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ヒトの最大下肢運動のエネルギー消費.磁気共鳴分光法によるモデル予測と検証
Energy Expenditure of Dynamic Submaximal Human Plantarflexion Movements: Model Prediction and Validation by Magnetic Resonance Spectroscopy.
PMID: 32671034 PMCID: PMC7332772. DOI: 10.3389/fbioe.2020.00622.
抄録
生体運動の組織と効率を理解するためには、個々の筋肉のレベルで必要なエネルギーを評価することが重要です。そのためには、筋骨格系モデルを用いたフォワードダイナミックコンピュータシミュレーションによるエネルギー消費量の予測が現在最も有望なアプローチとなっています。しかし、単一の筋肉のエネルギー消費量にアクセスすることが困難であるため、ヒトでの筋モデルの検証は困難である。これまでのアプローチでは、全身のエネルギー消費、例えば酸素消費量(VO2)や、血流や熱放出を追跡することによる個々の筋肉の熱測定(皮膚温度の測定)に焦点を当てていました。本研究では、機能的リン磁気共鳴分光法(P-MRS)を用いて、筋肉のエネルギー消費のモデルを検証することを提案する。P-MRSは、エネルギー消費に関連して変化するリン酸クレアチン(PCr)濃度を測定することができます。運動の最初の25秒間では、PCrの分解速度はATPの加水分解を反映しているため、筋エンタルピー速度の直接的な測定値となります。この方法を健常者1名の腓腹筋正中筋に適用し、最大収縮時（最大腓腹筋力の20％）の亜最大収縮時の反復的な動的腓腹筋運動中に、MR互換エルゴメーターを使用して測定した。さらに、筋活動は表面筋電図（EMG）で測定した。筋収縮ダイナミクスおよびエネルギー消費に関する以前のモデルを組み合わせたモデル（オープンソースとして提供されている）を使用して、シミュレーションで実験を再現した。モデル内のすべてのパラメータ（例えば、筋の長さと体積、ペニンテーション角）は、磁気共鳴イメージングまたは文献（例えば、繊維組成）から決定され、実験データに適合するための自由なパラメータを残していません。エネルギー供給率に関するモデル予測と実験データは、動的運動の検証段階（<25秒）で良好に一致した。25秒後の実験データは、PCrの変化がエネルギー消費への全ての代謝寄与を反映していないため、エネルギー消費量を過小評価していることから、モデル予測とは異なる結果となった。これは、この新しいアプローチは、動的な動きの筋肉のエネルギー消費のモデルを検証することができることを示しています。
To understand the organization and efficiency of biological movement, it is important to evaluate the energy requirements on the level of individual muscles. To this end, predicting energy expenditure with musculoskeletal models in forward-dynamic computer simulations is currently the most promising approach. However, it is challenging to validate muscle models in humans, because access to the energy expenditure of single muscles is difficult. Previous approaches focused on whole body energy expenditure, e.g., oxygen consumption (VO2), or on thermal measurements of individual muscles by tracking blood flow and heat release (through measurements of the skin temperature). This study proposes to validate models of muscular energy expenditure by using functional phosphorus magnetic resonance spectroscopy (P-MRS). P-MRS allows to measure phosphocreatine (PCr) concentration which changes in relation to energy expenditure. In the first 25 s of an exercise, PCr breakdown rate reflects ATP hydrolysis, and is therefore a direct measure of muscular enthalpy rate. This method was applied to the gastrocnemius medialis muscle of one healthy subject during repetitive dynamic plantarflexion movements at submaximal contraction, i.e., 20% of the maximum plantarflexion force using a MR compatible ergometer. Furthermore, muscle activity was measured by surface electromyography (EMG). A model (provided as open source) that combines previous models for muscle contraction dynamics and energy expenditure was used to reproduce the experiment in simulation. All parameters (e.g., muscle length and volume, pennation angle) in the model were determined from magnetic resonance imaging or literature (e.g., fiber composition), leaving no free parameters to fit the experimental data. Model prediction and experimental data on the energy supply rates are in good agreement with the validation phase (<25 s) of the dynamic movements. After 25 s, the experimental data differs from the model prediction as the change in PCr does not reflect all metabolic contributions to the energy expenditure anymore and therefore underestimates the energy consumption. This shows that this new approach allows to validate models of muscular energy expenditure in dynamic movements .
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