《Journal of Biomechanics》：Generalized modules reflect similar biomechanical subtasks across skipping and running
编辑推荐：
肌肉模块在跳跃与跑步中的组成及泛化差异分析。采用非负矩阵分解和EMG数据提取，六名健康成年人双带跑步机完成2.5m/s的跳跃和跑步试验。结果显示：跳跃和跑步均需3-4个模块控制，组水平发现3个通用模块（涉及下肢稳定与基础运动），个体层面至少存在1个通用模块。跳跃特有的 hop 步态导致胫骨前肌和臀中肌出现特定模块，而跑步因无双支撑相位需不同肌群组合。研究表明两者共享基础运动模块，但步态差异引发特定肌肉控制策略，未来需进一步探究个体泛化差异的影响因素。
阿比盖尔·K·萨尔瓦多（Abigail K. Salvadore）|约翰·D·威尔逊（John D. Willson）|保罗·德维塔（Paul DeVita）|理查德·R·尼普顿（Richard R. Neptune）|莎拉·A·罗尔克（Sarah A. Roelker）
美国马萨诸塞大学阿默斯特分校运动学系
摘要
研究表明，单脚跳与跑步在生物力学和代谢方面存在差异，这表明神经系统在执行单脚跳时可能需要采用不同的运动控制策略。可以通过肌肉模块来比较不同步态下的运动控制策略，这些模块基于哪些肌肉被同时激活（模块组成），以及是否在多种步态中使用相同的模块组合（模块泛化）。本研究的目的是识别并比较单脚跳和跑步的模块组成，并确定这两种步态之间的模块泛化情况。六名健康的年轻成年人在跑步机上以2.5米/秒的速度进行了10秒的单脚跳和跑步测试，同时从8块肌肉中收集了肌电图（EMG）数据。通过非负矩阵分解技术从肌电图数据中提取了运动模块。通过分析模块权重的相关性，确定了模块在群体和个体层面的泛化程度。参与者控制单脚跳需要3.7±0.5个模块（范围：3–4个），而控制跑步需要3.8±0.4个模块（范围：3–4个）。在群体层面，有3个模块在两种步态中均表现出泛化现象；在个体层面，每位参与者至少有一个泛化模块。这些泛化模块在两种步态中参与了相似的生物力学子任务，表明它们的总体运动任务需求相似。单脚跳的独特生物力学要求导致胫骨前肌和臀中肌在步态中的控制方式有所不同。未来需要进一步研究影响个体在运动任务中泛化程度的因素，以及泛化程度是否会影响每种步态的表现。
引言
单脚跳是一项具有挑战性的基本运动技能，它将两种不同的动作（一步和一次跳跃）结合成一个步态（McDonnell等人，2017年；Roberton和Halverson，1984年），同时包含了行走（短暂的双肢支撑阶段）和跑步（飞行阶段）的元素（McDonnell等人，2017年）。单脚跳常被用作体育运动的热身活动（Cissik，2004年），也被用作从行走过渡到跑步的康复训练方式（Davies等人，2015年；Johnson等人，2005年）。然而，单脚跳和跑步在生物力学和代谢方面存在差异。单脚跳的全身能量消耗更大（McDonnell等人，2019年；Minetti，1998年），垂直位移也更大（McDonnell等人，2017年），但肌肉力量冲动和峰值地面反作用力却较低（Roelker等人，2022年）。两种步态的关节扭矩也有所不同：单脚跳时髋关节扭矩最高，跑步时膝关节扭矩最高，单脚跳时踝关节扭矩最高（McDonnell等人，2017年）。此外，两种步态的关节接触力也不同，跑步时膝关节接触力较大，而髋关节和踝关节接触力较小（Roelker等人，2022年）。这些在肌肉、关节和全身层面的差异表明两种步态的生物力学需求不同。由于单脚跳是儿童发展的最后一种基本运动模式，它通常在具备基本的跳跃能力之后才会出现（Roberton和Halverson，1984年）。因此，尽管所有步态都需要基本的生物力学子任务，如身体支撑和前向推进，但两种步态之间的生物力学需求差异表明，用于执行跑步和单脚跳的神经控制策略可能具有各自的特点。例如，跑步和单脚跳都涉及髋关节和膝关节的伸展、踝关节的跖屈以及腿部摆动和脚趾离地等运动子任务。另一方面，单脚跳在跳跃过程中需要对对侧肢体进行快速的膝关节屈曲和踝关节背屈，而跑步则由于缺乏双肢支撑阶段，可能需要更高的内外侧稳定性。这些特定于任务的生物力学特性可能需要独特的控制策略。
个体的运动控制策略可以通过肌肉模块来量化（例如Allen等人，2017年；Clark等人，2010年；Sawers等人，2015年），这些模块也被称为肌肉协同作用。模块控制理论认为，神经系统不是单独控制每块肌肉，而是将一组肌肉（即模块）一起激活（Allen等人，2017年；Clark等人，2010年）。一种步态的模块控制策略可以通过复杂性（执行任务所需的模块数量）、组成（每个模块中包含哪些肌肉）和激活时机（运动过程中每个模块何时活跃）来描述（Ting和Macpherson，2005年）。更多的模块（即更高的复杂性）被认为意味着更好的适应运动任务变化的能力（Routson等人，2014年），而较低的复杂性则被认为意味着控制精细调节能力较差，与较差的任务表现和执行复杂任务的能力下降有关（Clark等人，2010年；Allen和Franz，2018年）。
