生物力学杂志专刊——生物力学中的肌肉研究

——庆祝国际生物力学学会成立 51周年

1. 选择文章延伸肌蛋白和肌肉功能的故事

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• 延伸肌蛋白和肌肉功能的故事

• 沃尔夫冈·A·林克

• 2023年5月

• 摘要

  巨型蛋白肌联蛋白（也称为连接蛋白）的发现可以追溯到近半个世纪前。在这篇综述中，我概述了迄今为止在肌联丝的发现以及对其特性和功能的认识方面的主要进展。我简要讨论了我们对肌肉肌节中肌联蛋白的布局和相互作用的理解是如何演变的，并回顾了基因 ( TTN)肌联蛋白序列的关键事实 ）和蛋白质水平。我还谈到了肌联蛋白的特性，这些特性对于收缩单位的稳定性以及肌节蛋白的组装和维护很重要。我的讨论大部分集中在骨骼肌中肌联蛋白的机械功能上。我介绍了肌动蛋白在拉伸依赖性被动张力发展中的作用研究的里程碑，回顾了肌动蛋白巨大弹性多样性背后的原因，并提供了肌动蛋白弹性分子机制的最新信息，其细节甚至现在仍在出现。我反思了当前的知识：如果肌动蛋白僵硬度被去除，肌纤维如何表现机械性能，以及如何动态调节肌动蛋白刚度，例如通过翻译后修饰或钙结合。最后，我强调新颖且令人兴奋，但仍有争议的讨论，深入了解肌动蛋白在主动张力发展中的作用，例如长度依赖性激活和较长肌肉长度的收缩。

• https://doi.org/10.1016/j.jbiomech.2023.111553

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• 肌肉收缩的分子机制：历史视角

• 沃尔特·赫尔佐格、古德伦·沙帕赫-蒂尔普

• 2023 年 6 月

• 摘要

  对肌肉结构和功能的研究至少可以追溯到2000年前。然而，肌肉收缩机制的现代时代始于 20 世纪 50 年代，由 AF Huxley 和 HE Huxley 的经典作品开始，他们都出生于英国，但没有关联且独立工作。 HE Huxley 是第一个提出肌肉收缩是通过两组丝状结构（肌动蛋白或细丝和肌球蛋白或粗丝）的滑动而发生的。 AF Huxley 随后开发了一个受生物学启发的数学模型，提出了肌动蛋白和肌球蛋白滑动如何发生的可能分子机制。然后，该模型从肌球蛋白-肌动蛋白相互作用的二态模型演变为多态模型，并从导致滑动的线性电机演变为旋转电机。这个模型，肌肉收缩的跨桥模型仍然广泛应用于生物力学，甚至当今更复杂的跨桥模型仍然包含 AF Huxley 最初提出的许多特征。 2002年，我们发现了肌肉收缩的一个迄今未知的特性，表明被动结构参与主动力的产生，即所谓的被动力增强。人们很快发现这种被动力的增强是由丝状蛋白肌联蛋白引起的，并且进化出了肌肉收缩的三丝（肌动蛋白、肌球蛋白和肌联蛋白）肌小节模型。关于这三种蛋白质如何相互作用以引起收缩并产生主动力有很多建议，这里描述了一个这样的建议，但这一拟议机制的分子细节仍然需要仔细评估。

• https://doi.org/10.1016/j.jbiomech.2023.111659

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• 肌肉力量产生的历史相关特征：对跨桥理论的挑战及其功能含义

