Походка — это способ движения конечностей , выполняемый во время локомоции . [1] Походки человека — это различные способы, которыми человек может двигаться, как естественным образом, так и в результате специальной тренировки. [2] Походка человека определяется как двуногое поступательное движение центра тяжести человеческого тела, при котором происходят извилистые движения различных сегментов тела с небольшими затратами энергии. Различные походки характеризуются различиями в моделях движения конечностей, общей скорости, силах, кинетических и потенциальных циклах энергии и изменениях в контакте с землей.
Человеческие походки классифицируются по-разному. Каждая походка может быть в целом классифицирована как естественная (та, которую люди используют инстинктивно) или обученная (неинстинктивная походка, освоенная посредством обучения). Примерами последнего являются ходьба на руках и специализированные походки, используемые в боевых искусствах . [3] Походки также могут быть классифицированы в зависимости от того, остается ли человек в постоянном контакте с землей. [2]
Одной из переменных в походке является постановка стопы на землю — какая часть стопы первой соприкасается с землей. [4]
Спринт обычно характеризуется приземлением на переднюю часть стопы, но пятка обычно не касается земли.
Некоторые исследователи классифицируют удар стопы по начальному центру давления; это в основном применимо к бегу в обуви (бегу в обуви). [5] В этой классификации:
Постановка стопы различается в зависимости от типа шага. Она существенно и заметно меняется между ходьбой и бегом, а также между ношением обуви (обутой) и без обуви (босиком).
Обычно ходьба босиком характеризуется ударом на пятку или середину стопы, в то время как бег босиком характеризуется ударом на середину стопы или переднюю часть стопы. Бег босиком редко характеризуется ударом на пятку, поскольку удар может быть болезненным, а подушечка пятки человека не поглощает большую часть силы удара. [4] Напротив, 75% бегунов в современных кроссовках для бега используют удар на пятку; [6] кроссовки для бега характеризуются мягкой подошвой, жесткой подошвой и поддержкой свода стопы, а также спуском от более мягкой пятки к менее мягкой передней части стопы.
Причина этого изменения походки при беге в обуви неизвестна, но Либерман отметил, что существует связь между стилем приземления стопы и воздействием обуви. [6] У некоторых людей рисунок походки в значительной степени не меняется (положение ноги и стопы одинаково как босиком, так и в обуви), но клиновидная форма подкладки смещает точку удара назад от передней части стопы к средней части стопы. [5] В других случаях считается, что подкладка пятки смягчает удар. Это приводит к тому, что бегуны изменяют свою походку, перемещая точку контакта дальше назад в стопе. [6]
Исследование 2012 года с участием бегунов Гарвардского университета показало, что те, кто «привычно приземляется на заднюю часть стопы, имели примерно в два раза больше повторных травм от стресса, чем те, кто привычно приземляется на переднюю часть стопы». [7] Это было первое исследование, изучавшее связь между приземлением на стопу и уровнем травматизма. Однако более ранние исследования показали, что при приземлении на переднюю часть стопы возникают меньшие силы столкновения по сравнению с приземлением на заднюю часть стопы. Это может защитить голеностопные суставы и нижние конечности от некоторых травм, связанных с ударом, которые получают бегуны, приземляющиеся на заднюю часть стопы. [8]
В статье 2017 года под названием «Foot Strike Pattern in Children During Shod-Boss Running» («Модель постановки стопы у детей во время бега в обуви и без обуви») более 700 детей в возрасте от 6 до 16 лет наблюдались с использованием нескольких устройств видеозаписи для изучения моделей постановки стопы и нейтральной поддержки. Постановка стопы на заднюю ногу была наиболее распространенной как при беге в обуви, так и без обуви, как у мальчиков, так и у девочек. Было отмечено значительное снижение постановки стопы на заднюю ногу при переходе от бега в обуви к бегу без обуви: мальчики в обуви — 83,95% RFS, мальчики в обуви — 62,65% RFS; девочки в обуви — 87,85% RFS, девочки в обуви — 62,70% RFS. [9]
