Auteur(s): H. Faber, D. Kistemaker, A. Hof Titel: Reactie op: Overeenkomsten en verschillen in de functies van mono- en biarticulaire

Transcriptie

1 Auteur(s): H. Faber, D. Kistemaker, A. Hof Titel: Reactie op: Overeenkomsten en verschillen in de functies van monoen biarticulaire spieren Jaargang: 22 Jaartal: 2004 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: Overeenkomsten en verschillen in de functies van monoen biarticulaire spieren Functie van monoen bi-articulaire spieren: wat maakt het verschil? Herre Faber Dinant Kistemaker Ten geleide Allereerst willen wij dr. Hof hartelijk danken voor zijn artikel in deze uitgave van Versus. Zijn bijdragen zijn belangrijk in het veld van de biomechanica en dus ook voor de fysiotherapie. Het belang van biomechanica voor de fysiotherapie kunnen wij niet genoeg benadrukken. Het menselijk lichaam is een zeer complex samenspel van mechanische en (elektro-)chemische interacties. De mechanische aspecten van het bewegingsapparaat kunnen wij snappen op basis van de ondubbelzinnige wetten van Newton. Daarnaast is het zinvol om ziektebeelden van het bewegingsapparaat te analyseren met behulp van de mechanica. Iedere bijdrage aan het vergroten van onze kennis van de biomechanica juichen wij dan ook van harte toe. Dat neemt niet weg dat wij na het lezen van de bijdrage van dr. Hof enige kanttekeningen willen plaatsen. (On)mogelijkheden van mono-articulaire spieren Het eerste punt heeft betrekking op het door dr. Hof gemaakte verschil in de functionele mogelijkheden van monoen bi-articulaire spieren. Als voorbeeld geeft hij het onderste dode punt bij fietsen, waarbij door de voet een dwarskracht naar achter op de trapper geleverd moet worden. Hij zegt hierover: De hamstrings kunnen deze leveren. Wij nemen onder andere op basis van dit citaat aan dat dr. Hof daarmee bedoelt dat het voor mono-articulaire spieren moeilijk of wellicht onmogelijk is om deze dwarskracht te leveren. Deze gedachte lijkt echter in tegenspraak met de manier waarop de rest van zijn betoog is opgebouwd. Hierin wordt het effect van een bi-articulaire spier juist bepaald door de effecten van twee mono-articulaire spieren die over dezelfde gewrichten lopen als de bi-articulaire spier. Het effect van de bi-articulaire spier is vervolgens de optelsom van de afzonderlijke effecten. Hier is direct de conclusie uit te trekken dat iedere taak die een bi-articulaire spier kan uitvoeren ook per definitie door twee mono-articulaire spieren gedaan kan worden. Een limietgeval Daarnaast reconstrueert dr. Hof de actiekracht die een mono-articulaire spier uitoefent door gebruik te maken van het feit dat de richting van de actiekracht door de twee gewrichten verloopt die niet door deze spier worden overspannen. Echter, in het geval dat het been volledig gestrekt is, stuiten we met deze analyse op een probleem. De actiekracht van de mono-articulaire m. gluteus maximus (F 1 in figuur 1) moet zowel door het knie- als het enkelgewricht verlopen en daarmee in het verlengde van het onderbeen. Figuur 1. Heup, knie en enkel liggen bij een gestrekt been op één rechte lijn. De actiekrachten van monoarticulaire spieren (F 1 en F 2 ) kunnen daarom alleen in de lengterichting van het been verlopen. Hetzelfde, maar dan in omgekeerde richting, geldt voor een mono-articulaire heupbuiger (F 2 in figuur 1).