• 丹尼尔·哈恩、韩成元、Venus Joumaa

• 2023年5月

• 摘要

  跨桥理论预测，肌肉力量是由肌肉长度和主动肌肉长度变化的速度决定的。然而，在提出跨桥理论之前，已经观察到，给定肌肉长度下的等长力会根据达到给定长度之前的主动肌肉长度变化而增强或减弱。这些增强和抑制的力状态分别被称为残余力增强（rFE）和残余力抑制（rFD），它们一起被称为肌肉力量产生的历史相关特征。在这篇综述中，我们首先介绍了解释 rFE 和 rFD 的早期尝试，然后讨论过去 25 年的最新研究，这些研究有助于更好地理解 rFE 和 rFD 的机制。具体来说，我们讨论了越来越多的关于 rFE 和 rFD 的发现，这些发现挑战了跨桥理论，并提出弹性元件 titin 在解释肌肉历史依赖性方面发挥着作用。因此，包括肌联蛋白在内的新的力产生三丝模型似乎可以更好地了解肌肉收缩的机制。作为肌肉历史依赖性背后机制的补充，我们还展示了肌肉历史依赖性的各种含义作为肌肉历史依赖性背后机制的补充，我们还展示了肌肉历史依赖性的各种含义作为肌肉历史依赖性背后机制的补充，我们还展示了肌肉历史依赖性的各种含义 体内 人体肌肉功能，例如在拉伸-缩短周期期间。我们得出的结论是，如果要建立包含肌联蛋白的新三丝肌模型，则需要更好地了解肌联蛋白功能。从应用的角度来看，肌肉历史依赖性如何影响运动和运动控制，以及历史依赖性特征是否可以通过训练改变，仍有待阐明。

• https://doi.org/10.1016/j.jbiomech.2023.111579

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• 评估体内 骨骼肌设计和力学的成像技术进展

• 泰勒·JM·迪克、弗朗索瓦·哈格

• 2023 年 6 月
• 摘要

  骨骼肌是为人类和动物生命最基本和最决定性的特征——运动提供动力的引擎。肌肉的功能是改变长度并产生力量，以实现运动、姿势和平衡。尽管骨骼肌的作用看似简单，但它所表现出的各种现象仍然知之甚少。这些现象很复杂，是主动和被动机械以及机械、化学和电气过程之间相互作用的结果。过去几十年成像技术的出现带来了关于骨骼肌 在体内如何发挥作用的大量发现 其中激活水平是次最大的，并且收缩肌纤维的长度和速度是瞬态的。然而，我们对人类日常运动中肌肉行为机制的了解还远未完成。在这篇综述中，我们讨论了成像技术的主要进步，这些进步带来了一些发现，以提高我们对 体内的了解 过去50年的肌肉功能。我们重点介绍各种技术（包括超声成像、磁共振成像和弹性成像）的开发和应用中产生的知识，以表征肌肉设计和机械特性。我们强调，我们无法测量骨骼肌产生的力仍然构成重大挑战，准确可靠地测量个体肌肉力的未来发展将促进生物力学、生理学、运动控制和机器人技术的新领域。最后，我们确定了我们知识中的关键差距和未来的挑战，我们希望生物力学界能够在未来 50 年内解决这些问题。

• https://doi.org/10.1016/j.jbiomech.2023.111640

  

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• 肌电图测量技术、分析程序的进步以及肌肉力学对未来方法学要求的影响

• 埃莉莎·罗梅罗·阿维拉、西贝勒·E·威廉姆斯、凯瑟琳·迪塞尔霍斯特-克卢格

• 2023 年 7 月
• 摘要

  肌肉协调可以实现运动以及与环境的互动。 50 多年来，肌电图 (EMG) 为了解中枢神经系统对单个肌肉或肌肉群的控制提供了深入的了解，从而实现了精细运动和粗大运动功能。这些信息可以在单个运动单位 (Mus) 水平上获得，也可以在更全面的水平上从不同肌肉或肌肉群的协调中获得。特别是，非侵入性肌电图方法，例如表面肌电图（sEMG）或最近的空间映射方法（高密度肌电图 - HDsEMG）已在生物力学、运动和锻炼、人体工程学、康复、诊断、并越来越多地用于技术设备的控制。随着技术的进一步进步以及对肌电图和运动任务执行之间关系的日益了解，预计随着时间的推移，特别是非侵入性肌电图方法将在运动科学中变得越来越重要。然而，虽然每年有关非侵入性肌电图方法的出版物总数呈指数级增长，但运动科学领域期刊上有关该主题的出版物数量在过去十年中却停滞不前。这篇综述文章介绍了过去 50 年无创肌电图的发展背景，强调了方法论的进展。确定了与无创肌电图相关的研究主题的变化。如今，非侵入性肌电图程序越来越多地用于控制技术设备，其中肌肉力学的影响较小。然而，在运动科学中，肌肉力学对肌电信号的影响不容忽视。这解释了为什么非侵入性肌电图在运动科学中的相关性没有按预期发展。

