Органы мышечной системы человека: «Мышечная система. Строение мышцы как органа»

Содержание

2.5. Строение и функции мышечной системы человека

2.5.1. Строение и основные свойства мышечной ткани

Мышцы тела человека образованы в основном мышечной тканью, состоящей из мышечных клеток. Различают гладкую и поперечнополосатую мышечную ткань. Гладкая мышечная ткань образует гладкую мускулатуру, которая входит в состав некоторых внутренних органов, а поперечнополосатая образует скелетные мышцы. Общим свойством мышечной ткани является ее возбудимость, проводимость и сократимость (способность сокращаться).

Поперечнополосатая мышечная ткань отличается от гладкой более высокой возбудимостью, проводимостью и сократимостью. Клетки поперечнополосатой мускулатуры имеют очень малый диаметр и большую длину (до 10–12 см). В связи с этим их называют волокнами.

В состав мышечных волокон входит большое количество еще более тонких волоконец – миофибрилл, которые, в свою очередь, состоят из тончайших нитей –

протофибрилл. Протофибриллы – это сократительный аппарат мышечной клетки, они представляют собой специальные сократительные белки миозин и актин. Механизм мышечных сокращений представляет собой сложный процесс физических и химических превращений, протекающий в мышечном волокне при обязательном участии сократительного аппарата. Запуск этого механизма осуществляется нервным импульсом, а энергия для процесса сокращения поставляется аденозинтрифосфорной кислотой (АТФ). В этой связи особенностью строения мышечных волокон является также большое количество митохондрий, обеспечивающих мышечное волокно необходимой энергией. Расслабление мышечного волокна, по предположению многих ученых, осуществляется пассивно, благодаря эластичности мембраны и внутримышечной соединительной ткани.

2.5.2. Строение, форма и классификация скелетных мышц

Анатомической единицей самой активной части мышечной системы человека скелетной, или поперечно-полосатой, мускулатуры является скелетная мышца. Скелетная мышца – это орган, образованный поперечно-полосатой мышечной тканью и содержащий, кроме того, соединительную ткань, нервы и сосуды.

Каждая мышца или группа мышц окружена своеобразным «футляром» из соединительной ткани – фасцией. На поперечном срезе мышцы легко различаются скопления мышечных волокон (пучки), также окруженные соединительной тканью.

Во внешнем строении мышцы различают сухожильную головку, соответствующую началу мышцы, брюшко мышцы, или тело, образованное мышечными волокнами, и сухожильный конец мышцы, или хвост, с помощью которого мышца прикрепляется к другой кости. Обычно хвост мышцы является подвижной точкой прикрепления, а начало неподвижной. В процессе движение их функции могут меняться: подвижные точки становятся неподвижными и наоборот.

Помимо указанных выше основных компонентов скелетной мышцы существуют различные вспомогательные образования, способствующие оптимальному осуществлению движений.

Форма мышц очень разнообразна и в значительной степени зависит от функционального назначения мышцы. Различают длинные, короткие, широкие, ромбовидные, квадратные, трапециевидные и другие мышцы. Если мышца имеет одну головку, ее называют простой, если две или больше – сложной (например, двуглавая, трехглавая и четырехглавая мышца).

Мышцы могут иметь две или несколько срединных частей, например, прямая мышца живота; несколько концевых частей, например, сгибатель пальцев кисти имеет четыре сухожильных хвоста.

Важным морфологическим признаком

является расположение мышечных волокон. Различают параллельное, косое, поперечное и круговое расположение волокон (у сфинктеров). Если при косом расположении мышечных волокон они присоединяются только с одной стороны сухожилиями, то мышцы называют одноперистыми, если с двух сторон – то двуперистыми.

Функционально мышцы можно разделить на сгибатели и разгибатели, вращатели кнаружи (супинаторы) и вращатели кнутри (пронаторы), приводящие мышцы и отводящие. Выделяют также мышцы-синергисты и мышцы-антагонисты. Первые образуют группу мышц, содружественно выполняющих какое-либо движение, сокращение вторых вызывает противоположные движения.

По месту расположения мышц, т. е. по их топографо-анатомическому признаку, выделяют мышцы спины, груди, живота, головы, шеи, верхних и нижних конечностей. Всего анатомы различают 327 парных скелетных мышц и 2 непарных. Все вместе они в среднем составляют около 40% массы тела человека (рис. 2.6, 2.7).

Мышечная система человека — это… Что такое Мышечная система человека?

Мышечная система человека

Мышечная система — одна из основных биологических подсистем у высших животных, благодаря которой в организме осуществляется движение во всех его проявлениях.

Мышечная система отсутствует у одноклеточных и губок, однако и эти животные не лишены способности к движению.

Мышечная система представляет собой совокупность способных к сокращению мышечных волокон, объединённых в пучки, которые формируют особые органы — мышцы или же самостоятельно входят в состав внутренних органов. Масса мышц намного больше, чем масса других органов: у позвоночных животных она может достигать до 50 % массы всего тела, у взрослого человека — до 40 %. Мышечная ткань животных также называется мясо и, на ряду с некоторыми другими составляющими тел животных, употребляется в пищу. В мышечных тканях происходит превращение химической энергии в механическую энергию и теплоту.

У позвоночных выделяют три типа мышц:

  1. Скелетные мышцы (они же поперечнополосатые, или произвольные). Прикрепляются к костям. Состоят из очень длинных волокн, длина от 1 до 10 см, форма — цилиндрическая. Их поперечная исчерченность обусловлена наличием чередующихся двоякопреломляющих проходящий свет дисков — анизотропных, более темных, и однопреломляющих свет — изотропных, более светлых. Каждое мышечное волокно состоит из недифференцированной цитоплазмы, или саркоплазмы, с многочисленными ядрами расположенными по периферии, которая содержит большое число дифференцированных поперечнополосатых миофибрилл. Периферия мышечного волокна окружена прозрачной оболочкой, или сарколеммой, содержащей фибриллы коллагеновой природы. Небольшие группы мышечных волокон окружены соединительнотканной оболочкой — эндомизием, endomysium; более крупные комплексы представлены пучками мышечных волокон, которые заключены в рыхлую соединительную ткань — внутренний перемизий, perimysium internum; вся мышца в целом окружена наружным перимизием, perimysium externum. Все соединительнотканные структуры мышцы, от сарколеммы до наружного перимизия, являются продолжением друг друга и непрерывно связаны между собой. Всю мышцу одевает соединительнотканный футляр — фасция, fascia. К каждой мышце подходит один или несколько нервов и кровоснабжающие её сосуды. И те и другие проникают в толщу мышцы в области так называемого нервнососудистого поля, area nervovasculosa.
    С помощью мышц сохраняется равновесие тела, производится перемещение в пространстве, осуществляются дыхательные и глотательные движения. Эти мышцы сокращаются усилием воли под действием импульсов, поступающих к ним по нервам из центральной нервной системы. Характерны мощные и быстрые сокрашения и быстрое развитие утомления.
  2. Гладкие мышцы (непроизвольные). Они находятся в стенках внутренних органов и сосудов. Для них характерны длина: 0,02 -0,2 мм, форма:веретеновидная, одно ядро овальное в центре, нет исчерчености. Эти мышцы участвуют в транспортировке содержимого полых органов, например пищи по кишечнику, в регуляции кровяного давления, сужении и расширении зрачка и других непроизвольных движений внутри организма. Гладкие мышцы сокращаются под действием вегетативной нервной системы. Характерны медленые ритмические сокращения, не вызвающие утомления.
  3. Сердечная мышца. Она имеется только в сердце. Эта мышца неутомимо сокращается в течение всей жизни, обеспечивая движение крови по сосудам и доставку жизненно важных веществ к тканям.
    Сердечная мышца сокращается самопроизвольно, а вегетативная нервная система только регулирует её работу.

В теле человека около 400 поперечнополосатых мышц, сокращение которых управляется центральной нервной системой.

Мышечная система

 

Wikimedia Foundation. 2010.

  • Мышечная забитость
  • Мышечное веретено

Смотреть что такое «Мышечная система человека» в других словарях:

  • МЫШЕЧНАЯ СИСТЕМА — МЫШЕЧНАЯ СИСТЕМА. Содержание: I. Сравнительная анатомия……….387 II. Мышцы и их вспомогательные аппараты . 372 III. Классификация мышц…………375 IV. Вариации мышц……………378 V. Методика исследования мышц на хрупе . . 380 VI.… …   Большая медицинская энциклопедия

  • Мышечная система — (мускулатура) одна из основных биологических подсистем у высших животных, благодаря которой в организме осуществляется движение во всех его проявлениях. Мышечная система отсутствует у одноклеточных и губок, однако и эти животные не лишены… …   Википедия

  • Мышечная система —         мускульная система, совокупность сократимых элементов, мышечных клеток, объединённых обычно у животных и человека в Мышцы и связанных между собой соединительной тканью. У одноклеточных, губок, кишечнополостных и некоторых бескишечных… …   Большая советская энциклопедия

  • Зрительная система человека — Проводящие пути зрительного анализатора 1 Левая половина зрительного поля, 2 Правая половина зрительного поля, 3 Глаз, 4 Сетчатка, 5 Зрительные нервы, 6 Глазодвигательный нерв, 7 Хиазма, 8 Зрительный тракт, 9 Латеральное коленчатое тело, 10… …   Википедия

  • Репродуктивная система человека — В этой статье не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете …   Википедия

  • Иммунная система человека — Лимфоцит, компонент иммунной системы человека. Изображение сделано сканирующим электронным микроскопом Иммунная система подсистема, существующая у большинства животных и объединяющая органы и ткани, которые защищают организм от заболеваний,… …   Википедия

  • Обонятельная система человека — Обоняние  ощущение запаха, способность определять запах  веществ, рассеянных в воздухе (или растворенных в воде  для животных, живущих в ней). У позвоночных органом обоняния является обонятельный эпителий, расположенный на верхней носовой… …   Википедия

  • Дыхательная система человека — Дыхательная система человека  совокупность органов, обеспечивающих функцию внешнего дыхания (газообмен между вдыхаемым атмосферным воздухом и циркулирующей по малому кругу кровообращения кровью). Газообмен осуществляется в альвеолах лёгких,… …   Википедия

  • Кровеносная система человека — Схема расположения наиболее крупных кровеносных сосудов в теле человека. Артерии показаны красным, вены синим цветом. Сердечно сосудистая система (сокращенно ССС) система органов, которые обеспечивают циркуляцию крови по организму животного. В… …   Википедия

  • Мочевыделительная система человека — Мочевыделительная система …   Википедия


Мускулатура человека » МРОО «Вымпел-В»


Движения осуществляются при помощи мышечной системы, которая совместно с костями образует двигательный аппарат.

Основным свойством мышц является их способность к сокращению, сжатию. Таким образом мышца и кость, а вместе с ними и вся соответствующая часть тела приводятся в движение. Мышцы, прикрепленные к костям, называются скелетной мускулатурой и управляются силой воли. В мышечных пучках располагаются мелкие нервные тельца, представляющие собой окончания нервных путей, соединяющих мозг с мышцами. Возникший в мозгу волевой импульс передается в соответствующую мышцу, приводя ее в движение.

Помимо скелетной мускулатуры, в желудке, кишечнике и других внутренних органах имеется гладкая мускулатура, управляемая вегетативной нервной системой независимо от воли человека.
В теле насчитывается более 300 мышц. Их сила измеряется способностью превращать воспринимаемую энергию в работу. В то время как, например, паровая машина может использовать только 15% полученной энергии, мышца использует ее около 35%. Мышцам для деятельности необходим кислород; потребность их в кислороде составляет в день 216 литров. Мышечная деятельность способствует также образованию телесного тепла, поддерживающего необходимую температуру тела.

Основные мышцы. Наиболее важными мышцами головы являются мышцы мимические, служащие для выражения чувств, внутреннего состояния, ощущений, а также лицевые и жевательные; на шее проходит грудино-ключично-сосковая мышца. Грудная клетка спереди покрыта большой и малой грудными мышцами, по бокам — зубчатыми и межреберными мышцами.

Брюшную стенку спереди образует прямая мышца живота, по бокам проходят косые мышцы, под которыми располагается поперечная мышца живота. Между грудной и брюшной полостями находится плоская мышца — диафрагма.

В верхней части спины располагается трапециевидная мышца, в нижней ее части — широчайшая мышца спины.

На верхних и нижних конечностях различаются группы мышц, которые в соответствии с производимой ими деятельностью делятся на сгибатели и разгибатели. Основной сгибательной мышцей является двуглавая мышца плеча (бицепс), разгибательной — трехглавая мышца плеча (трицепс). На нижней конечности разгибательной служит четырехглавая мышца бедра.

Травмы. Травмы мышц возникают в основном при глубоких ранах. В таких случаях нарушается целость мышц, теряется их сила, возникают кровотечения. Толчки, удары и давление обусловливают ушибы мышц с кровоизлияниями. При резких и стремительных движениях или же при больших нагрузках, например у спортсменов без основательной тренировки, в холодную погоду, возникают надрывы или же разрывы мышц; при перегрузках развивается воспаление сухожилий и влагалищ мышц, главным образом предплечья.

Мышечное напряжение. Мышечный спазм | Клиника Ринос

Для выполнения организмом человека работы его мышечная ткань в нормальном состоянии должна быть ровной и эластичной. В зависимости от его воли мышечная ткань может быть равнонапряженной или равнорасслабленной. Но мы постоянно встречаемся с ситуацией, когда в различных местах на теле человека могут появляться участки (или даже группы мышечных волокон и целые мышцы), в которых напряжение, независимо от желания этого человека, сохраняется и поддерживается. Подобные участки могут быть как большие, так и совсем маленькие, они могут осознаваться сознанием в качестве спазма, напряжения, а могут вообще им не замечаться.

Какой вред от мышечных напряжений и спазмов?
  1. Первый ответ на этот вопрос лежит на поверхности: если мышца спазмирована, она пережимает кровеносные сосуды и нервные волокна. В результате питание и энергоинформационный обмен нарушается и в тканях самой мышцы, и в тех внутренних органах, к которым пережатыми сосудами и нервами осуществляется питание и иннервация. К примеру, в области шеи пережимается блуждающий нерв, по нему к поджелудочной железе не проходят импульсы, что вызывает нарушение иннервации органа с соответствующими ферментативными нарушениями желудочно-кишечного тракта.
  2. Второй негативный результат: спазмированная мышца является мышцей сокращенной, на ее поддержание в напряженном состоянии требуется АТФ — определенные энергозатраты. То есть на поддержание мышцы в состоянии напряжения расходуется собственная энергия организма, а возникшее напряжение не только не приносит пользы, но еще и вредит организму (см. п.1). Учитывая, что области, в которых возникло мышечное напряжение, могут быть достаточно обширными, а напряжения поддерживаться постоянно (даже во сне), энергозатраты организма на нерациональную и вредную работу могут оказаться довольно существенными.

Существует и третье негативное последствие, о котором поговорим чуть позже.

Симптомы

Обычно при осмотре врача триггерные (болевые) зоны могут быть обнаружены в мышце, выпрямляющей спину или поднимающей лопатку, в трапециевидной мышце, а также в некоторых других. При мышечном напряжении пациент может ощущать:

  • боль ноющего, свербящего, давящего характера
  • усиление или уменьшение почти постоянной боли
  • отражение боли в области плеча, глаза, головы
  • невозможность совершения в полном объеме движений рукой или поворотов головы.
Причины возникновения

Основными причинами возникновения мышечных спазмов являются:

  • остеохондроз, а также его проявления, выражающиеся в виде протрузий, грыж межпозвонковых дисков
  • травмы и ушибы позвоночника, при которых в ответ на боль происходит напряжение мышцы и развивается триггерный синдром
  • статическое мышечное напряжение длительного характера, которое может возникать при неправильной позе человека, сидящего за столом или работающего за компьютером, при ношении сумки на одном плече (когда одно плечо становится выше, чем другое)
  • эмоциональные стрессы, вызывающие повышение мышечного тонуса.
Почему происходят мышечное напряжение и спазм?

Мышечные спазмы – болезненные конвульсивные мышечные сокращения, случающиеся непроизвольно непосредственно во время или сразу же после выполнения физических упражнений.

Причина появления спазмов зависит от различных причин и полностью пока не изучена. Однако есть некоторые общие причины, которые определяют природу происхождения мышечых напряжений.

Электролиты

В вероятном появлении мышечных спазмов ключевую роль играет состояние гидратации организма человека. В спортзале можно заметить людей, потребляющих витаминные напитки во время выполнения упражнений. Они делают это не просто так.

В витаминных напитках содержится оптимально сбалансированная концентрация натрия, калия и кальция. Эти микроэлементы благотворно влияют на функционирование мышц и нервов. Если баланс указанных электролитов нарушается (что возможно, когда человек сильно потеет), могут возникнуть проблемы.

То же самое может произойти, если во время выполнения физических упражнений начать пить много воды. Многие люди делают подход и сразу пьют воду, делают следующий подход и снова пьют. При этом они уверены, что таким образом помогают своему организму.

Всем известно, что человеческое тело на три четверти состоит из воды. При интенсивных нагрузках вместе с потом выделяется натрий, который ничего не заменяет. Когда человек пьет воду, он одну выделившуюся жидкость заменяет на другую, которая не является аналогичной – в ней отсутствует ключевой минеральный компонент. Это может быть причиной того, что функционирование мышц ухудшается.

Кроме того, при занятиях в очень жаркой комнате этот процесс осложняется: человек не только больше потеет, но также и жара негативно влияет на мышцы. В результате появляется слабость и усталость.

Уровень кальция

Еще одна причина появления блоков – низкий уровень в организме кальция. Если концентрация кальция снижается, количество внутриклеточной жидкости, которая окружает мышцы и нервы, уменьшается. В результате нервные окончания подвергаются излишнему раздражению, а это, в свою очередь, приводит к появлению спазмов.

Мышечная усталость

После напряжения мышц наступает период релаксации, продолжающийся дольше, чем само сжатие. Но этот процесс расслабления основывается на сенсорной обратной связи, возникающей между спинным мозгом и мышцами и объединяющей сухожилия и нервно-мышечные веретена.

Если мышцы устали, они сужаются. Это увеличивает нагрузку на нервно-мышечные веретена и уменьшает на сухожилия. Если это случится одновременно, нарушается процесс правильного сжатия/расслабления мышц, что и приводит к спазму.

Большое количество углеводов

Если человек придерживается низкоуглеводной диеты, то это может отражаться на состоянии мышечной системы. Поэтому необходимо помнить, что такой рацион питания может привести к мышечному спазму и избегать перенапряжения.

Откуда берутся мышечные спазмы?

Рассмотрим такой пример: при остеохондрозе образуются наросты костной ткани (имеющие острые края) по краям межпозвонковых дисков, так называемые остеофиты. Эти наросты при неловких поворотах или резких движениях могут легко травмировать окружающие ткани и нервы. В результате возникновения боли для защиты травмированного места из мозга поступает команда напрячь окружающие мышцы. Чем боль сильнее, тем больше мышечное напряжение. Вместе с тем, чем сильнее мышечное напряжение, чем больнее. Возникает триггерный синдром.

Из этого следует два вывода:

  • чтобы смещенный позвонок поставить на место, необходимо предварительно расслабить окружающие мышцы
  • мышечный спазм является реакцией на боль.

Еще один пример: произошел перелом, в ответ на боль напряглись окружающие мышцы. Кость впоследствии срослась, но на месте перелома мышечный спазм остался на всю жизнь. Он пережимает сосуды и нервы, тем самым ограничивая подвижность.

