Физиологическая площадь поперечного сечения

Область, перпендикулярная направлению волокон

Рисунок 1 Расположение перистых мышечных волокон. Зеленые линии представляют PCSA; синие линии представляют ACSA

В мышечной физиологии физиологическая площадь поперечного сечения (PCSA) — это площадь поперечного сечения мышцы , перпендикулярная ее волокнам, как правило, в ее наибольшей точке. Обычно она используется для описания сократительных свойств перистых мышц . ^[1] Это не то же самое, что анатомическая площадь поперечного сечения (ACSA), которая является площадью поперечного сечения мышцы, перпендикулярной ее продольной оси. В неперистых мышцах волокна параллельны продольной оси, и поэтому PCSA и ACSA совпадают.

Определение

Одним из преимуществ перистых мышц является то, что больше мышечных волокон могут быть упакованы параллельно, что позволяет мышце производить больше силы, хотя угол расположения волокон по отношению к направлению действия означает, что максимальная сила в этом направлении несколько меньше максимальной силы в направлении волокон. ^{[2] [3]}

Площадь поперечного сечения мышцы (синяя линия на рисунке 1, также известная как анатомическая площадь поперечного сечения, или ACSA) неточно отражает количество мышечных волокон в мышце. Более точную оценку дает общая площадь поперечных сечений, перпендикулярных мышечным волокнам (зеленые линии на рисунке 1). Эта мера известна как физиологическая площадь поперечного сечения (PCSA) и обычно рассчитывается и определяется по следующей формуле, разработанной в 1975 году Александром и Верноном: ^{[4] [5] [6]}

${\displaystyle {\text{PCSA}}={{\text{muscle volume}} \over {\text{fiber length}}}={{\text{muscle mass}} \over {\rho \cdot {\text{fiber length}}}},}$

где ρ — плотность мышцы:

${\displaystyle \rho ={{\text{muscle mass}} \over {\text{muscle volume}}}.}$

PCSA увеличивается с углом перистости и длиной мышцы. В перистой мышце PCSA всегда больше, чем ACSA. В неперистой мышце она совпадает с ACSA.

Оценка мышечной силы по PCSA

Общая сила, оказываемая волокнами в их косом направлении, пропорциональна PCSA. Если известно удельное напряжение мышечных волокон (сила, оказываемая волокнами на единицу PCSA), ее можно вычислить следующим образом: ^[7]

${\displaystyle {\text{Total force}}={\text{PCSA}}\cdot {\text{Specific tension}}}$

Однако только компонент этой силы может быть использован для того, чтобы тянуть сухожилие в желаемом направлении. Этот компонент, который является истинной мышечной силой (также называемой силой сухожилия ^[6] ), прикладывается вдоль направления действия мышцы: ^[6]

${\displaystyle {\text{Muscle force}}={\text{Total force}}\cdot \cos \Phi }$

Другая составляющая, ортогональная направлению действия мышцы (Ортогональная сила = Общая сила × sinΦ), не действует на сухожилие, а просто сжимает мышцу, подтягивая ее апоневрозы друг к другу.

Обратите внимание, что, хотя на практике удобно вычислять PCSA на основе объема или массы и длины волокна, PCSA (и, следовательно, общая сила волокна, которая пропорциональна PCSA) не пропорциональна только мышечной массе или длине волокна. А именно, максимальная ( тетаническая ) сила мышечного волокна зависит только от его толщины (площади поперечного сечения) и типа . Она ни в коем случае не зависит только от его массы или длины. Например, когда мышечная масса увеличивается из-за физического развития в детстве, это может быть связано только с увеличением длины мышечных волокон, без изменения толщины волокна (PCSA) или типа волокна. В этом случае увеличение массы не приводит к увеличению силы.

Иногда увеличение массы связано с увеличением толщины. Только в этом случае это будет иметь некоторое влияние на силу волокон, но это влияние будет пропорционально увеличению толщины, а не увеличению массы. Например, на некоторых стадиях физического развития увеличение массы может быть обусловлено как увеличением PCSA, так и длиной волокон. Даже в этом случае мышечная сила не увеличивается так сильно, как мышечная масса, потому что увеличение массы частично вызвано изменением длины волокон, а длина волокон не влияет на мышечную силу.

Альтернативное определение

В 1982 году Сакс и Рой ввели другое определение PCSA, обозначенное здесь как PCSA ₂ , для облегчения сравнения с предыдущим определением: ^[7]

${\displaystyle {\text{PCSA}}_{2}={{\text{muscle volume}}\cdot \cos \Phi \over {\text{fiber length}}}={{\text{muscle mass}}\cdot \cos \Phi \over {\rho \cdot {\text{fiber length}}}},}$

Сравнение показывает, что

${\displaystyle {\text{PCSA}}_{2}={\text{PCSA}}\cdot \cos \Phi .}$

в перистой мышце, поскольку всегда меньше 1, PCSA ₂ всегда меньше PCSA. Следовательно, ее нельзя описать как общую площадь поперечных сечений, перпендикулярных мышечным волокнам (зеленые линии на рисунке 1). Ее можно интерпретировать двумя способами: ${\displaystyle \cos \Phi }$

1. Проекция PCSA (зеленая линия на рисунке 1) на анатомическую плоскость поперечного сечения (синяя линия). ^[8]
2. ACSA неперистой мышцы с той же силой, что и перистая мышца. ^[9]

Это означает, что в мышце, такой как на рисунке 1А, PCSA ₂ совпадает с ACSA. Недостатком этого определения является его более сложная интерпретация, его преимущество в том, что мышечную силу можно вычислить более напрямую:

${\displaystyle {\text{Muscle force}}={\text{PCSA}}_{2}\cdot {\text{Specific tension}}}$^[7]

В настоящее время некоторые авторы продолжают использовать первоначальное определение PCSA ^{[5] [6],} вероятно, из-за его интуитивно привлекательной геометрической интерпретации (рисунок 1).

Ссылки

1. Сила и площадь поперечного сечения скелетных мышц человека
2. C. Gans (1982). Архитектура волокон и функция мышц. Exercise & Sports Science Reviews. 10:160–207.
3. Э. Оттен (1988). Концепции и модели функциональной архитектуры скелетных мышц. Exercise & Sports Science Reviews. 16:89–137.
4. Р. МакН. Александр, А. Вернон (1975). Размеры мышц колена и голеностопного сустава и силы, которые они оказывают, Журнал исследований человеческого движения, 1:115–123.
5. Narici MV, Landoni L., Minetti AE (1992). Оценка напряжения мышц-разгибателей колена человека по физиологической площади поперечного сечения и измерениям силы in vivo. Европейский журнал прикладной физиологии и физиологии труда. 65(5):438–444.
6. Maganaris CN, Baltzopoulos V. (2000). Механика максимального изометрического сокращения мышц in vivo у человека: выводы для оценок удельного напряжения мышц на основе моделирования. В Herzog W. (ред.). Механика скелетных мышц: от механизмов к функции. Wiley & Sons Ltd, стр. 267-288.
7. RD Sacks, RR Roy (1982). Архитектура мышц задних конечностей кошек: функциональное значение. Журнал морфологии, 185–195.
8. Это связано с тем, что угол между анатомической и физиологической плоскостями поперечного сечения (угол между синей и зеленой линиями на рисунке 1) по определению совпадает с Φ.
9. В неперистых мышцах ACSA = Мышечная сила / Удельное напряжение, а Мышечная сила = PCSA ₂ × Удельное напряжение, следовательно, PCSA ₂ = Мышечная сила / Удельное напряжение = ACSA.