Intrinsic foot muscles contribute to elastic energy storage and return in the human foot

November 2018Journal of Applied Physiology 126(1)

DOI: 10.1152/japplphysiol.00736.2018

Abstract

The human foot is uniquely stiff to enable forward propulsion, yet also possesses sufficient elasticity to act as an energy store, recycling mechanical energy during locomotion. Historically this dichotomous function has been attributed to the passive contribution of the plantar aponeurosis. However, recent evidence highlights the potential for muscles to actively modulate the energetic function of the foot. Here we test the hypothesis that the central nervous system can actively control the foot's energetic function, via activation of the muscles within the foot's longitudinal arch. We used a custom-built loading apparatus to deliver cyclical loads to human feet in-vivo, in order to deform the arch in a manner similar to that observed in locomotion. We recorded foot motion and forces, alongside muscle activation and ultrasound images from flexor digitorum brevis (FDB), an intrinsic foot muscle that spans the arch. When active, the FDB muscle fascicles contracted in an isometric manner, facilitating elastic energy storage in the tendon, in addition to the energy stored within the plantar aponeurosis. We propose that the human foot is akin to an active suspension system for the human body, with mechanical and energetic properties that can be actively controlled by the central nervous system.

抽象

人間の足は前進推進を可能にするために非常に堅いが、それでもエネルギー貯蔵部として働くのに十分な弾力性を有し、移動中の機械的エネルギーをリサイクルする。歴史的に、この二分機能は足底腱膜症の受動的な寄与に起因していた。しかし、最近の証拠は筋肉が活発に足のエネルギー機能を調整する可能性を強調しています。ここでは、中枢神経系が足の縦弓内の筋肉の活性化を介して足のエネルギー機能を能動的に制御できるという仮説を検証します。歩行で観察されたのと同様の方法でアーチを変形させるために、生体内で人間の足に周期的負荷を送達するために特注の負荷装置を使用した。私たちは足の動きと力を、弓にまたがる内在性の足の筋肉である屈筋指屈筋（FDB）からの筋肉の活性化と超音波画像とともに記録しました。活動時には、FDB筋線維束は等尺性に収縮し、足底の腱膜内に蓄えられたエネルギーに加えて、腱への弾性エネルギーの蓄えを促進しました。我々は、人間の足が人体のための能動的な懸垂システムに似ていることを提案します。そして、それは中枢神経系によって能動的に制御されることができる機械的でそしてエネルギー的な特性を持ちます。