Таким образом, к первой причине образования мышечных спазмов можно отнести всевозможные травмы, при которых в ответ на боль напрягаются мышцы и происходит развитие триггерного синдрома. По этой причине образование спазмов может возникать с самого рождения из-за родовых травм. Вообще роды являются очень большим стрессом как для организма ребенка, так и для организма матери. Они могут быть очень травматичными. Спазмы шейных мышц (в особенности подзатылочных), нарушающие питание головного мозга, у большинства людей очень часто возникают и сохраняются на всю жизнь именно в результате родовых травм.

Второй причиной образования мышечных спазмов является продолжительное статическое мышечное напряжение, которое может возникнуть при неправильной посадке школьника за партой, человека за компьютером, а также при ношении сумки на одном и том же плече (в этом случае одно плечо становится выше другого). Если такое напряжение будет поддерживаться длительное время, возникает явление торможения, напряженное состояние для клеток становится привычным. Если специально напряженную область не расслаблять и не мобилизировать, в ней постоянно будет сохраняться напряжение.

Третьей причиной возникновения мышечных спазмов могут быть эмоциональные стрессы. Для преодоления стрессовой ситуации в момент ее возникновения организмом мобилизуются все внутренние ресурсы: повышается мышечный тонус, ускоряется сердечный ритм, определенные гормоны выбрасываются в кровь, пищеварение замедляется. Эта реакция требуется для выживания организма – обеспечения в угрожающих условиях соответствующей реакции. После преодоления угрозы организм возвращается к нормальному функционированию и расслабляется. Но при определенных обстоятельствах не происходит возврат к нормальному состоянию. Это приводит к тому, что человек как будто все время находится в состоянии стресса, для него становятся хроническими мышечные напряжения, которые характерны для стрессовой ситуации. Вместе с тем, наличие при хроническим стрессе мышечного тонуса – далеко не единственное его негативное последствие. Кроме того развиваются нарушения сердечнососудистой, пищеварительной систем (вплоть до возникновения серьезных заболеваний), человек становится раздражительным, уменьшается его работоспособность.

В каком случае необходимо обращаться к врачу?

  1. Если мышцы малоподвижные и ощущается боль в течение первых трех дней.
  2. Если в области спины или шеи мышечные спазмы сопровождаются онемением, покалыванием или слабостью, необходимо немедленно обращаться к врачу.
Как избежать рецидивов блоков, мышечных напряжений и спазмов.

Наилучшим способом предотвращения повторного спазма является поддержание мышц сильными, гибкими и адекватно подготовленными. Перед началом занятий активными физическими упражнениями не забывайте о растяжках, выполняйте упражнения для укрепления мышц. Заядлым спортсменам обязательно необходимо консультироваться с тренером, который сможет откорректировать те механизмы движений, которые необходимы для этого вида спорта.

Коронавирус может проникать в головной мозг, нарушать работу нервной системы и вызывать другие осложнения

  • Николай Воронин
  • Корреспондент по вопросам науки

Автор фото, Getty Images

Заражение Covid-19 не ограничивается инфекцией дыхательных органов. Как показывают практические исследования, у значительного числа пациентов вирус поражает и нервную систему.

Механизм его воздействия на нервные клетки пока не изучен, однако ученые не сомневаются в том, что какая-то связь есть: временная пропажа вкуса или обоняния были признаны специфическими симптомами Covid-19 еще в середине марта.

Кроме того, из носоглотки вирус способен проникать напрямую в головной мозг, а это в свою очередь может спровоцировать целый ряд осложнений, нарушив нормальную работу практически любого органа.

Список возможных сопутствующих заболеваний огромен: от проблем с пищеварением и закупорки сосудов — до сердечной недостаточности и энцефалита.

Многоликий вирус

Спустя четыре месяца с начала эпидемии ученым по-прежнему очень мало известно о вызывающем болезнь вирусе SARS-CoV-2 и его действии на организм человека.

Общая картина инфекции складывается по крупицам, из сотен статей в научных журналах, где врачи со всего мира делятся опытом лечения коронавирусных пациентов.

В результате продолжает расширяться список возможных симптомов Covid-19 (их уже больше десятка), а вместе с ним — и наши представления о том, какие еще органы способен поражать вирус и какими осложнениями может обернуться болезнь, помимо пневмонии.

Автор фото, Getty Images

Чаще всего медики описывают нарушения работы нервной системы. Сразу два исследования — во Франции и в Китае — пришли к выводу, что неврологические симптомы в той или иной форме испытывают более трети зараженных.

Однако в целом новая инфекция отличается куда более разносторонним и даже индивидуальным подходом.

Но и нервную систему вирус может поражать очень по-разному — речь далеко не только о временном отказе чувств.

В частности, в качестве побочных проявлений Covid-19 описаны несколько случаев энцефалита (воспаления мозга), а также синдрома Гийена-Барре: иммунная система пациента начинает атаковать собственные нервные клетки, что приводит к мышечной слабости, а в тяжелых случаях — к параличу.

Американские медики встревожены сообщениями о том, что только в Нью-Йорке за две недели у коронавирусных пациентов было зафиксировано пять случаев обширного инсульта — причем у относительно молодых людей (до 50 лет), без других ярко выраженных симптомов Covid-19.

По предварительным данным, в качестве побочного эффекта воспаления коронавирус спровоцировал у них образование тромбов в крупных сосудах — что в итоге и привело к острому нарушению мозгового кровообращения.

Однако в основном неврологические расстройства наблюдаются все-таки у тяжелых больных. В таких случаях эти симптомы иногда остаются даже после выздоровления пациентов от Covid-19.

Автор фото, Getty Images

Почему осложнения такие разные?

Нарушить работу нервной системы вирус может как косвенно, путем чрезмерной активизации иммунной системы (так называемый цитокиновый шторм), так и напрямую. Это выяснилось в результате вскрытия тел погибших от Covid-19.

Вирусные частицы у жертв были обнаружены в том числе и в головном мозге. Есть версия, что инфекция попадает туда из дыхательных путей через обонятельные рецепторы в носу.

Это не какая-то уникальная способность нового коронавируса. Аналогичную инфекцию мозга могут вызывать и некоторые другие вирусы, в том числе гриппа и кори — что также иногда приводит к неврологическим заболеваниям, хоть и довольно редко.

Правда, в случае с Covid-19 дело обстоит чуть сложнее. Во-первых, число зараженных уже превысило 3 млн — а значит, даже редких случаев в совокупности оказывается немало. А во-вторых, если вирус все же попал в мозг, дальнейшее заражение почти неизбежно: на поверхности мозговых клеток присутствует тот самый мембранный рецептор ACE2, через который вирус легко проникает внутрь, вызывая воспаление.

Этот же рецептор есть и у клеток, выстилающих внутреннюю поверхность кровеносных сосудов — поэтому в тяжелых случаях вирус прорывается из дыхательных органов в общий кровоток. В результате тромботические осложнения возникают почти у каждого третьего больного коронавирусной пневмонией.

С кровью вирус может попасть уже в любые органы, в том числе и в мозг. Однако, по последним данным, почти половина всех инфицированных переносят Covid-19 вообще без всяких симптомов.

Пытаясь понять, почему у одних людей болезнь протекает совершенно незаметно, а у других приводит к столь тяжелым последствиям, в Британии провели исследования нескольких тысяч пар идентичных близнецов.

Согласно предварительным данным, тяжесть инфекции, многие ее симптомы, а возможно, и сама вероятность заражения довольно сильно зависят от генетических факторов, то есть наследственности.

Двигательная активность и здоровье человека.

Двигательная активность и здоровье человека.

Здоровый образ жизни неотделимо связан с высокой двигательной активностью человека. В настоящее время на людей влияют многие неблагоприятные факторы внешней среды, большой поток информации, сложные социальные условия жизни. Что неизменно приводит к эмоциональному напряжению и снижению двигательной активности.

Развитие наших предков происходило в каждодневной борьбе за жизнь и сопровождалось огромными мышечными напряжениями. В настоящее время доказано, что опорно-двигательный аппарат, органы кровообращения и дыхания, функции нервной системы и даже железы секреции смогут правильно развиваться и функционировать, лишь при условии достаточной и регулярной мышечной нагрузки.

Современный образ жизни ведет к снижению двигательной активности

Работа, связанная с физическими нагрузками, требующая выносливости и длительных мышечных напряжений, в современной промышленности, транспорте и сельском хозяйстве исчезает. Ей на смену приходит механизация труда. Снижает сумму мышечных усилий «кнопочное» управление различными механизмами и распространение личного транспорта. Облегчая нашу жизнь и бытовые условия, это лишает наш организм мышечных усилий и тем самым оказывает на него неблагоприятное влияние.

Нехватку мышечных напряжений нужно корректировать при помощи специальных оздоровительных мероприятий

Для организма становится особенно важным значение мышечных нагрузок при таких заболеваниях как гипокинезия (снижении двигательной активности) и гиподинамия (снижении мышечных усилий). Сопутствовать недостатку двигательной активности могут атрофия и дегенерацией скелетных мышц. Происходит истончение мышечных волокон, снижение веса и тонус мышц.

К чему приводит недостаток движения?

Результатом гипокинезии или гиподинамии становятся существенные изменения и нарушения координации движений, ухудшается состояние зрительного, вестибулярного и двигательного аппаратов. Происходят изменения в кровеносной системе: уменьшается размер сердца, учащается пульс, уменьшается масса циркулирующей крови, увеличивается время ее кругооборота. Снижаются функции надпочечников.

Для нашего организма двигательная активность является физиологической потребностью. Лишённый движения организм теряет способность накапливать энергию, необходимую для противостояния стрессу. Мышечные напряжения, воздействие контрастных температур, принятие солнечных ванн в разумной мере полезны организму.

Для восполнения подвижности незаменимы занятия физической культурой, способствующие улучшению деятельности нервных центров, процессов мышления, памяти, концентрации внимания, точной ориентации человека в пространстве, повышению резервов многих систем организма. При регулярных занятиях физическими упражнениями повышается емкость легких, объем и глубина дыхания, нормализуется деятельность желез внутренней секреции.

Повышенная мышечная деятельность может стать стрессом. Если физические нагрузки на организм будут чрезмерными, может появиться первая или вторая стадия стресса, которая при длительном действии напряжений способна перейти в третью — истощение.

 

Исследования показали, что при постепенном увеличении интенсивности и длительности упражнений в организме не наблюдается патологических изменений.

Утренние физические упражнения имеют достаточно важное значение для повышения работоспособности человека после сна, для укрепления здоровья и закаливания организма. Способствуют восстановлению нормального функционирования центральной нервной системы утренние занятия гимнастикой.

Солнце, воздух и вода — наши лучшие друзья!

Восстановление нервной системы ускоряется, если сочетать утреннюю зарядку с водными процедурами. Воздействие таких раздражителей как температурный фактор, действие свежего воздуха, солнца или воды способствует закаливанию организма человека, помогая снять отечность тканей, а именно вен, которая бывает после пробуждения.

Важность физических упражнений по утрам не ограничивается устранением последствий сна. Они способствуют совершенствованию силы, выносливости, координации и быстроты нашего тела, а также укреплению сердечно-сосудистой, выделительной, дыхательной и других вегетативных систем.

Ежедневно выполняя упражнения, вы будете поддерживать на должном уровне резервную щелочность крови и способствовать сохранению специфических свойств мышц, которые развиваются при регулярной мышечной деятельности.

Чтобы не ухудшать последующую работоспособность, надо избежать большой активности при выполнении физических упражнений до начала вашего рабочего дня.

Не менее важны по значению упражнения, выполняемые на протяжении рабочего дня и даже после его окончания. Они запускают механизм активного отдыха, способствующий скорому восстановлению разных функций в организме, нарушенных из-за утомления. Упражнения являются самым эффективным средством снимающим нервное и психическое напряжение. В настоящее время для эффективной борьбы с гиподинамией разработаны несколько методик физических упражнений. Стоит особенно выделить шейпинг, спортивные игры, ритмическую гимнастику, плавание, велосипедные прогулки и бег. Каждый делает выбор системы исходя из интереса, возможностей и запросов.

Правильная организация процесса — очень важна.

Важно понимать, что сама физическая активность при неправильном использовании не даст оздоровительного результата. Степень физической нагрузки должна быть оптимальной для каждого отдельного человека. Необходимо соблюдение принципов, гарантирующих оздоровительный эффект. И главными из них выступают последовательность, постепенность, регулярность и систематичность физических тренировок. Тренированность организма появляется только в процессе занятий.

Главное отличие тренированного организма — умением быстро включить резервы в действие и экономно обеспечивать их координацию. Сдвиги происходящие в организме, при мышечной деятельности, являются фазовыми и не сохраняются долгое время. Именно поэтому, чтобы развить тренированность важно не допускать больших интервалов отдыха между упражнениями.

Информация: http://vsezdorovo.com/2011/11/activity-11/2/

Ключичная головка грудино-ключично-сосцевидной мышцы

Ключичная головка грудино-ключично-сосцевидной мышцы является более латеральной и задней из двух головок, от которых начинается грудино-ключично-сосцевидная мышца. Он соединяет череп с ключицей и позволяет голове сгибаться или вращаться. Грудино-ключично-сосцевидная кость имеет клиническое значение как анатомический ориентир. Из-за перенапряжения для этой мышцы часто возникают легкие травмы, вызванные растяжением.

Анатомия

Грудино-ключично-сосцевидная мышца, или SCM, является одной из самых крупных и поверхностных мышц шеи, что делает ее важным и легко идентифицируемым анатомическим ориентиром. Продолжайте прокрутку, чтобы узнать больше ниже …

Нажмите, чтобы просмотреть большое изображение

Продолжение сверху … Он возникает из двух источников: головка грудины возникает из верхней границы рукоятки грудины, а ключичная головка возникает из широкой полосы на верхнем крае ключицы. Исходя из этого, головы простираются наискось назад и поперек шеи, где их волокна сливаются в единое мускулистое тело.Унифицированный SCM продолжает двигаться кзади и латеральнее, чтобы вставить в сосцевидный отросток небольшую массу костной ткани на височной кости черепа. Ход SCM можно проследить путем пальпации шеи, повернув голову в сторону и почувствовав выпуклую мышцу, идущую от грудины и ключицы и заканчивающуюся кзади от уха.

По сравнению с головкой грудины, ключичная головка тоньше и шире, так как она имеет гораздо большее начало вдоль медиальной трети ключицы. Его мышечные волокна проходят почти вертикально по сравнению с косыми волокнами грудины.

Физиология

Грудино-ключично-сосцевидные мышцы производят несколько движений в шее, в зависимости от того, работают ли одна или обе мышцы. Когда одна мышца SCM сокращается, она тянет сосцевидный отросток к его истокам, поворачивая голову и поворачивая лицо к противоположной стороне тела. Обе мышцы SCM, работающие вместе, притягивают оба сосцевидных отростка к истокам, что приводит к сгибанию головы к груди.

Грудино-ключично-сосцевидные мышцы также могут работать с лестничными мышцами как мышцы глубокого дыхания. Когда другие мышцы шеи удерживают голову неподвижно, мышцы SCM могут тянуть грудину и грудную клетку вверх к шее. Этот подъем грудной клетки увеличивает ее объем, втягивая больше воздуха в легкие.

Штаммы SCM — частые легкие мышечные травмы. Внезапный поворот головы, хлыстовая травма или сон с напряженной позой шеи — вот некоторые из факторов, которые могут привести к растяжению SCM. Это болезненное состояние обычно не является серьезным и лечится отдыхом, массажем, растяжкой и приемом НПВП.

15.2: Знакомство с мышечной системой

Чудесные мышцы

Слово muscle наводит на мысль о хорошо развитых мышцах штангиста, как у женщины на этой фотографии? Ее зовут Наталья Заболотная, она российская олимпийская чемпионка. Мышцы, которые используются для подъема тяжестей, легко почувствовать и увидеть, но это не единственные мышцы в человеческом теле.Многие мышцы находятся глубоко внутри тела, где они образуют стенки внутренних органов и других структур. Вы можете сгибать бицепсы по своему желанию, но вы не можете контролировать внутренние мышцы, как эти. Это хорошо, что эти внутренние мышцы работают без каких-либо сознательных усилий с вашей стороны, потому что движение этих мышц необходимо для выживания. Мышцы — это органы мышечной системы.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): тяжелоатлет

Что такое мышечная система?

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): Многие скелетные мышцы в мышечной системе человека показаны на этом рисунке человеческого тела.

Мышечная система состоит из всех мышц тела. Наибольший процент мышц в мышечной системе составляют скелетные мышцы, прикрепленные к костям и обеспечивающие произвольные движения тела. В человеческом теле почти 650 скелетных мышц, многие из них показаны на рисунке \ (\ PageIndex {2} \). Помимо скелетных мышц, мышечная система также включает сердечную мышцу, которая составляет стенки сердца, и гладкие мышцы, которые контролируют движение других внутренних органов и структур.

Структура и функции мышц

Мышцы — это органы, состоящие в основном из мышечных клеток, которые также называются мышечными волокнами (в основном в скелетных и сердечных мышцах) или миоцитами (в основном в гладких мышцах). Мышечные клетки — это длинные тонкие клетки, которые выполняют функцию сокращения. Они содержат белковые нити, которые скользят друг по другу, используя энергию АТФ. Скользящие нити увеличивают напряжение в мышечных клетках или укорачивают их длину, вызывая сокращение. Сокращения мышц ответственны практически за все движения тела, как внутри, так и снаружи.

Скелетные мышцы прикрепляются к костям скелета. Когда эти мышцы сокращаются, они двигают тело. Они позволяют нам использовать наши конечности по-разному, от ходьбы до вращения колес телеги. Скелетные мышцы также поддерживают осанку и помогают сохранять равновесие.

Гладкие мышцы стенок кровеносных сосудов сокращаются, вызывая сужение сосудов, что может помочь сохранить тепло тела.Расслабление этих мышц вызывает расширение сосудов, что может помочь телу терять тепло. В органах пищеварительной системы гладкие мышцы проталкивают пищу через желудочно-кишечный тракт, последовательно сокращаясь, образуя волну мышечных сокращений, называемую перистальтикой . Представьте себе распыление зубной пасты через тюбик путем последовательного давления снизу вверх, и вы получите хорошее представление о том, как пища перемещается мышцами через пищеварительную систему. Перистальтика гладких мышц также перемещает мочу по мочевыводящим путям.

Ткань сердечной мышцы находится только в стенках сердца. Когда сердечная мышца сокращается, она заставляет сердцебиение. Насосное действие бьющегося сердца поддерживает кровоток через сердечно-сосудистую систему.

Гипертрофия и атрофия мышц

Мышцы могут увеличиваться, или гипертрофируются. Обычно это происходит при более частом употреблении, хотя гормональные и другие факторы также могут иметь значение.Например, повышение уровня тестостерона в период полового созревания приводит к значительному увеличению размера мышц. Физические упражнения, включающие силовые упражнения или тренировки с отягощениями, могут увеличить размер скелетных мышц практически у всех. Упражнения (например, бег), которые увеличивают частоту сердечных сокращений, также могут увеличить размер и силу сердечной мышцы. Размер мышцы, в свою очередь, является основным фактором, определяющим мышечную силу, которую можно измерить по величине силы, которую может приложить мышца.