• https://doi.org/10.1016/j.jbiomech.2023.111687

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• 过去 50 年开发肌肉和肌肉骨骼生物力学模型的努力回顾

• 詹姆斯·M·韦克林、米里亚姆·费布雷尔-纳弗里亚、弗里德尔·德格鲁特

• 2023 年 6 月
• 摘要

  50 年前国际生物力学学会成立时，希尔肌肉模型和赫胥黎肌肉模型就已被描述，但由于缺乏计算，在 20 世纪 70 年代之前几乎没有使用。随着 20 世纪 70 年代计算机和计算方法的出现，肌肉骨骼建模领域得到发展，希尔型肌肉模型因其与 Huxley 型肌肉模型相比计算相对简单而被生物力学学家采用。 Hill 型肌肉模型计算的肌肉力在类似于初始研究的条件下提供了良好的一致性，即小肌肉在稳定和受控条件下收缩。然而，最近的验证研究发现 Hill 型肌肉模型对于自然 体内的情况最不准确 次最大激活、快速和较大肌肉的运动行为，因此需要改进以用于理解人类运动。肌肉建模的发展解决了这些缺点。然而，在过去 50 年中，肌肉骨骼模拟很大程度上基于传统的 Hill 型肌肉模型，甚至是该模型的简化版本，忽略了肌肉与顺应性肌腱的相互作用。大约 15 年前，在肌肉骨骼模拟中引入直接搭配，以及计算能力和数值方法的进一步改进，使得能够在全身运动模拟中使用更复杂的肌肉模型。尽管 Hill 型模型仍然是常态，我们最终可能准备好采用更复杂的肌肉模型来模拟人类运动的肌肉骨骼。

• https://doi.org/10.1016/j.jbiomech.2023.111657

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• 了解肌肉收缩能量学的进展

• CJ 巴克莱，NA 科廷

• 2023 年 7 月
• 摘要

  肌肉能量学涵盖机械性能与肌肉活动期间发生的生化和热变化之间的关系。描述了支撑收缩的生化反应，并说明了这些反应在实验记录中的表现方式，如初始热量和恢复热量。收缩过程中的能量消耗可分为与跨桥力产生相关的能量消耗和与 Ca ^{2+激活相关的能量消耗} 。激活过程占等长收缩中 ATP 周转率的 25-45%，不同肌肉的情况不同。收缩期间肌肉能量的使用取决于收缩的性质。缩短肌肉时产生的力量比等长收缩时的力量小，但消耗能量的速率更高。这些特性反映了缩短时更快速的跨桥循环。拉长时，肌肉比等长收缩时产生更大的力量，但消耗能量的速率较低。在这种情况下，跨桥循环但通过一条 ATP 分裂未完成的途径。缩短的肌肉将 ATP 水解产生的部分自由能转化为功，其余部分则以热量的形式出现。在所研究的效率最高的肌肉（乌龟的肌肉）中，横桥将最多 47% 的可用能量转化为功。在大多数其他肌肉中，只有 20-30% ATP 水解产生的自由能转化为功。

• https://doi.org/10.1016/j.jbiomech.2023.111669

  

