Podsłuchaliśmy co mózg mówi do mięśni w trakcie biegu (EMG)

W trakcie biegu, mózg wysyła komunikaty do naszych mięśni. Komunikaty te mówią poszczególnym mięśniom kiedy mają się napiąć (i jak mocno), a kiedy się rozluźnić. To co jest tu kluczowe to fakt, że z pomocą odrobiny elektroniki, komunikaty te potrafimy „podsłuchiwać”.

EMG, bo o nim mowa, w przeszłości wykorzystywaliśmy do przeróżnych eksperymentów już kilkukrotnie. Tym razem przysłuchamy się, co mózg mówi do mięśni, w trakcie różnych wariantów biegu.

Oto nasz setup:

Elektrody zostały przypięte z przodu uda (m. prosty uda) i z tyłu uda (m. pół-ścięgnisty). Pomiar aktywności poszczególnych mięśni odbywał się z częstotliwością próbkowania 2500 Hz.

W ramach pierwszego testu zawodniczka, zaznajomiona od dłuższego czasu z różnymi sposobami lądowania, poruszała się na bieżni ze stałą prędkością 10 km/h. W różnych momentach biegu otrzymała dwa zestawy poleceń:

Pierwszy mający na celu wymusić maksymalny overstriding składał się z poleceń, staraj się:

• robić kroki wolniej niż normalnie
• robić kroki dłuższe niż normalnie
• pozwolić nodze na której zaraz wylądujesz swobodnie prostować się w kolanie w przód przed ciało.
• lądować na pięcie

Drugi miał cel odwrotny. Wymusić brak overstridingu. Polecenia brzmiały, staraj się:

• robić kroki szybciej niż normalnie (szybko przebierać nogami)
• robić kroki krótsze niż normalnie
• lądować od razu pod miednicą
• aby to kolano prowadziło ruch w przód, a nie stopa
• lądować na śródstopiu

Poniższy film zestawia otrzymane wyniki z obrazem z kamery. Początkowo może on przerażać, gdyż jest na nim sporo elementów, które dopiero za chwilę wyjaśnię, ale wstawiam go już teraz, żeby poczuć z czym będziemy pracować:

Pierwsza sekwencja filmowa pokazuje zapis biegu z wykorzystaniem ovestridingu. Czerwona pionowa linia pokazuje, który moment aktualnie wyświetlany jest na obrazie z kamery. Zielony wykres (skrótowo nazwany „hamstring”) pokazuje zmianę aktywności mięśnia półścięgnistego. Fioletowy wykres (skrótowo nazwany „quadriceps”) pokazuje aktywność mięśnia prostego uda.

Wykresy obu mięśni są znormalizowane do MVC co bez zagłębiania się w detale techniczne oznacza, że wyniki pobudzenia mięśnia możemy obserwować na skali od 0% do 100%.

Wykresy obejmują ok. 5 pełnych dwukroków biegu. Na obu możemy zauważyć pewne charakterystyczne powtarzalne wzory (narysowane czarnymi liniami):

Oznaczenia H1, H2, Q1, Q2, Q3 oznaczają charakterystyczne szczyty na wykresach i służą ich usystematyzowaniu, aby łatwiej było o nich rozmawiać.

Omówienie wykresów – heel strike – przód uda – m. prosty uda

Jako, że na wykresie quadricepsów dzieje się więcej, omówienie zacznijmy od niego.

#Q1 – Powyższy screen pochodzi z momentu „Initial Contact (IC)” czyli z pierwszego kontaktu (w tym wypadku pięty) z bieżnią. Czerwona linia pokazuje, że moment ten wypada mniej więcej w połowie drogi na szczyt Q1. Oznacza to, że przód uda rozpoczął aktywację jeszcze przed kontaktem z podłożem (pre-aktywacja), ale swój pik aktywacji osiąga w tym momencie:

Jest to faza „Loading Response” w ramach której grawitacja próbuje zmusić nasze kolano do ugięcia się pod ciężarem naszego ciała, a mięsień prosty uda się jej przeciwstawia (pracuje ekscentrycznie), nie pozwalając na nadmierne zgięcie.