3 De actiekracht van een mono-articulaire kniestrekker of -buiger verloopt door de heup en de enkel. Bij een gestrekte knie liggen echter de heup, knie en enkel op één rechte lijn. Daarom zouden de actiekrachten van alle betrokken mono-articulaire spieren in de lengterichting van het been verlopen. Door deze wijze van analyseren is het alsof mono-articulaire spieren alleen actiekrachten in de lengterichting van het gestrekte been kunnen leveren. Dwarse actiekrachten lijken niet mogelijk. Een andere wijze van analyseren bewijst echter dat dwarse actiekrachten bij een gestrekt been met behulp van alleen mono-articulaire spieren wel degelijk mogelijk zijn (figuur 2). Figuur 2. Een dwarse actiekracht naar rechts (F a ) kan geleverd worden door momenten van mono-articulaire spieren rond heup (M f ), knie (M e ) en enkel (M d ). De momenten rond de gewrichten en de reactiekracht F r zijn dan in evenwicht. Een dwarse actiekracht naar rechts (F a ) betekent dat er een dwarse reactiekracht (F r ) naar links is gericht. Deze reactiekracht levert een flecterend moment rond de knie. Dit kan gecompenseerd worden met een extenderend moment van een mono-articulaire kniestrekker (M e ). De reactiekracht levert tevens een extenderend moment rond de heup en een plantair flecterend moment rond de enkel. Deze momenten worden gecompenseerd door een mono-articulaire heupbuiger (M f ) en een monoarticulaire dorsaal flector (M d ). De aanpak van dr. Hof is in een aantal gevallen wellicht inzichtelijker dan de voorgaande analyse. Echter, zijn methode kan niet altijd worden toegepast. De situatie met het gestrekte been leidt tot een schijnbaar onmogelijk situatie. Hoe kan dit? Het antwoord is te vinden in formule (3) van het artikel van dr. Hof: F H d = r Hm H F m Deze formule geeft de grootte van de actiekracht (F H ) als alleen een mono-articulaire heupspier aanspant met een kracht F m en een momentsarm d Hm rond het gewricht. De momentsarm r H van de actiekracht is bij een gestrekt been gelijk aan nul. Uit de formule blijkt nu dat er dan wordt gedeeld door nul, wat geen geldige wiskundige bewerking is. Dit treedt in deze stand ook op voor mono-articulaire spieren rond de knie en enkel. Sturing van spieren Een voordeel van de methode van dr. Hof is dat onmiddellijk duidelijk wordt dat een bi-articulaire spieren een principieel anders gerichte actiekracht kan hebben dan een mono-articulaire spier. Op basis daarvan concludeert dr. Hof: Ons lichaam heeft op deze manier meer keus in het samenstellen van krachten met een specifieke richting. Dit is op zich waar. Echter, wij betwijfelen of dit een positief punt is, zoals dr. Hof lijkt te suggereren. Binnen de biomechanica bestaat een bekend probleem: het indeterminacy problem. Kort gezegd komt dat erop neer dat als we bijvoorbeeld de elleboog willen buigen hiervoor minstens drie spieren beschikbaar zijn: de m. biceps brachii, de m. brachialis en de m. brachioradialis. Het probleem is nu dat de beweging in principe kan worden uitgevoerd door alleen de m. biceps brachii aan te spannen, maar bijvoorbeeld ook door uitsluitend de m. brachialis aan te spannen. Een andere mogelijkheid is dat de drie beschikbare spieren in een bepaalde verhouding aanspannen zodanig dat de juiste beweging wordt uitgevoerd. Het aantal combinaties van spierkrachten dat exact dezelfde beweging oplevert, is oneindig groot. Dit is niet alleen een probleem voor de biomechanica, maar in principe ook voor ons zenuwstelsel. Welke combinatie van spierkrachten moet het zenuwstelsel immers kiezen? Het introduceren van extra "keuzemogelijkheden" levert daarom naar ons idee niet per definitie een voordeel op.

