CC BY
2СОВРЕМЕННЫЕ ВОПРОСЫ MODERN ISSUES OF БИОМЕДИЦИНЫ BIOMEDICINE 2024, T. 8 (2)_2024, Vol. 8 (2)
Дата публикации: 01.06.2024 Publication date: 01.06.2024
DOI: 10.24412/2588-0500-2024_08_02_14 DOI: 10.24412/2588-0500-2024_08_02_14
УДК 612.743, 799.322.2 UDC 612.743, 799.322.2
ОСОБЕННОСТИ ОРГАНИЗАЦИИ МЫШЕЧНЫХ СИНЕРГИЙ В РАЗНЫХ ФАЗАХ ВЫСТРЕЛА ИЗ КЛАССИЧЕСКОГО ЛУКА С.А. Моисеев, А.М. Пухов
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Великолукская государственная академия физической культуры и спорта», г. Великие Луки, Россия
Аннотация. Цель работы заключалась в исследовании закономерностей формирования и модуляции мышечных синергий, обеспечивающих реализацию отдельных фаз сложно-координационного двигательного действия - выстрела из классического лука. Параметры мышечных синергий получены методом разложения матриц с применением факторного анализа. Установлено, что реализация различных фаз выстрела из классического лука обеспечивается активностью двух основных мышечных синергий. Особенности межмышечного взаимодействия в разных фазах выстрела из лука заключаются в гибкой модуляции степени вовлечения отдельных мышц в синергии, формирующих стереотипные временные паттерны их активации. Обнаружено формирование двух различных профилей активации мышечных синергий, что определяет разные стратегии организации мышечной активности для реализации стереотипной двигательной задачи.
Ключевые слова: мышечные синергии, стрельба из лука, классический лук, управление движением, факторный анализ.
FEATURES OF THE ORGANIZATION OF MUSCLE SYNERGIES IN DIFFERENT PHASES OF A RECURVE BOW SHOT S.A. Moiseev, A.M. Pukhov
Velikiye Luki State Academy of Physical Education and Sports, Velikiye Luki, Russia
Abstract. The research objective was to study the patterns of formation and modulation of muscle synergies that ensure the implementation of different phases of a complex coordination motor action - a recurve bow shot. The parameters of muscle synergies were obtained by using the data matrix factorization methods. It was found out that the realization of different phases of a shot is provided by the activity of two main muscle synergies. The features of intermuscular interaction in various phases consist in flexible modulation of the degree of involvement of single muscles in synergies forming stereotypical time patterns of their activation. The formation of two different activation profiles of muscle synergies was found, which determines different strategies for organizing muscle activity to implement a stereotypical motor task. Keywords: muscle synergies, archery, recurve bow, movement control, factor analysis.
Введение. Одним из способов преодоления сложности многосуставного и многомышечного управления движениями является объединение элементов управляемой системы в модули [ 1 ]. Понятие модульности исходит из предположения о том, что нейрональные сети разных уровней центральной нервной системы (ЦНС) могут подразделяться на дискретные единицы низкой размерности, способные выполнять простые операции по обработке информации. Модули, организованные на мышечном уровне, определяемые как
скоординированная активация мышечных групп с определенным балансом амплитуд и формой паттерна активации, принято называть мышечными синергиями. Доказательства модульной архитектуры произвольных движений на основе анализа параметров пространственной и временной их организации с применением различных алгоритмов факторизации получены при рассмотрении циклических движений в ходьбе и педалировании [2-3], при выполнении технических элементов в единоборствах [4], при выполнении больших
оборотов на перекладине в спортивной гимнастике [5], в концентрической и эксцентрической фазах жима лежа в тяжелой атлетике [6]. Вместе с тем, большой пробел в знаниях об организации синерге-тического взаимодействия на мышечном уровне отмечается при рассмотрении точностных (прицельных) движений. Такие сведения представляют интерес не только для получения фундаментальных знаний о механизмах управления движениями, но и в практическом аспекте совершенствования двигательных навыков, прежде всего -в спортивной деятельности.