По состоянию на 2021 год уровень доказательств, позволяющих предположить связь между моделью удара стопы и травмой бегуна, был очень низким. Исследования использовали ретроспективные дизайны, небольшой размер выборки и потенциально неточную самоотчетность. [10]
Центральная нервная система регулирует походку высокоупорядоченным образом посредством комбинации произвольных и автоматических процессов. Основной локомоторный паттерн — это автоматический процесс, который является результатом ритмических реципрокных всплесков активности сгибателей и разгибателей. Эта ритмическая активация является результатом работы центральных генераторов паттернов (ЦПГ) [11] , которые работают независимо от того, является ли движение произвольным или нет. ЦПГ не требуют сенсорного ввода для поддержания. Однако исследования показали, что паттерны походки у деафферентированных или иммобилизованных животных более упрощены, чем у неврологически неповрежденных животных. (Деафферентация и иммобилизация являются экспериментальной подготовкой животных к изучению нервной регуляции. Деафферентация включает в себя перерезку задних корешков спинного мозга, которые иннервируют конечности животного, что препятствует передаче сенсорной информации, сохраняя при этом двигательную иннервацию мышц нетронутой. Напротив, иммобилизация включает в себя инъекцию ингибитора ацетилхолина , который препятствует передаче двигательных сигналов, в то время как сенсорный вход остается неизменным.) [12]
Сложность походки возникает из-за необходимости адаптироваться к ожидаемым и неожиданным изменениям в окружающей среде (например, изменениям поверхности для ходьбы или препятствиям). Визуальная , вестибулярная , проприоцептивная и тактильная сенсорная информация обеспечивает важную обратную связь, связанную с походкой, и позволяет корректировать позу человека или положение стопы в зависимости от ситуационных требований. При приближении к препятствию визуальная информация о размере и местоположении объекта используется для адаптации схемы шага. Эти корректировки включают изменение траектории движения ног и связанные с этим постуральные корректировки, необходимые для поддержания равновесия. Вестибулярная информация предоставляет информацию о положении и движении головы, когда человек перемещается в окружающей среде. Проприоцепторы в суставах и мышцах предоставляют информацию о положении суставов и изменениях длины мышц. Кожные рецепторы, называемые экстероцепторами, предоставляют дополнительную тактильную информацию о стимулах, с которыми сталкивается конечность. [12]
Походку у людей трудно изучать из-за этических проблем. Поэтому большая часть того, что известно о регуляции походки у людей, установлена в исследованиях с участием других животных или продемонстрирована на людях с использованием функциональной магнитно-резонансной томографии во время мысленного представления походки. [13] Эти исследования обеспечили эту область несколькими важными открытиями.
В мозге есть три особых центра, которые регулируют походку: [11] [13]
Эти центры координируются с системами контроля позы в полушариях головного мозга и мозжечке. При каждом поведенческом движении реагируют сенсорные системы, отвечающие за контроль позы. [11] Эти сигналы воздействуют на кору головного мозга, мозжечок и ствол мозга. Многие из этих путей в настоящее время изучаются, но некоторые аспекты этого контроля достаточно хорошо изучены.
Сенсорный вход из нескольких областей коры головного мозга, таких как зрительная кора, вестибулярная кора и первичная сенсорная кора, необходим для выполнения квалифицированных локомоторных задач. Эта информация интегрируется и передается в дополнительную моторную область (SMA) и премоторную область коры головного мозга, где создаются моторные программы для преднамеренного движения конечностей и упреждающей корректировки осанки. Например, моторная кора использует визуальную информацию для повышения точности шаговых движений. Приближаясь к препятствию, человек будет вносить коррективы в свой шаблон шага на основе визуального ввода относительно размера и местоположения препятствия. [11] Первичная моторная кора отвечает за произвольный контроль контралатеральной ноги, в то время как SMA связана с контролем осанки.
