Human PhysiologyHuman PhysiologyФизиология человека0131-16463034-6150The Russian Academy of Sciences66399010.31857/S0131164624010061ArticlesСтатьиResearch ArticleInfluence of 21-day antiortostatic hypokinesia on the functional state of the musculoskeletal system of humanВлияние 21-суточной антиортостатической гипокинезии на функциональное состояние опорно-двигательного аппарата человекаShpakovА. V.ШпаковА. В.
Russian Federation
avshpakov@gmail.comPrimachenkoG. К.ПримаченкоГ. К.
Russian Federation
avshpakov@gmail.comVoronovА. V.ВороновА. В.
Russian Federation
avshpakov@gmail.comSokolovN. N.СоколовН. Н.
Russian Federation
avshpakov@gmail.comVoronovaА. A.ВороноваА. А.
Russian Federation
avshpakov@gmail.comPuchkovaА. A.ПучковаА. А.
Russian Federation
avshpakov@gmail.comInstitute of Biomedical Problems of the RASФГБУН ГНЦ РФ – Институт медико-биологических проблем РАНFederal Science Center of Physical Culture and Sport (VNIIFK)ФГБУ “Федеральный научный центр физической культуры и спорта”ФГБУН ГНЦ РФ – Институт медико-биологических проблем РАНInstitute of Biomedical Problems of the RAS04062024501728125022025Copyright ©; 2024, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2024, Российская академия наук2024Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://journals.eco-vector.com/0131-1646/article/view/663990

The influence of antiorthostatic hypokinesia with an inclination angle relative to the horizon of -6 degrees for 21 days was used as a ground model of the physiological effects of weightlessness. 10 practically healthy male volunteers (30.7 ± 5.4 years, 78.0 ± 8.5 kg, 179.7 ± 5.3 cm) took part in the experimental study, who successfully passed the medical expert commission of the SSC RF-IMBP RAS, familiarized with the study program and signed a voluntary informed consent to participate in the study. The state of the musculoskeletal system was assessed according to the results of speed-strength testing on an isokinetic dynamometer before hypokinesia and on the 3rd day after its completion. Staying in conditions of 21-day anti-orthostatic hypokinesia with a body inclination angle of –6° relative to the horizon, as a model of the physiological effects of weightlessness, leads to changes in the functional state of the musculoskeletal lower limbs which manifests itself during speed-strength testing after hypokinesia by a decrease in maximum voluntary force (MPF) of the knee joint extensor muscles from 9 to 15% compared with the base level. The decrease in MPF did not depend on a change in the force gradient, which reflects the ability to exert greater force in the shortest possible time. This indicated that the decrease in the MPF level after hypokinesia was mainly due to a change in the activity of slow motor units. At the same time, we assume that exposure to hypokinesia did not cause a significant change in the activity of fast motor units. This is confirmed by the results of the analysis of the electromyographic activity of the extensor muscles of the knee joint during testing on an isokinetic dynamometer. Also, after hypokinesia, the possibility of using muscle potential significantly decreased - the physiological cost of work increased with a decrease in strength indicators.

Воздействие антиортостатической гипокинезии (АНОГ) с углом наклона относительно горизонта –6º в течение 21-х сут использовали как наземную модель физиологических эффектов невесомости. В качестве испытателей в экспериментальном исследовании приняли участие 10 практически здоровых мужчин-добровольцев (30.7 ± 5.4 лет, 78.0 ± 8.5 кг, 179.7 ± 5.3 см). Состояние опорно-двигательного аппарата оценивали по результатам скоростно-силового тестирования на изокинетическом динамометре до гипокинезии и на 3 сут после ее завершения. Пребывание человека в условиях 21-суточной АНОГ с углом наклона тела –6º по отношению к горизонту, как модели физиологических эффектов невесомости, приводит к изменениям функционального состояния мышечного аппарата нижней конечности, что проявляется при выполнении скоростно-силового тестирования после АНОГ снижением максимальной произвольной силы (МПС) мышц-разгибателей коленного сустава от 9 до 15% по сравнению с исходным уровнем. Снижение показателей МПС не зависело от изменения градиента силы, отражающего способность проявлять большую силу в возможно более короткое время. Это указывало на то, что снижение уровня МПС после АНОГ происходило преимущественно за счет изменения в активности медленных двигательных единиц. При этом можно предполагать, что значительного изменения в деятельности быстрых двигательных единиц пребывание в условиях АНОГ не вызывало. Подтверждением этому служат результаты анализа электромиографической активности мышц-разгибателей коленного сустава при выполнении тестирования на изокинетическом динамометре. Также после АНОГ существенно снижались возможности использования мышечного потенциала – физиологическая стоимость работы увеличивалась при снижении силовых показателей.