Понимание механизмов управления функциональными синергиями представляется особенно важным в стрелковых видах спорта, поскольку результат выстрела во многом определяется не проявлением максимальных мышечных усилий, а сложным соотношением характеристик внутри- и межмышечной координации [7]. Мышечная активность спортсмена в периодах выстрела различается по преобладающему режиму мышечного сокращения, а сами движения имеют разную биомеханическую структуру, тем не менее управление такими движениями может осуществляться небольшим количеством мышечных синергий. Целью исследования явилось изучение закономерностей формирования мышечных синергий, обеспечивающих реализацию отдельных фаз сложнокоор-динационного двигательного действия -выстрела из классического лука.
Методы и организация исследования. Исследования выполнены на 8 стрелках из классического лука высокой спортивной квалификации (МС и МСМК) в возрасте от 17 до 21 года. Спорстмены выполняли 30 выстрелов по мишени с дистанции 18 метров в крытом помещении. В анализ включали выстрелы с результатом попадания в мишень десять и девять очков.
В процессе выполнения выстрелов регистрировали электромиограммы (ЭМГ) билатеральных мышц рук, плечевого пояса и спины: лучевой сбигатель и локтевой разгибатель запястья, трехглавая плеча,
задняя (правая) и передняя (левая) части дельтовидной, верхние и нижние пучки трапециевидной. Применяли биомонитор МЕ 6000 (Финляндия) с частотой оцифровки 2000 Гц. Синхронно с ЭМГ посредством 3D-видеоанализа «Qualisys» (Швеция) с частотой дискретизации 500 Гц осуществляли видеозахват основных антропометрических точек сегментов тела, на основании которого по граничным моментам выстрел из лука делили на технические фазы. Параметры синергий анализировали в следующих фазах выстрела из лука:
- фаза принятия основной изготовки -«натяжение» - начиналась от момента подъема лука до прикладывания тянущей руки к ориентационной точке;
- фаза выхода стрелы из-под кликера -«дотяг» - включала действия стрелка с момента прикладывания тянущей руки к ориентационной точке до момента срабатывания кликера;
- фаза выпуска стрелы - «выпуск» -соответствовала временному отрезку от момента срабатывания кликера до начала освобождения тетивы от захвата;
- фаза «завершения выстрела» начиналась с момента осовобождения тетивы до опускания лука в крайнее нижнее положение.
Зарегистрированные синхронно вариационные ряды ЭМГ и координаты антропометрических точек экспортировали в Statistica (StatSoft, Inc., version 10), где формировали матрицу, состоящую из вариационных рядов регистрируемых величин и дополнительных переменных, идентифицирующих принадлежность измерений к различным испытуемым, попыткам, фазам выстрела и пр. [8]. Разложение матриц осуществляли с помощью факторного анализа по методу главных компонент без вращения факторов. Исходная матрица X разлагалась на произведение двух матриц: X=T*P+E, где T - матрица счетов, P -матрица нагрузок, E - матрица остатков.
Матрица нагрузок (Р) несет информацию о взаимосвязи или независимости
переменных относительно новых, формальных переменных, полученных в процессе разложения матриц - «весовые коэффициенты», чем выше коэффициент, тем больше связь с новой компонентой. Весовой коэффициент более 0,7 считали высоким, от 0,35 до 0,70 - средним, менее 0,35 - низким.
Матрица счетов (Т) определяет временную организацию выявленных синергий и представляет собой проекции исходных данных на подпространство главных компонент - «коэффициенты активации», т.е. процесс, показывающий изменение активности синергий во времени. Использовали стандартный модуль Statistica «Mult/ Exploratory - Factor». Рассматривали компоненты, имеющие собственные значения больше единицы и учитывающие не менее 10% общей дисперсии.
Анализировали количество извлекаемых факторов (синергий), процент общей дисперсии, учитываемый каждым фактором в общем наборе данных, весовые коэффициенты и коэффициенты активации.
Статистическая обработка включала расчет среднего арифметического, ошибки среднего арифметического, стандартного отклонения.