Po tym momencie aktywność m. prostego-uda zaczyna spadać. Spadek ten jest przerwany przez pojawienie się znacznie mniejszego niż Q1 szczytu Q2.

#Q2 – ten mini-szczyt pojawia się tuż przed tym jak tylna (wciąż podporowa) noga ma zaraz utracić kontakt z podłożem. Wydaje się więc, że jest on powiązany z „odepchnięciem się” od ziemi, czyli zastosowaniem techniki PUSH. Technika ta kojarzona jest z gorszym jakościowo biegiem, co rodzi pytanie, czy gdyby na bieżni znalazł się elitarny biegacz to czy Q2 nadal by się pojawił? A może to wymuszenie biegu z pięty przyczyniło się do powstania tego szczytu? Na razie pytania te pozostają bez odpowiedzi.

#dołek pomiędzy Q2 i Q3 – po mini szczycie Q2 związanym z odepchnięciem, aktywność m. prostego uda dalej spada, aż osiąga swoje minimum w tym momencie:

Jest to moment przypadający na Initial Contact drugiej stopy. Można to interpretować w ten sposób, że dopóki druga (przednia) stopa nie wyląduje na ziemi, m. prosty uda nogi tylnej pozostaje wygaszony (tylne wahadło odbywa się bez jego udziału). Jednak już chwilę później, gdy tylko przednia noga na dobre dotknie ziemi i zacznie swoją fazę „Loading Response”, na wykresie pojawia się największy i najbardziej dynamiczny szczyt całego cyklu Q3.

#Q3 – Od momentu IC przedniej nogi, do szczytu aktywności m. prostego uda w nodze tylnej mija ok. 70 ms. Szczyt ten można interpretować w ten sposób, że gdy tylko przednia noga „zahacza” się o ziemię i za pomocą taśmy tylnej tworzy na niej silny fundament, zginacze biodra nogi tylnej (czyli właśnie m.in. m. prosty uda) bardzo intensywnie pracują, aby jak najszybciej „wyciągnąć” tylne kolano w przód, przed ciało.

Moment ten wypadł w 30% fazy podporu nogi przedniej, co jest zbieżne z ostatnią analizą mówiącą, że wtedy spodziewany się pojawienia głównej dynamiki wybicia.

Co ciekawe aktywność związana z Q3 gaśnie tak szybko jak się pojawiła, co sprawia, że w tej fazie…

… m. prosty uda przestaje już zginać biodro. Kolano leci dalej do przodu siłą rozpędu. Warto zauważyć, że jest to moment, w którym kolana się mijają, czyli ten sam moment, który w poprzednim wpisie wyznaczał zakończenie fazy maksymalnej dynamiki wybicia.

Następnie m. prosty uda pozostaje nieaktywny, aż do momentu gdy w ramach pre-aktywacji przed kolejnym IC ponownie zacznie się aktywować co zamyka pełen cykl jego pracy.

Co ciekawe (a może oczywiste) m. prosty uda nie jest wykorzystywany przez nasze ciało do aktywnego wyprostu kolana w końcowej fazie swingu. Ruch ten zachodzi niemal wyłącznie jako skutek bezwładności nadanej wolnej nodze w trakcie wierzchołka Q3.

Omówienie wykresów – heel strike – tył uda – (m. półścięgnisty)

Prześledźmy kolejny cykl biegu, tym razem z punktu widzenia aktywności hamstringów. Zacznijmy w momencie, w którym przód uda dopiero co skończył pracę po szczycie Q3:

Okazuje się, że jest to jednocześnie ostatni moment, w którym hamstringi pozostają nieaktywne (ale już za chwilę zaczną intensywną pracę). Wykresy wyglądają tak jakby się zamieniały. Jak tylko przód uda się wyciszył, tył uda rusza do pracy.