Мышцы также могут уменьшаться в размерах или атрофироваться , что может произойти из-за недостатка физической активности или голодания.Люди, находящиеся в иммобилизации на любой срок — например, из-за перелома кости или хирургического вмешательства, — относительно быстро теряют мышечную массу. Люди в концентрационных лагерях или лагерях для голодных могут быть настолько истощены, что теряют большую часть своей мышечной массы, становясь буквально «кожей и костями». Астронавты на Международной космической станции также могут потерять значительную мышечную массу из-за невесомости в космосе (см. Рисунок \ (\ PageIndex {3} \)).

Многие болезни, включая рак и СПИД, часто связаны с атрофией мышц.Атрофия мышц также бывает с возрастом. По мере того как люди становятся старше, наблюдается постепенное снижение способности поддерживать массу скелетных мышц, известную как саркопения . Точная причина саркопении неизвестна, но одна из возможных причин — снижение чувствительности к факторам роста, которые необходимы для поддержания мышечной массы. Поскольку размер мышц определяет силу, атрофия мышц вызывает соответствующее снижение мышечной силы.

И при гипертрофии, и при атрофии количество мышечных волокон не изменяется.Что меняет размер мышечных волокон? Когда происходит гипертрофия мышц, отдельные волокна становятся шире. Когда происходит атрофия мышц, волокна становятся более узкими.

Рисунок \ (\ PageIndex {3} \). Для астронавтов важно выполнять упражнения на борту Международной космической станции, чтобы помочь противостоять потере мышечной массы, которая происходит из-за их невесомости без земной гравитации.

Взаимодействие с другими системами тела

Мышцы не могут сокращаться сами по себе. Для сокращения скелетным мышцам требуется стимуляция моторных нейронов.Точка, где двигательный нейрон прикрепляется к мышце, называется нервно-мышечным соединением . Допустим, вы решили поднять руку в классе. Ваш мозг посылает электрические сообщения через моторные нейроны к вашей руке и плечу. Моторные нейроны, в свою очередь, стимулируют сокращение мышечных волокон в руке и плече, заставляя руку подниматься.

Непроизвольные сокращения гладких и сердечных мышц также управляются электрическими импульсами, но в случае этих мышц импульсы исходят от вегетативной нервной системы (гладкие мышцы) или специализированных клеток сердца (сердечная мышца).Гормоны и некоторые другие факторы также влияют на непроизвольные сокращения сердечных и гладких мышц. Например, гормон борьбы или бегства адреналин увеличивает скорость сокращения сердечной мышцы, тем самым ускоряя сердцебиение.

Мышцы не могут двигать телом самостоятельно. Им нужна скелетная система, чтобы действовать. Эти две системы вместе часто называют костно-мышечной системы . Скелетные мышцы прикреплены к скелету с помощью жестких соединительных тканей, называемых сухожилиями .Многие скелетные мышцы прикреплены к концам костей, которые встречаются в суставе. Мышцы охватывают сустав и соединяют кости. Когда мышцы сокращаются, они тянут кости, заставляя их двигаться. Скелетная система представляет собой систему рычагов, которые позволяют телу двигаться. Мышечная система обеспечивает силу, перемещающую рычаги.

Сводка

  • Мышечная система состоит из всех мышц тела. Есть три типа мышц: скелетная мышца (которая прикреплена к костям и обеспечивает произвольные движения тела), сердечная мышца (которая составляет стенки сердца и заставляет его биться) и гладкие мышцы (которые находятся в стенках сердца). внутренние органы и другие внутренние структуры и контролирует их движения).
  • Мышцы — это органы, состоящие в основном из мышечных клеток, которые также можно назвать мышечными волокнами или миоцитами. Мышечные клетки специализируются на функции сокращения, которое происходит, когда белковые нити внутри клеток скользят друг по другу, используя энергию АТФ.
  • Мышцы могут увеличиваться в размерах или гипертрофироваться. Обычно это происходит в результате более частого использования (физических упражнений), хотя гормональные и другие факторы также могут иметь значение. Мышцы также могут уменьшаться в размерах или атрофироваться.Это может произойти из-за неиспользования, голодания, некоторых болезней или старения. И при гипертрофии, и при атрофии изменяется размер, но не количество мышечных волокон. Размер мышц является основным фактором, определяющим мышечную силу.
  • Скелетным мышцам нужен стимул двигательных нейронов для сокращения и движения тела; им нужна скелетная система, чтобы действовать. Непроизвольные сокращения сердечных и гладких мышц контролируются специальными клетками сердца, нервами вегетативной нервной системы, гормонами или другими факторами.

Обзор

1. Что такое мышечная система?

2. Опишите мышечные клетки и их функции.

3. Определите три типа мышечной ткани и укажите, где находится каждый из них.

4. Дайте определение мышечной гипертрофии и мышечной атрофии.

5. Каковы возможные причины гипертрофии мышц?

6. Назовите три причины возможной атрофии мышц.

7. Как мышцы изменяются при увеличении или уменьшении размера?

8.Как изменение размера мышц влияет на силу?

9. Объясните, почему космонавты могут легко терять мышечную массу в космосе.

10. Опишите, как соотносятся друг с другом термины мышечные клетки , мышечные волокна и миоциты .

11. Мышечная ткань желудка считается ___________________.

A. сердечная мышца

Б. скелетная мышца

C. гладкая мускулатура

Д.произвольная мышца

12. Сокращение мышц — это __________ мышечных волокон.

A. гипертрофия

Б. атрофия

С. удлинение

D. Укорочение

13. Верно или неверно: Гладкая мышца не сокращается.

14. Назовите две системы тела, которые работают вместе с мышечной системой для выполнения движений.

15. Опишите один из способов, которым мышечная система участвует в регулировании температуры тела.

Узнать больше

Узнайте больше о растущей проблеме саркопении, посмотрев этот доклад на TED:

Посмотрите это видео, чтобы узнать о перистальтике толстой кишки:

Учебное пособие по системам тела

Последнее обновление: 27 декабря 2020 г.

Вы когда-нибудь задумывались, как переваривается ваша пища, или как вы можете дышать или даже двигать руками? Если задуматься, то удивительно, что человеческое тело может делать все это и даже больше.Эти действия стали возможными благодаря так называемым системам органов, которые представляют собой совокупность органов, частей тела и тканей, которые работают вместе для достижения общей цели. Например, каждая из ваших костей является частью скелетной системы; они работают сообща, чтобы обеспечить поддержку и движение, чтобы вы могли ходить и бегать. Ваши кости также работают вместе, чтобы защитить важные внутренние органы, такие как сердце, легкие и мозг. Другие системы органов, присутствующие в вашем теле, — это кровеносная, дыхательная, мышечная, пищеварительная, покровная, эндокринная, репродуктивная и нервная системы.У всех этих систем есть определенные функции, но они не могут функционировать независимо. Они полагаются на все другие системы для правильной работы. Каждая система очень важна, и они есть у каждого человека. Ниже вы найдете краткий обзор каждой системы тела, а также полезные учебные ссылки для взрослых и учебные ссылки для учителей.

Система кровообращения

Система кровообращения состоит из сердца и кровеносных сосудов, которые охватывают все артерии, вены и капилляры.Артерии несут насыщенную кислородом кровь от сердца, а вены возвращают дезоксигенированную кровь обратно в сердце. Основное предназначение системы кровообращения — транспортировка крови, кислорода, питательных веществ и гормонов к различным клеткам и тканям и от них по всему телу. Эта система работает рука об руку с дыхательной системой, облегчая обмен кислорода и углекислого газа в крови между альвеолами в легких. Это также очень важно для удаления шлаков и ядов из организма через пищеварительную и мочевыделительную системы.

  • Project Heart kids — Система кровообращения: Прекрасная анимация, показывающая, как работает система кровообращения.
  • Ваша сердечно-сосудистая система: Дети, которые хотят больше узнать о сердечно-сосудистой системе и о том, что это такое, могут перейти по этой ссылке. На этой странице читатели узнают больше о сердце, кровотоке и о том, как кровь получает кислород!
  • Распечатка человеческого сердца: На этой странице открывается распечатка человеческого сердца, которую можно раскрасить.На распечатке помечены различные части сердца.
  • Введение в систему кровообращения: Серия планов уроков по изучению системы кровообращения. Кровеносные сосуды и то, как проверить пульс, являются частью предоставленных планов уроков.
  • Парусная система кровообращения игра: Сыграйте в эту игру, чтобы узнать больше о кровеносной системе.
  • Все о сердце для детей: Посмотрите отличный видеоролик о сердце и кровеносной системе.После видео дети тоже могут прочитать об этом.

Дыхательная система

Дыхательная система в основном состоит из трахеи, бронхов, бронхиол, альвеол, легких и диафрагмы. Его основные функции — поглощать кислород при вдыхании (вдохе) воздуха и выводить углекислый газ обратно в атмосферу через выдох (выдох). Этот процесс обычно называют вентиляцией, иначе называемой дыханием, которая способствует обмену кислорода и углекислого газа между легкими и атмосферой.В легких кислород и углекислый газ обмениваются через альвеолы, которые представляют собой крошечные воздушные мешочки, в которых происходит это действие. Во время этого процесса заново насыщенная кислородом кровь перекачивается через систему кровообращения через сердце ко всем клеткам, тканям и органам по всему телу.

  • Дыхательная система: Образовательная информация предоставлена ​​NIH. Включает обзор дыхательной системы, того, что происходит, когда вы дышите, что контролирует ваше дыхание, а также заболеваний и состояний легких.
  • Внутреннее тело: Дыхательная система: Включает в себя 2D и 3D интерактивный исследователь анатомии дыхательной системы. Предоставляет информацию о каждом отделе дыхательной системы и обзор того, как все это работает вместе.
  • План урока в начальной школе по дыхательной системе: План урока в начальной школе по дыхательной системе. План урока включает части от части A до части D.
  • Дыхательная система: Посмотрите краткое видео о дыхательной системе.Ролик предназначен для детей пятого класса.
  • Поисковая энциклопедия Kidz: Дыхательная система: Информация о дыхательной системе в удобном для понимания формате. Предоставляет образовательную информацию по основам дыхательной системы, включая дыхание, газообмен и клеточное дыхание.

Скелетная система

Скелетная система состоит из 206 костей в общей сложности и состоит из нескольких различных типов костей, таких как длинные, короткие, плоские, неправильные и сесамовидные.Он также состоит из всех суставов, хрящей, сухожилий и связок внутри тела. Основными функциями скелетной системы являются движение, поддержка тела и защита внутренних органов, таких как мозг, сердце и легкие. Кости также отвечают за производство красных кровяных телец, тромбоцитов и большинства лейкоцитов. Минералы, такие как кальций, железо, магний и фосфор, также хранятся в костях, причем здесь хранится 99% кальция в организме.

  • Скелетная система человека: Узнайте о компонентах скелетной системы, типах костей и типах суставов.
  • Системы: Скелетная система: Узнайте о скелетной системе изнутри и снаружи, нажав на эту ссылку. Читая эту страницу, люди также могут узнать, что делает скелетная система и как она работает с другими системами организма.
  • Изучите костную систему: обозначьте кости: Интерактивная игра для 4 и 5 классов, которая позволяет детям маркировать различные кости костной системы.
  • Человеческое тело: Распечатка человеческого скелета: Дети могут попросить родителей распечатать этот скелет для раскрашивания или раскрасить онлайн.Имеются места для маркировки различных частей.
  • Упражнение по подбору скелетов: Возможно, вам будет интересно узнать об общих и собственных названиях костей. Распечатайте этот PDF-файл и соедините общие названия костей с именами собственными.
  • Скелетная система: Прочтите о трех основных функциях, которые выполняет скелетная система. По этой ссылке также указано, сколько костей в человеческом теле.

Мышечная система

Мышечная система состоит из 650 скелетных, гладких (висцеральных) и сердечных (миокард) мышц.Основные функции этой системы — движение, стабилизация суставов, выработка тепла, поддержание осанки и облегчение кровообращения. Скелетные мышцы соединяются с костью и работают рука об руку со скелетной системой, чтобы контролировать произвольные движения, такие как ходьба и бег. Гладкие мышцы — это непроизвольные мышцы, которые отвечают за сокращение полых мышц, включая желудок, кишечник, мочевой пузырь и матку. Сердечная мышца — это непроизвольная мышца, которая находится только в сердце и способствует циркуляции крови, перекачивая ее в основные артерии и выводя ее в организм через систему кровообращения.

  • Мышечная система: Факты, функции и заболевания: дает образовательный обзор мышечной системы человека. Включает краткую информацию о заболеваниях мышечной системы.
  • Здоровье детей: Ваши мышцы: Легкий для понимания обучающий обзор мышечной системы.
  • Внутреннее тело: мышечная система: Предоставляет более подробную информацию о мышечной системе. Включает в себя интерактивный 2D и 3D анатомический исследователь.
  • Мышечные упражнения для детей: Набор занятий в классе и домашней школе, а также планы уроков, которые рассказывают детям о своих мышцах.

Пищеварительная система

Пищеварительная система состоит в основном из желудочно-кишечного тракта (пищеварительного тракта), который включает в себя рот, пищевод, желудок, тонкий кишечник и толстый кишечник (толстую кишку). Печень, желчный пузырь и поджелудочная железа также являются частью этой системы и отвечают за химический распад съеденной пищи.Основные функции пищеварительной системы — пищеварение, абсорбция и удаление отходов. Пищеварение — это расщепление пищи механическими и ферментативными процессами на вещества, которые могут быть использованы организмом. Всасывание происходит в основном в тонком кишечнике и представляет собой процесс, посредством которого витамины, минералы, углеводы, жиры и белки передаются в кровь для получения энергии. Непереваренные и бесполезные питательные вещества из пищи попадают в толстый кишечник и выводятся как отходы.Толстый кишечник также является местом, где большая часть воды и натрия всасывается в организм для использования.

  • Ваша пищеварительная система и как она работает: Более подробно рассмотрите, как работает пищеварительная система, почему это важно и что происходит с вашей пищей, когда она проходит через пищеварительную систему.
  • Здоровье детей: Пищеварительная система: Щелкните по этой ссылке, чтобы посмотреть интересное видео о пищеварительной системе.
  • Science bob: Пищеварительная система: Узнайте о девяти основных этапах, которые проходит пищеварительная система человека.
  • Помогите Арнольду найти его органы game: Онлайн-игра, в которой дети помогают Арнольду с его пищеварительной системой. Органы перемещаются в правильное место на теле персонажа.
  • Анимация пищеварительной системы: Видео, показывающее, как работает пищеварительная система, у детей 3-12 классов.

Нервная система

Нервная система состоит из двух основных частей: центральной нервной системы (ЦНС) и периферической нервной системы (ПНС). Центральная нервная система состоит из головного и спинного мозга и действует как основная система управления телом. Периферическая нервная система состоит из всех нервов и ганглиев (скоплений нервных клеток), находящихся за пределами центральной нервной системы; его роль заключается в получении информации от различных стимулов и отправке ее в мозг. Основное назначение нервной системы — восприятие информации изнутри тела и / или внешней среды (ПНС) и определение того, как организм реагирует на любые изменения (ЦНС).Примером этого может быть укол пальца иглой, ваше тело немедленно оторвет ваш палец в ответ на болезненные раздражители. Эта система также регулирует основные функции организма, такие как дыхание, артериальное давление, пищеварение и контроль температуры тела.

  • Как работает нервная система ?: Образовательный обзор нервной системы от NIH.
  • Моделирование нервной системы: Сделайте нейрон из глины, следуя инструкциям на этой странице. Направления к модели предназначены для детей с третьего по 12 класс.
  • Мозг и нервная система: Предоставляет детям доступную для понимания информацию о нервной системе. Включает слайд-шоу о различных частях мозга, анатомии нервной системы, о том, как она работает, и о заболеваниях этой системы.
  • Здоровье детей: нервная система: Узнайте все о нервной системе, щелкнув ссылку на Сеть здоровья женщин и детей.В статье даже объясняется, как поддерживать работоспособность центральной нервной системы!
  • Системы человеческого тела для детей: На этой странице дети могут узнать все о различных системах организма. Последняя система, описанная в этом PDF-документе, — нервная система.

Эндокринная система

Эндокринная система в основном состоит из гипоталамуса, щитовидной железы, паращитовидной железы, гипофиза, эпифиза, надпочечников, поджелудочной железы и репродуктивных желез.Основная функция этой системы — помочь регулировать и поддерживать различные функции организма, высвобождая гормоны в кровоток для поддержания гомеостаза. Гомеостаз — это условие поддержания баланса внутри тела по отношению к внешней среде и жизненно важно для жизни. Гормоны — это химические вещества, вырабатываемые железой или железами для воздействия на другие части тела. Вместе эти железы отвечают за рост и развитие, дыхание и частоту сердечных сокращений, репродуктивную функцию, метаболизм, настроение, сон, функцию тканей, пищеварение, высвобождение инсулина и многое другое.

  • Эндокринные железы: Предоставляет видео с обращением к каждой эндокринной железе в организме, как она работает и где расположены железы. Он также дает обзор эндокринной системы.
  • Здоровье подростков: эндокринная система: Предоставляет образовательную информацию для подростков относительно каждой железы и гормонов, которые они вырабатывают. Включает обзор эндокринной системы, а также общие заболевания.
  • Деятельность: Эндокринная система: Лист активности для печати по маркировке эндокринных желез.
  • Поисковая энциклопедия Kidz: Факты об эндокринной системе: Включает образовательную информацию об эндокринных железах, гормонах, которые они выделяют, и о том, где они расположены.
  • Практическое занятие: Волнение эндокринной системы: План деятельности для учителей. Эта игра учит студентов взаимодействию гормонов и рецепторов в эндокринной системе.

Покровная система

Покровная система состоит из кожи, потовых и сальных желез, ногтей и волос.Кожа — самый большой орган в организме, состоящий из трех слоев: эпидермиса, дермы и подкожной клетчатки. Эта система выполняет несколько функций, жизненно важных для поддержания гомеостаза. Эти функции: защита внутренних органов и тканей организма; защита от обезвоживания за счет удержания жидкостей организма; защита от инфекционных организмов; поддержание температуры тела, соответствующей жизни; рецепторный участок для давления, ощущений, боли и температуры; выведение отходов через потоотделение; хранение жира, воды и глюкозы; производство витамина D. Волосы отвечают за защиту кожи от ультрафиолетового излучения, а ногти защищают от травм и поддерживают кончики пальцев рук и ног.

  • Физиопедия: Покровная система: Предоставляет общую информацию об этой системе, включая структуру кожи и различных слоев. Также включен обучающий видеоролик о покровных функциях и анатомии.
  • Здоровье детей: Ваша кожа: Образовательная информация о каждом слое кожи в удобном для понимания формате.
  • Что вас накрывает? И почему ?: План урока для учителей, побуждающий узнать о четырех функциях кожи.
  • Схема покровной системы человека: Инфографическая схема покровной системы человека. Также содержит основную информацию об этой системе.

Мочевыделительная система

Мочевыделительная система состоит из почек, мочеточников, мочевого пузыря и уретры. Почки фильтруют и удаляют лишнюю жидкость, токсины и отходы из кровотока в виде мочи. Ежедневно эта система производит не менее 1-2 литров мочи. Другие основные функции мочевыделительной системы — поддержание относительного состояния гомеостаза организма путем поддержания баланса уровней электролитов, выработки гормонов, регулирующих кровяное давление, выработки эритроцитов и помощи в поддержании здоровья костей за счет поддержания необходимого количества фосфора и кальций в организме.