Мозжечок играет важную роль в координации движений , регулируя произвольные и непроизвольные процессы. [14] [15] Регулирование походки мозжечком называется « ошибка/коррекция », потому что мозжечок реагирует на отклонения в позе, чтобы координировать правильное движение. Считается, что мозжечок получает сенсорную информацию (например, зрительную, вестибулярную) о фактических схемах шага по мере их возникновения и сравнивает их с предполагаемой схемой шага. Когда между этими двумя сигналами возникает несоответствие, мозжечок определяет соответствующую коррекцию и передает эту информацию в ствол мозга и моторную кору. Считается, что выход мозжечка в ствол мозга конкретно связан с тонусом постуральных мышц, тогда как выход в моторную кору связан с процессами когнитивного и моторного программирования. [11] Мозжечок посылает сигналы в кору головного мозга и ствол мозга в ответ на сенсорные сигналы, полученные от спинного мозга. Эфферентные сигналы из этих областей идут в спинной мозг, где активируются двигательные нейроны для регулирования походки. Эта информация используется для регулирования равновесия во время шагания и объединяет информацию о движении конечностей в пространстве, а также о положении и движении головы. [12]
Спинальные рефлексы не только генерируют ритм локомоции через CPG, но и обеспечивают постуральную устойчивость во время ходьбы. [16] В спинном мозге есть несколько путей, которые играют роль в регуляции походки, включая роль реципрокного торможения и рефлексов растяжения для создания чередующихся шаблонов шага. Рефлекс растяжения возникает, когда мышца растягивается, а затем сокращается в защитных целях, в то время как противоположные группы мышц расслабляются. Пример этого во время ходьбы происходит, когда опорная нога приближается к концу фазы опоры. В этот момент бедро разгибается, а сгибатели бедра удлиняются. Мышечные веретена в сгибателях бедра обнаруживают это растяжение и запускают сокращение мышц сгибателей бедра, необходимое для начала фазы качания походки. Однако сухожильные органы Гольджи в мышцах-разгибателях также посылают сигналы, связанные с величиной веса, поддерживаемого опорной ногой, чтобы гарантировать, что сгибание конечности не произойдет до тех пор, пока нога не будет достаточно разгружена и большая часть веса не будет перенесена на противоположную ногу. [12] Информация из спинного мозга передается для обработки более высокого порядка в супраспинальные структуры через спиноталамический , спиноретикулярный и спиноцеребеллярный тракты. [11]
Так называемые естественные походки, в порядке возрастания скорости, это ходьба , бег трусцой , подпрыгивание , бег и спринт . [2] [17] В то время как другие походки средней скорости могут встречаться у некоторых людей естественным образом, эти пять основных походок встречаются естественным образом почти во всех культурах. Все естественные походки предназначены для продвижения человека вперед, но также могут быть адаптированы для бокового движения. [2] Поскольку все естественные походки имеют одну и ту же цель, они в основном различаются тем, когда мышцы ног используются во время цикла походки.
Ходьба подразумевает, что по крайней мере одна нога постоянно находится в контакте с землей. Также существует период времени в цикле походки , когда обе ноги одновременно находятся в контакте с землей. [2] Когда нога отрывается от земли, эта конечность находится в «фазе переноса» походки. Когда нога находится в контакте с землей, эта конечность находится в «фазе опоры» походки. Зрелый паттерн ходьбы характеризуется циклом походки, который примерно на 60% состоит из фазы опоры и на 40% из фазы переноса. [18] Начало походки — это произвольный процесс, который включает подготовительную постуральную регулировку, когда центр массы перемещается вперед и вбок перед разгрузкой одной ноги. Центр массы находится только в пределах опорной базы человека, когда обе ноги находятся в контакте с землей (известно как стойка с двумя конечностями). Когда только одна нога находится в контакте с землей (стойка с одной конечностью), центр массы находится перед этой ногой и движется к ноге, которая находится в фазе переноса. [11]
Подпрыгивание — это походка, которую дети демонстрируют в возрасте около четырех-пяти лет. [2] В то время как бег трусцой похож на рысь лошади , подпрыгивание ближе к двуногому эквиваленту галопа лошади . Чтобы исследовать стратегии походки, которые, вероятно, будут предпочтительными при низкой гравитации, исследование Акермана и Ван Ден Богерта провело серию прогнозных вычислительных симуляций походки с использованием физиологической модели опорно-двигательного аппарата, не предполагая какой-либо конкретный тип походки. Они использовали вычислительно эффективную стратегию оптимизации, позволяющую проводить множественные симуляции. Их результаты показывают, что подпрыгивание более эффективно и менее утомительно, чем ходьба или бег, и предполагают существование перехода шаг-подпрыгивание, а не шаг-бег при низкой гравитации. [17]
