Предсказательное нейромеханическое моделирование объясняет биомеханику походки при ожирении

> АННОТАЦИЯ

Люди с ожирением демонстрируют изменения походки, включая уменьшение раннего сгибания коленного сустава в фазе опоры, нарушение координации мышц, снижение предпочитаемой скорости ходьбы и укорочение длины шага. Хотя эти особенности хорошо задокументированы, механизмы, посредством которых физиологические изменения, вызванные ожирением, приводят к таким паттернам походки и влияют на нагрузку на коленный сустав, важную для остеоартрита (ОА), остаются неясными. В данной работе применено предсказательное нейромеханическое моделирование для изучения того, как изменения скелетно-мышечной системы и двигательные цели взаимодействуют для формирования типичных паттернов походки и нагрузки на коленный сустав у людей с ожирением. Моделирование проводилось с использованием нейромеханической модели ходьбы, основанной на рефлекторной реакции. Базовая модель человека нормального телосложения (рост 1,8 м, вес 80 кг) была адаптирована для отражения изменений распределения массы тела и силы мышц, связанных с ожирением (рост 1,8 м, вес 140 кг), включая распределение массы типа «яблоко» и «груша». Параметры управления оптимизировались для обеспечения стабильной ходьбы с минимальными усилиями мышц и нагрузкой на коленный сустав. Цели моделирования были определены путем сопоставления кинематики колена, полученной в симуляции, с экспериментально наблюдаемыми значениями при обычной ходьбе. С помощью выбранных целей были проведены сравнения кинематики, динамики суставов и активации мышц, а также проведено моделирование различных скоростей ходьбы для оценки оптимальной скорости, длины шага, мышечных усилий и нагрузки на колени. Базовая модель лучше всего соответствовала эталонным данным по кинематике колена, используя цель оптимизации только мышечной активности, тогда как модель ожирения потребовала комбинированной цели, учитывающей одновременно мышечную активность и нагрузку на коленный сустав. Такая формулировка позволила воспроизвести ключевые характеристики походки, такие как уменьшенное раннее сгибание коленного сустава, сниженная активация четырехглавой мышцы бедра с увеличением активности подошвенных сгибателей, замедление оптимальной скорости ходьбы и укорочение длины шага. Различия в распределении массы тела оказали умеренное, но постоянное влияние на механику походки по сравнению с влиянием увеличения общей массы тела. Изменения массы тела и структуры скелетно-мышечной системы, связанные с ожирением, оказывают значительное воздействие на походку и нагрузку на суставы.