Riepilogo Sviluppare la capacità di camminare e correre abitualmente in posizione eretta su due piedi è una delle trasformazioni più significative avvenute nell’evoluzione umana. Molti adattamenti muscoloscheletrici hanno consentito la locomozione bipede, compresi drammatici cambiamenti strutturali del piede e, in particolare, l’evoluzione di un arco mediale alto. In precedenza si riteneva che la struttura arcuata del piede svolgesse un ruolo centrale nella propulsione diretta del centro di massa in avanti e verso l’alto attraverso le dita e nel ritorno di energia simile a una molla. Tuttavia, non è chiaro se la mobilità in flessione plantare e l’altezza dell’arco mediale supportino la sua funzione di leva propulsiva. Abbiamo utilizzato misurazioni a raggi X biplanari ad alta velocità del movimento delle ossa del piede in sette partecipanti mentre camminavano e correvano e abbiamo confrontato il loro movimento con un modello specifico del soggetto senza rinculo dell’arco. Abbiamo dimostrato che, indipendentemente dalle differenze intraspecifiche nell’altezza dell’arco mediale, l’arretramento dell’arco consente un tempo di contatto più lungo e condizioni favorevoli di propulsione alla caviglia per la camminata eretta con una gamba estesa. L’articolazione cuneiforme navicolare-mediale, spesso trascurata, è la principale responsabile del rinculo dell’arco negli archi umani. Il meccanismo attraverso il quale il rinculo dell’arco consente una postura eretta della caviglia potrebbe aver contribuito a guidare l’evoluzione dell’arco longitudinale dopo il nostro ultimo antenato comune con gli scimpanzé, a cui manca la mobilità della flessione plantare dell’arco durante l’affondo. Future indagini morfologiche dell’articolazione cuneiforme navicolare-mediale forniranno probabilmente nuove interpretazioni della documentazione fossile. Il nostro lavoro suggerisce inoltre che consentire l’arretramento dell’arco mediale nelle calzature e negli interventi chirurgici può essere fondamentale per mantenere la naturale capacità di propulsione della caviglia. |
FIGURA . (A) L’ipotesi di propulsione del centro di massa (COM) suggerisce che sia il rinculo dell’arco plantare che la leva del piede possono elevare il COM. (B) Leve con il piede attorno al fulcro dell’articolazione metatarso-falangea.
Commenti
Gli scienziati hanno scoperto che il calcio creato dall’arco flessibile dei piedi umani aiuta a posizionare le gambe nella postura ottimale per avanzare nella camminata bipede. Comprendere come le nostre articolazioni aiutano gli esseri umani moderni a camminare in posizione eretta potrebbe aiutarci a monitorare l’evoluzione del bipedismo e migliorare la cura dei pazienti con problemi ai piedi.
Un nuovo studio ha dimostrato che gli esseri umani potrebbero aver sviluppato un arco a molla per aiutarci a camminare su due piedi. I ricercatori che studiano l’evoluzione della camminata bipede presuppongono da tempo che l’arco alto del piede ci aiuti a camminare agendo come una leva che spinge il corpo in avanti. Ma un team globale di scienziati ha ora scoperto che il rinculo flessibile dell’arco riposiziona la caviglia in posizione verticale per una camminata più efficace. Gli effetti sulla corsa sono maggiori, suggerendo che la capacità di correre in modo efficiente avrebbe potuto essere una pressione selettiva per un arco flessibile che rendeva anche la camminata più efficiente. Questa scoperta potrebbe anche aiutare i medici a migliorare i trattamenti per i problemi ai piedi nei pazienti di oggi.
"Inizialmente pensavamo che l’arco a molla aiutasse a sollevare il corpo al passo successivo", ha detto la dottoressa Lauren Welte, prima autrice dello studio su Frontiers in Bioengineering and Biotechnology , che ha condotto la ricerca alla Queen’s University e all’It. è ora affiliato con l’Università del Wisconsin-Madison. "Si scopre che, invece, l’arco a molla si sposta indietro per aiutare la caviglia a sollevare il corpo."
Passo dopo passo
L’evoluzione dei nostri piedi, compreso l’arco mediale alto che ci differenzia dalle grandi scimmie, è cruciale per la deambulazione bipede. Si pensa che l’arco dia agli ominidi più forza quando camminano in posizione eretta: il meccanismo non è chiaro, ma quando il movimento dell’arco è limitato, correre richiede più energia. Il rinculo dell’arco plantare potrebbe potenzialmente renderci corridori più efficienti spingendo in avanti la massa centrale del corpo o compensando il lavoro meccanico che i muscoli altrimenti dovrebbero fare.
Per indagare su queste ipotesi, il team ha selezionato sette partecipanti con mobilità dell’arco plantare variabile, che camminavano e correvano mentre i loro piedi venivano filmati da telecamere di motion capture a raggi X ad alta velocità. È stata misurata l’altezza dell’arco plantare di ciascun partecipante ed è stata eseguita una TAC del piede destro. Gli scienziati hanno creato modelli rigidi e li hanno confrontati con il movimento misurato delle ossa del piede per testare l’effetto della mobilità dell’arco plantare sulle articolazioni adiacenti. Hanno anche misurato quali articolazioni contribuivano maggiormente al rinculo dell’arco plantare e il contributo del rinculo dell’arco plantare al centro di massa e alla propulsione della caviglia.