  • Мочевыводящие пути и как они работают: Образовательная информация от NIH об этой системе и ее функциях.
  • Анатомия мочевыделительной системы: Предоставляет анатомическую информацию о каждом органе в системе.
  • Здоровье детей: Ваша мочевыделительная система: Предоставляет детям информацию об этой системе в удобном для понимания формате.
  • Как работает мочевыводящая система: Обучающий и забавный видеоролик для детей о мочевыводящей системе и о том, как она работает.
  • Это может быть неприятно, но кто-то должен этому научить…: План урока и упражнения учителя по выделительной системе, ориентированные на учеников начальной школы.

Лимфатическая система

Лимфатическая система состоит из лимфатических сосудов, миндалин, аденоидов, селезенки и вилочковой железы. Лимфатические сосуды похожи на капилляры и вены кровеносной системы и связаны с сотнями лимфатических узлов в организме. Лимфатические узлы производят и хранят клетки, которые борются с инфекциями и болезнями. Миндалины поглощают бактерии и вирусы, которые проникают через рот и нос и считаются первой линией защиты иммунной системы.Селезенка — это самый большой лимфатический орган, который отвечает за производство как красных, так и белых кровяных телец и помогает обнаруживать опасные микроорганизмы, вирусы и бактерии в крови. Как часть иммунной системы, основная функция лимфатической системы заключается в транспортировке прозрачной и бесцветной жидкости для борьбы с инфекциями, называемой лимфой, которая содержит белые кровяные тельца, по всему телу через лимфатические сосуды. Другие функции этой системы — поглощение жиров и жирорастворимых витаминов из пищеварительной системы и транспортировка их в кровоток, восстановление избытка белков и межклеточных жидкостей в крови и помощь в избавлении организма от токсичных побочных продуктов.

  • Ваша иммунная система: Информация от CDC о каждом органе лимфатической системы, где он находится и что они производят.
  • Здоровье подростков: Селезенка и лимфатическая система: Предоставляет информацию об основной анатомии лимфатической системы, о том, как она работает, и о болезненных состояниях, связанных с этой системой.
  • Лимфатическая система: Ускоренный курс: обучающее и забавное видео о лимфатической системе. Предоставляет расшифровку видео для слабослышащих.
  • Защитник иммунной системы: Веселая интерактивная обучающая онлайн-игра для детей.

Репродуктивная система

Репродуктивная система мужчин состоит из полового члена, мошонки и яичек, а у женщин — яичников, маточных труб, матки, влагалища, груди и молочных желез. Вместе есть четыре основные функции репродуктивной системы: производство гормонов, таких как тестостерон, прогестерон и эстроген; производство яйцеклеток и сперматозоидов; поддержание и транспортировка этих клеток; и развитие и воспитание потомства. Эта система жизненно важна для выживания человеческого вида за счет создания новой жизни.

  • Органы репродуктивной системы: Обзор описания и функций мужских и женских репродуктивных органов.
  • Здоровье подростков: мужская репродуктивная система: Предоставляет обучающую информацию для мальчиков-подростков о мужской репродуктивной системе в удобном для понимания формате.
  • Здоровье подростков: Женская репродуктивная система: Предоставляет образовательную информацию для девочек-подростков о женской репродуктивной системе.

См. Также нашу таблицу анатомии сердца для получения конкретной информации о сердце. Проверьте наш 100% онлайн и аккредитованный курс ACLS для получения сертификата.

Структура, функции и контроль человека опорно-двигательного аппарата сети

Образец цитирования: Murphy AC, Малдун SF, Baker D, Lastowka A, B, Bennett Ян М., и др. (2018) Структура, функции и контроль человека опорно-двигательного аппарата сети. PLoS Biol 16 (1): e2002811. https: // doi.org / 10.1371 / journal.pbio.2002811

Академический редактор: Грэм Тейлор, Оксфордский университет, Соединенное Королевство Великобритании и Северной Ирландии

Поступило: 21 апреля 2017 г .; Принята к печати: 15 декабря 2017 г .; Опубликован: 18 января 2018 г.

Авторские права: © 2018 Murphy et al. Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии указания автора и источника.

Доступность данных: Все соответствующие данные находятся в документе и его файлах с вспомогательной информацией. Два использованных скелетно-мышечных графика, а также распределение мышечных сообществ и данные, использованные для создания всех фигур, можно найти в DOI: 10. 5281 / zenodo.1069104.

Финансирование: Национальный научный фонд (номер гранта PHY-1554488). Спонсор не имел никакого отношения к дизайну исследования, сбору и анализу данных, принятию решения о публикации или подготовке рукописи.

Конкурирующие интересы: Авторы заявили, что конкурирующих интересов не существует.

Введение

Взаимосвязанная природа человеческого тела уже давно является предметом научных исследований и суеверных верований. От древних юморов, связывающих сердце, печень, селезенку и мозг смелостью, спокойствием и надеждой [1], до современного понимания связи кишечника и мозга [2], люди склонны искать взаимосвязи между разрозненными частями тела. объяснять сложные явления. Тем не менее, напряжение остается между этой базовой концептуализацией человеческого тела и редукционизмом, присущим современной науке [3].Понимание всей системы часто относят к футуристическому миру, в то время как отдельные эксперименты уточняют наше понимание мельчайших составных частей.

Опорно-двигательная система человека не является исключением этой дихотомии. В то время как медицинская практика сосредоточена в руки, ноги или лодыжки, врачи знают, что травмы одной части опорно-двигательного аппарата обязательно посягать на работах других (даже отдаленно удаленных) частей [4]. Травма лодыжки может изменить походку, что приведет к хронической боли в спине; травма плеча может изменить осанку, вызывая дискомфорт в шее.Понимание фундаментальных отношений между фокальной структурой и потенциальными удаленными взаимодействиями требует целостного подхода.

Здесь мы подробно описываем такой подход. Наша концептуальная основа мотивирована недавними теоретическими достижениями в сетевой науке [5], которая представляет собой новую дисциплину, построенную на упорядоченном слиянии математики (в частности, теории графов [6]) и физики (в частности, статистической механики [7]), компьютеров. наука, статистика [8] и системная инженерия.Подход упрощает сложные системы, разграничивая их компоненты и отображая схему взаимодействия между этими компонентами [9]. Такое представление представляется особенно подходящим для изучения человеческой костно-мышечной системы, которая состоит из костей и мышц, которые связывают их. В данном исследовании мы использовали этот подход для оценки структуры, функции и контроля опорно-двигательного аппарата.

Использование сети науки, чтобы понять опорно-двигательного аппарата увеличилась в последние годы [10].Однако этот каркас в основном использовался для исследования свойств локальных мышечных или костных сетей. Например, местная структура черепа была исследована, чтобы выяснить, как можно классифицировать кости [11]. Кроме того, были проведены исследования топологии костно-мышечной сети позвоночника для оценки напряжений и деформаций костей [12]. Несколько исследований, действительно существуют, которые охватывают весь опорно-двигательный аппарат, хотя они не используют математические инструменты, которые мы использовали здесь [13,14].Настоящее исследование отличается от предыдущей работы в своей оценке всей опорно-двигательной системы в сочетании с математическими средствами сетевой науки.

В этом более широком контексте мы сосредоточили внимание на проблеме реабилитации после травмы скелетных мышц или коры головного мозга. Прямое повреждение мышцы или связанного с ней сухожилия или связки влияет на другие мышцы через компенсаторные механизмы тела [15]. Точно так же потеря использования определенной мышцы или группы мышц из-за прямого коркового повреждения может привести к компенсаторному использованию альтернативных мышц [16,17].Как межсоединения костно-мышечной системы структурированы и как они функционируют непосредственно ограничивает как повреждение определенной мышцы влияет на опорно-двигательную систему в целом. Понимание этих взаимосвязей может дать столь необходимое понимание того, какие мышцы больше всего подвержены риску вторичной травмы из-за компенсаторных изменений в результате очаговой травмы, тем самым давая основу для более комплексных подходов к реабилитации. Кроме того, понимание того, как кора головного мозга отображается не только на отдельные мышцы, но и на группы топологически близких мышц, может помочь в будущих эмпирических исследованиях взаимосвязи между очаговыми повреждениями (включая инсульт) моторной коры и риском вторичного повреждения.

Материалы и методы

Строительство сети

Использование таблиц Muscle Хосфорд [18], мы построили опорно-двигательного аппарата гиперграф, представляя 173 кости (несколько из них на самом деле являются связки и сухожилия) в качестве узлов и 270 мышц, как гиперребер, связывающих эти узлы (мышцы происхождения и точек вставки перечислены в S9 таблице ). Этот гиперграф также можно интерпретировать как двудольную сеть, в которой мышцы являются одной группой, а кости — второй группой (рис. 1а). Матрица C 173 × 270 случаев скелетно-мышечной сети, таким образом, определяется как C ij = 1, если v i ∈ e j и 0 в противном случае, где V = {v 1 , · · ·, v 173 } — это набор узлов (костей), а E = {e 1 , · · ·, e 270 } — набор гиперребер (мышц).Это Гиперграф представление тела устраняет большую часть сложности с опорно-двигательной системы, кодирование только мышцы, которые прикрепляются к костям которые. Весь анализ применялся только к одной половине (левой или правой) тела, потому что каждое полушарие головного мозга контролирует только контралатеральную сторону тела. Поэтому мы еще больше упростили нашу модель, допустив лево-правую симметрию; на любых фигурах, на которых изображены обе половины тела, вторая половина присутствует исключительно для визуальной интуиции.

Рис. 1. Схема представления данных и вычислительных методов.

(a) Скелетно-мышечная сеть была сначала преобразована в двудольную матрицу, где 1/0 указывает на наличие / отсутствие соединения мышцы и кости. (b) Сообщества топологически связанных мышц идентифицируются путем (1) преобразования гиперграфа в граф мышца-мышцы, в котором каждая запись кодирует количество общих костей каждой пары мышц, и (2) впоследствии мышцы были разбиты на сообщества , в котором составляющие члены более плотно связаны с другими членами своего сообщества, чем с членами других сообществ.(С) Для облегчения возмущений, опорно-двигательная сеть была физически встроена таким образом, что кости (узлы) первоначально размещены в правильных анатомических позициях. (d) Чтобы понять влияние отдельных мышц на взаимосвязанную систему, все узлы, связанные выбранным гиперребром, были возмущены в четвертом пространственном измерении.

https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2002811.g001

Костно-ориентированный граф A и мышечный граф B (рис. 1b) — это просто одномодовые проекции C.Проекция на кости A = C T C, а проекция на мышцы B = CC T . Затем диагональные элементы были установлены равными нулю, в результате чего мы получили взвешенную матрицу смежности [5]. Мы получили оценочные анатомические местоположения центра масс каждой мышцы (и кости), изучив анатомические тексты [19] и оценив координаты x, y и z для отображения на графическом изображении человеческого тела (рис. 1c). .

Расчет баллов удара

Чтобы измерить потенциальную функциональную роль каждой мышцы в сети, мы использовали классический пертурбативный подход.Для того, чтобы максимально увеличить простоту и потенциал для фундаментальных интуиций, мы смоделировали опорно-двигательный аппарат, как система точечных масс (кости) и пружины (мышцы). Мы растянули мышечную пружину и наблюдали влияние этого возмущения на расположение всех других мышц. Физически, чтобы повредить мышцу, мы смещали все кости, связанные с этой мышцей, на одинаковую величину и в том же направлении, растягивая мышцу, и удерживали эти кости на новом месте. Этот процесс также математически эквивалентен простому изменению жесткости пружины, относящейся к конкретной мышечной пружине.Затем системе позволяли достичь равновесия. Мы зафиксировали кости по средней линии и по периферии в пространстве, чтобы предотвратить смещение системы. Чтобы количественно оценить влияние возмущения этой единственной мышечной пружины, мы определили движение узла следующим образом: где l ij — смещение между узлами i и j, x ij — невозмущенное расстояние между узлами i и j, m — масса узла (которую мы установили равной единице для всех узлов в сети) , β = 1 — коэффициент демпфирования, r i — положение узла i , A — взвешенная матрица смежности графа, ориентированного на кости, и S ij представляет собой сумму всех сил пружин мышцы, к которым подключены узлы i и j. Чтобы нормализовать восстанавливающую силу мышц на узлах, допустим силу пружины мышцы q 1 / (k — 1). Здесь мы установили, что все кости имеют одинаковый вес, а все мышцы имеют одинаковую жесткость пружины, что является упрощением реальной физической анатомии. Для обсуждения того, как учесть дополнительные физические свойства, такие как масса кости и мышечная сила, а также дополнительные результаты с использованием этих свойств, см. S5 Text. Более того, образцы траекторий, которые дают интуитивное представление о динамике нашей модели, были включены в вспомогательную информацию (S8 Рис).

Чтобы измерить потенциальную функциональную роль каждой мышцы в сети, мы растянули гиперребер мышцы и измерили влияние возмущения на остальную часть сети. Вместо того, чтобы возмущать сеть в каком-то произвольном трехмерном направлении, мы расширили объем нашей симуляции до четвертого измерения. При возмущении мышцы мы смещали все узлы (кости), содержащиеся в этом гиперребре мышцы, на постоянный вектор в четвертом измерении и удерживали их этим смещением (рис. 1d).Затем возмущение в ответ прокатилось по сети пружин. Мы последовательно растягивается каждой мышечной гиперребро и определил оценку воздействия этого возмущения, чтобы быть общее расстояние перемещения всеми узлами в сети с опорно-двигательного аппарата в исходное положение. Величина смещения — это суммарное смещение по всем временным точкам, от начала возмущения до соответствующего отсечки времени уравновешивания. Здесь мы решили установить равновесие системы, позволив динамике выровняться в течение достаточного периода времени.Обратите внимание, что равновесие также может быть решено с использованием стационарного, нединамического подхода; мы решили использовать динамику в этом случае для более широкой поддержки будущих приложений.

Отклонение оценки удара

Для каждой мышцы мы рассчитали индекс, который количественно определяет, насколько оценка воздействия этой мышцы отклоняется от ожидаемой с учетом степени ее гиперребра; мы называем этот показатель «ударным отклонением». Мы начинаем с построения нулевой модели, которая определяет ожидаемое воздействие с учетом ряда статистических предположений.В текущем исследовании мы использовали несколько различных нулевых моделей с разными наборами допущений, которые мы подробно рассмотрим в следующих разделах. Отклонение воздействия рассчитывалось следующим образом: мы вычисляли среднее значение, стандартное отклонение и 95% доверительные интервалы (ДИ) для каждой из категорий степени нулевого гиперграфа из ансамбля из 100 нулевых гиперграфов. Расстояние от данной мышцы до среднего значения ± 95% ДИ (в зависимости от того, что ближе всего) было вычислено и разделено на стандартное отклонение этого распределения степеней нулевого гиперграфа.Таким образом, мы рассчитали отклонение от ожидаемого значения в стандартных отклонениях (аналогично z-баллу). Таблица 1 содержит мышцы, которые лежат за пределами 95% ДИ коэффициентов отклонения относительно степени их гиперребер. Мышцы можно естественным образом сгруппировать в соответствии с гомункулом, грубым одномерным представлением того, как контрольные области мышц группируются в моторную кору. Для данной группы гомункулов мы рассчитали коэффициент отклонения как количество мышц с положительным отклонением, деленное на общее количество мышц в группе (таблица 2).

Таблица 1. Мышцы с большей или меньшей нагрузкой, чем ожидалось в модели нулевого гиперграфа.

Мышцы на левой стороне оказывают меньшее воздействие, чем ожидалось, учитывая степень их гиперребер: их воздействие более чем на 1,96 стандартного отклонения ниже среднего, что указывает на то, что они лежат за пределами 95% доверительного интервала распределения. Мышцы на правой стороне оказывают большее воздействие, чем ожидалось, учитывая степень их гиперреберности: их воздействие более чем на 1,96 стандартного отклонения превышает среднее значение в порядке от наибольшего к наименьшему.В этой таблице показаны мышцы, у которых была наибольшая положительная и наибольшая отрицательная разница в воздействии, по сравнению с контрольной группой с подобранной степенью.

https://doi.org/10. 1371/journal.pbio.2002811.t001

Таблица 2. Категории гомункулов, у которых все мышцы членов имеют большее влияние, чем ожидалось, или все меньше, чем ожидалось, по сравнению с нулевыми гиперграфами.

Категории слева полностью состоят из мышц с меньшим воздействием, чем ожидалось, по сравнению с контрольной группой с согласованной степенью.Категории справа полностью состоят из мышц, оказывающих большее воздействие, чем ожидалось, по сравнению с контрольными группами с согласованной степенью.

https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2002811.t002

Обнаружение сообщества

Для того, чтобы понять, как функции и контроль опорно-двигательного аппарата, мы были заинтересованы в определении групп плотно соединенных между собой мышц с использованием подхода, управляемой данными. Мы выполнили тип обнаружения сообщества, максимизируя функцию качества модульности, введенную Ньюманом [20]: где P ij — ожидаемый вес ребра в нулевой модели Ньюмана-Гирвана, узел i назначен сообществу g i , узел j назначен сообществу g j , а δ — дельта-функция Кронекера. Путем максимизации Q мы получили разделение узлов (мышц) на сообщества, так что узлы в одном сообществе были более плотно взаимосвязаны, чем ожидалось в сетевой нулевой модели (рис. 1b, справа).

Здесь мы также использовали параметр разрешения, чтобы настроить размер и количество обнаруженных сообществ так, чтобы количество обнаруженных сообществ соответствовало количеству групп внутри гомункула для прямого сравнения. В частности, мы использовали параметр разрешения γ = 4,3, чтобы разделить мышечно-ориентированную матрицу на 22 сообщества (см. Таблицу S8).Мы начали с переопределения исходной ориентированной на мышцы матрицы B после Jutla et al. [21]; мы положили k = Σ i B i , j , а затем мы применили локально жадный алгоритм максимизации модульности типа Лувена к скорректированной матрице [22].

Указанный выше метод обнаружения сообществ недетерминирован [23]. То есть одно и то же решение не будет достигнуто при каждом отдельном запуске алгоритма. Следовательно, необходимо убедиться, что используемые назначения сообществ хорошо представляют сеть, а не только локальный максимум ландшафта.Таким образом, мы максимально увеличили функцию качества модульности в 100 раз, получив 100 различных заданий от сообщества. Из этого набора решений мы определили надежную репрезентативную консенсусную структуру сообщества [24]. S1 Рис. Показывает, как обнаруженные сообщества меняются в зависимости от параметра разрешения для мышечно-ориентированной сети.

Сетевые нулевые модели

Мы используем перепрограммированные графики как нулевую модель, с которой сравниваем эмпирические данные. В частности, мы построили нулевой гиперграф, перемонтировав мышцы, которым присвоена одна и та же категория (таблица 3, определенная ниже), равномерно и случайным образом.Таким образом, мышцы мизинца будут перестроены только внутри мизинца, и аналогично для мышц других категорий. Важно отметить, что этот метод также сохраняет степень каждой мышцы, а также степень распределения всего гиперграфа.

Категорий были отнесены к мышцам, так что общая топология костно-мышечной системы была грубо сохранена, и изменения пространственно локализованы. В частности, мы разделили мышцы на сообщества размером примерно 3, так что каждая мышца была сгруппирована с двумя мышцами, которые наиболее топологически связаны.Затем мы менялись только внутри этих небольших групп. Это управляемый данными способ изменения связей только внутри очень небольших групп связанных мышц.