Результаты исследования и их обсуждение. Количество извлекаемых мышечных синергий варьировалось в диапазоне от двух до пяти в зависимости от фазы выстрела из лука. В фазе «натяжение» регистрировалось в среднем 2,83±0,30 синергий при уровене объясняемой дисперсии не менее 68,98% (рис. 1). В фазе «дотяг» мышечная активность была структурирована в 4,83±016 синергий, а качество реконструкции исходных данных оценивалось как среднее и не превышало 62,67%. В фазе «выпуск» были выделены в среднем 3,66±0,21 мышечных синергий, а суммарный процент дисперсии, приходящийся на данные факторы, достигал 94,40±1,34%. Фаза «завершения выстрела» характеризовалась активностью 3,16±0,16 мышечных синергий, при уровне дисперсии в среднем по группе 79,55±2,56%.
Рис. 1. Количество извлекаемых мышечных синергий (А) и доля объясняемой дисперсии
(Б) в различных фазах выстрела из лука Примечание: по оси ординат фазы выстрела: 1 - «натяжение», 2 - «дотяг», 3 - «выпуск», 4 - «завершение»
Таким образом, мышечная активность в фазах выстрела из лука, связанная с активным перемещением сегментов тела («натяжение тетивы» и «завершение выстрела»), была структурирована в среднем в три мышечных синергии, а фазы, которые характеризуются незначительным
перемещением сегментов тела («дотяг» и «выпуск»), демонстрировали большее их количество - до пяти. Различия количества выявленных синергетических взаимодействий мышц в разные фазы выстрела из лука объясняются их значимостью для результативности выстрела и сложностью системы
управления в них. Как правило, чем сложнее система управления движениями, тем больше синергий необходимо для ее выполнения [1]. В техническом плане фазы «дотяг» и «выпуск» являются наиболее сложными и значимыми для результативности выстрела по сравнению с фазами «натяжение» и «завершение выстрела», что объясняется образованием большего количества мышечных синергий для их управления.
Далее была изучена степень вовлеченности каждой мышцы в выявленные синергии по значению их весового коэффициента. В некоторых выявленных факторах статистически обнаруживалось по одной мышце с высоким весовым коэффициентом. Концепция двигательного контроля, основанная на понятии синергии, подразумевает снижение вычислительной нагрузки на структуры ЦНС путем объединения множества элементов (в нашем случае мышц) в модули с меньшей размерностью и управление такими образованиями посредством центральных управляющих сигналов [9]. Наличие только одного элемента (мышцы) в структуре синергии противоречит самой концепции синергизма. В связи с чем, из всех выявленных синергий можно выделить две основные (Б1 и Б2), полученные методом факторного анализа, которые включали несколько мышц, имеющих высокие весовые коэффициенты и, соответственно, высокую степень вовлечения в них.
Первая синергия ^1) включала высокие весовые коэффициенты для восьми скелетных мышц в фазе «натяжение» (лучевой сгибатель и локтевой разгибатель правого запястья, локтевой разгибатель левого запястья, задняя часть дельтовидной правого плеча, билатеральные трехглавая плеча и нижние пучки трапециевидной) и их значения находились в диапазоне от 0,74±0,04 до 0,90±0,02 (рис. 2). В фазе «дотяг» не было выявлено мышц, демонстрирующих высокие весовые коэффициенты. Наибольшие значения здесь были получены для
трехглавой мышцы правого плеча -0,65±0,05 и задней части правой дельтовидной - 0,56±0,01. Для других мышц весовые коэффициенты находились в диапазоне от 0,18±0,06 до 0,35±0,10. Для этой же синергии ^1) в фазе «выпуск» высокие весовые коэффициенты были зарегистрированы для мышц правой (тянущей) руки: лучевого сгибателя (0,89±0,06) и локтевого разгибателя (0,80±0,07) запястья, трехглавой плеча (0,70±0,08), а также нижних пучков правой (0,76±0,06) и левой (0,75±0,05) трапециевидной. В фазе «завершение выстрела» практически все мышцы, за исключением лучевого сгибателя и локтевого разгибателя запястья левой руки, демонстрировали высокие значения весового коэффициента. Самые высокие из них были получены для трехглавой мышцы правого плеча -0,92±0,01 и задней части правой дельтовидной мышцы - 0,85±0,03.