Tendenza al bipedismo
Sebbene gli scienziati si aspettassero di scoprire che il rinculo dell’arco plantare aiutasse la leva dell’arco rigido a sollevare il corpo, hanno scoperto che un arco rigido senza rinculo faceva sì che il piede si sollevasse da terra prima, il che probabilmente diminuiva l’efficienza dei muscoli dell’arco. polpaccio o inclinato troppo in avanti le ossa della caviglia. L’inclinazione in avanti riflette la postura degli scimpanzé che camminano, piuttosto che la postura eretta caratteristica del cammino umano. L’arco flessibile ha aiutato a riposizionare la caviglia in posizione verticale, consentendo alla gamba di sollevarsi da terra in modo più efficace. Questo effetto è ancora maggiore durante la corsa, suggerendo che la corsa efficiente potrebbe aver rappresentato una pressione evolutiva a favore dell’arco flessibile.
Gli scienziati hanno anche scoperto che l’articolazione tra due ossa nell’arco mediale, il navicolare e il cuneiforme mediale, è cruciale per la flessibilità dell’arco. I cambiamenti in questa articolazione potrebbero aiutarci a tracciare lo sviluppo del bipedismo nella documentazione fossile degli ominidi.
"La mobilità dei nostri piedi sembra permetterci di camminare e correre in posizione eretta piuttosto che piegarci in avanti o fare il passo successivo troppo presto", ha detto l’autore principale, il dottor Michael Rainbow della Queen’s University.
Potenziale terapeutico
Questi risultati suggeriscono anche strade terapeutiche per le persone il cui arco plantare è rigido a causa di lesioni o malattie: sostenere la flessibilità dell’arco plantare potrebbe migliorare la mobilità complessiva.
"Il nostro lavoro suggerisce che consentire all’arco di muoversi durante la propulsione rende il movimento più efficiente", ha affermato Welte. "Se limitiamo il movimento dell’arco plantare, è probabile che si verifichino cambiamenti corrispondenti nella funzione delle altre articolazioni."
"In questa fase, la nostra ipotesi richiede ulteriori test perché dobbiamo verificare che le differenze nella mobilità dei piedi nella popolazione portino ai tipi di cambiamenti che vediamo nel nostro campione limitato", ha detto Rainbow. “Detto questo, il nostro lavoro pone le basi per una nuova entusiasmante strada di ricerca”.
Applicazioni
Abilitare la mobilità in flessione plantare dell’arco ha molte applicazioni importanti, tra cui la progettazione di calzature, la comprensione della patologia e la pratica chirurgica. Alcune modifiche alle calzature, come l’aumento della rigidità flessionale della suola della scarpa o l’utilizzo di inserti che restringono l’arco plantare, riducono la flessione plantare dell’arco plantare e possono rispettivamente modificare le condizioni contrattili muscolari della caviglia durante la locomozione o aumentare il costo del metabolismo. operante a livello del suolo.
I nostri risultati hanno implicazioni anche per le persone con piedi naturalmente rigidi o patologie del piede (come l’artrosi) che riducono la mobilità dell’arco plantare. Quando le articolazioni tarsali vengono fuse chirurgicamente, la potenza della caviglia diminuisce durante la deambulazione, suggerendo inoltre che un arco mobile supporta la propulsione della caviglia. Il nostro metodo potrebbe anche essere utilizzato per prevedere modelli di movimento dinamico nelle fusioni articolari chirurgiche. Fissando matematicamente i giunti in posizioni note, possiamo chiarire possibili cambiamenti lungo la catena cinematica. Ad esempio, ci aspetteremmo che la fusione dell’articolazione cuneonavicolare comprometta sostanzialmente la propulsione, facendo sì che il piede si sollevi da terra prima o aumentando la richiesta di forza alla caviglia. Questi risultati evidenziano l’importanza di preservare la mobilità dell’arco plantare nella pratica chirurgica e nella progettazione delle scarpe.
| In conclusione , durante la camminata e la corsa bipede, l’arretramento dell’arco mediale umano funziona in combinazione con la morfologia dell’arco mediale per facilitare la locomozione eretta attraverso il suo effetto sulla postura dell’astragalo, sul range di movimento della caviglia e sul tempo di contatto. con il terreno. Noi sosteniamo che mentre le differenze nell’altezza dell’arco mediale possono distinguere visivamente gli ominidi dagli altri primati, la mobilità della flessione plantare del nostro arco è più critica per la nostra capacità di locomozione su due piedi. Pertanto, per comprendere i modelli locomotori dei nostri antenati, sono necessari la mappatura delle relazioni morfologia-mobilità nei nostri parenti e negli esseri umani esistenti, così come le previsioni dinamiche avanzate dalla documentazione fossile. |