4 Het voorgaande suggereert wellicht dat wij van opvatting zijn dat bi-articulaire spieren geen enkel voordeel bieden boven mono-articulaire spieren. Dit zou echter een verkeerde conclusie zijn. Het werk van van Ingen Schenau (1) heeft naar ons idee duidelijk aangetoond dat samenwerking tussen monoen bi-articulaire spieren een groot energetisch voordeel kan opleveren. Ons zenuwstelsel heeft door de aanwezigheid van bi-articulaire spieren de keuze om excentrische contracties (en de daarmee gepaard gaande energieverliezen) door mono-articulaire spieren te voorkómen. LITERATUUR 1. Ingen Schenau, G.J. van. From rotation to translation: constraints on multi-joint movements and the unique action of biarticular muscles. Human Movement Science, 8, 1989: DUPLIEK VAN DE AUTEUR Overeenkomsten en verschillen in de functies van monoen biarticulaire spieren At Hof (On-)mogelijkheden van mono-articulaire spieren De opmerking, dat de functie van een bi-articulaire spier ook kan worden verricht door twee mono-articulaire spieren, is helemaal juist. De vraag is echter of een dergelijke vervanging ook efficiënt is. Dit is nu net ook het probleem dat in het geciteerde artikel van Van Ingen Schenau aan de orde wordt gesteld (2). Ik heb deze vraag in het Versus artikel niet behandeld, wel in het oorspronkelijke artikel in J. Biomechanics (1). Het blijkt dat de hoofdrichting van een spier niet alleen de richting is waarin de actiekracht is gericht, als alleen de betreffende spier actief zou zijn, maar ook de richting is waarin deze spier de meeste arbeid levert bij een verplaatsing in die richting. Een (kleine) verplaatsing in die richting gaat namelijk gepaard met de grootste hoekverdraaiïng in het betreffende gewricht en de grootste verkorting van de spier. Een verplaatsing in de tegengestelde richting geeft de maximale (excentrische) spier verlenging, een verplaatsing loodrecht op de hoofdrichting geeft net geen hoekverdraaiïng en geen verlenging of verkorting van de spier. De spier kan in die richting dus geen arbeid leveren. Een en ander is het eenvoudigst in te zien door te bedenken dat de door de spier geleverde arbeid (moment hoekverdraaiing) gelijk moet zijn aan de arbeid verricht aan het eindpunt (kracht component van de verplaatsing in de richting van de kracht). Een zeer uitgebreide (maar ook uitgesproken pittige) behandeling van dit probleem staat in Hoofdstuk 2 van Zatsiorsky (3). Kort en goed: in zijn hoofdrichting werkt een spier het best. Moet er kracht uitgeoefend of arbeid geleverd worden in een bepaalde richting, dan moet dat in het algemeen steeds gebeuren door meer dan één spier in te schakelen, immers de gevraagde richting zal in het algemeen niet met een hoofdrichting samenvallen. Er moeten dus twee of meer spieren worden geactiveerd. Het is dan het meest efficiënt spieren in te schakelen met hoofdrichtingen die ongeveer de goede kant op gericht zijn. De aanwezigheid van bi-articulaire spieren zorgt ervoor dat er meer variatie aan hoofdrichtingen beschikbaar is. Een voorbeeld is de werking van de hamstrings (figuur 1e in het originele artikel). Zou er arbeid verricht moeten worden in de hoofdrichting van de hamstrings door een mono-articulaire heupstrekker + een mono-articulaire kniebuiger, dan zou de heupstrekker excentrisch contraheren. Een deel van de

5 arbeid geleverd door de kniebuiger zou dus geabsorbeerd worden in de heupstrekker. Hebben bi-articulaire spieren een bijzondere functie? Ik zou zeggen, nee, ze zijn even bijzonder als mono-articulaire spieren. Maar wel bijzonder in de zin dat ze bijdragen aan een gevarieerd aanbod aan hoofdrichtingen. Een limietgeval Het voorbeeld dat wordt aangehaald in figuur 1 en 2 van de reactie is inderdaad een grensgeval. Bij volledig gestrekte knie is de actiekracht van de heupstrekkers of buigers onbepaald. Ga maar na: het volledig gestrekte been kan heel grote krachten in de lengterichting gewoon "met de botten" opvangen, zonder enige spierwerking. Een dwarskracht uitoefenen, als in het gegeven voorbeeld, is inderdaad mogelijk, maar het vereist wel de gecoördineerde actie van drie spiergroepen. En de uitgeoefende kracht is maar klein, probeer het maar! LITERATUUR 1. Hof,A.L. The force resulting from the action of mono- and biarticular muscles in a limb. J Biomech 2001, 34: Van Ingen Schenau, G.J. From rotation to translation: constraints on multi-joint movements and the unique action of bi-articular muscles. Hum. Mov. Sci. 1998, 8: Zatsiorsky,V.M. Kinetics of human motion. Human Kinetics, Champaign Ill, 2002.