Résumé Développer la capacité de marcher et de courir habituellement debout sur deux pieds est l’une des transformations les plus importantes survenues dans l’évolution humaine. De nombreuses adaptations musculo-squelettiques ont permis la locomotion bipède, notamment des changements structurels spectaculaires au niveau du pied et, en particulier, l’évolution d’une voûte médiale haute. On supposait auparavant que la structure arquée du pied jouait un rôle central dans la propulsion directe du centre de masse vers l’avant et vers le haut à travers les orteils et dans un recul d’énergie semblable à un ressort. Cependant, il n’est pas clair si la mobilité en flexion plantaire et la hauteur de la voûte médiale soutiennent sa fonction de levier propulsif. Nous avons utilisé des mesures radiographiques biplanaires à grande vitesse du mouvement des os du pied chez sept participants pendant la marche et la course et avons comparé leur mouvement à un modèle spécifique au sujet sans recul de la voûte plantaire. Nous montrons que, quelles que soient les différences intraspécifiques de hauteur de la voûte médiale, le recul de la voûte plantaire permet un temps de contact plus long et des conditions de propulsion favorables au niveau de la cheville pour la marche debout avec une jambe étendue. L’articulation cunéiforme naviculaire-médiale, souvent négligée, est principalement responsable du recul de la voûte plantaire humaine. Le mécanisme par lequel le recul de la voûte plantaire permet une posture verticale de la cheville a peut-être contribué à l’évolution de la voûte longitudinale après notre dernier ancêtre commun avec les chimpanzés, qui manquent de mobilité en flexion plantaire de la voûte plantaire pendant la fente. Les futures investigations morphologiques de l’articulation cunéiforme naviculaire-médiane fourniront probablement de nouvelles interprétations des archives fossiles. Nos travaux suggèrent en outre que permettre le recul de la voûte médiale dans les chaussures et les interventions chirurgicales peut être essentiel au maintien de la capacité de propulsion naturelle de la cheville. |
CHIFFRE . (A) L’hypothèse de propulsion du centre de masse (COM) suggère que le recul de la voûte plantaire et l’effet de levier du pied peuvent élever le COM. (B) Leviers de pied autour du point d’appui de l’articulation métatarsophalangienne.
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Les scientifiques ont découvert que le coup de pied créé par la voûte plantaire flexible des pieds humains aide à placer nos jambes dans la posture optimale pour avancer en marchant bipède. Comprendre comment nos articulations aident les humains modernes à marcher debout pourrait nous aider à suivre l’évolution de la bipédie et à améliorer les soins prodigués aux patients souffrant de problèmes de pieds.
Une nouvelle étude a montré que les humains pourraient avoir développé une arche en forme de ressort pour nous aider à marcher sur deux pieds. Les chercheurs qui étudient l’évolution de la marche bipède supposent depuis longtemps que la voûte plantaire haute nous aide à marcher en agissant comme un levier qui propulse le corps vers l’avant. Mais une équipe mondiale de scientifiques a découvert que le recul flexible de la voûte plantaire repositionne la cheville verticale pour une marche plus efficace. Les effets sur la course sont plus importants, ce qui suggère que la capacité à courir efficacement aurait pu être une pression sélective pour une voûte plantaire flexible qui rendrait également la marche plus efficace. Cette découverte pourrait même aider les médecins à améliorer les traitements des problèmes de pieds chez les patients d’aujourd’hui.
"Au départ, nous pensions que l’arc en forme de ressort aidait le corps à passer à l’étape suivante", a déclaré le Dr Lauren Welte, premier auteur de l’étude dans Frontiers in Bioengineering and Biotechnology , qui a mené la recherche à l’Université Queen’s et à l’Université Queen’s. est maintenant affilié à l’Université du Wisconsin-Madison. "Il s’avère qu’au lieu de cela, la voûte plantaire en forme de ressort recule pour aider la cheville à soulever le corps."
Pas à pas
L’évolution de nos pieds, y compris la voûte médiale élevée qui nous différencie des grands singes, est cruciale pour la marche bipède. On pense que l’arc donne plus de force aux hominidés lorsqu’ils marchent debout : le mécanisme n’est pas clair, mais lorsque le mouvement de l’arc est restreint, courir demande plus d’énergie. Le recul de la voûte plantaire pourrait potentiellement faire de nous des coureurs plus efficaces en faisant avancer la masse centrale du corps ou en compensant le travail mécanique que les muscles devraient autrement effectuer.
Pour étudier ces hypothèses, l’équipe a sélectionné sept participants à mobilité variable de la voûte plantaire, qui marchaient et couraient pendant que leurs pieds étaient filmés par des caméras de capture de mouvement à rayons X à grande vitesse. La hauteur de la voûte plantaire de chaque participant a été mesurée et un scanner du pied droit a été réalisé. Les scientifiques ont créé des modèles rigides et les ont comparés au mouvement mesuré des os du pied pour tester l’effet de la mobilité de la voûte plantaire sur les articulations adjacentes. Ils ont également mesuré quelles articulations contribuaient le plus au recul de la voûte plantaire et la contribution du recul de la voûte plantaire au centre de masse et à la propulsion de la cheville.
