Deformation along human medial gastrocnemius muscle fibers in vivo during low-level plantar flexion activity

Abstract

İskelet kaslarının mekanik davranışının kasın kasılabilir elemanları ile hücre dışı matrisin etkileşimine göre belirlendiği önceki çalışmalarda gösterilmişti. Dahası, tüm uzuvun ölçeğinde, bağ dokular aracılığıyla kaslar arasında ve kas dışı yapılarla etkileşimin değişken kuvvet ve hareket üretimi ile kas mekaniğini etkilediği gösterilmiştir. Bu etkilerin ana belirleyicisi sarkomer boyu değişimleri ve bunun kas fiberleri boyunca heterojenliğidir. Bunun insan kasında in vivo miktarının tayini eksiktir. Bu çalışmada, manyetik rezonans görüntüleme (MRG) ile demons esnek görüntü çakıştırma metodunun birleşiminden yerel kas dokusu deformasyonlarının miktarını belirlemek üzere yararlanıldı. Ek olarak, iskelet kasının fiber yönünü belirlemek üzere difüzyon tensörü görüntüleme (DTG) metodu kullanıldı. Metodların birleşimi fiberlerdeki uzama ve kısalmaların in vivo olarak ölçülmesine izin verdi. Bu metod kadın deneklerin (n=4) medial gastrocnemius (GM) kaslarında %15'lik sürekli izometrik plantar fleksiyon maksimal istemli kasılma aktivitesinden %5 seviyesine geçişi takiben uygulandı. Çalışmanın amacı, test edilen düşük miktarda plantar fleksiyon aktivitesinin kas fiberleri boyunca homojen olmayan boy değişimleri oluşturduğu hipotezini test etmekti. Sonuçlar aynı kas fiberi traktları üzerinde eşzamanlı uzamalar (% 32,7'ye kadar) ve kısalmalar (% 15,5'e kadar) oluştuğunu göstermektedir. Ek olarak, kas fiberleri arasındaki ortalama boy değişimlerinin dağılımının heterojen olduğu gözlendi. Sunulan hipotez sonuçlar ışığında doğrulanmıştır. Bulgular miyofasyal kuvvet iletiminin iskelet kaslarının fonksiyonu üzerindeki etkileri aracılığıyla açıklanmaktadır. Bu çalışmadan elde edilen öngörüler aponevrotomi, tendon transferi ameliyatı gibi cerrahi müdahalelerde, botulinum toksin tedavisi gibi prosedürlerde pratik uygulama bulabilir.

Mechanical behavior of skeletal muscle has been previously shown to be determined by the interactions between contractile elements of the muscle and the extracellular matrix. Moreover, in the level of a whole limb, interactions between muscles and non-muscular structures through connective tissues have been shown to affect muscular mechanics causing varying force and movement production. The central determinant of those effects is sarcomere length changes and their heterogeneity along the muscle fibers. Quantification of that for human muscles in vivo is lacking. This study utilized magnetic resonance imaging (MRI) in combination with non-rigid demons image registration method to quantify local muscle tissue deformations. Additionally, diffusion tensor imaging (DTI) was used in order to determine muscle fiber direction. Combination of those methods allowed quantifying length changes along muscle fibers, in vivo. Presently, this method was applied to the medial gastrocnemius muscle (GM) of female subjects (n=4) following a transition from 15% to 5% maximal voluntary contraction (MVC) in sustained isometric plantar flexion activity. The aim was to test the hypothesis that low-level plantar flexion activity tested results in non-uniform distribution of strain along the muscle fibers. The results show sizable simultaneous lengthening (by up to 32.7%) and shortening (by up to 15.5%) occurring along the same muscle fiber tracts. In addition, average distribution of strain across fiber tracts was also found to be heterogeneous. Therefore, the posed hypothesis was confirmed. The findings are explained through the effects of myofascial force transmission on skeletal muscle function. Insight from this work can find practical application in surgical interventions such as aponeurotomy, tendon transfer surgery, or procedures like botulinum toxin treatment.