから、階段の初めにカルスがどれほど太くても、足で地面に激しくぶつかったことによる影響はありませんでした。実際のところ、仮骨が触覚感覚フィードバックを減少させない場合、これは予想されます。
この最後の結果から、歩き方に影響を与える点で、太い角質が現代の靴と比べてどの程度優れているかが知りました。そこで、ハーバードの私たちの研究室に戻り、裸足であることが多いとされる厚い角質のある個人を含む地元の参加者のサンプルを使って追跡調査を行いました。地面の力を裸足で測定するトレッドミルと、裸足での歩行をシミュレートするための最小限の靴と、クッション性の高いモダンなランニングシューズの2種類の靴で歩かせました。再び、カルスの厚さは歩行に影響を与えなかったが、靴は地面との接触時に力を変化させ、力の上昇率を遅くしたが、最終的には脚が受ける衝撃の大きさを増加させた。これらの効果は、クッション性のある運動靴ではるかに重要でした。
全体として、これらの調査結果は、カルスと靴の違いが歩行中に足元の地面と相互作用する方法にどのように影響するかについて明確な違いを示しました。私たち人間は裸足の動物として進化したため、進化工学の注目すべき例、つまり、遭遇した特定の表面に反応して厚いカルスを発達させる能力を利用しました。この生物学的に設計されたメカニズムは、足の裏を保護するだけでなく、危険な物体や不安定な足を検出するために鋭い触覚を維持することを可能にしました。さらに、私たちの研究は、靴が私たちの歩く方法を根本的に変え、私たちの下の世界の感覚を弱め、各ステップで経験する力を変えたという事実を浮き彫りにしました。現代の人間の健康と安全に対するこれらの変更の影響は現在のところ不明ですが、裸足歩行をよりよく模倣し、それによって私たちが進化して歩いて走る方法に近づく靴の将来の研究を提唱しています。