Параметры времени и расстояния моделей походки зависят от возраста ребенка . Разный возраст приводит к разной скорости и времени шага. Размахивание руками замедляется при увеличении скорости ходьбы. Рост ребенка играет важную роль в расстоянии и скорости шага. Чем выше ребенок, тем длиннее будет шаг и дальше будет шаг. Модели походки зависят от скорости и возраста. Например, с возрастом увеличивается и скорость. Между тем, с возрастом уменьшается каденция (скорость, с которой человек ходит, измеряемая в шагах в минуту) модели походки. Физические характеристики, такие как рост, вес и даже окружность головы, также могут играть роль в моделях походки у детей. Окружающая среда и эмоциональное состояние также играют роль в скорости, быстроте и моделях походки, которые использует ребенок. Кроме того, дети разного пола будут иметь разные темпы развития походки. Значительные изменения в развитии таких параметров походки, как время шага, время замаха и частота шагов, происходят в походке ребенка через два месяца после начала самостоятельной ходьбы, возможно, из-за увеличения постурального контроля на этой стадии развития. [19]
К трем годам большинство детей овладевают основными принципами ходьбы, соответствующими принципам взрослых. Возраст — не единственный решающий фактор в развитии походки. Гендерные различия наблюдаются у маленьких детей уже в возрасте трех лет. Девочки, как правило, имеют более устойчивую походку, чем мальчики в возрасте от 3 до 6 лет. Другое различие включает в себя площадь контакта подошвы. Девочки показали меньшую площадь контакта в моделях нагрузки подошвы, чем мальчики у детей со здоровыми стопами. [19]
Существуют половые различия в моделях походки человека: женщины, как правило, ходят с меньшей шириной шага и большим движением таза. [20] Анализ походки обычно учитывает биологический пол. [21] Половые различия в походке человека можно исследовать с помощью демонстрации, созданной лабораторией BioMotion в Йоркском университете в Торонто. [22]
Несмотря на то, что при стопохождении вес обычно распределяется на конец конечности больше, чем при пальцеходящем движении , что увеличивает расход энергии в большинстве систем, исследования показали, что люди являются экономичными ходоками, но не экономичными бегунами, что, как говорят, согласуется с эволюционной специализацией как на экономичной ходьбе, так и на беге на выносливость . [23]
На том же расстоянии ходьба с естественной пяткой вперед сжигает примерно на 70% меньше энергии, чем бег. Различия такого масштаба необычны для млекопитающих. [23] Кэтрин Найт из Journal of Experimental Biology суммирует результаты одного исследования: «Приземление с пятки вперед также позволяет нам передавать больше энергии с одного шага на другой, чтобы повысить нашу эффективность, в то время как размещение стопы на земле плоской поверхностью уменьшает силы вокруг лодыжки (создаваемые землей, толкающей нас), которым наши мышцы должны противодействовать». [24] По словам Дэвида Кэрриера из Университета Юты , который помогал проводить исследование, «Учитывая большие расстояния, которые преодолевают охотники-собиратели, неудивительно, что люди являются экономичными пешеходами». [23]
Нормальный рисунок походки зависит от ряда биомеханических характеристик, контролируемых нервной системой для повышения энергосбережения и баланса . [25] Эти биомеханические характеристики нормальной походки были определены как ключевые детерминанты походки. Поэтому необходимо утонченное неврологическое управление и интеграция этих характеристик походки для точности и аккуратности с меньшими затратами энергии. В результате любая аномалия нейро-мышечно-скелетной системы может привести к аномалии походки и повышенным затратам энергии.
Шесть кинематических или определяющих факторов походки, описанные ниже, были введены Сондерсом и др. в 1953 году [26] и широко использовались с различными усовершенствованиями. [27] [28] [29] [30] [31] Недавние исследования показали, что первые три определяющих фактора могут в меньшей степени способствовать уменьшению вертикального смещения центра масс (ЦМ).
Известно, что эти детерминанты походки обеспечивают экономичное движение [25] за счет снижения вертикального смещения центра масс (ЦМ), что приводит к снижению метаболической энергии. Поэтому предполагается, что точный контроль этих детерминант походки [32] приводит к повышению энергосбережения. Эти кинематические особенности походки интегрированы или координируются для обеспечения траектории ЦМ по дуге окружности, как теория, предложенная как «походка по компасу (прямое колено)». Теория, лежащая в основе детерминант, противоречит теории «перевернутого маятника», где нога в статической стойке действует как маятник, который предписывает дугу. [33] [34] [35] Шесть детерминант походки и их влияние на смещение ЦМ и энергосбережение описаны ниже в хронологическом порядке:
Ненормальная походка является результатом нарушения одного или нескольких из этих путей. Это может произойти в процессе развития или в результате нейродегенерации . [11] Наиболее ярким примером нарушений походки из-за проблем развития являются исследования детей с расстройствами аутистического спектра . У них снижена мышечная координация, что приводит к аномалиям походки. [39] Частично это связано со снижением мышечного тонуса, также известным как гипотония , которая также распространена при РАС. Наиболее ярким примером ненормальной походки в результате нейродегенерации является болезнь Паркинсона. [11]
Хотя это наиболее изученные примеры аномальной походки, существуют и другие явления, описанные в медицинской сфере. [40]
Аномальная походка также может быть результатом инсульта. Однако, используя беговую дорожку для активации мозжечка, можно исправить аномалии походки.
Автор Второканонической книги Сираха замечает, что «одежду человека, его чрезмерный смех и походка показывают, кто он есть». [41] Библейский писатель Дж. Дж. Коллинз предполагает, что этот стих цитирует традиционную максиму. [42]