Resumo Heiliane Fontana - TEDE

1
RESUMO
FONTANA, Heiliane de B. Análise in-vivo da relações forçacomprimento e força-velocidade do músculo vasto lateral nos níveis
do fascículo e da unidade músculo tendínea. 2015. 105 f. Tese
(Doutorado em Ciências do Movimento Humano – Área:
Comportamento Motor) – Universidade do Estado de Santa Catarina.
Programa de Pós-Graduação em Ciências do Movimento Humano,
Florianópolis, 2015.
Embora as relações força-comprimento (F-C) e força-velocidade
(F-V) de um músculo possam ser facilmente determinadas invitro, a determinação in-vivo é certamente mais complexa, e
baseia-se frequentemente em medidas de torque e ângulo
articular. Uma importante limitação dessa abordagem reside no
fato de as mudanças de comprimento do fascículo muscular não
se relacionarem de maneira simples às da unidade músculotendínea (UMT). Dessa forma, a investigação in-vivo da
mecânica músculo-tendão torna-se necessária para a
determinação da expressão dessas propriedades musculares no
contexto do movimento humano. Neste trabalho, foi determinado,
in-vivo, a relação F-C (Parte I) e a relação F-V (Parte II) nos
níveis do fascículo e da UMT para contrações voluntárias do
músculo vasto lateral (VL) em humanos. A relação F-C foi obtida
para contrações máximas e submáximas e a relação F-V, para
diferentes níveis de pré-contração do músculo. A fim de obter um
melhor entendimento do fenômeno, o movimento de extensão de
joelho foi analisado em diferentes amplitudes de acordo com
características cinéticas e cinemáticas do mesmo. As coletas de
dados envolveram medições sincronizadas de torque e ângulo de
joelho, bem como arquitetura muscular e EMG do VL durante
contrações isométricas (F-C) e isocinéticas (F-V) de extensores
de joelho. Na Parte I, foi demonstrado que a quantidade de
encurtamento dos fascículos em uma contração isométrica
depende do comprimento da UMT/ ângulo articular, resultando
em diferentes formatos para a relação F-C entre os níveis do
2
fascículo e da UMT e entre contrações máximas e submáximas.
As relações F-C para contrações submáximas foram
determinadas a partir de níveis percentuais de força (como
sugerido na literatura), mas, também, através de uma nova
abordagem baseada em níveis percentuais de ativação (EMG).
Com base na primeira abordagem, por definição, os picos de
força para as relações F-C ocorrem em um comprimento
muscular fixo, mas, devido a complacência da UMT, em
comprimentos de fascículo maiores a medida que a força na
UMT decresce. Contrariamente, na análise baseada em ativação,
os picos de força ocorrem em um comprimento de fascículo
constante, mas em comprimentos musculares menores a medida
que a a força na UMT decresce. Este resultado sugere que o
maior potencial de geração de força submáxima é obtido em
comprimento de fascículo próximo ao definido como ótimo, ou
seja, no comprimento onde a sobreposição dos miofilamentos é
máxima. Na Parte II dessa tese, a análise da relação F-V
evidenciou que a velocidade de encurtamento do fascículo
durante a extensão “isocinética” de joelho pode ser menor,
semelhante ou maior do que a da UMT dependendo da
velocidade articular e de qual parte do movimento é analisada. A
velocidade de encurtamento da UMT aumenta sistematicamente
com a velocidade articular, enquanto que os fascículos podem
permanecer com velocidades constantes para uma grande
amplitude de velocidade articular. Os resultados apontam para a
crítica natureza da interação entre ângulo articular, força/ativação
muscular, elementos elásticos e mecânica dos fascículos
musculares e auxiliam na superação das restrições encontradas
quando se relaciona e se aplica conhecimento obtido nos
diferentes níveis organizacionais dos músculos.
Palavras-chave: Relação força-comprimento, relação força
velocidade, fascículo muscular, elementos elásticos em série.
3
ABSTRACT
FONTANA, Heiliane de B. In-vivo vastus lateralis force-length and
force-velocity relationships at the fascicle and muscle tendon unit
level. 2015. 105 p. Thesis (Doctoral Degree in Human Movement
Sciences – Area: Motor Behaviour) – University of the State of Santa
Catarina. Post-Graduate Program in Human Movement Sciences,
Florianópolis, 2015.
Although there are no major difficulties in obtaining the forcelength (F-L) and force-velocity (F-V) relationships in skeletal
muscles in-vitro, obtaining them in-vivo is certainly much more
complex, and is often based on joint torque and angle. A primary
problem is that fascicle length changes are not associated in a
simple manner with changes in the length of the whole muscletendon unit (MTU). Therefore, investigation on whole muscle
tendon mechanics in-vivo is needed in order to elucidate the link
between these mechanical properties and the muscle
performance in the context of human movement. In this thesis
work, we determined the in-vivo F-L relationship (Part I) and F-V
relationship (Part II) at the fascicle and MTU levels for voluntary
contractions of the human vastus lateralis muscle (VL). F-L
relationships were obtained for maximal and submaximal
contractions, and F-V relationships for different pre-load
conditions. In order to obtain a better understanding of the
phenomena, different ranges of the knee extension movement
were identified for their kinematic or kinetic properties and were
analyzed separately. Data collection involved synchronized
measurements of knee extensor torque, knee angle, VL EMG and
muscle architecture (fascicle length and pennation angle) during
isometric (F-L) and isokinetic (F-V) knee extensor contractions. In
Part I, we demonstrated that fascicles undergo different amounts
of shortening depending on MTU length/ joint angle, which results
in different shapes of the fascicle and muscle F-L relationship,
and produces different F-L shapes for maximal and submaximal
levels of activation. The submaximal fascicle F-L relationships
4
were determined based on percentages of force (as typically
done in the literature), but novel to the literature, also based on
percentages of activation (EMG). In the force-based analysis, the
peak forces of F-L relationships, by definition, must occur at the
same muscle length, but because of muscle-tendon compliance,
it occurs at increasing fascicle lengths with decreasing levels of
force. In contrast, in the activation-based analysis, the peak
occurred at similar fascicle lengths, but because of muscle
compliance, at decreasing muscle lengths with decreasing levels
of force. This result suggests that, in the activation-based
analysis, the greatest force generating potential always occurs
close to optimal fascicle lengths; that is the length at which
sarcomeres present maximum myofilament overlap. In Part II,
analysis of the F-V relationship showed that fascicle shortening
velocities during maximum isokinetic knee extension exercises
can be slower, equal or faster than the corresponding MTU
shortening velocities, depending on the knee extensor speed and
depending on which part of the knee extension curve is analyzed.
MTU shortening velocities increase systematically with increasing
speeds of knee extension. However, this observation is not made
for fascicle shortening velocities, which, depending on the range
and conditions analyzed, remain about constant across a large
range of knee extensor speeds. The results of this thesis point to
the critical nature of the interaction between joint angle, muscle
force/activation, series elastic compliance, and fascicle
mechanics and help to overcome the difficulties in relating and
applying knowledge obtained at the different organizational levels
of muscles.
Key words: Force-length relationship, force-velocity relationship,
muscle fascicles, series elasticity.