#H1 – Hamstringi osiągają szczyt swojej pracy w tym momencie:

Jest to praca związana z wyhamowaniem prostującego się kolana. Co ciekawe widząc powyższe zdjęcie moglibyśmy pomyśleć, że skoro to wciąż jest faza, w której kolano będzie poruszało się w przód, to wciąż jest to czas pracy zginaczy biodra, ale eksperymenty takie jak ten pokazują, że powinniśmy myśleć raczej w kategoriach bezwładności i zmiany prędkości zjawisk, a nie zmiany pozycji nogi samej w sobie.

To prawda, że w tej fazie kolano nogi przedniej wciąż będzie poruszać się w przód, ale jak widzimy na pomiarach, już dawno (od ok. 100 ms) porusza się ono w przód wyłącznie siłą bezwładności. Nałożenie na tę bezwładność pracy hamstringów (i m. pośladkowego wielkiego, którego tu nie mierzymy) nie da natychmiastowej zmiany kierunku, ale raczej wpłynie na zmniejszenie prędkości z jaką będzie poruszać się w przód (praca ekscentryczna).

#H2 – Następnie aktywność hamstringów spada (choć robi to raczej powoli, a nie gwałtownie jak np. przy szczycie Q3), aż do momentu, gdy tworzy mini-szczyt H2…

… który jak się okazuje niemal idealnie pokrywa się z analogicznym mini-szczytem na m. prostym uda (Q2). Oznacza to, że w nodze zachodzi wtedy zjawisko ko-kontrakcji, czyli wzajemnego napinania taśmy przedniej i tylnej w celu zwiększenia jej sztywności.

Spójrzmy teraz jak opisaną wyżej aktywność mięśni zmieni druga testowana technika biegu (brak overstridingu)

Omówienie wykresów – forefoot strike – m. prosty uda

Ogólny pogląd na wykresy dla lądowania na przodostopiu:

Po przestawieniu techniki biegu na taką bez overstridingu, wykresy wyraźnie zmieniły swój kształt.

#Q1 – Szczyt Q1 na mięśniu prostym uda pozostał w stanie dość niezmienionym, jednak tym razem, występuje on tuż po „Initial Contact”. Jest to zrozumiałe, gdyż aby mięsień ten mógł rozpocząć efektywną pracę przód stopy musi znajdować się na ziemi. W tej wersji lądowania, jest tak niemal od razu po IC. Przy lądowaniu na pięcie, trzeba było poczekać aż palce dotkną ziemi.

#Q2 – Szczyt Q2 pojawia się w analogicznym momencie i rozmiarze co przy wersji z overstridingiem.

#Q3 – Tu zmiana jest spora. Szczyt Q3 jest w tej wersji biegu wyraźnie niższy, ale też wyraźnie bardziej rozłożony w czasie, niż w wersji z overstridingiem. Tak na prawdę po szczycie Q2 aktywność m. prostego uda nie spada do zera, tylko do ok. 50% wcześniejszego napięcia, aby bezpośrednio z tego poziomu stworzyć Q3. W wersji z overstridingiem dla odmiany mieliśmy wyraźny spadek aktywności pomiędzy Q2 i Q3.

Omówienie wykresów – forefoot strike – m. półścięgnisty

Zmiana na hamstringach jest bardzo wyraźna. O ile wcześniej w całym cyklu biegu występował tylko jeden moment wysokiej aktywności hamstringów (H1), tym razem momenty te są dwa, a drugi pojawia się w tym momencie:

#H2 – jest to moment gdy kolana się mijają, co oznacza, że jest to aktywność hamstringów związana z zastosowaniem pożądanej techniki PULL. W biegu z overstridingiem w tym momencie cyklu biegu hamstringi pozostawały niemal zupełnie nieaktywne.

Sterowanie impulsowe

Obserwując wykresy z tego artykułu łatwo zauważyć, że mięśnie nóg (przód i tył uda traktowany łącznie) przez większość czasu pozostają na niskiej aktywności, a odpalają się tylko na krótkie odcinki czasu, gdy są potrzebne. Aktywność większą niż 50% MVC mięśnie generowały tylko przez ok. 20% czasu.