antiorthostatic hypokinesiamaximal voluntary forceisokinetic testingelectromyographyантиортостатическая гипокинезиямаксимальная произвольная силаизокинетическое тестированиеэлектромиографияРоссийский научный фондThe Russian Science Foundation19-15-00435ПCromwell R.L., Scott J.M., Downs M. et al. Overview of the NASA 70-day bed rest study // Med. Sci. Sports Exerc. 2018. V. 50. № 9. P. 1909.Koryak Yu.А. [Influence of long-term space flight on the isokinetic concentric and eccentric peak torque of different muscles and concentric performance capability of muscle knee extension] // Int. J. Appl. Basic Res. 2015. № 10. P. 674.Коряк Ю.А. Влияние продолжительного космического полета на изокинетический концентрический и эксцентрический суставной момент разных мышц и концентрическую работоспособность мышц-разгибателей бедра // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2015. № 10. С. 674.Kukoba T.B., Babich D.R., Fomina E.V., Orlov O.I. [Changes in the muscle strength-velocity qualities under the modeled spaceflight effects in the conditions of 21-day dry immersion] // Aviakosm. Ekolog. Med. 2020. V. 54. № 4. P. 23.Кукоба Т.Б., Бабич Д.Р., Фомина Е.В., Орлов О.И. Изменения скоростно-силовых качеств мышц при моделировании эффектов космического полета в условиях 21-суточной “сухой” иммерсии // Авиакосм. и эколог. мед. 2020. Т. 54. № 4. С. 23.Shenkman B.S., Nemirovskaya T.L., Belozerova I.N. et al. [Human skeletal muscle fibers after a long space flight] // Report Acad. Sciences. 1999. V. 367. № 2. P. 279.Шенкман Б.С. Немировская Т.Л., Белозерова И.Н. и др. Скелетно-мышечные волокна человека после длительного космического полета // Докл. Акад. наук. 1999. Т. 367. № 2. С. 279.Tesch P.A., Berg H.E., Bring D. et al. Effects of 17-day spaceflight on knee extensor muscle function and size // Eur. J. Appl. Physiol. 2005. V. 93. № 4. P. 463.Shenkman B.S., Grigoriev A.I., Kozlovskaya I.B. Gravity mechanisms in tonic motor system. neurophysiological and muscle aspects // Human Physiology. 2017. V. 43. № 5. P. 578.Шенкман Б.С., Григорьев А.И., Козловская И.Б. Гравитационные механизмы в тонической двигательной системе. Нейрофизиологические и мышечные аспекты // Физиология человека. 2017. Т. 43. № 5. С. 104.Kozlovskaya I.B. [Gravity and the tonic postural motor system] // Aviakosm. Ekolog. Med. 2017. V. 51. № 3. P. 5.Козловская И.Б. Гравитация и позно-тоническая двигательная система // Авиакосм. и эколог. мед. 2017. Т. 51. № 3. С. 5.Cherepakhin M.A., Pervushin V.I. [Influence of space flight on the neuromuscular apparatus of astronauts] // Space Biol. Med. 1970. V. 6. № 4. P. 46.Черепахин М.А., Первушин В.И. Влияние космического полета на нервно-мышечный аппарат космонавтов // Косм. биол. и мед. 1970. Т. 6. № 4. С. 46.Kakurin L.I., Cherepakhin M.A., Pervushin V.N. [Influence of space flight factors on muscle tone in humans] // Space Biol. Med. 1971. V. 5. № 2. P. 63.Какурин Л.И., Черепахин М.А., Первушин В.