Versus Tijdschrift voor Fysiotherapie, 14e jrg 1996, no. 6 (pp )

Transcriptie

1 Auteur(s): G. J. van Ingen Schenau Titel: Reaktie op: Efficiënte besturing van vrijheidsgraden. Bewegen is meer dan efficiënt. Jaargang: 14 Jaartal: 1996 Nummer: 6 Oorspronkelijke paginanummers: Deze online uitgave mag, onder duidelijke bronvermelding, vrij gebruikt worden voor (para-) medische, informatieve en educatieve doeleinden en ander niet-commercieel gebruik. Zonder kosten te downloaden van:

2 REACTIE OP (1) EFFICIËNTE BESTURING VAN VRIJHEIDSGRADEN. H.Faber. VERSUS, 14e jaargang 1996, no. 5. Het is ons een eer en genoegen de volgende reactie te plaatsen. Deze is afkomstig van prof. dr. ir. G.J. van Ingen Schenau. Professor van Ingen Schenau studeerde natuurkunde aan de Technische Universiteit in Delft en schreef zijn proefschrift over de vermogensbalans bij het schaatsen. Momenteel is hij werkzaam aan de Vrije Universiteit in Amsterdam bij de Faculteit Bewegingswetenschappen en heeft meer dan 200 wetenschappelijke publicaties in vooraanstaande internationale tijdschriften op zijn naam staan. Bewegen is meer dan efficiënt Gerrit Jan van Ingen Schenau Faculteit der Bewegingswetenschappen, Vrije Universiteit Gerrit Jan van Ingen Schenau In een recente bijdrage aan dit tijdschrift (Versus 14(5), ) laat Herre Faber onder de titel "Efficiënte besturing van vrijheidsgraden" zien dat het grote aantal mono-articulaire spieren dat een gewricht overspant wellicht minder redundant is dan we op het eerste gezicht zouden kunnen denken. Hij verzocht mij op dit artikel een reactie te geven, waaraan ik graag voldoe. Vooraf wil ik echter graag een uitspraak van Galenus ( na Chr.) citeren die laat zien dat velen al milennia lang de overtuiging zijn toegedaan dat het aantal spieren van ons bewegingsapparaat vermoedelijk helemaal niet redundant is. Galenus stelde in dit verband: "Nature, just in everything has made the size of the muscles to accord with the usefulness of the actions they must perform" De usu partium I, 171 (vertaling door M.T. May). Op dergelijke teleologische gronden denk ik dat het vruchtbaarder is om te zoeken naar mogelijke u- nieke functies van spieren dan om te denken dat we er onnodig veel hebben. Het artikel van Herre Faber past uitstekend in deze traditie. Een aantrekkelijke theorie Samengevat in mijn eigen woorden (en aangenomen dat ik het goed heb begrepen) komt de beschouwing van Faber er op neer dat het ook voor mono-articulaire spieren nuttig kan zijn om meer dan één vrijheidsgraad (in dit geval dus in één gewricht) te beïnvloeden aangezien in een gewricht met meer vrijheidsgraden conflicten kunnen ontstaan tussen de gewenste bewegingsrichtingen in de verschillende vrijheidsgraden en de benodigde momenten in die zelfde richtingen. Aangezien bij eenzelfde beweging voor wat betreft de gewrichtshoekveranderingen zeer uiteenlopende krachten op de omgeving moeten worden uitgeoefend, zullen de benodigde hoekveranderingen gepaard moeten gaan met steeds weer andere combinaties van momenten. Faber laat zien dat het nuttig (hier: efficiënt) is om spieren te hebben die in alle mogelijke combinaties kunnen voorkomen dat er energie verkwist wordt. Daar (ook internationaal) de meeste auteurs op het gebied van multi-joint bewegingen zich (voorzover er al rekening wordt gehouden met externe krachten) beperken tot beschouwingen van bewegingen in