Przy większym tempie biegu, okres trwania wysokiej aktywności rośnie, co uwzględniając to, że w niektórych fazach najpierw tył uda musi się wyłączyć, aby przód mógł zadziałać (i odwrotnie), nakłada pewne ograniczenia na biegacza związane ze zdolnością do szybkiego aktywowania i wyłączania poszczególnych mięśni. Oznacza to, że:

O dobrym jakościowo biegu możemy myśleć jak o sterowaniu pozycją satelity w kosmosie, za pomocą wystrzeliwania gazu pod ciśnieniem w różnych kierunkach. Jako, że gazu mamy ograniczoną ilość, chcemy go używać tylko w krótkich intensywnych impulsach, aby nadać ruchowi pewien kierunek, a następnie pozwolić działać sile bezwładności (która jest darmowa).

Praca zginaczy biodra

O charakterystyce pracy hamstringów i konieczności wykonania „grzebnięcia kolanem, ale nie stopą” widzieliśmy co nieco już wcześniej. Np. w tym wpisie omówiliśmy sobie, jak jakość pracy hamstringów danego biegacza można obiektywnie zmierzyć za pomocą elektroniki IMU.

Tym co jest nowe, jest możliwość lepszego zrozumienia pracy zginaczy bioder. Pewnym utrudnieniem jest tu brak możliwości obserwacji na EMG pracy mięśnia biodrowo-lędźwiowego (jednego z dwóch głównych zginaczy biodra), który leży zbyt głęboko w ciele, aby można było go mierzyć, ale z pomocą przychodzą nam tu twórcy pracy [Dorn 2012], którzy stworzyli matematyczny model sił generowanych przez dany mięsień w danej fazie biegu. I choć oni także nie przeskoczyli problemu bezpośredniego pomiaru EMG z m. biodrowo-lędźwiowego, to model, który stworzyli pozwala go oszacować.

Poniższa grafika zestawia pomiary sił generowanych przez poszczególne mięśnie oraz ich aktywność na EMG ze wspomnianego badania (lewa kolumna) z moimi pomiarami EMG (prawa kolumna):

Na jej podstawie możemy oszacować, że m. biodrowo-lędźwiowy posiada jeden kluczowy pik w trakcie biegu, który trwa pomiędzy 20% i 40% czasu trwania cyklu biegu.

Środek tego zakresu odpowiada mniej więcej temu momentowi:

Tylna noga chwilę temu straciła kontakt z podłożem, ale kolana są jeszcze daleko od siebie, co oznacza, że aktywacja m. biodrowo-lędźwiowego pojawia się wcześniej niż aktywacja m. prostego-uda, jednak oba te mięśnie kluczową pracę wykonują w pierwszej fazie swingu (zanim kolana się miną).

Wspomniani badacze w taki sposób opisują powiązania pomiędzy pracą m. biodrowo-lędźwiowego i taśmy tylnej nogi przeciwnej: „In the first half of swing, the ipsilateral hip was accelerated into flexion by the ipsilateral ILPSO, and this action was opposed by the contralateral HAMS and GMAX.„

co można przetłumaczyć jako: „W pierwszej fazie „swingu” biodro po stronie nogi wolnej (znajdującej się z tyłu) było aktywnie zginane przez mięsień biodrowo-lędźwiowy, a akcji tej przeciwstawiały się pracujące hamstringi i m. pośladkowy wielki po przeciwnej stronie ciała.„

Jest to wniosek zgodny z przemyśleniami z ostatniego artykułu: „możemy sobie wyobrazić, że zadaniem mięśni [hamstringów /pośladkowego wielkiego] nogi podporowej jest stworzenie nieprzesuwalnego fundamentu. Na jego podstawie reszta ciała może wykonywać swoje ruchy. Trzonem tej „reszty ruchów” jest „wyciągnięcie” wolnej nogi zza pleców i posłanie jej kolana w przód przed ciało. Im dynamiczniej to zrobimy, tym lepiej.„