在多种运动任务中使用相同的模块被称为模块泛化，这反映了个体的协调能力和运动功能，较高的泛化程度与更好的功能表现相关（Allen等人，2017年；Allen等人，2019年；Sawers等人，2015年）。已经对包括行走、跑步、单侧单脚跳（以下简称“飞奔”）和双侧单脚跳（以下简称“单脚跳”）在内的各种双足运动模式进行了模块泛化的研究。先前的研究表明，飞奔、行走和跑步都可以由4个模块控制，其中3个模块在多种步态中通用，第4个模块特定于相应的运动模式（Pequera等人，2021年）。在另一项研究中，5种中枢激活模式在单脚跳、行走和跑步过程中控制了32块肌肉（Ivanenko等人，2008年）。尽管不同步态的激活模式存在差异，但单脚跳的激活模式几乎是行走和跑步激活模式的叠加，反映了两种步态动作的结合。然而，这些中枢激活模式的肌肉组成并未在不同步态间进行比较；因此，目前尚不清楚神经系统在单脚跳和跑步过程中是否激活了不同的肌肉。关于是模块激活时机还是模块组成会根据任务需求发生变化，目前仍有争议，但据推测可能是这两种因素的结合（Lacquaniti等人，2012年）。因此，研究这两种激活模式和模块组成对于全面理解运动控制在不同步态中的变化非常重要。
虽然已经研究了行走、飞奔和单脚跳的模块控制机制，但单脚跳中每个模块的具体组成及其与个体激活模式的关系尚未确定。识别控制单脚跳所使用的模块组成将基于之前的模块控制复杂性和激活模式的研究，进一步探讨神经系统如何协调单脚跳与跑步，并确定这两种步态控制中的泛化现象。因此，本研究的目的是识别并比较单脚跳和跑步的模块组成，以及确定这两种步态中的模块泛化和特定于步态的模块。根据现有文献，我们假设单脚跳和跑步的模块组成有相似之处，从而产生泛化模块；但由于任务需求的差异，需要特定于步态的模块。具体来说，跑步和单脚跳共享一些运动子任务，因此我们预计泛化模块会反映这种在生物力学上的重叠。此外，鉴于每种步态的独特性（如单脚跳中的跳跃和跑步中缺乏双肢支撑阶段），我们假设每种步态至少有一个特定于该步态的模块。
方法
六名健康的年轻成年人（3名女性，平均年龄21.7±1.3岁，身高1.7±0.1米，体重69.9±12.4公斤）参与了本研究。所有参与者在参与前都签署了知情同意书。所有程序均获得了东卡罗来纳大学机构审查委员会的批准。
参与者在双带跑步机上以2.5米/秒的速度进行了10秒的单脚跳和跑步测试（Bertec USA，Worthington，OH）。参与者有时间熟悉该速度下的单脚跳和跑步动作。
结果
所有参与者均表示在跑步机上感到舒适（平均得分：0.17±0.37；范围：0–1），在单脚跳上也同样或更舒适（平均得分：0.83±0.69；范围：0–2）。参与者控制单脚跳时使用了3或4个模块（平均数：3.7±0.5），控制跑步时使用了3或4个模块（平均数：3.8±0.4）。尽管两种步态所需的模块数量没有差异（p=0.97），但跑步的tVAF值高于单脚跳的tVAF值。
讨论
本研究的目的是：1）识别并比较单脚跳和跑步的模块组成；2）确定这两种步态之间的模块控制泛化程度。我们假设跑步和单脚跳会共享一些泛化模块，这些模块反映了两种步态中共有的生物力学子任务的控制。研究结果支持这一假设，所有参与者都表现出一定程度的模块泛化。我们进一步假设参与者会使用特定于步态的模块。
结论
本研究发现了跑步和单脚跳之间的控制泛化现象，这支持了循环运动任务具有共同基础的观点。尽管参与者之间的模块组成存在差异，但所有模块都可以归为四个主要组成部分，包括执行独立跖屈控制的泛化模块、耦合的髋关节和膝关节伸展控制模块，以及耦合的膝关节和踝关节屈曲控制模块。这些模块与相似的生物力学过程相关。
CRediT作者贡献声明
阿比盖尔·K·萨尔瓦多（Abigail K. Salvadore）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、数据分析、正式分析。
约翰·D·威尔逊（John D. Willson）：撰写——审稿与编辑、方法论、数据管理。
保罗·德维塔（Paul DeVita）：撰写——审稿与编辑、方法论、数据管理。
理查德·R·尼普顿（Richard R. Neptune）：撰写——审稿与编辑、监督、方法论、概念构建。
莎拉·A·罗尔克（Sarah A. Roelker）：撰写——审稿与编辑、数据可视化、验证、监督、软件应用、方法论、正式分析。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的研究结果。