3 het platte vlak, heb ik de indruk dat deze theorie met betrekking tot het nut van de vele verschillende mono-articulaire spieren die één gewricht blijken te overspannen nooit eerder in deze bewoordingen is gelanceerd. (Voorzover mij bekend heeft alleen het werk van de Nijmeegse hoogleraar Gielen en dat van mijn naaste collega Dirk Jan Veeger enkele duidelijke raakvlakken). Het is bovendien een aantrekkelijke theorie in de zin dat er voorspellingen uit voortvloeien die experimenteel zijn te toetsen. Indien uit daadwerkelijk gemeten spieractivaties zou blijken in experimenten als bijvoorbeeld die met de halter met ongelijke massaverdeling dat deze theorie bevestigd wordt, dan zou de auteur zeker ook internationaal opzien kunnen baren. Vandaar dat ik bepaald gecharmeerd ben van zijn beschouwing. Dit neemt echter niet weg dat er bij zijn theorie (en die van mij waardoor de auteur zegt te zijn geïnspireerd) best een aantal relativerende kanttekeningen zijn te plaatsen. Het voorkómen van excentrische contracties Een belangrijk uitgangspunt van Faber's beschouwing is dat zoveel mogelijk moet worden voorkomen dat spieren in excentrische contracties mechanische arbeid aan het systeem onttrekken en omzetten in warmte. Dit is inderdaad inefficiënt, aangezien bij gegeven externe arbeid elke intern verkwiste Joule arbeid door andere (concentrisch contraherende) spieren tegen een mechanische efficiëntie van zo'n 30% zal moeten worden gecompenseerd. Vooralsnog is het echter onduidelijk of een minimalisatie van excentrische contracties inderdaad gezien kan worden als een belangrijk principe op grond waarvan de activatie van mono- en poly-articulaire spieren kan worden begrepen. Dit deel van het artikel vind ik dan ook wat te zwaar aangezet. Spieracties zijn nodig voor zeer uiteenlopende taakvereisten. Faber geeft zelf het voorbeeld dat bij het neerkomen na een sprong spieren juist wel veel energie moeten dissiperen. Echter ook bij aanwijstaken, grijpen van voorwerpen, evenwichtsregulatie en vele andere taken die niet een groot beroep doen op onze aërobe en anaërobe capaciteiten, lijkt een minimalisatie van excentrische contracties niet echt voor de hand te liggen. Indien een grote stijfheid van het eindpunt van een extremiteit geboden is (om bijv. snel en krachtig op een verstoring te kunnen reageren), dan blijken er sterke co-activaties van mono-articulaire (echte) antagonisten op te treden met dus bij elke beweging ook onvermijdelijke excentrische contracties. We voeren dus wel degelijk veel bewegingen uit op een minder efficiënte wijze dan theoretisch mogelijk is om bepaalde specifieke taakvereisten te vervullen. Het lijkt overigens waarschijnlijk dat ook zonder energetische overwegingen de vele mono-articulaire spieren die verschillende vrijheidsgraden in een gewricht beïnvloeden de flexibiliteit (zoals bijv. de stijfheid tegen verstoringen in verschillende richtingen in de 3-dimensionale ruimte) zullen verhogen in vergelijking met simpele sets van twee antagonisten per vrijheidsgraad. Aan de andere kant kunnen er zeker ook argumenten worden aangevoerd ten voordele van een efficiënt spiergebruik. Bij locomotie en andere zich herhalende bewegingspatronen zal een zuinig omspringen met de beschikbare metabole energie zeker een aspect zijn geweest dat de overlevingskans van onze verre voorouders positief heeft beïnvloed. Het is daarom verbazingwekkend dat minimalisatie van energieverbruik nog nauwelijks een rol speelt in onderzoek van specialisten die de z.g. optimal control theorie toepassen om grip te krijgen op principes op grond waarvan het centrale zenuwstelsel het indeterminacy problem zou kunnen oplossen. Bij deze benadering wordt uitgegaan van z.g. cost functions waarmee meestal spierkracht of een afgeleide daarvan binnen de perken wordt gehouden. In lijn met Faber ben ik van mening dat in veel gevallen een minimalisatie van energieverbruik een veel serieuzere kandidaat is. In relatie tot de intermusculaire coördinatie van mono- en bi-articulaire spieren moet voorts nog worden benadrukt dat mijn ideeën over de unieke rol van bi-articulaire spieren bepaald niet alleen waren gebaseerd op energetische beschouwingen. In bijvoorbeeld het geval van de armtaak waar Faber naar verwijst, is het zeker niet zo dat in alle situaties excentrische contracties kunnen worden vermeden. Mijn oorspronkelijke hypothese was (en is) dat mono-articulaire spieren bij dit type taken worden geactiveerd als ze kunnen verkorten en dus kunnen bijdragen aan positieve arbeid (dus hier lijken excentrische contracties inderdaad te worden vermeden). Bi-articulaire spieren lijken de fijnregeling van de verdeling van de netto momenten over de betrokken gewrichten te waarborgen en daarmee de richting van de externe krachten. Zij doen dit echter onafhankelijk van de vraag of ze daartoe actief moeten verkorten of worden gerekt. De activatie van mono-articulaire spieren zou in dit model aan kunnen sluiten bij theorieën die er van uitgaan dat de gewenste bewegingsrichting van het eindpunt van een extremiteit een belangrijke parameter is op grond waarvan het brein spieracties specificeert. De organisatie van de activatie van bi-articulaire spieren zou dan in een parallel verlopend proces plaats moeten vinden onder geleide van veel meer informatie dan alleen de gewenste bewegingsrich-

4 ting. Hoewel uit experimenten met betrekking tot de evenwichtsregulatie van de kat evidentie valt te destilleren voor zo'n parallelle vorm van organisatie op relatief lage niveaus van het zenuwstelsel, laat recent (eigen) onderzoek bij de mens zien dat deze taakverdeling lang niet altijd optreedt; zelfs niet bij alle krachtige beenextensies. Kennelijk moet de veronderstelde taakverdeling van mono- en bi-articulaire spieren gezien worden als slechts één van de vele verschillende strategieën waar ons centrale zenuwstelsel uit kan kiezen in afhankelijkheid van de specifieke taakvereisten. Ondanks deze reserves hecht ik er aan om nogmaals mijn bewondering uit te spreken over de theorie van Herre Faber. Ik hoop dat hij in de gelegenheid is om deze ideeën nader te toetsen.

