Механизмы биартикулярной передачи энергии мышц гастрокнемиев связаны с управлением энергией тела при прохождении ямы

Почему попадание в яму — большая проблема для организма

Ежедневная ходьба кажется простой, но тело постоянно балансирует энергией, чтобы удерживать равновесие, особенно на неровной поверхности. Одна из частых сложностей — случайно или намеренно наступить в яму или спуститься на более низкую поверхность. В этом исследовании изучается, как определённые мышцы голени помогают управлять движением и энергией всего тела в таких сложных ситуациях и почему это важно для предотвращения падений, разработки реабилитационных программ и создания более совершенных протезов и экзоскелетов.

Мышцы, действующие на двух суставах

Большинство людей представляет мышцы как влияющие на один сустав, например бицепс, сгибающий локоть. Но некоторые мышцы охватывают сразу два сустава. Гастрокнемиевые мышцы, часть икроножной группы, пересекают и колено, и голеностоп. Поскольку они воздействуют на оба сустава одновременно, они способны перераспределять механическую энергию между ними. Предыдущие работы показали, что такая «биартикулярная» конструкция важна в мощных движениях, например прыжках и спринте. В данном исследовании учёные хотели выяснить, задействуется ли та же система передачи энергии в гораздо более повседневной, но рискованной задаче — прохождении ямы при ходьбе.

Наблюдение за людьми, идущими через скрытый обрыв

В исследовании участвовали восемнадцать молодых взрослых, которые шли по длинной дорожке с комфортной для себя скоростью. Иногда поверхность была ровной; в других случаях им приходилось правой ногой наступить в неглубокую прямоугольную яму, а затем выйти из неё. Системы захвата движения отслеживали, как двигались голеностопы, колени и всё тело, а небольшие сенсоры регистрировали электрическую активность ключевых мышц бедра (vasti) и двух гастрокнемиевых мышц. Анализ совместных изменений углов голеностопа и колена позволил выявить фазы, когда икроножные мышцы были механически расположены для передачи энергии от голеностопа к колену или наоборот. Также вычисляли общую энергию центра масс тела (комбинация высоты и скорости движения), чтобы определить, сколько энергии поглощалось или высвобождалось в каждом шаге.

Больше энергии — больше помощи от икроножных

При наступании в яму центр масс тела поднимался и опускался сильнее, чем при ходьбе по ровной поверхности, то есть системе приходилось справляться с большими колебаниями энергии. Исследователи обнаружили, что при прохождении ямы потенциал передачи энергии между голеностопом и коленом заметно возрастал на трёх ключевых шагах: шаге перед ямой, самом шаге в яму и шаге после неё. На этапах подготовки и при шаге в яму энергия, как правило, перемещалась от голеностопа к колену в те моменты, когда телу требовалось поглотить энергию и уменьшить движение. Позже, во время шага в яму и восстановительного шага, энергия чаще текла от колена к голеностопу в фазах, когда нужно было оттолкнуться и снова поднять центр масс. Важно, что в этих фазах передачи как гастрокнемиевые, так и мышцы бедра активно сокращались, а не просто пассивно растягивались, что указывает на реальный активный обмен энергией, а не просто демпфирование.

Связь поведения мышц с движением всего тела

Команда сделала не только описательные наблюдения, но и проверила силу связей между ними. Они обнаружили, что когда условия были благоприятны для передачи энергии от голеностопа к колену на шаге перед ямой, общая энергия центра масс снижалась сильнее, что помогало безопасно опустить тело перед неожиданным обрывом. Аналогично, когда условия способствовали передаче энергии от колена к голеностопу при входе в яму и выходе из неё, общая энергия тела увеличивалась больше, что помогало оттолкнуться и выбраться наружу, снова установив стабильную ровную походку. В одном особенно наглядном результате более высокая активация икроножных мышц в конкретной фазе передачи «голеностоп→колено» была напрямую связана с большим снижением общей энергии тела, подчёркивая активную роль этих мышц в стабилизации походки.

Что это значит для более безопасного передвижения

Проще говоря, работа показывает, что икроножные мышцы, пересекающие колено и голеностоп, действуют как менеджеры энергии, когда мы наступаем в яму: они помогают поглощать избыточную энергию, когда нужно опустить тело, а затем возвращают энергию, когда нужно выбраться и продолжить движение. Поскольку этот механизм особенно важен на неровной поверхности и в сложных условиях ходьбы, тренировки, обучающие лучше использовать эти межсуставные движения, а также устройства, имитирующие эту передачу энергии в протезах, экзоскелетах или роботах, могут улучшить равновесие и снизить риск падений в повседневной жизни.

Цитирование: Theodorakis, C., Bohm, S., Nikolaidou, ME. et al. Biarticular energy transfer mechanisms of the gastrocnemii muscles are associated with managing body energy during hole negotiation gait. Sci Rep 16, 10996 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44470-z

Ключевые слова: баланс при ходьбе, неровная местность, икроножные мышцы, профилактика падений, протезирование и экзоскелеты