普遍的なスペクトルプロファイルと筋活性化の動的進化：筋タイプと生理学的状態の特徴

Universal spectral profile and dynamic evolution of muscle activation: a hallmark of muscle type and physiological state.

• Sergi Garcia-Retortillo
• Rossella Rizzo
• Jilin W J L Wang
• Carol Sitges
• Plamen Ch Ivanov

抄録

目的:

骨格筋は、時間スケールを超えて様々な筋タイプの連続的な筋電活性化の複雑なダイナミクスを持つ統合された多成分システムであり、ユニット間の筋協調と生理的状態への適応を促進するためのものである。神経筋活動のマルチスケールなダイナミクスを理解するために、我々は様々なタイプの筋のスペクトル特性を時間スケールで調査し、生理的な状態に合わせて変化させている。その結果、各筋タイプの特徴は筋機能と筋組成を反映した特定のスペクトルプロファイルであることが明らかになり、それは時系列的に不変であり、被験者間で普遍的なものであるという仮説を立てた。さらに、特定の運動中の筋電活性化とそれに対応するスペクトルプロファイルは、各筋タイプに固有の時間的進化経路を示し、運動、疲労、老化に対する筋力の反応を反映しているという仮説を立てた。

PURPOSE: The skeletal muscle is an integrated multi-component system with complex dynamics of continuous myoelectrical activation of various muscle types across timescales to facilitate muscle coordination among units and adaptation to physiological states. To understand the multi-scale dynamics of neuromuscular activity, we investigate spectral characteristics of different muscle types across timescales and their evolution with physiological states. We hypothesize that each muscle type is characterized by specific spectral profile, reflecting muscle function and composition, that remains invariant over timescales and is universal across subjects. Further, we hypothesize that the myoelectrical activation and corresponding spectral profile during certain movement exhibit an evolution path in time that is unique for each muscle type, and reflects response in muscle dynamics to exercise, fatigue, and aging.

方法:

神経筋制御のマルチスケールメカニズムを探るために、本研究では、疲労困憊するまでスクワット運動を繰り返すという新しいプロトコルを開発し、若年者と老年者の下肢筋と背筋の周波数帯におけるスペクトル・パワー応答を解析した。

METHODS: To probe the multi-scale mechanism of neuromuscular regulation, we develop a novel protocol of repeated squat exercise segments, each performed until exhaustion, and we analyze differentiated spectral power response in frequency bands for leg and back muscle in young and old subjects.

結果:

本研究では、下肢と背筋の活性化は、疲労と加齢に応じて異なる周波数帯の寄与を持つ、筋特異的なスペクトルプロファイルと筋特異的な進化経路によって特徴づけられることを明らかにした。

RESULTS: We find that leg and back muscle activation is characterized by muscle-specific spectral profiles, with differentiated frequency bands contribution, and muscle-specific evolution path in response to fatigue and aging.

結論:

その結果、ある生理的状態における各筋のスペクトルプロファイルが被験者間で普遍的であることが明らかになり、また、様々なタイムスケールや状態でのプロファイルの変化が頑健であることが明らかになった。

CONCLUSION: The uncovered universality among subjects in the spectral profile of each muscle at a given physiological state, as well as the robustness in the evolution of these profiles over a range of timescales and states, reveals a previously unrecognized multi-scale mechanism underlying the differentiated response of distinct muscle types to exercise-induced fatigue and aging.