Чтобы разделить мышцы на сообщества, мы применили жадный подход к максимизации модульности, аналогичный предыдущей работе [25]. В частности, мы максимизировали модульность системы, так что изменение модульности для перемещения узла n из сообщества c ‘в сообщество c определяется выражением Здесь H — матрица степени от узла к модулю, B ′ — скорректированная матрица, ориентированная на мышцы, а V — штрафной член, чтобы гарантировать, что сообщества будут небольшими и примерно одинакового размера.Конкретно, где N — общее количество узлов в системе, c j — индикаторная переменная, кодирующая назначение сообществом узла j, а δ — дельта-функция Кронекера. Более того, где K обозначает общее количество сообществ. Этот термин наказывает определение набора сообществ, которые сильно различаются по размеру.

Многомерное масштабирование

Для проведения многомерного масштабирования (MDS) в сети, ориентированной на мышцы, взвешенная матрица смежности, ориентированная на мышцы, была упрощена до бинарной матрицы (все ненулевые элементы установлены равными 1).На основе этих данных была построена матрица расстояний D, элементы D ij которой равны длине кратчайшего пути между мышцами i и j, или равны 0, если пути не существует. Затем к этой матрице расстояний применяется MDS, чтобы получить ее первый главный компонент с помощью функции MATLAB cmdscale.m. Для построения бинарной матрицы был установлен порог 0, и все значения выше этого порога были преобразованы в 1. Однако, чтобы сделать анализ устойчивым к этому выбору, мы исследовали диапазон пороговых значений, чтобы убедиться, что результаты инвариантны относительно порог.Верхняя граница порогового диапазона была установлена ​​путем определения максимального значения, при котором будет поддерживаться полносвязная матрица; в противном случае матрица расстояний D имела бы элементы бесконечного веса. В нашем случае это значение составило 0,0556 × max (B ′). В пределах этого диапазона пороговых значений (т.е. для всех пороговых значений, приводящих к полностью связанным матрицам) результаты были качественно согласованными. В качестве дополнительного анализа мы также использовали метод построения матрицы расстояний из взвешенной матрицы смежности, чтобы исключить пороговую обработку (S5 Fig), и мы снова наблюдали качественно согласованные результаты.

Данные о мышечных травмах

Мы вычислили корреляцию между оценкой удара и временем восстановления после мышечной травмы. Время восстановления после травм было собрано из литературы по спортивной медицине и включало травмы трехглавой мышцы плеча и плечевых мышц [26]; мышцы большого пальца [27]; latissimus dorsi и teres major [28]; двуглавая мышца плеча [29]; голеностопные мышцы [30]; мышцы шеи [31]; мышцы челюсти [32]; мышцы бедра [33]; мышцы глаз / век [34]; и мышцы колена [35], локтя [36] и запястья / кисти [37].Время восстановления и соответствующие ссылки, перечисленные в таблице 4, представляют собой среднее время восстановления, полученное из популяционных исследований. Если в литературе сообщалось о диапазоне различных уровней тяжести и связанных с ними сроков восстановления для конкретной травмы, выбирался наименее тяжелый уровень. Если травма была зарегистрирована для группы мышц, а не для отдельной мышцы, отклонение оценки удара для этой группы усреднялось вместе. Точки данных для групп мышц были взвешены в соответствии с количеством мышц в этой группе с целью линейной подгонки.Подгонка была произведена с использованием функции MATLAB, fitlm.m, с параметром «Robust», установленным на «on». Робастная регрессия — это метод регрессии, разработанный для того, чтобы быть менее чувствительным к выбросам в данных, при котором выбросы имеют пониженный вес в регрессионной модели.

Данные области соматотопического представления

Мы вычислили корреляцию между отклонением оценки воздействия и площадью соматотопической репрезентации, относящейся к определенной группе мышц. Ареалы представительства были собраны из двух отдельных источников [38,39].Объемы и соответствующие ссылки перечислены в Таблице 5. В обоих исследованиях испытуемых просили многократно артикулировать сустав, и регистрировались объемы областей первичной моторной коры, которые претерпели наибольшие изменения в BOLD-сигнале. Затем мы рассчитали коэффициент корреляции между объемом коры и средним воздействием всех мышц, связанных с этим суставом, как определено в таблицах Hosford Muscle. Мы обнаружили значительную линейную корреляцию между двумя показателями с помощью функции MATLAB, fitlm.м, при этом для параметра «Надежность» установлено значение «Вкл.».

Результаты

Структура человеческого опорно-двигательного аппарата сети

Для того, чтобы изучить структурные взаимосвязи костно-мышечной системы человека, мы использовали гиперграф подход. Исходя из последних достижений в области науки сети [5], мы исследовались опорно-двигательный аппарат, как сеть, в которой кости (сетевые узлы) соединены друг с другом с помощью мышц (сеть гиперребера). Гиперребро — это объект, соединяющий несколько узлов; мышцы соединяют несколько костей через точки начала и вставки.Степень гиперребра k равна количеству узлов, которые оно соединяет; таким образом, степень мышцы — это количество костей, с которыми она контактирует. Например, трапеция — это гиперребро высокой степени, которое связывает 25 костей лопатки и позвоночника; Напротив, приводящая мышца большого пальца представляет собой гиперребро низкой степени, которое соединяет 7 костей руки (Рис. 2a и 2b). Набор гиперребер (мышц) с общими узлами (костями) называется гиперграфом: граф H = (V, E) с N узлами и M гиперребрами, где V = {v 1 , ···, v N } — это набор узлов, а E = {e 1 , …, e M } — набор гиперребер.

Рис. 2. Структура гиперграфа.

(a) Слева: анатомический рисунок трапеции. Справа: преобразование трапеции в гиперребро (красный цвет; степень k = 25), соединяющее 25 узлов (костей) на голове, плече и позвоночнике. (b) Приводящая мышца большого пальца, соединяющая 7 костей руки. (в) Пространственная проекция распределения степеней гиперребер на тело человека. Гиперребра высокой степени сконцентрированы в основном в ядре. (d) Скелетно-мышечная сеть отображается в виде двудольной матрицы (1 = соединена, в противном случае 0).(Е) распределение степеней гиперребры для опорно-двигательного аппарата гиперграфа, который значительно отличается от ожидаемых в случайном гиперграфе. Данные доступны для (e) в DOI : 10.5281 / zenodo.1069104.

https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2002811.g002

Представление опорно-двигательного аппарата человека, как гиперграф облегчает количественную оценку ее структуры (рис 2с). Мы заметили, что распределение степени гипреберья является тяжелым: большинство мышц связывают 2 кости, а несколько мышц связывают многие кости (рис. 2d и 2e).Наклон распределения степеней существенно отличается от такового случайных сетей (двухвыборочный критерий Колмогорова-Смирнова, KS = 0,37, p <0,0001, см. Материалы и методы) [5], что свидетельствует о наличии мышц неожиданно низкой и высокая степень (рис. 2д).

Функции человека опорно-двигательный аппарат сеть

Для того, чтобы исследовать функциональную роль мышц внутри сети опорно-двигательного аппарата, мы использовали упрощенную модель опорно-двигательного аппарата и зондировали может ли модель генерировать полезные клинические корреляты.Мы реализовали физическую модель, в которой кости образуют основной каркас тела, а мышцы скрепляют эту структуру. Каждый узел (кость) представлен как масса, пространственное расположение и движение которой физически ограничены гиперребрами (мышцами), с которыми он связан. В частности, кости — это точки, расположенные в их центре масс, заимствованные из текстов по анатомии [19], а мышцы — это пружины (затухающие гармонические осцилляторы), соединяющие эти точки [40,41]; для гиперребра степени k мы создали k (k — 1) / 2 пружин, соединяющих k узлов.То есть для мышцы, соединяющей k костей, мы разместили пружины так, чтобы каждая из k мышц имела прямое пружинное соединение с каждой из других k — 1 костей.

Затем мы взволновали каждую из 270 мышц тела и вычислили их оценку воздействия в сети (см. Материалы и методы и рис. 1c и 1d). Когда мышца смещается физически, она вызывает волнообразное смещение других мышц по всей сети. Оценка удара мышцы — это среднее смещение всех костей (и косвенно мышц) в результате его первоначального смещения.Мы наблюдали значительную положительную корреляцию между степенью мышц и воздействием баллом (Р (1 268) = 23,3, R 2 = 0,45, р <0,00001; фиг.3а), предполагая, что структуры гиперребро диктуют функциональную роль мышц в опорно-двигательном аппарате сеть. Мышцы с большим числом вставок и происхождением точек имеют большее влияние на опорно-двигательном аппарате, когда возмущенные, чем мышцы с небольшими количеством вставок и происхождением точек [42]. Мы можем получить более подробное представление о результатах этого анализа, подробно изучив связь между оценкой воздействия и статистическими показателями топологии сети.На рис. S11 мы показываем, что функция сети, измеренная с помощью оценки воздействия, значительно коррелировала со средней длиной кратчайшего пути. Хотя сетевая статистика статична по своей природе, их функциональная интерпретация обеспечивается пертурбативным моделированием динамики системы.

Рисунок 3. Исследование опорно-двигательного аппарата функцию.

(а) оценка воздействия на графику как функция от степени гиперребра для модели гиперграфа нулевой и наблюдаемого опорно-двигательного аппарат гиперграфа.(b) Отклонение оценки воздействия коррелирует со временем восстановления мышц после травмы мышц или групп мышц (F (1,12) = 37,3, R 2 = 0,757, p <0,0001). Заштрихованные области указывают 95% доверительный интервал, а точки данных масштабируются в соответствии с количеством задействованных мышц. График пронумерован следующим образом, что соответствует таблице 4: трицепс (1), большой палец (2), широчайшая мышца спины (3), двуглавая мышца плеча (4), голеностопный сустав (5), шея (6), челюсть (7), плечо. (8), большая круглая (9), бедро (10), глазные мышцы (11), колено (12), локоть (13), запястье / кисть (14). Данные доступны в DOI : 10.5281 / zenodo.1069104.

https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2002811.g003

В качестве руководства для интерпретации важно отметить, что оценка воздействия, хотя и в значительной степени коррелирована со степенью мышечной массы, не полностью с ее помощью (рис. 3а) . Вместо этого структура локальной сети, окружающей мышцу, также играет важную роль в ее функциональном воздействии и способности восстанавливаться. Чтобы лучше количественно оценить влияние этой структуры локальной сети, мы спросили, существуют ли мышцы, которые имеют значительно более высокие или значительно более низкие оценки воздействия, чем ожидалось в нулевой сети.Мы определили положительное (отрицательное) отклонение оценки воздействия, которое измеряет степень, в которой мышцы более (менее) воздействуют, чем ожидалось в сетевой нулевой модели (см. Материалы и методы). В результате этого расчета был получен показатель, который выражает влияние конкретной мышцы по сравнению с мышцами с идентичной степенью гиперребер в нулевой модели. Другими словами, этот показатель учитывает сложность конкретной мышцы (таблица 1).

Является ли эта математическая модель клинически актуальной? По-разному ли реагирует тело на травмы мышц с более высокой оценкой удара, чем на мышцы с более низкой оценкой удара? Чтобы ответить на этот вопрос, мы оценили потенциальную взаимосвязь между воздействием на мышцы и временем восстановления после травмы.В частности, мы собрали данные о спортивных травмах и времени между первоначальной травмой и возвращением в спорт. Мы отметили, что время восстановления сильно коррелировало с отклонениями оценки удара для отдельной мышцы или группы мышц (F (1,12) = 37,3, R 2 = 0,757, p <0,0001; рис. 3b), что позволяет предположить что наша математическая модель предлагает полезный клинический биомаркер реакции сети на повреждение. Мы отмечаем, что важно учитывать тот факт, что восстановление может происходить медленнее у человека, которому требуются максимальные усилия в спортивном спорте, по сравнению с человеком, который стремится только функционировать в повседневной жизни.Поэтому, чтобы обобщить наши результаты для всего населения, мы также изучили данные о времени восстановления, полученные от не спортсменов, и представляем эти дополнительные результаты во вспомогательной информации (текст S6).

Наконец, чтобы интуитивно понять, как очаговая травма может вызывать отдаленные эффекты, потенциально замедляющие восстановление, мы рассчитали влияние мышц голеностопного сустава и определили, какие другие мышцы были затронуты сильнее всего. То есть для каждой отдельной мышцы голеностопного сустава мы рассчитали воздействие на каждую из оставшихся 264 мышц, не связанных с голеностопом, а затем усреднили это значение по всем мышцам голеностопного сустава.Из 264 мышц, не связанных с голеностопным суставом, единственная мышца, на которую больше всего воздействует нарушение мышц голеностопного сустава, — это двуглавая мышца бедра, а второй по величине — латеральная широкая мышца бедра колена. Кроме того, мышца тазобедренного сустава, на которую больше всего влияет возмущение, — это камбаловидная мышца.

Контроля человека опорно-двигательный аппарат сеть

Какая связь между функциональным воздействием мышцы на тело и нейронной архитектурой, влияющей на контроль? Здесь мы опрашивать отношения между костно-мышечной системой и первичной моторной корой.Мы исследовали область карты коркового изображения головного мозга, посвященную мышцам с низким или высоким воздействием, используя анатомию моторной полосы, представленной в моторном гомункуле [43] (рис. 4a), грубое одномерное представление тела в мозге. [44]. Мы наблюдали, что области гомункула по-разному контролируют мышцы с положительной и отрицательной оценкой отклонения воздействия (таблица 2). Более того, мы обнаружили, что области гомункула, контролирующие только положительно (отрицательно) отклоняющиеся мышцы, как правило, располагаются медиально (латерально) на моторной полосе, что предполагает наличие топологической организации ожидаемого воздействия мышцы на нервную ткань.Чтобы исследовать эту закономерность более глубоко, для каждой области гомункула мы рассчитали коэффициент отклонения как процент мышц, которые положительно отклонились от ожидаемой оценки воздействия (т. Е. Значение 1 для бровей, глаз, лица и значение 0 для колена , бедро, плечо; см. Таблицу 2). Мы обнаружили, что коэффициент отклонения достоверно коррелировал с топологическим положением на моторной полосе (F (1,19) = 21,3, R 2 = 0,52, p <0,001; Рис. 4b).

Рисунок 4. Исследование опорно-двигательного аппарата управления.

(а) Гомункул первичной моторной коры, построенный Пенфилдом. (b) Коэффициент отклонения значительно коррелирует с гомункулярной топологией (F (1,19) = 21,3, R 2 = 0,52, p <0,001), снижаясь от медиального (область 0) к латеральному (область 22). (c) Отклонение оценки воздействия значительно коррелирует с объемом активации моторной полосы (F (1,5) = 14,4, R 2 = 0,743, p = 0,012). Точки данных имеют размер в соответствии с количеством мышц, необходимых для конкретного движения.График пронумерован следующим образом, что соответствует таблице 5: большой палец (1), указательный палец (2), средний палец (3), рука (4), все пальцы (5), запястье (6), локоть (7). (d) Корреляция между пространственным упорядочением категорий гомункулов Пенфилда и линейной мышечной координатой из многомерного масштабного анализа (F (1,268) = 316, R 2 = 0,54, p <0,0001). Данные доступны в DOI : 10.5281 / zenodo.1069104.

https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2002811.g004

В качестве более строгой проверки этой взаимосвязи между воздействием мышцы на сеть и нейронной архитектурой мы сопоставили данные о физических объемах функциональной активации на основе МРТ на моторной полосе, которые предназначены для отдельных движений (например, , сгибание пальцев или моргание глаз). Объемы активации определяются как воксели, которые активируются (определяемые сигналом, зависящим от уровня кислорода в крови) во время движения [38,39]. Важно отметить, что мы обнаружили, что объем функциональной активации независимо предсказывает отклонение оценки удара мышц (рис. 4c, F (1,5) = 14.4, p = 0,012, R 2 = 0,743), что согласуется с интуицией, что мозг будет уделять больше места в сером веществе контролю над мышцами, которые более эффективны, чем ожидалось в нулевой модели. Опять же, отклонение при ударе — это показатель, который учитывает степень гиперребер конкретной мышцы и относится к удару мышц с идентичной степенью гиперребер в нулевой модели. Таким образом, ударное отклонение измеряет топологию локальной сети, а не только непосредственные соединения рассматриваемой мышцы.

В качестве последнего теста этой взаимосвязи мы спросили, оптимально ли сопоставлена ​​стратегия нервного контроля, воплощенная в моторной полоске, с группами мышц. Мы построили мышечно-ориентированный граф, соединив две мышцы, если они касаются одной и той же кости (рис. 1c, слева). Мы наблюдали наличие групп мышц, плотно связанных друг с другом, имеющих общие кости. Мы извлекли эти группы, используя метод кластеризации, разработанный для сетей [45,46], который обеспечивает разделение мышц на сообщества на основе данных (рис. 1b, справа).Чтобы сравнить структуру сообщества, присутствующую в мышечной сети, с архитектурой системы нейронного контроля, мы рассмотрели каждую из 22 категорий моторного гомункула [18] как отдельное нейронное сообщество и сравнили эти основанные на мозге назначения сообществ с заданиями сообщества. полученный из управляемого данными раздела мышечной сети. Использование коэффициента Rand [47], мы обнаружили, что общественные задания из обоих Homunculus и мышечной сети были статистически подобны (г Rand > 10), что указывает на соответствие между модульной организации костно-мышечной системы и структуры гомункула.Например, трицепс плеча и двуглавая мышца плеча относятся к одной гомункулярной категории, и мы обнаружили, что они также принадлежат к одному и тому же сообществу топологических мышечных сетей.

Затем, поскольку гомункулус имеет линейную топологическую организацию, мы спросили, был ли порядок сообществ внутри гомункула (Таблица 3) похожим на управляемое данными упорядочение групп мышц в теле, как определено с помощью MDS [48]. Из сети, ориентированной на мышцы (рис. 1b), мы получили матрицу расстояний, которая кодирует наименьшее количество костей, которые необходимо пройти, чтобы перейти от одной мышцы к другой.MDS этой матрицы расстояний выявил одномерные линейные координаты для каждой мышцы, так что топологически близкие мышцы были близко друг к другу, а топологически далекие мышцы были далеко друг от друга. Мы наблюдали, что линейная координата каждой мышцы значительно коррелирует с ее категорией гомункула (рис. 4d, F (1,268) = 316, p <0,0001, R 2 = 0,54), что указывает на эффективное сопоставление нейронных представлений мышцы. система и сетевая топология мышечной системы тела.

Наши результаты из Рис. 4d демонстрируют соответствие между топологией гомункула и управляемым данными упорядочением мышц, полученным с учетом топологических расстояний между ними. Этот результат может быть истолковано одним из двух способов: одна разумная гипотеза состоит в том, что, поскольку большинство соединений в костно-мышечной сети короткодействующие, нахождение в основном за счет соединений малой дальности. Вторая разумная гипотеза состоит в том, что в то время как соединения ближнего действия являются наиболее распространенными, соединения дальнего действия образуют важные внутримодульные связи, которые помогают определять организацию сети.Чтобы выбрать между этими двумя гипотезами, мы рассмотрели два варианта нашего эксперимента MDS: один включает только соединения, длина которых меньше средней длины соединения, а другой — только соединения, длина которых превышает среднюю длину соединения. Мы обнаружили, что упорядочение на основе данных, полученное только из коротких и только из длинных соединений, привело к значительной корреляции с гомункулярной топологией (F (1,268) = 24,9, R 2 = 0,085, p <0,0001 и F (1,268). = 5, R 2 = 0.018, p = 0,026 соответственно). Примечательно, что включение как длинных, так и коротких соединений приводит к более сильной корреляции с гомункулярной топологией, чем рассмотрение любого из них по отдельности, что предполагает зависимость от соединений любой длины. В будущем было бы интересно проверить степень изменения этой межсетевой карты у людей с двигательными нарушениями или изменениями после инсульта.