Vers la bipédie
Bien que les scientifiques s’attendaient à constater que le recul de la voûte plantaire aidait le levier de la voûte plantaire rigide à soulever le corps, ils ont constaté qu’une voûte plantaire rigide sans recul faisait décoller le pied du sol plus tôt, ce qui diminuait probablement l’efficacité des muscles de la voûte plantaire. mollet ou incliné les os de la cheville trop en avant. L’inclinaison vers l’avant reflète la posture des chimpanzés qui marchent, plutôt que la posture verticale caractéristique de la marche humaine. La voûte flexible a aidé à repositionner la cheville verticalement, permettant à la jambe de décoller du sol plus efficacement. Cet effet est encore plus important lors de la course, ce qui suggère qu’une course efficace pourrait avoir été une pression évolutive en faveur de l’arc flexible.
Les scientifiques ont également découvert que l’articulation entre deux os de l’arc médial, le naviculaire et le cunéiforme médial, est cruciale pour la flexibilité de l’arc. Des changements dans cette articulation pourraient nous aider à retracer le développement de la bipédie dans les archives fossiles des hominidés.
"La mobilité de nos pieds semble nous permettre de marcher et de courir debout plutôt que de nous pencher en avant ou de passer à l’étape suivante trop tôt", a déclaré l’auteur principal, le Dr Michael Rainbow, de l’Université Queen’s.
Potentiel thérapeutique
Ces résultats suggèrent également des pistes thérapeutiques pour les personnes dont la voûte plantaire est raide en raison d’une blessure ou d’une maladie : soutenir la flexibilité de la voûte plantaire pourrait améliorer la mobilité globale.
"Nos travaux suggèrent que permettre à l’arc de bouger pendant la propulsion rend le mouvement plus efficace", a déclaré Welte. "Si nous limitons le mouvement de la voûte plantaire, il y aura probablement des changements correspondants dans la fonction des autres articulations."
"À ce stade, notre hypothèse nécessite des tests plus approfondis car nous devons vérifier que les différences de population en matière de mobilité des pieds conduisent aux types de changements que nous constatons dans notre échantillon limité", a déclaré Rainbow. "Cela dit, nos travaux ouvrent la voie à une nouvelle voie de recherche passionnante."
Applications
Permettre la mobilité en flexion plantaire de la voûte plantaire a de nombreuses applications importantes, notamment la conception de chaussures, la compréhension de la pathologie et la pratique chirurgicale. Certaines modifications chaussantes, comme l’augmentation de la rigidité en flexion de la semelle ou l’utilisation d’inserts limitant la voûte plantaire, réduisent la flexion plantaire de la voûte plantaire et peuvent respectivement modifier les conditions contractiles musculaires de la cheville lors de la locomotion ou augmenter le coût du métabolisme. fonctionnant au niveau du sol.
Nos résultats ont également des implications pour les personnes ayant des pieds naturellement raides ou des pathologies du pied (telles que l’arthrose) qui réduisent la mobilité de la voûte plantaire. Lorsque les articulations tarsiennes sont fusionnées chirurgicalement, la puissance de la cheville diminue pendant la marche, ce qui suggère en outre qu’une voûte plantaire mobile soutient la propulsion de la cheville. Notre méthode pourrait également être utilisée pour prédire les schémas de mouvement dynamiques dans les fusions articulaires chirurgicales. En fixant mathématiquement les articulations dans des positions connues, nous pouvons élucider les changements possibles le long de la chaîne cinématique. Par exemple, nous nous attendrions à ce que la fusion de l’articulation cunéo-naviculaire altère considérablement la propulsion, provoquant un décollage du pied plus tôt ou augmentant les besoins de force au niveau de la cheville. Ces résultats soulignent l’importance de préserver la mobilité de la voûte plantaire dans la pratique chirurgicale et la conception des chaussures.
| En conclusion , pendant la marche et la course bipèdes, le recul de la voûte médiale humaine fonctionne en conjonction avec la morphologie de la voûte médiale pour faciliter la locomotion verticale grâce à son effet sur la posture du talus, l’amplitude de mouvement de la cheville et le temps de contact. avec le sol. Nous soutenons que si les différences de hauteur de la voûte médiale peuvent distinguer visuellement les hominidés des autres primates, notre mobilité en flexion plantaire de la voûte plantaire est plus essentielle à notre capacité de locomotion sur deux pieds. Par conséquent, la cartographie des relations morphologie-mobilité chez nos proches et les humains existants, ainsi que les prédictions dynamiques à partir des archives fossiles, sont nécessaires pour comprendre les schémas locomoteurs de nos ancêtres. |