Вторая мышечная синергия (Б2) характеризовалась низкими и средними весовыми коэффициентами скелетных мышц (рис. 2). Наибольшие значения коэффициентов в фазе «натяжение» были получены для верхних пучков трапециевидной мышцы (справа 0,66±0,05 и слева 0,42±0,08) и передней части левой дельтовидной (0,34±0,15). В фазе «дотяг» отмечались средние показатели весового коэффициента для передней части дельтовидной (0,47±0,05) и трехглавой (0,25±0,08) мышц левого плеча и билатеральных верхних пучков трапециевидной (справа 0,32±0,05 и слева 0,32±0,10). В фазе «выпуск» наибольшие весовые коэффициенты в структуре второй синергии имели мышцы левой (прицельной) руки: локтевой разгибатель запястья (0,44±0,11), трехглавая плеча (0,47±0,07) и передняя часть дельтовидной (0,64±0,12). Также верхние пучки трапециевидной мышцы правой стороны имели средние значения весового коэффициента - 0,69±0,14. В фазе «завершения выстрела» все мышцы демонстрировали низкие весовые коэффициенты в структуре второй синергии.
СОВРЕМЕННЫЕ ВОПРОСЫ MODERN ISSUES OF БИОМЕДИЦИНЫ BЮMEDICINE 2024, T. 8 (2)_2024, Щ. 8 (2)
81 82
|<0,5 (>0,4
□ >о,з
□ >0,2 □ >0,1
123456789 10 11 12 123456789 10 И 12
Рис. 2. Весовые коэффициенты скелетных мышц в структуре мышечных синергий Примечание: S1, S2 - номер синергии. По оси абсцисс фазы выстрела: а - «натяжение», б - «дотяг», в - «выпуск», г - «завершение выстрела». По оси ординат скелетные мышцы: 1 - лучевой сгибатель запястья пр., 2 - локтевой разгибатель запястья пр., 3 - трехглавая плеча пр., 4 - задняя часть дельтовидной пр., 5 - лучевой сгибатель запястья лев., 6 - локтевой разгибатель запястья лев., 7 - трехглавая плеча лев., 8 - передняя часть дельтовидной лев., 9 - верхние пучки трапециевидной пр., 10 - верхние пучки трапециевидной лев., 11 -нижние пучки трапециевидной пр., 12 - нижние пучки трапециевидной лев.
Оценивая весовые коэффициенты исследуемых мышц в структуре двух выявленных синергий, можно отметить, что они охватывают практически все мышцы в фазах «натяжение» и «завершение выстрела». Данные фазы выстрела из лука не имеют выраженной точностной направленности, в связи с чем управление этими двигательными действиями структурируется в малое количество модулей (синергий), которые включают в себя множество элементов (мышц). Напротив, в фазе выстрела «дотяг», имеющим ярко выраженную точностную направленность, наряду с большим количеством синергий не наблюдалось доминирующих мышц с высокими весовыми коэффициентами, что говорит о технической сложности выполнения данного элемента. Вместе с тем, управление мышцами в фазе «выпуск», ввиду ее быстротечности (до 200 мс), реализуется на уровне программного механизма, и каждая из двух основных синергий описывает в отдельности движения правой ^1) и левой рук ^2) после разрыва кинематический цепи (выпуск тетивы).
На рисунке 3 представлены усредненные паттерны временной активации основных мышечных синергий, то есть
синхронизация активности входящих в них мышц. Установлено, что активность мышц в структуре первой синергии ^1) при реализации фазы «натяжение» и «дотяг» демонстрировала возрастание активности (рис. 3). В фазе «выпуск» активность мышц этой синергии имела два характерных паттерна, характеризующихся в первом случае возрастанием активности в последней четверти, а во втором пиком активации, приходящимся на третью четверть фазы. Фаза «завершения выстрела» характеризовалась резким снижением мышечной активности в первой четверти фазы и более плавным до ее завершения.