Обсуждение

Структура человеческого опорно-двигательного аппарата сети

Представляя комплексную взаимосвязанность костно-мышечной системы в сети костей (в лице узлов) и мышцы (в лице гиперребера), мы получили ценную информацию в организации организма человека.Изучение анатомических сетей с использованием аналогичных методов становится все более распространенным в области эволюционной биологии и биологии развития [10]. Однако этот подход обычно применялся только к отдельным частям тела, включая руку [49], голову [11] и позвоночник [12], тем самым предлагая понимание того, как развивалась эта часть организма [50, 51]. Более того, даже после моделирования всей мускулатуры тела [13] и нервно-мышечно-скелетной системы [14] в более общем плане некоторые количественные утверждения могут остаться неуловимыми, в значительной степени из-за отсутствия математического языка, на котором можно было бы обсудить сложность взаимосвязи. узоры.В этом исследовании мы предлагаем явное и экономное представление всей костно-мышечной системы в виде графа узлов и ребер, и это представление позволило нам точно охарактеризовать сеть в целом.

При моделировании системы как сети важно начать последующее исследование с характеристики нескольких ключевых архитектурных свойств. Одним из наиболее фундаментальных показателей структуры сети является ее распределение по степеням [52], которое описывает неоднородность подключения узла к его соседям таким образом, который может дать представление о том, как формировалась система [7].Мы наблюдали, что распределение степени опорно-двигательного аппарата существенно отличается от ожидаемой в нуль графика (рис 2e), показывая меньше высокой степени узлов и переизбыток низкой степени узлов. Расхождение между реальными и нулевыми моделью графиками согласуются с тем фактом, что костно-мышечная система человека развивается в контексте физических и функциональных ограничений, которые вместе управляют его явно неслучайной архитектуру [53]. Распределение степеней этой сети показывает пик примерно на второй степени, за которым следует относительно тяжелый хвост узлов высокой степени.Последняя особенность обычно наблюдается во многих типах реальных сетей [54], чьи концентраторы могут быть дорогостоящими в разработке, обслуживании и использовании [55,56], но играют критическую роль в устойчивости системы, обеспечивая быстрое реагирование [55], буферная изменчивость окружающей среды [57] и облегчение выживания и воспроизводства [58]. Бывший функционально дистрибутив пик согласуется с интуицией, что большинство мышц в пределах костно-мышечной системы соединяют только две костей, в первую очередь для функции простого сгибания или расширений в суставе.Напротив, есть только несколько мышц, которые требуют высокой степени для поддержки очень сложных движений, таких как поддержание выравнивания и угла позвоночника, управляя движением многих костей одновременно. Эти ожидаемые результаты обеспечивают важную проверку модели, а также предложить полезную визуализацию костно-мышечной системы.

Скелетно-мышечная сеть характеризуется особенно интересным свойством, которое отличает ее от нескольких других реальных сетей: тем фактом, что она встроена в трехмерное пространство [59].Это свойство не наблюдается в семантических сетях [60] или World Wide Web [61], которые кодируют отношения между словами, концепциями или документами в некоторой абстрактной (и, скорее всего, неевклидовой) геометрии. В противоположность этому, опорно-двигательного аппарата составляет объем, с узлами, имеющими определенные координаты и ребра, представляющие физически расширенные ткани. Чтобы лучше понять физическую природу скелетно-мышечной сети, мы исследовали анатомическое расположение мышц с разной степенью (рис. 2c).Мы заметили, что мышечные центры расположены преимущественно в торсе, обеспечивая плотную структурную взаимосвязь, которая может стабилизировать ядро ​​тела и предотвратить травмы [62]. В частности, мышцы высокой степени группируются вокруг средней линии тела, рядом с позвоночником, вокруг таза и плечевого пояса, что согласуется с представлением о том, что для маневренности и устойчивости этих областей требуется совокупность мышц с различной геометрией и свойствами тканей [63 ]. Действительно, мышцы в этих местах должны поддерживать не только сгибание и разгибание, но также отведение, приведение и внутреннее и внешнее вращение.

Важно отметить, что в костно-мышечной системе у разных людей существуют значительные различия, и не все анатомические атласы согласуются с наиболее репрезентативным набором точек введения и происхождения. Результаты, представленные здесь, отражают, как была представлена ​​костно-мышечная система в тексте, из которого она была построена [19] и, следовательно, обеспечивает только один возможное сетевое представление костна-мышечной системы. Для того, чтобы оценить надежность наших результатов по разумным изменениям костно-мышечной конфигурации, мы создали вторую костно-мышечную сеть из альтернативного атласа [64].Используя этот второй атлас, мы наблюдали согласованные результаты и сообщаем об этом дополнительном анализе в S3 Text.

Также важно отметить, что мы отобразили первый атлас [19] в скелетно-мышечный граф, состоящий как из костных, так и из некостных узлов. Этот выбор уравнивает структурные роли костей и определенных сухожилий и связок, что, по общему признанию, является упрощением биологии. Одним из оправданий этого упрощения является то, что некостные структуры часто служат важными точками крепления мышц (т.э., подошвенная фасция стопы). Таким образом, целесообразно разделить опорно-двигательного сеть на две категории мышц и структур, которые служат мышечные точки крепления, как мы делали здесь. Тем не менее, эта вторая категория довольно разнородна по составу, и в будущей работе можно было бы также рассмотреть возможность построения многослойного графа с отдельным слоем, учитывающим каждый тип структуры мышечного прикрепления. Чтобы подтвердить, что наши выводы и интерпретации не претерпевают значительных изменений из-за наличия точек прикрепления некостных мышц, мы удалили такие точки в альтернативном атласе и отметили, что наши основные результаты все еще остаются в силе (см. Текст S3).

Функции человека опорно-двигательный аппарат сеть

Для того, чтобы лучше понять функциональную роль одной мышцы в рамках взаимосвязанных костно-мышечной системы, мы внедрили основанная на физике модель свойств импульсной характеристики Сети путем кодирования кости как точечные массы и мышцы как пружины [65]. Важно отметить, что это весьма упрощенная модель костно-мышечной системы в состоянии идентифицировать важные функциональные особенности. Хотя мышцы высокой степени также имели тенденцию иметь большое влияние на реакцию сети (рис. 3а), было несколько заметных отклонений от этой тенденции (таблица 1).

Мышца, оказывающая наименьшее воздействие по сравнению с ожидаемой, — это orbicularis oculi, мышца, используемая для управления движением века. Эта мышца небольшая и относительно изолированная в теле, берут начало и прикрепляются к костям черепа. Мышцы лица в целом образуют плотное и изолированное сообщество, с некоторыми связями, выходящими за пределы этого сообщества. Эти факторы, вероятно, способствуют слабому воздействию этой мышцы, и аналогичный аргумент может быть сделан в отношении оставшихся двух мышц с меньшим воздействием, чем ожидалось, которые также являются мышцами лица.

Мышцы с большей нагрузкой, чем ожидалось, более многочисленны, но почти полностью расположены в верхней конечности или поясе верхней конечности. Длинный лучевой разгибатель запястья, anconeus, brachioradialis и brachialis мышцы являются собственными мышцами руки, последние три действуют в локтевом суставе. Все эти мышцы могут иметь более сильное воздействие, чем ожидалось в нулевой модели, потому что они могут прямо или косвенно влиять на движение многих костей запястья и кисти. Наблюдаемое сильное воздействие этих мышц может быть результатом того факта, что они контролируют движение конечности, а на конце конечности находится множество костей, движение которых напрямую зависит от этих мышц.Остальные ударные мышцы, за исключением грушевидной мышцы, прикрепляют верхнюю конечность к осевому скелету. Этими мышцами являются коракобрахиальная, подостная, надостная, подлопаточная, малая круглая, большая круглая и большая грудная мышцы. Эти мышцы, как и предыдущие четыре, обладают тем свойством, что они контролируют движение всей конечности, что, вероятно, способствует их влиянию. В отличие от предыдущей группы, эти мышцы также соединяются с осевым скелетом, что также может усиливать их воздействие.Многие из этих мышц берут свое начало на костях плечевого пояса и могут влиять на все другие мышцы плечевого пояса и, возможно, на все кости, связанные с этими мышцами. Эта же динамика, вероятно, существует в нижней конечности, что отражается наличием грушевидной мышцы тазового пояса. Подробное обсуждение того, как структура локальной сети и конфигурация мышц могут взаимодействовать с отклонением от удара, представлено в S7 Text. В дополнение к нашей работе, представленной во вспомогательной информации, дальнейшее понимание свойств этих выбросов может быть получено путем проведения экспериментов по тщательному исследованию костей, на которые сильнее всего воздействует каждая из этих мышц.

Хотя сетевое представление системы может дать базовую физическую интуицию благодаря своей скупости и простоте, оно также остается независимым от многих деталей архитектуры и функций системы. Неизменно возникает вопрос, могут ли эти базовые модели сложных систем обеспечить точные прогнозы реальных результатов. Мы рассмотрели этот вопрос, изучая взаимосвязь между оценкой удара мышцы и количеством времени, которое требуется человеку для восстановления после травмы.Мы количественно оценили время восстановления, суммируя (i) время восстановления после первичной инвалидности, вызванной первоначальным мышечным повреждением, и (ii) время восстановления после любых вторичных нарушений, вызванных изменением использования других мышц в сети из-за первоначального травма мышц [66]. Мы обнаружили, что отклонение от ожидаемого удара счета в сети нулевой достоверно коррелирует с временем восстановления (рис 3b), поддерживая понятие, что фокусное повреждение может иметь расширенные воздействия на организм из-за свою суть взаимосвязанного характера опорно-двигательного аппарата.

Действительно, известно, что мышечные изменения в одной части тела влияют на другие группы мышц. Например, укрепление мышц бедра может привести к улучшению функции колена после замены коленного сустава [67]. Изменение мышечной функции в голеностопном суставе после растяжения связок может вызвать изменение функции мышц бедра [68,69], результат, воспроизведенный нашей моделью (которая показала, что двуглавая мышца бедра и большая мышца бедра пострадали от травмы лодыжки), а повреждение мышц конечностей может приводят к вторичному повреждению диафрагмы [70].Наша модель предлагает математически принципиален способ, в котором предсказать, какие мышцы имеют больше шансов иметь такое вторичное воздействие на большую костно-мышечной систему и какие мышцы находятся в опасности для вторичного повреждения, при первичной травме в конкретных мышцах сайте. В будущем было бы интересно проверить, могут ли эти прогнозы повлиять на полезные корректировки клинических вмешательств, явно принимая во внимание риск вторичного повреждения определенных мышц. Ранее профилактика вторичных мышечных травм в основном сводилась к криотерапии [71,72] и еще не была мотивирована такой механистической моделью.Наконец, важно задать себе важный вопрос: насколько эта скелетно-мышечная конфигурация является эволюционно выгодной и как эволюционное давление могло оптимизировать воздействие на мышцы. Интуитивно можно было ожидать, что эволюционное давление снижает мышечную нагрузку, возможно, за счет увеличения мышечной избыточности. Тщательное исследование эволюционных преимуществ топологии скелетно-мышечной сети было бы интересной темой для будущей работы.

Контроль костно-мышечной системы человека

Учитывая сложность скелетно-мышечной сети и ее критическую роль в выживании человека, естественно задать вопросы о том, как эта сеть управляется человеческим мозгом.Действительно, изучение моторного контроля имеет долгую и яркую историю [73], которая дала важную информацию о том, как мозг может успешно и точно выполнять произвольные движения, несмотря на такие проблемы, как избыточность, шум [74], задержки сенсорной обратной связи. [75], неопределенность окружающей среды [76], нервно-мышечная нелинейность [77] и нестационарность [78]. Здесь мы взяли отчетливый еще дополнительный подход и спросил, как топология сети опорно-двигательного аппарата могут быть отображены на топологию двигателя полосы в коре головного мозга.Мы начали с того, что отметили, что ударное отклонение мышцы положительно коррелирует с размером коркового объема, предназначенного для его контроля (рис. 4c). Одна интерпретация этой взаимосвязи состоит в том, что те мышцы, которые своими непосредственными связями оказывают большее влияние, чем ожидалось в нулевой модели, имеют тенденцию контролировать более сложные движения и, следовательно, требуют большего количества нейронов для управления этими движениями [79]. Вторая интерпретация основана на эволюционном аргументе о том, что мышцы с большей нагрузкой нуждаются в большей избыточности в их системах управления [80], и эта избыточность принимает форму большей корковой области.

Местные корковых объемы в сторону [81], можно было бы также пожелать, чтобы понять, в какой степени крупномасштабный организация костно-мышечной сети отражает организацию моторной полосы, которая контролирует его. Основываясь на недавнем применении методов выявления сообществ к изучению анатомии черепа [11,82,83], мы сообщили о модульной организации мышечной сети: группы мышц, в которых мышцы одной группы с большей вероятностью соединяются с одной. кроме мышц других групп.Что еще более интересно, мы заметили, что сообщества мышц очень похожи на известную группу мышц моторной полосы (рис. 1b, справа): мышцы, которые имеют тенденцию соединяться с теми же костями, что и друг друга, также, как правило, контролируются той же частью моторной полосы. . Более того, естественное линейное упорядочение мышечных сообществ — такое, что сообщества располагаются близко друг к другу на линии, если они имеют общие сетевые соединения — имитирует порядок контроля в моторной полосе (Рис. 4d). Эти результаты дополняют важную предыдущую работу, предполагающую, что одномерная организация моторной полоски связана как со структурной, так и функциональной организацией скелетно-мышечной сети [84,85].В самом деле, результаты более конкретно предлагают определение сетевого уровня для оптимального управления сетью: согласованность линейной карты от опорно-двигательного аппарата сообществ к мотору стрип общин.

Наконец, мы исследовали физические места коркового контроля пораженных мышц. Мы заметили, что мышцы с большим воздействием, чем ожидалось при нулевом графике, как правило, контролируются средними точками на моторной полосе, в то время как мышцы с меньшим воздействием, чем ожидалось, обычно контролируются боковыми точками на моторной полосе (рис. 4b).Эта пространственная специфика указывает на то, что организация моторной полосы ограничивается физическим расположением тела, а также аспектами функционирования мышц. Предыдущие исследования изучали общее временное соответствие между корковой активностью и мышечной активностью во время движения [86], но мало что известно о топологическом соответствии.

Методологические соображения

Строительство гиперграфа из костно-мышечной системы человека требует допущений и упрощений, которые влияют на гибкость текущей модели.Наиболее заметным является разделение системы на две категории: мышцы и кости. Эти категории не содержат дополнительной информации и, следовательно, не учитывают особенности внутренней архитектуры мышцы или кости. Это упрощение вводит несколько ограничений в пертурбативную модель, включая возможность моделирования функциональной архитектуры сложных мышц или мышц, способных независимо сокращать подмножество волокон. Например, двуглавая двуглавая мышца плеча берет начало как на лопатке, так и на супрагленоидном бугорке, и можно сокращать волокна одной головки отдельно от волокон другой головки.Дальнейшая работа может расширить нашу структуру моделирования для представления этой сложной функциональной архитектуры. Кроме того, nonmuscular мягких тканевых структура, необходимая для костно-мышечной системы, не может быть явно учтена. Эти структуры, включая сухожилия и связки, могут быть либо (1) закодированы как кости, как в основной текстовой сети, либо (2) исключены из сети, как в дополнении; ни один из вариантов не является полностью анатомически точным.

В случае костей модель не может учесть взаимодействия кости и кости (суставы).Большинство мышц действуют на суставы, и исключение суставов затемняет специфическую функцию мышц. То есть модель учитывает тот факт, что мышцы перемещают кости, но не то, как они движутся или в каком направлении. В пертурбативном моделировании отсутствие ограничений на суставы позволяет размещать кости под неестественными углами относительно соседних костей. Кроме того, кости моделируются как точечные массы, которые в пертурбативном моделировании могут позволить костям проходить траектории, включающие прохождение через пространство, которое на самом деле занято другой костью.Дальнейшая работа может расширить нашу структуру моделирования, чтобы учесть эти дополнительные биофизические ограничения.

Выводы, полученные с помощью этой модели, являются результатом входных данных. Как существует индивидуальные различия в костно-мышечной системе, так же существует в мышечных воздействиях. Мы сделали попытку использовать два входные наборы данных, чтобы оправдать наши основные выводов, но эти результаты не могут быть распространены на все здоровые костно-мышечные конфигурации. В частности, степень мышцы, которая зависит от индивидуальных особенностей, может повлиять на воздействие этой мышцы.Каким образом нормативные индивидуальные вариации в степени мышечной массы связаны с вариациями прогнозируемого воздействия на мышцы, является важным вопросом, который, тем не менее, выходит за рамки настоящего исследования.

Наконец, костно-мышечная система человека представляет собой сложную и плотно взаимосвязанную сеть. Ни мышцы, ни кости не функционируют как независимые образования. Таким образом, трудно отделить функцию отдельной мышцы от воздействия окружающих мышц. Независимость мышц может быть частично устранена соответствующим выбором нулевой модели, и наши результаты остаются в силе при различных вариантах.Тем не менее, при интерпретации этих результатов следует учитывать представление о том, что мышцы — и факторы воздействия — не являются действительно независимыми.

Заключение

Таким образом, здесь мы разработали новую сеть на основе представления костно-мышечной системы, построили математическую основу моделирования для прогнозирования восстановления, и подтверждено, что предсказание с данными, полученных от спортивных травм. Кроме того, мы напрямую связаны сетевую структуру опорно-двигательного аппарата к организации корковой архитектуры, что указывает на эволюционную давление для оптимального управления сетью тела.Мы сравнили структуру, функцию и контроль костно-мышечной системы человека к системе нуля, в котором небольшие группы близкородственных мышц перепаяны друг с другом. Наши результаты свидетельствуют о том, что структура, функции и контроль опорно-двигательного аппарата являются Выходящий из весьма подробно, мелкие организации, и когда это мелкосерийное организация разрушается, поэтому являются особенности эмерджентные. Наша работа напрямую мотивирует будущие исследования, чтобы проверить, можно ли добиться более быстрого восстановления, не только сосредоточив реабилитацию на первичной травме, но и направив усилия на мышцы, на которые воздействует основная мышца.Кроме того, наша работа поддерживает разработку прогностической структуры для определения степени скелетно-мышечных последствий поражения первичной моторной коры головного мозга. Наши результаты являются важным шагом в сетевой науке в клинической медицине [87]. Наши результаты позволяют уменьшить вторичные травмы и ускорить выздоровление.

Вспомогательная информация

S1 Таблица. Мышцы с большей или меньшей нагрузкой, чем ожидалось, в произвольно перестроенных гиперграфах.

