Muscle short-range stiffness behaves like a maxwell element, not a spring: Implications for joint stability
Notice bibliographique
Résumé
INTRODUCTION: Muscles play a critical role in supporting joints during activities of daily living, owing, in part, to the phenomenon of short-range stiffness. Briefly, when an active muscle is lengthened, bound cross-bridges are stretched, yielding forces greater than what is predicted from the force length relationship. For this reason, short-range stiffness has been proposed as an attractive mechanism for providing joint stability. However, there has yet to be a forward dynamic simulation employing a cross-bridge model, that demonstrates this stabilizing role. Therefore, the purpose of this investigation was to test whether Huxley-type muscle elements, which exhibit short-range stiffness, can stabilize a joint while at constant activation. METHODS: We analyzed the stability of an inverted pendulum (moment of inertia: 2.7 kg m2) supported by Huxley-type muscle models that reproduce the short-range stiffness phenomenon. We calculated the muscle forces that would provide sufficient short-range stiffness to stabilize the system based in minimizing the potential energy. Simulations consisted of a 50 ms long, 5 Nm square-wave perturbation, with numerical simulations carried out in ArtiSynth. RESULTS: Despite the initial analysis predicting shared activity of antagonist and agonist muscles to maintain stable equilibrium, the inverted pendulum model was not stable, and did not maintain an upright posture even with fully activated muscles. DISCUSSION & CONCLUSION: Our simulations suggested that short-range stiffness cannot be solely responsible for joint stability, even for modest perturbations. We argue that short-range stiffness cannot achieve stability because its dynamics do not behave like a typical spring. Instead, an alternative conceptual model for short-range stiffness is that of a Maxwell element (spring and damper in series), which can be obtained as a first-order approximation to the Huxley model. We postulate that the damping that results from short-range stiffness slows down the mechanical response and allows the central nervous system time to react and stabilize the joint. We speculate that other mechanisms, like reflexes or residual force enhancement/depression, may also play a role in joint stability. Joint stability is due to a combination of factors, and further research is needed to fully understand this complex system.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,000 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,001 |
| Communication savante | 0,000 | 0,001 |
| Science ouverte | 0,000 | 0,000 |
| Intégrité de la recherche | 0,000 | 0,000 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,003 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».