Вторая мышечная синергия ^2) в фазе «натяжение» имела характерный паттерн, характеризующийся возрастанием активности в начале фазы и снижением активности в последней четверти, а в фазе «дотяг» демонстрировала практически полное отсутствие изменений (рис. 3). Данные профили объясняются тем, что в структуру второй синергии в эти фазы выстрела входят мышцы, обеспечивающие подъем лука и его удержание, то есть при его подъеме в фазе «натяжение» их активность возрастает, потом происходит межмышечное перераспределение нагрузки (активность
СОВРЕМЕННЫЕ ВОПРОСЫ MODERN ISSUES OF БИОМЕДИЦИНЫ BЮMEDICINE 2024, T. 8 (2)_2024, Щ. 8 (2)
снижается), а в фазе «дотяг» лук остается относительно неподвижен, в связи с чем напряжение мышц не изменяется. Временная структура синергии в фазе «выпуск» имела два характерных профиля с
выраженными пиками активации в третьей четверти фазы. В фазе «завершение выстрела» мышечная активность второй синергии демонстрировала ее снижение в середине фазы.
Рис. 3. Коэффициенты активации мышечных синергий в различных фазах
выстрела из лука
Примечание: S1, S2 - номер синергии. По оси абсцисс - прогресс движения, по оси ординат - усл.ед. Буквами обозначены фазы выстрела: а - «натяжение», б - «дотяг», в - «выпуск», г - «завершение выстрела»
Временная структура описываемых мышечных синергий и S2) демонстрировала выраженную синхронизацию активности мышц, входящих в их структуру, во всех рассматриваемых фазах выстрела, за исключением фазы «выпуск», в которой наблюдались два профиля, причем они были относительно синхронны для каждой синергии. Такие закономерности относительно фазы «выпуск» могут быть описаны исходя из понятия о специфических мышечных синергиях, которые задействуются в движениях, реализуемых в необычных условиях или при внешнем воздействии, вынуждающем управляющую систему включать ранее не задействованные синергии или менять структуру используемых [2]. То есть, в момент выпуска стрелы, на основании сопоставления кинестетических ощущений с модельными характеристиками выстрела, спортсмен предвосхищает отклонение
попаданий на мишени и пытается скорректировать его.
Заключение. Таким образом, реализация различных фаз выстрела из классического лука обеспечивается активностью двух основных мышечных синергий, первая из которых реализует одновременное перемещение сегментов верхних конечностей, осуществляющих поднятие лука и натяжение тетивы. Активность второй синергии связана с обеспечением устойчивого положения лука относительно точки прицеливания на мишени. В фазе «выпуск» временная структура мышечных синергий демонстрирует два различных паттерна активации, свидетельствующие о применении разных стратегий организации мышечной активности в структурах центральной нервной системы, для реализации стереотипной двигательной задачи.
СОВРЕМЕННЫЕ ВОПРОСЫ
MODERN ISSUES OF
БИОМЕДИЦИНЫ BIOMEDICINE 2024, T. 8 (2)_2024, Vol. 8 (2)
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Conflict of interest. The authors declare no conflict of interest.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. D'Avella, A. Modularity for Motor Control and Motor Learning / A. D'Avella // Advances in Experimental Medicine and Biology. - 2016. - Vol. 957.
- P. 3-19. DOI: 10.1007/978-3-319-47313-0_1.
2. Shared and task-specific muscle synergies of Nordic walking and conventional walking / Boccia G., Zoppirolli C., Bortolan L. [et al] // Scandinavian Journal of Medicine and Science in Sports. - 2018.
- Vol. 28. - № 3. - P. 905-918. DOI: 10.1111/sms.12992.
3. Shared muscle synergies in human walking and cycling / Barroso F. O., Torricelli D., Moreno J. C. [et. al] // Journal of Neurophysiology. - 2014. - Vol. 112. - № 8. - Р. 1984-1998. DOI: 10.1152/jn. 00220.2014.