Эта нулевая модель потребовала случайной перестройки мышц в пределах гиперграфа с сохранением степени.Мышцы на левой стороне оказывают меньшее воздействие, чем ожидалось, учитывая степень их гиперреберности: их воздействие более чем на 1,96 стандартного отклонения ниже среднего, что указывает на то, что они лежат за пределами 95% доверительного интервала распределения. Мышцы с правой стороны оказывают большее влияние, чем ожидалось, учитывая степень их гипреберья: их воздействие более чем на 1,96 стандартного отклонения превышает среднее значение в порядке от наибольшего к наименьшему. В этой таблице показаны мышцы, у которых была наибольшая положительная и наибольшая отрицательная разница в воздействии, по сравнению с контрольной группой с подобранной степенью.

https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2002811.s008

(XLSX)

S2 Таблица. Категории гомункулов, мышцы-члены которых либо все оказывают большее влияние, чем ожидалось, либо все оказывают меньшее влияние, чем ожидалось, по сравнению со случайно перестроенными гиперграфами.

Эта нулевая модель потребовала случайной перестройки мышц в пределах гиперграфа с сохранением степени. Категории слева полностью состоят из мышц с меньшим воздействием, чем ожидалось, по сравнению с контрольными группами с согласованной степенью.Категории справа полностью состоят из мышц, оказывающих большее воздействие, чем ожидалось, по сравнению с контрольными группами с согласованной степенью.

https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2002811.s009

(XLSX)

S3 Таблица. Мышцы с большей или меньшей нагрузкой, чем ожидалось в гиперграфах, случайным образом перестраивались в рамках своей категории гомункулов.

Эта нулевая модель требовала случайной перестройки мускулов в пределах их категории гомункулов с сохранением степени. Мышцы на левой стороне оказывают меньшее воздействие, чем ожидалось, учитывая степень их гиперреберности: их воздействие больше единицы.96 стандартных отклонений ниже среднего, что указывает на то, что они лежат за пределами 95% доверительного интервала распределения. Мышцы с правой стороны оказывают большее влияние, чем ожидалось, учитывая степень их гипреберья: их воздействие более чем на 1,96 стандартного отклонения превышает среднее значение в порядке от наибольшего к наименьшему. В этой таблице показаны мышцы, у которых была наибольшая положительная и наибольшая отрицательная разница в воздействии, по сравнению с контрольной группой с подобранной степенью.

https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2002811.s010

(XLSX)

S4 Таблица. Категории гомункулов, мышцы-члены которых либо все оказывают большее влияние, чем ожидалось, либо все оказывают меньшее влияние, чем ожидалось, по сравнению с гиперграфами, случайно перепрограммированными в рамках их категории гомункулов.

Эта нулевая модель требовала случайной перестройки мускулов в пределах их категории гомункулов с сохранением степени. Категории слева полностью состоят из мышц с меньшим воздействием, чем ожидалось, по сравнению с контрольными группами с согласованной степенью. Категории справа полностью состоят из мышц, оказывающих большее воздействие, чем ожидалось, по сравнению с контрольными группами с согласованной степенью.

https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2002811.s011

(XLSX)

S5 Таблица. Мышцы с большей или меньшей нагрузкой, чем ожидалось в случайном гиперграфе.

Эта нулевая модель требовала случайного присвоения мышечно-костных связей, сохраняя только общую степень, а не индивидуальную степень мышц. Мышцы на левой стороне оказывают меньшее воздействие, чем ожидалось, учитывая степень их гиперреберности: их воздействие более чем на 1,96 стандартного отклонения ниже среднего, что указывает на то, что они лежат за пределами 95% доверительного интервала распределения.Мышцы на правой стороне оказывают большее воздействие, чем ожидалось, учитывая степень их гиперреберности: их воздействие более чем на 1,96 стандартного отклонения превышает среднее значение и упорядочено от наибольшего к наименьшему.

https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2002811.s012

(XLSX)

S1 Рис. Обнаружение сообщества с разными параметрами разрешения.

На этом рисунке показано, как выбор параметра разрешения во время обнаружения сообществ изменит количество и размер обнаруженных сообществ.С увеличением параметра разрешения размер отдельных сообществ уменьшается, а количество сообществ увеличивается. (a-d) Обнаружение сообщества для сети, ориентированной на мышцы, с использованием значений γ 1, 2, 8 и 16 соответственно. Окончательная структура сообщества для каждого γ представляет собой согласованное разделение 100 отдельных прогонов алгоритма обнаружения сообщества.

https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2002811.s018

(EPS)

S2 Рис. Обнаружение сообщества с разными параметрами разрешения.

Этот рисунок иллюстрирует стабильность при выбранном параметре настройки γ = 4.3. Здесь мы исследуем разбиения, созданные из близких параметров разрешения γ = 4,2 и γ = 4,4. Визуально кажется, что все три раздела имеют похожую структуру. Два соседних раздела также математически схожи: z-оценка коэффициента Рэнда [47] z Rand (γ = 4,2, γ = 4,3) = 105, z Rand (γ = 4,3, γ = 4,4) = 110 и z Rand (γ = 4,2, γ = 4,4) = 105. Окончательная структура сообщества для каждого γ представляет собой согласованное разделение 100 отдельных прогонов алгоритма обнаружения сообщества.

https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2002811.s019

(EPS)

S3 Рис. Визуальное сравнение нулевых моделей.

Этот рисунок иллюстрирует различия в нулевых двудольных графах. (A) Исходный неперестановочный двудольный граф мышца-кость. (B) Случайный нуль-двудольный граф. (C) Случайно перестроенный двудольный граф. (D) Случайно перестроенный внутри сообщества двудольный граф, используемый в основном тексте, который переставляет топологию локально, сохраняя при этом глобальную топологию.

https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2002811.s020

(EPS)

S4 Рис. Основные результаты в зависимости от нулевой модели.

Здесь мы показываем результаты с использованием модели случайного гиперграфа или модели гиперграфа с перемонтированием (перестановкой), которая не поддерживает локальные связи. (A) оценка воздействия на графике как функция от степени гиперребра для случайных гиперграфов и наблюдаемого опорно-двигательного аппарат гиперграфа. (B) оценка воздействия на графике как функция от степени гиперребра для переставляемых гиперграфов и наблюдаемого опорно-двигательного аппарат гиперграфа.(C) Коэффициент отклонения достоверно коррелирует с гомункулярной категорией (F (1,19) = 6,67, p = 0,018, R 2 = 0,26), уменьшаясь от медиального (область 0) к латеральному (область 22) с использованием случайного нулевая модель гиперграфа. (D) Коэффициент отклонения достоверно коррелирует с гомункулярной категорией (F (1,19) = 6,86, p = 0,017, R 2 = 0,26), уменьшаясь от медиального (область 0) к латеральному (область 22) с использованием пермутированного нулевая модель гиперграфа. (E) Отклонение оценки воздействия значительно коррелирует с площадью активации моторной полосы (F (1,5) = 13.4, p = 0,014, R 2 = 0,72) с использованием случайной нулевой модели гиперграфа. Точки данных имеют размер в соответствии с количеством мышц, необходимых для конкретного движения. (F) Отклонение оценки воздействия значительно коррелирует с площадью активации моторной полосы (F (1,5) = 13,7, p = 0,022, R 2 = 0,73) с использованием пермутированной нулевой модели гиперграфа. Точки данных имеют размер в соответствии с количеством мышц, необходимых для конкретного движения. (G) Отклонение оценки воздействия коррелирует со временем восстановления мышц после травмы мышц или групп мышц (F (1,11) = 64.5, p = 6,3 × 10 −6 , R 2 = 0,85), используя случайную нулевую модель гиперграфа. Точки данных масштабируются в соответствии с количеством задействованных мышц. (H) Отклонение оценки воздействия коррелирует со временем восстановления мышц после травмы мышц или групп мышц (F (1,11) = 70,5, p <0,0001, R 2 = 0,86), что больше, чем ожидалось при перестановке — основанная на нулевой модели гиперграфа. Точки данных масштабируются в соответствии с количеством задействованных мышц. Данные доступны в DOI: 10.5281 / zenodo.1069104.

https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2002811.s021

(EPS)

S6, рис. Зондирующего функцию опорно-двигательного аппарата для альтернативной сети.

(а) оценка воздействия на графику как функция от степени гиперребра для модели гиперграфа нулевой и наблюдаемого опорно-двигательного аппарат гиперграфа. (b) Отклонение оценки воздействия коррелирует со временем восстановления мышц после травмы мышц или групп мышц (F (1,12) = 40,2, p <0,0001, R 2 = 0.77). Заштрихованные области указывают 95% доверительных интервалов, а точки данных масштабируются в соответствии с количеством включенных мышц. Данные доступны в DOI: 10.5281 / zenodo.1069104.

https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2002811.s023

(PNG)

S7 Рис. Зондирующего опорно-двигательного аппарата управления для альтернативной сети.

(a) Коэффициент отклонения достоверно коррелирует с гомункулярной топологией (F (1,18) = 8,88, R 2 = 0,33, p = 0,0080), уменьшаясь от медиального (область 0) к латеральному (область 22) регионы.(b) Отклонение оценки воздействия достоверно коррелирует с площадью активации моторной полосы (F (1,5) = 23,4, R 2 = 0,82, p = 0,005). Точки данных имеют размер в соответствии с количеством мышц, необходимых для конкретного движения. Данные доступны в DOI: 10.5281 / zenodo.1069104.

https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2002811.s024

(PNG)

S9 Рис. Сравнение моделей с весами костей и силой мышц и без них.

Воздействие мышц ног рассчитывалось с добавлением и без добавления анатомических значений массы кости и объема мышц.Было обнаружено, что эти воздействия существенно коррелировали друг с другом (F (1,25) = 6,83, R 2 = 0,0214, p = 0,015), что позволяет предположить, что по крайней мере в некоторых частях тела наше упрощенное сетевое представление обеспечивает разумное приближение для более биофизически точных сетевых представлений. Данные доступны в DOI: 10.5281 / zenodo.1069104.

https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2002811.s026

(PNG)

S11 Рис. Соответствие топологии сети и функции системы.

Топология сети, а именно средняя длина кратчайшего пути, значительно отрицательно коррелирует с оценкой воздействия, оцененной на основе пертурбативного моделирования динамики системы (F (1,268) = 65,1, R 2 = -0,4422, p <0,0001). Данные доступны в DOI: 10.5281 / zenodo.1069104.

https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2002811.s028

(PNG)

S12 Рис. Соотношение между костно-мышечными изменениями и мышечным воздействием через два опорно-двигательные аппарат сетей.

Здесь мы сравниваем процентное изменение в счете воздействия и степенях для каждой мышцы между костно-мышечной сетью сообщила в основном тексте и которые сообщили в дополнительном тексте. Мы наблюдаем, что на оценку удара мышц больше влияют большие изменения степени, чем меньшие изменения степени (F (1,268) = 5,76, R = 0,1450, p = 0,017). Данные доступны в DOI: 10.5281 / zenodo.1069104.

https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2002811.s029

(PNG)

S13 Фиг.Альтернативный пертурбативный подход.

Чтобы установить меру воздействия на гиперреберь мышцы, объекты были перемещены в четвертое пространственное измерение, чтобы избежать произвольного выбора в трех измерениях. Альтернативным подходом было бы возмущать каждую мышцу в каждом из трех ортогональных направлений, каждый раз вычисляя воздействие и вычисляя векторную сумму этих трех результатов. Чтобы ответить на вопрос о том, как эти два подхода сравниваются, мы выполнили этот эксперимент на двудольной матрице мышцы-кость, чтобы создать два вектора 270 × 1, один кодировал оценки воздействия через смещение в четвертом измерении, а другой кодировал векторную сумму три ортогональных смещения.Два вектора достоверно коррелировали друг с другом (F (1,268) = 1590, R 2 = 0,856, p <0,0001).

https://doi.org/10.1371/journal.pbio.2002811.s030

(PNG)

Систем органов — Science NetLinks

Введение

Человеческое тело состоит из нескольких систем органов, которые работают вместе как единое целое, чтобы тело продолжало функционировать. В организме есть десять основных систем органов, каждая из которых играет свою роль в работе организма.


Система кровообращения

Эта система состоит из сердца, крови, кровеносных сосудов и лимфатических сосудов. Это система доставки организма, связанная с циркулирующей кровью, которая доставляет кислород и питательные вещества во все части тела.

Пищеварительная система

Цель пищеварительной системы — превратить съеденную пищу во что-то полезное для организма. Когда вы едите, ваше тело использует эту систему для переваривания пищи, чтобы ваши клетки могли использовать ее для производства энергии.К органам, входящим в эту систему, относятся рот, желудок и кишечник.

Эндокринная система

Эта система состоит из совокупности желез, включая гипофиз и щитовидную железу, а также яичники и семенники. Он регулирует, координирует и контролирует ряд функций организма, выделяя химические вещества в кровоток. Эти выделения помогают контролировать настроение, рост и развитие, а также обмен веществ.

Покровная система

Эта система состоит из кожи, волос, ногтей и потовых желез.Его основная функция — служить барьером для защиты тела от внешнего мира. Он также удерживает жидкости организма, защищает от болезней, выводит продукты жизнедеятельности и регулирует температуру тела.

Мышечная система

Эта система состоит из мышечной ткани, которая помогает перемещать тело и перемещать материалы по телу. Проще говоря, мышцы двигают вас. Мышцы — это связки клеток и волокон, которые работают очень просто: они напрягаются и расслабляются.

Нервная система

Нервная система — это центр управления человеческим телом.Он состоит из головного и спинного мозга и нервов. Он принимает и интерпретирует стимулы и передает импульсы органам. Ваш мозг использует информацию, которую он получает, для координации всех ваших действий и реакций.

Репродуктивная система

Репродуктивная система человека гарантирует, что люди могут воспроизводиться и выживать как вид. Он состоит из таких органов, как матка, половой член, яичники и яички.

Дыхательная система

Основная функция дыхательной системы — снабжать кровь кислородом, чтобы кровь доставляла кислород ко всем частям тела.Дыхательная система делает это посредством дыхания. Он состоит из носа, гортани, трахеи, диафрагмы, бронхов и легких.

Скелетная система

Скелетная система обеспечивает форму и форму нашему телу в дополнение к поддержке и защите нашего тела, позволяя телу двигаться, вырабатывая клетки крови и накапливая минералы. Эта система состоит из костей, хрящей и суставов.

Мочевыделительная система

Назначение мочевыделительной системы — отфильтровывать лишнюю жидкость и другие вещества из кровотока.Некоторое количество жидкости реабсорбируется вашим телом, но большая часть выводится с мочой. В эту систему входят почки, мочеточники, мочевой пузырь и уретра.

Musculoskeletal System — Мышечная система: TEAS || RegisteredNursing.org

Глоссарий костно-мышечной системы — мышечные термины и терминология

Термина «костно-мышечная система» включает в себя две основных и различные подсистемы, которые являются мышечной системой и мышечная система. В целях данного обзора каждая из этих систем будет рассмотрена и исследована отдельно.

  • Ткань скелетных мышц: поперечно-полосатая мышца, обеспечивающая произвольные движения тела
  • Гладкая мышечная ткань: Мышца без поперечно-полосатой части и не находящиеся под произвольным контролем
  • Ткань сердечной мышцы: поперечно-полосатая непроизвольная мышца, которая находится только в сердце. Эта ткань обеспечивает работу сердца.
  • Похищение: движение от середины тела
  • Приведение: движение к середине тела
  • Сгибание: движение, которое уменьшает или уменьшает угол между двумя мышцами или суставами
  • Разгибание: движение, увеличивающее угол между двумя мышцами или суставами
  • Гиперфлексия: Сгибание сустава, выходящее за рамки обычного
  • Гиперэкстензия: разгибание сустава, выходящее за рамки обычного
  • Вращение: Круговое движение сустава или мышцы, которое позволяет части тела двигаться по кругу.
  • Наружное вращение: движение мышц и суставов, которое включает как круговое движение, так и движение от центра тела
  • Внутреннее вращение: движение мышц и суставов, которое включает в себя как круговые движения, так и движение к центру тела
  • Круговое движение: движение мышц и суставов, которое влечет за собой полное движение 3600
  • Инверсия: поворот шарнира внутрь
  • Выворот: поворот сустава наружу
  • Подошвенное сгибание: движение стопы (подошвенное) вниз
  • Тыльное сгибание: движение стопы (подошвенное) вверх

Части мышечной системы

На переднем и заднем изображениях мышечной системы сверху поверхностные мышцы (те, что на поверхности) показаны на правой стороне тела, а глубокие мышцы (те, что под поверхностными мышцами) показаны на левой половине тела.Для ног на виде спереди показаны поверхностные мышцы, а на виде сзади показаны как поверхностные, так и глубокие мышцы.

Мышечная система состоит из клеток, содержащих белок. Например, мясо и птица, которые мы потребляем в повседневной жизни, представляют собой мышцы животных и являются хорошим источником диетического белка. Все мышцы тела сокращаются и расслабляются в результате деятельности нервной системы.

Существуют разные клетки, из которых состоят разные мышцы человеческого тела.Мышечная система может быть описана как имеющая три разных типа мышц, каждый из которых анатомически различается:

Это три типа мышц:

  • Сердечная мышца
  • Скелетная мышца
  • Гладкая мышца

Сердечная мышца

Сердечная мышца находится только в сердце. Сердечная мышца — это поперечно-полосатая мышца, как и скелетные мышцы. Строчки определяются как линии или полосы в мышцах, как показано выше на изображении сердечной мышцы.Сердечная мышца непроизвольна. Работа сердца не находится под контролем человека.

Типы клеток, обнаруженные в сердечной мышце, — это миокардиоциты, которые сокращают миокард, который является толстым мышечным слоем сердечной ткани; миокардиоциты также называют кардиомиоцитами.

Эти мышцы работают с импульсами и нервным действием.

Скелетные мышцы

Скелетные мышцы, вид сверху вниз.

Скелетная мышца, как и сердечная мышца, поперечно-полосатая; однако, в отличие от сердечной мышцы, скелетная мышца — это произвольная мышца, которая позволяет скелетным структурам двигаться.Эти мышцы также контролируются нервной системой, и большинство скелетных мышц прикреплены к костям тела с помощью сухожилий, позволяющих телу двигаться.

Гладкие мышцы

Слои стенки пищевода

Гладкая мускулатура, в отличие от сердечной и скелетной мускулов, не имеет поперечно-полосатой формы, но, как и сердечная мышца, гладкие мышцы не являются произвольными. Гладкие мышцы — это непроизвольные мышцы, которые контролируют движения и действия внутренних органов и систем тела.Например, гладкие мышцы при активности нервной системы выполняют перистальтику желудочно-кишечного тракта, перемещая пищу и переваренную пищу по желудочно-кишечному тракту к анусу.

Роль мышечной системы

Роли мышц и мышечной системы многочисленны и разнообразны. Таким образом, эти роли включают:

  • Произвольное движение тела скелетными мышцами
  • Непроизвольные действия органов тела с гладкой мускулатурой
  • Непроизвольные сокращения и расслабление сердца с помощью сердечных мышц

Движение мышц

Мышцы двигаются несколькими разными движениями или движениями.Многие из этих движений или движений описаны со ссылкой на плоскости тела, как связанные с движением, когда это движение изменяет нормальное анатомическое положение, и, более того, просто описывают движение. Например, отведение — это движение от центра тела или медиальной плоскости, а круговое движение — это изменение нормального положения сустава, когда сустав находится в нормальном анатомическом положении.

Мышцы суставов имеют определенные движения или движения, на которые они способны.Диапазон движения — это термин, который описывает определенные движения или движения, на которые способна каждая мышца. Например, руки способны к отведению и приведению.