5 ANTWOORD VAN DE AUTEUR Versus Tijdschrift voor Fysiotherapie, 12e jrg 1994, no. 4 (pp ) Dank u zeer voor deze vriendelijke woorden. Ik zou bijna geneigd zijn het bij deze zin te laten, maar ik wil toch van de gelegenheid gebruik maken enkele punten te bespreken. U beschrijft dat er bij taken waarbij een grote stijfheid van het eindpunt van een extremiteit geboden is wel degelijk excentrische contracties (moeten) optreden. Dat is zeker waar. Coactivatie van spieren verhoogt de stijfheid van het systeem. De kracht-snelheidsrelatie van spieren ligt hieraan ten grondslag. Als een spier gerekt wordt blijkt een grotere kracht geleverd te worden dan bij een isometrische of concentrische contractie. Dit verschijnsel wordt door het zenuwstelsel geëxploiteerd om verstoringen te minimaliseren. Immers, de verstoring zal zorgen voor een excentrische contractie en door het feit dat bij een excentrische contractie veel kracht geleverd wordt, wordt de verstoring geminimaliseerd. De spier moet hiervoor wel geactiveerd zijn! Omdat een geactiveerde spier het overspannen gewricht zou laten bewegen, moet er eveneens een antagonist geactiveerd worden, omdat de impliciete opdracht is: houd het gewricht in dezelfde stand. Excentrische contracties zijn in dit geval onvermijdelijk. Het optimalisatiecriterium is in dit geval niet het minimaliseren van energieverbruik, maar het minimaliseren van de verstoring. Mijn theorie gaat dus inderdaad niet altijd op. De theorie zou wel toepasbaar kunnen zijn als het gaat om min of meer voorspelbare bewegingen. Zeker na enige oefening van de proefpersoon zou dit met behulp van EMG-metingen te verifiëren moeten zijn. Mijn theorie voorspelt in feite twee dingen: 1) De verhouding in activiteit tussen de m. pronator teres (een flexor/pronator) en de m. pronator quadratus (een pure pronator) zal bij verschillende combinaties van bewegingen en momenten verschillen. 2) In het voorbeeld met de ongelijk verdeelde massa verbruikt een elleboog uitgerust met een m. pronator teres minder energie dan een elleboog zonder m. pronator teres. ad 1) Hierbij kunnen twee situaties vergeleken worden. In situatie 1 is de gemaakte beweging supinatie en het te leveren moment supinerend. In situatie 2 is de gemaakte beweging flexie/supinatie en het te leveren moment flecterend/pronerend. Situatie 2 is in "Efficiënte besturing van vrijheidsgraden" uitgebreid beschreven. Er bestaan in de onderarm 2 pronatoren: de m. pronator teres en de m. pronator quadratus. Beide spieren zullen in zowel situatie 1 als situatie 2 actief zijn. De verwachting is echter dat de verhouding in activiteit tussen de twee spieren in beide situaties verschillend is. Deze verhouding wordt gedefiniëerd als de EMG-activiteit van de m. pronator teres gedeeld door de EMG-activiteit van de m. pronator quadratus. In situatie 2 zal deze verhouding naar verwachting hoger zijn dan in situatie 1. ad 2) Deze stelling is experimenteel als volgt te verifiëren. De beweging met de ongelijk verdeelde massa zoals beschreven in mijn artikel wordt uitgevoerd met een intacte elleboog en het energieverbruik wordt gemeten. Vervolgens wordt de m. pronator teres middels een verdovende stof uitgeschakeld. Nu wordt dezelfde beweging uitgevoerd en het energieverbruik weer gemeten. Het meten van het energieverbruik zal echter niet eenvoudig blijken. Echter, als de m. pronator überhaupt actief is tijdens de beschreven beweging kan naar mijn mening direct geconcludeerd worden dat er minder energie verbruikt wordt dan in de hypothetische situatie zonder m. pronator teres. Dit volgt direkt uit de wet van behoud van energie en de mechanische eigenschappen van spieren. Het ligt zeker in de bedoeling dergelijke experimenten uit te voeren ter verificatie of falsificatie van de beschreven theorie. Ik wil u nogmaals bedanken voor uw snelle en enthousiaste reactie. Het is belangrijk voor een inhoudelijk gericht fysiotherapeutisch tijdschrift als Versus dat de lezers reageren op de geplaatste artikelen en de discussie gaande blijft. Herre Faber