4. Моисеев, С. А. Особенности синергетиче-ского взаимодействия скелетных мышц при выполнении сложной координационной двигательной задачи / С. А. Моисеев, Р. М. Городничев // Физиология человека. - 2021. - Т. 47. - №1. - С. 53-62. [In English] Moiseev S.A., Gorodnichev R.M. Skeletal Muscles Synergetic Interaction Features During Complicated Coordination Motor Task Performing. Human Physiology, 2021, vol. 47, no. 1, pp. 53-62. (in Russ. )
5. Frère, J. Between-subject variability of muscle synergies during a complex motor skill / J. Frère, F. Hug // Frontiers in Computational Neuroscience. -2012. - Vol. 6. - Р. 99-112. DOI: 10.3389/fncom.-2012.00099.
6. Inter-subject variability of muscle synergies during bench press in power lifters and untrained individuals / M. Kristiansen, P. Madeleine, E. A. Hansen, A. Smani // Scandinavian Journal of Medicine and Science in Sports. - 2015. - Vol. 25. - №
I. - P. 89-97. DOI: 10.1111/sms.12167.
7. Пухов, А. М. Особенности силовых и электромиографических характеристик при максималь-мальном произвольном сокращении и лах из классического лука / А. М. Пухов, Д. П. Тарнаков // Наука и спорт: современные тенденции. - 2023. - Т. 11. - № 4. - С. 45-52. [In English] Pukhov A.M., Tarnakov D.P. Features of strength and electromyographic characteristics at maximum voluntary contraction and shooting from a recurve bow. Science and Sport: Current Trends, 2023, vol.
II, no. 4, pp. 45-52. (in Russ.)
8. Methodological and Computational Aspects of Extracting Extensive Muscle Synergies in Moderate-Intensity Locomotions / S. A. Moiseev, A. M. Pukhov, E. A. Mikhailova, R. M. Gorodnichev // Journal of Evolutionary Biochemistry and Physiology. - 2022. - Vol. 58. - № 1. - P. 88-97. DOI: 10.1134/S0022093022010094.
9. Cheung, V. C. K. Approaches to revealing the neural basis of muscle synergies: a review and a critique / V. C. K. Cheung, K. Seki // Journal of Neurophysiology. - 2021. - Vol. 125. - № 5. -Р. 1580-1597. DOI: 10.1152/jn.00625.2019.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ:
Сергей Александрович Моисеев - кандидат биологических наук, научный сотрудник НИИ Проблем спорта и оздоровительной физической культуры, ФГБОУ ВО «Великолукская государственная академия физической культуры и спорта», Великие Луки, e-mail: [email protected].
Александр Михайлович Пухов - кандидат биологических наук, доцент, старший научный сотрудник НИИ Проблем спорта и оздоровительной физической культуры, ФГБОУ ВО «Великолукская государственная академия физической культуры и спорта», Великие Луки, e-mail: [email protected].
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS:
Sergej A. Moiseev - Candidate of Biological Sciences, Researcher of the Research Institute of Problems of Sports and Health-improving Physical Culture, Velikiye Luki State Academy of Physical Education and Sports, Velikiye Luki, e-mail: [email protected].
Aleksandr M. Pukhov - Candidate of Biological Sciences, Associate Professor, Senior Researcher of the Research Institute of Problems of Sports and Health-improving Physical Culture, Velikiye Luki State Academy of Physical Education and Sports, Velikiye Luki, e-mail: [email protected].
Для цитирования: Моисеев, С. А. Особенности организации мышечных синергий в разных фазах выстрела из классического лука / С. А. Моисеев, А. М. Пухов // Современные вопросы биомедицины. - 2024. - Т. 8. - № 2. DOI: 10.24412/2588-0500-2024_08_02_14
For citation: Moiseev S.A., Pukhov A.M. Features of the organization of muscle synergies in different phases of a recurve bow shot. Modern Issues of Biomedicine, 2024, vol. 8, no. 2. DOI: 10.24412/2588-0500-2024_08_02_14