Движения и движения, на которые способны суставы и их мышцы:

  • Похищение
  • Аддукция
  • Сгибание
  • Гиперфлексия
  • добавочный номер
  • Гиперэкстензия
  • Вращение
  • Внутреннее вращение
  • Наружное вращение
  • Обращение
  • инверсия
  • Eversion

Как показано на рисунке выше, эти термины мышечного движения определены как:

  • Похищение: движение от середины тела
  • Приведение: движение к середине тела
  • Сгибание: движение, которое уменьшает или уменьшает угол между двумя мышцами или суставами
  • Разгибание: движение, увеличивающее угол между двумя мышцами или суставами
  • Гиперфлексия: Сгибание сустава, выходящее за рамки обычного
  • Гиперэкстензия: разгибание сустава, выходящее за рамки обычного
  • Вращение: Круговое движение сустава или мышцы, которое позволяет части тела двигаться по кругу.
  • Наружное вращение: движение мышц и суставов, которое включает как круговое движение, так и движение от центра тела
  • Внутреннее вращение: движение мышц и суставов, которое включает в себя как круговые движения, так и движение к центру тела
  • Круговое движение: движение мышц и суставов, которое влечет за собой полное 360 0 движение
  • Инверсия: поворот шарнира внутрь
  • Выворот: поворот сустава наружу
  • Подошвенное сгибание: движение стопы (подошвенное) вниз
  • Тыльное сгибание: движение стопы (подошвенное) вверх

Отведение противоположно приведению, когда эти термины используются для описания движения суставов и мышц к телу и от него.Многие суставы способны на это движение. Отведение — это движение от тела, от центра тела и от срединно-сагиттальной плоскости, как обсуждалось выше и как показано на рисунке выше. Например, рука может отводить от центра тела.

Аддукция противоположна похищению; этот термин определяется как движение к телу, к центру тела и к срединно-сагиттальной плоскости, как обсуждалось выше и как показано на рисунке выше. Суставы и мышцы, способные к отведению, также способны к приведению.Например, рука может сводиться к центру тела.

Сгибание — противоположность разгибанию и наоборот. Сгибание — это изгибающее движение сустава или мышцы, которое уменьшает или уменьшает угол между двумя мышцами или суставами, как показано на рисунке выше. Например, локоть может сгибаться, сгибаться и уменьшать угол между плечом и предплечьем. Родственный термин — гиперфлексия, что означает, что сгибание сустава превышает то, что он обычно должен делать. Гиперфлексия, например, может возникнуть при автомобильной аварии, когда голова прижата к груди или согнута сверх того, что она обычно должна делать.

Разгибание, противоположное сгибанию, — это нормальное выпрямляющее движение сустава или мышцы, которое увеличивает угол между двумя мышцами или суставами, как показано на рисунке выше. Например, можно выпрямить локоть и увеличить угол между плечом и предплечьем. Суставы и мышцы, способные к сгибанию, также способны к разгибанию. . Родственный термин — гиперэкстензия, что означает, что сустав разгибается за пределы того, что он обычно должен делать. Гиперэкстензия, например, может произойти в результате травматической автомобильной аварии, когда голова откинута назад или вытягивается сверх того, что она обычно должна делать.

Вращение — это круговое движение сустава или мышцы, которое позволяет части тела двигаться по кругу. У головы есть суставы и мышцы, которые позволяют ей вращаться по кругу вправо или влево, как показано на рисунке выше.

Вращение частей тела называется внутренним или внешним, имея в виду вращение к центру тела или от него. Два типа вращения — внутреннее вращение и внешнее вращение.

Поза лотоса в йоге, демонстрирующая внешнее вращение ноги в бедре.

Наружное вращение — это движение мышц и суставов, которое влечет за собой как круговое движение, так и движение от центра тела, как показано на рисунке выше. Внешнее вращение также называется боковым вращением.

Поворот руки ближе к телу — это внутреннее вращение.

Внутреннее вращение — это движение мышц и суставов, которое включает в себя как круговые движения, так и движение к центру тела, как показано на рисунке выше.Внутреннее вращение также называется ротацией медалей.

Раскачивание во время теннисной подачи является примером циркумдукции.

Круговое движение — это движение мышц и суставов, которое влечет за собой полное движение на 360 0 . Шаровидные и шарнирные суставы, такие как тазобедренные и плечевые, могут вращаться, как показано на рисунке выше. Например, округление бедер происходит, когда кто-то использует обруч hoola или когда они заводят и вращают руку, чтобы разогреться перед бейсбольным мячом или подать в игре в теннис, как показано на рисунке выше.

Заболевания, поражающие мышечную систему

  • Деформации и растяжения
  • Мышечная дистрофия
  • Рассеянный склероз
  • Атрофия мышц

АНАТОМИЯ И ФИЗИОЛОГИЯ СВЯЗАННЫХ TEAS СОДЕРЖАНИЕ:

Alene Burke, RN, MSN

Alene Burke RN, MSN — национально признанный преподаватель медсестер. Она начала свою трудовую карьеру учителем начальной школы в Нью-Йорке, а затем поступила в Общественный колледж Квинсборо, чтобы получить степень младшего специалиста по медсестринскому делу.Она работала дипломированной медсестрой в отделении интенсивной терапии местной общественной больницы, и в то время она решила стать преподавателем медсестер. Она получила степень бакалавра наук по медсестринскому делу в колледже Excelsior, который входит в состав Университета штата Нью-Йорк, и сразу после окончания школы она поступила в аспирантуру Университета Адельфи на Лонг-Айленде, штат Нью-Йорк. Она закончила Summa Cum Laude в Адельфи со степенью двойного магистра в области сестринского образования и сестринского администрирования и сразу же получила докторскую степень по сестринскому делу в том же университете.Она является автором сотен курсов для медицинских работников, включая медсестер, работает медсестрой-консультантом в медицинских учреждениях и частных корпорациях, она также является утвержденным поставщиком непрерывного образования для медсестер и других дисциплин, а также была членом Американской ассоциации медсестер. Целевая группа ассоциации по компетенции и обучению членов медсестер.

Последние сообщения Alene Burke, RN, MSN (посмотреть все)

Exercise and Muscle Performance · Анатомия и физиология

Упражнения и работоспособность мышц · Анатомия и физиология

К концу этого раздела вы сможете:

  • Описать гипертрофию и атрофию
  • Объясните, как упражнения с отягощениями наращивают мышцы
  • Объясните, как вещества, улучшающие работоспособность, влияют на мышцы

Физическая подготовка изменяет внешний вид скелетных мышц и может привести к изменению их работоспособности.И наоборот, недостаточное использование может привести к снижению производительности и внешнего вида мышц. Хотя мышечные клетки могут меняться в размере, новые клетки не образуются при росте мышц. Вместо этого структурные белки добавляются к мышечным волокнам в процессе, называемом гипертрофией , поэтому диаметр клеток увеличивается. Обратное, когда структурные белки теряются, а мышечная масса уменьшается, называется атрофией . Возрастная атрофия мышц называется саркопенией . Клеточные компоненты мышц также могут претерпевать изменения в ответ на изменения в использовании мышц.

Упражнения на выносливость

Медленные волокна преимущественно используются в упражнениях на выносливость, требующих небольшой силы, но требующих многочисленных повторений. Аэробный метаболизм, используемый медленно сокращающимися волокнами, позволяет им поддерживать сокращения в течение длительных периодов времени. Тренировки на выносливость изменяют эти медленные волокна, чтобы сделать их еще более эффективными за счет производства большего количества митохондрий, что способствует большему аэробному метаболизму и большему производству АТФ. Упражнения на выносливость также могут увеличить количество миоглобина в клетке, поскольку усиленное аэробное дыхание увеличивает потребность в кислороде.Миоглобин находится в саркоплазме и служит источником кислорода для митохондрий.

Тренировка может вызвать формирование более обширных капиллярных сетей вокруг волокна, процесс, называемый ангиогенез , для подачи кислорода и удаления отходов метаболизма. Чтобы позволить этим капиллярным сетям снабжать глубокие части мышц, мышечная масса не увеличивается значительно, чтобы сохранить меньшую площадь для диффузии питательных веществ и газов. Все эти клеточные изменения приводят к способности поддерживать низкие уровни мышечных сокращений в течение более длительных периодов времени без усталости.

Пропорция мышечных волокон SO в мышце определяет пригодность этой мышцы для выносливости и может принести пользу тем, кто участвует в упражнениях на выносливость. Постуральные мышцы имеют большое количество волокон SO и относительно небольшое количество волокон FO и FG, чтобы спина оставалась прямой ([ссылка]). Спортсмены на выносливость, такие как марафонцы, также выиграют от большей доли SO-волокон, но неясно, являются ли самые успешные марафонцы с естественно большим количеством SO-волокон или у самых успешных марафонцев развивается большое количество SO-волокон. волокна с повторяющейся тренировкой.Тренировки на выносливость могут привести к чрезмерным травмам, таким как стрессовые переломы и воспаление суставов и сухожилий.

Упражнения с сопротивлением

Упражнения с сопротивлением, в отличие от упражнений на выносливость, требуют большого количества волокон FG для создания коротких мощных движений, которые не повторяются в течение длительного времени. Высокая скорость гидролиза АТФ и образования поперечных мостиков в волокнах FG приводит к сильным сокращениям мышц. Мышцы, используемые для мощности, имеют более высокое соотношение волокон FG к SO / FO, а тренированные спортсмены обладают еще более высоким уровнем волокон FG в мышцах.Упражнения с отягощениями воздействуют на мышцы, увеличивая образование миофибрилл, тем самым увеличивая толщину мышечных волокон. Эта дополнительная структура вызывает гипертрофию или увеличение мышц, примером чего являются большие скелетные мышцы, наблюдаемые у культуристов и других спортсменов ([ссылка]). Поскольку это мышечное увеличение достигается за счет добавления структурных белков, спортсмены, пытающиеся нарастить мышечную массу, часто потребляют большое количество белка.

За исключением гипертрофии, которая возникает после увеличения количества саркомеров и миофибрилл в скелетных мышцах, клеточные изменения, наблюдаемые во время тренировки на выносливость, обычно не возникают при тренировке с отягощениями.Обычно не происходит значительного увеличения митохондрий или плотности капилляров. Однако тренировки с отягощениями увеличивают развитие соединительной ткани, которая увеличивает общую массу мышцы и помогает удерживать мышцы, поскольку они производят все более сильные сокращения. Сухожилия также становятся сильнее, чтобы предотвратить повреждение сухожилий, поскольку сила, создаваемая мышцами, передается на сухожилия, которые прикрепляют мышцу к кости.

Для эффективных силовых тренировок интенсивность упражнения должна постоянно увеличиваться.Например, продолжение подъема тяжестей без увеличения веса груза не увеличивает размер мышц. Чтобы добиться еще лучших результатов, поднимаемый вес должен становиться все тяжелее, что затрудняет мышцам перемещение груза. Затем мышца адаптируется к этой более тяжелой нагрузке, и необходимо использовать еще более тяжелую нагрузку, если требуется еще большая мышечная масса.

При неправильном выполнении тренировка с отягощениями может привести к чрезмерной нагрузке на мышцы, сухожилия или кости. Эти травмы могут возникнуть, если нагрузка слишком велика, или если мышцам не дается достаточно времени между тренировками для восстановления, или если суставы не выровнены должным образом во время упражнений.Клеточное повреждение мышечных волокон, возникающее после интенсивных упражнений, включает повреждение сарколеммы и миофибрилл. Это повреждение мышц способствует возникновению чувства болезненности после напряженных упражнений, но мышцы набирают массу по мере того, как это повреждение восстанавливается, а для замены поврежденных добавляются дополнительные структурные белки. Перегрузка скелетных мышц также может привести к повреждению сухожилий и даже к повреждению скелета, если нагрузка слишком велика для мышц.

Вещества, улучшающие рабочие характеристики

Некоторые спортсмены пытаются повысить свои результаты с помощью различных веществ, которые могут улучшить работу мышц.Анаболические стероиды — одно из наиболее широко известных средств, используемых для увеличения мышечной массы и увеличения выходной мощности. Анаболические стероиды — это форма тестостерона, мужского полового гормона, который стимулирует формирование мышц, что приводит к увеличению мышечной массы.

Спортсмены на выносливость могут также попытаться повысить доступность кислорода к мышцам для увеличения аэробного дыхания с помощью таких веществ, как эритропоэтин (ЭПО), гормон, обычно вырабатываемый в почках, который запускает производство красных кровяных телец.Дополнительный кислород, переносимый этими кровяными тельцами, может затем использоваться мышцами для аэробного дыхания. Гормон роста человека (hGH) — еще одна добавка, и хотя он может способствовать наращиванию мышечной массы, его основная роль заключается в ускорении заживления мышц и других тканей после напряженных упражнений. Повышенный уровень гормона роста может способствовать более быстрому восстановлению после повреждения мышц, сокращая отдых, необходимый после тренировки, и обеспечивая более устойчивую работу на высоком уровне.

Хотя вещества, улучшающие работоспособность, часто действительно улучшают работоспособность, большинство из них запрещены руководящими органами в спорте и являются незаконными для немедицинских целей.Их использование для повышения производительности поднимает этические проблемы обмана, поскольку они дают пользователям несправедливое преимущество перед теми, кто не использует их. Однако большее беспокойство вызывает то, что их использование несет серьезный риск для здоровья. Побочные эффекты этих веществ часто значительны, необратимы и в некоторых случаях смертельны. Физиологическое напряжение, вызываемое этими веществами, часто превышает то, с чем может справиться организм, что приводит к непредсказуемым и опасным последствиям. Использование анаболических стероидов связано с бесплодием, агрессивным поведением, сердечно-сосудистыми заболеваниями и раком мозга.

Точно так же некоторые спортсмены использовали креатин для увеличения выходной мощности. Креатинфосфат обеспечивает быстрый выброс АТФ в мышцы на начальных этапах сокращения. Считается, что увеличение количества креатина, доступного клеткам, производит больше АТФ и, следовательно, увеличивает взрывную мощность, хотя его эффективность в качестве добавки подвергается сомнению.

Повседневное соединение

Старение и мышечные ткани Хотя атрофию из-за неиспользования часто можно обратить вспять с помощью упражнений, атрофия мышц с возрастом, называемая саркопенией, необратима.Это основная причина, по которой даже хорошо тренированные спортсмены с возрастом теряют свои результаты. Это снижение заметно у спортсменов, для которых спорт требует силы и мощных движений, таких как спринт, тогда как влияние возраста менее заметно у спортсменов на выносливость, таких как марафонцы или велосипедисты на длинные дистанции. По мере старения мышц мышечные волокна умирают, и они заменяются соединительной тканью и жировой тканью ([ссылка]). Поскольку эти ткани не могут сокращаться и генерировать силу, как мышцы, мышцы теряют способность производить сильные сокращения.Снижение мышечной массы вызывает потерю силы, в том числе силы, необходимой для осанки и подвижности. Это может быть вызвано уменьшением количества волокон FG, которые быстро гидролизуют АТФ, вызывая короткие сильные сокращения. Мышцы у пожилых людей иногда имеют большее количество волокон SO, которые отвечают за более длительные сокращения и не производят мощных движений. Также может наблюдаться уменьшение размера двигательных единиц, в результате чего меньше стимулируемых волокон и меньше мышечного напряжения.

Саркопению можно до некоторой степени отсрочить с помощью упражнений, поскольку тренировки добавляют структурные белки и вызывают клеточные изменения, которые могут нейтрализовать эффекты атрофии. Увеличенные физические нагрузки могут производить большее количество клеточных митохондрий, увеличивать плотность капилляров и увеличивать массу и прочность соединительной ткани. Последствия возрастной атрофии особенно выражены у людей, ведущих малоподвижный образ жизни, поскольку потеря мышечных клеток проявляется в виде функциональных нарушений, таких как проблемы с движением, равновесием и осанкой.Это может привести к снижению качества жизни и проблемам со здоровьем, таким как проблемы с суставами, поскольку мышцы, стабилизирующие кости и суставы, ослаблены. Проблемы с передвижением и равновесием также могут стать причиной различных травм из-за падений.

Обзор главы

Гипертрофия — это увеличение мышечной массы за счет добавления структурных белков. Противоположностью гипертрофии является атрофия, потеря мышечной массы из-за распада структурных белков. Упражнения на выносливость вызывают увеличение клеточных митохондрий, миоглобина и капиллярных сетей в волокнах SO.Спортсмены на выносливость имеют высокий уровень волокон SO по сравнению с другими типами волокон. Упражнения с отягощениями вызывают гипертрофию. Силовые мышцы имеют большее количество волокон FG, чем медленных волокон. Напряженные упражнения вызывают повреждение мышечных клеток, которое требует времени для заживления. Некоторые спортсмены используют вещества, улучшающие работоспособность, для улучшения работы мышц. Атрофия мышц из-за возраста называется саркопенией и возникает, когда мышечные волокна умирают и заменяются соединительной и жировой тканью.

Контрольные вопросы

Мышцы профессионального спринтера, скорее всего, имеют ________.

  1. 80 процентов быстро сокращающихся мышечных волокон и 20 процентов медленно сокращающихся мышечных волокон
  2. 20 процентов быстро сокращающихся мышечных волокон и 80 процентов медленно сокращающихся мышечных волокон
  3. 50 процентов быстро сокращающихся мышечных волокон и 50 процентов медленно сокращающихся мышечных волокон
  4. 40 процентов быстро сокращающихся мышечных волокон и 60 процентов медленных мышечных волокон

Мышцы профессионального марафонца, скорее всего, имеют ________.

  1. 80 процентов быстро сокращающихся мышечных волокон и 20 процентов медленно сокращающихся мышечных волокон
  2. 20 процентов быстро сокращающихся мышечных волокон и 80 процентов медленно сокращающихся мышечных волокон
  3. 50 процентов быстро сокращающихся мышечных волокон и 50 процентов медленно сокращающихся мышечных волокон
  4. 40 процентов быстро сокращающихся мышечных волокон и 60 процентов медленных мышечных волокон

Какое из следующих утверждений верно ?

  1. Быстрые волокна имеют небольшой диаметр.
  2. Быстрые волокна содержат неплотно упакованные миофибриллы.
  3. Быстрые волокна обладают большими запасами гликогена.
  4. В быстрых волокнах много митохондрий.

Какое из следующих утверждений является ложным ?

  1. Медленные волокна имеют небольшую сеть капилляров.
  2. Медленные волокна содержат пигмент миоглобин.
  3. Медленные волокна содержат большое количество митохондрий.
  4. Медленные волокна сокращаются в течение длительного времени.

Вопросы о критическом мышлении

Какие изменения происходят на клеточном уровне в ответ на тренировку на выносливость?

Тренировка на выносливость изменяет медленные волокна, чтобы сделать их более эффективными, производя больше митохондрий, чтобы обеспечить более аэробный метаболизм и больше выработки АТФ. Упражнения на выносливость также могут увеличить количество миоглобина в клетке и сформировать более обширные капиллярные сети вокруг волокна.

Какие изменения происходят на клеточном уровне в ответ на тренировки с отягощениями?

Упражнения с отягощениями воздействуют на мышцы, вызывая образование большего количества актина и миозина, увеличивая структуру мышечных волокон.

Глоссарий

ангиогенез
образование капиллярных сетей крови
атрофия
потеря структурных белков из мышечных волокон
гипертрофия
добавление структурных белков к мышечным волокнам
саркопения
возрастная атрофия мышц


Эта работа находится под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 Международная лицензия.

Вы также можете бесплатно скачать по адресу http://cnx.org/contents/[email protected]

Атрибуция:

.

Комментировать

Ваш адрес email не будет опубликован.