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• 肌肉收缩的能量学类似于 体内 表现

• NA 科廷，CJ 巴克莱

• 2023 年 7 月
• 第111665条
• 摘要

  肌肉能量学已扩展到类似于 体内 肌肉活动的收缩的研究。总结了此类实验以及它们对我们对肌肉功能和顺应性肌腱影响的理解的补充，以及提出的有关肌肉能量转换效率的新问题。

• https://doi.org/10.1016/j.jbiomech.2023.111665
  

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• 肌肉肌腱单元设计和调整，以增强功率、衰减功率并降低代谢成本

• 北卡罗来纳州霍尔特，DL 梅菲尔德

• 2023年5月

• 摘要

  骨骼肌纤维中的收缩元件与肌肉肌腱单元 (MTU) 中的弹性元件、肌腱和潜在的腱膜串联运行。由肌肉纤维做功或身体能量产生的弹性应变能 (ESE) 可以存储在这些系列弹性元件 (SEE) 中。 MTU 的设计在肌纤维和 SEE 的相对长度和刚度以及肌纤维的力和做功能力方面存在很大差异。然而，在 MTU 内，人们认为收缩和串联弹性元件可以匹配或调整以最大化 ESE 存储。 ESE 的使用被认为可以通过增强跳跃等活动期间的收缩元件功率、着陆等活动期间的收缩元件功率来改善运动性能。并降低稳态活动（例如步行和跑步）期间运动的代谢成本。 MTU 在这些潜在角色中的有效性取决于机械能来源、能量流控制以及 SEE 反冲特性等因素。因此，我们建议专门用于 ESE 存储的 MTU 在其组件的结构、机械和生理特性方面可能会有很大差异，具体取决于其功能作用和所需的多功能性。我们建议专门用于 ESE 存储的 MTU 其组件的结构、机械和生理特性可能会有很大差异，具体取决于其功能作用和所需的多功能性。我们建议专门用于 ESE 存储的 MTU 其组件的结构、机械和生理特性可能会有很大差异，具体取决于其功能作用和所需的多功能性。

• https://doi.org/10.1016/j.jbiomech.2023.111585

  

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• 骨骼肌衰老和肌肉减少症：单根透化肌纤维机械研究的视角

• Jae-Young Lim、沃尔特·R·弗龙特拉

• 2023年5月

• 摘要

  肌肉质量和力量随着年龄的增长而下降是有据可查的，并且与虚弱、灵活性下降、易受疾病和/或损伤以及功能恢复受损有关。肌肉减少症一词被用来指随着成年年龄的增长，肌肉质量、力量的丧失和身体机能受损，最近已成为超老龄社会的一个主要临床实体。为了了解肌少症的病理生理学和临床表现，有必要探索肌纤维内在特性与年龄相关的变化。过去 80 年一直在进行单肌纤维的机械实验，并在过去 45 年作为体外肌肉功能测试应用于人体肌肉研究。骨骼肌的基本主动和被动机械特性可以使用分离的透化（化学剥皮）单肌纤维制剂进行评估。老年人单肌纤维内在特性的变化可能是衰老和肌肉减少症的有用生物标志物。在这篇综述中，我们总结了单肌纤维力学研究的历史发展、肌肉衰老和肌肉减少症的定义和诊断，以及单肌纤维主动和被动力学性能与年龄相关的变化，并讨论了如何利用这些变化来评估肌肉老化和肌少症。我们总结了单肌纤维力学研究的历史发展、肌肉衰老和肌肉减少症的定义和诊断，以及单肌纤维主动和被动力学性能与年龄相关的变化，并讨论了如何利用这些变化来评估肌肉衰老和肌肉减少症。肌肉减少症。我们总结了单肌纤维力学研究的历史发展、肌肉衰老和肌肉减少症的定义和诊断，以及单肌纤维主动和被动力学性能与年龄相关的变化，并讨论了如何利用这些变化来评估肌肉衰老和肌肉减少症。肌肉减少症。

• https://doi.org/10.1016/j.jbiomech.2023.111559