Н. Влияние факторов космического полета на мышечный тонус у человека // Косм. биол. и мед. 1971. Т. 5. № 2. С. 63.Bachl N., Baron R., Tschan H. et al. Principles of muscular efficiency under conditions of weightlessness // Wiener Medicinische Wochenschift. 1993. V. 143. № 23–24. Р. 588.Netreba A.I., Khusnutdinova D.R., Vinogradova O.L., Kozlovskaya I.B. Effect of dry immersion of various durations in combination with artificial stimulation of foot support zones upon force-velocity characteristics of knee extensors // J. Grav. Phys. 2006. V. 13. № 1. P. 71.Grigorieva L.S., Kozlovskaya I.B. [Influence of seven-day support unloading on the speed-strength properties of skeletal muscles] // Space Biol. Med. 1983. № 4. P. 21.Григорьева Л.С., Козловская И.Б. Влияние семисуточной опорной разгрузки на скоростно-силовые свойства скелетных мышц // Косм. биол. и мед. 1983. № 4. С. 21.Gevlich G.N., Grigorieva L.S., Boyko M.I., Kozlovskaya I.B. [Estimation of skeletal muscle tone by recording transverse stiffness] // Space Biol. Med. 1983. № 5. P. 86.Гевлич Г.Н., Григорьева Л.С., Бойко М.И., Козловская И.Б. Оценка тонуса скелетных мышц методом регистрации поперечной жесткости // Косм. биол. и мед. 1983. № 5. С. 86.Tomilovskaya E.S., Kozlovskaya I.B. [The role of support and weight unloading in the development of hypogravitational motor syndrome] // J. Evol. Biochem. Physiol. 2020. V. 56. № 7. P. 697.Томиловская Е.С., Козловская И.Б. Роль опорной и весовой разгрузки в развитии гипогравитационного двигательного синдрома // Журнал эволюционной биохимии и физиологии. 2020. Т. 56. № 7. С. 697.Grigoriev A.I., Kozlovskaya I.B., Markin A.A. et al. [One-year antiorthostatic hypokinesia (ANOG) – a physiological model of interplanetary space flight: monograph] / Eds. Grigorieva A.I., Kozlovskaya I.B. M.: Russian Academy of Sciences, 2018. P. 9.Григорьев А.И., Козловская И.Б., Маркин А.А. и др. Годичная антиортостатическая гипокинезия (АНОГ) – физиологическая модель межпланетного космического полета: монография / Под ред. Григорьева А.И., Козловской И.Б. М.: Российская академия наук, 2018. С. 9.Hermens H.J., Freriks B., Disselhorst-Klug C., Rau G. Development of recommendations for SEMG sensors and sensor placement procedures // J. Electromyogr. Kinesiol. 2000. V. 10. № 5. P. 361.McBride J.M., Triplett-McBride T., Davie A., Newton R.U. A comparison of strength and power characteristics between power lifters, Olympic lifters, and sprinters // J. Strength Cond. 1999. V. 13. № 1. P. 58.Zatsiorsky V.M. [The physical qualities of an athlete: the basics of the theory and methodology of education]. M.: Sport, 2020. 200 p.Зациорский В.М. Физические качества спортсмена: основы теории и методики воспитания. М.: Спорт, 2020. 200 с.Haff G.G., Nimphius S. Training principles for power // J. Strength Cond. 2012. V. 34. № 6. P. 2.Haff G.G., Ruben R.P., Lider J. A comparison of methods for determining the rate of force development during isometric midthigh clean pulls // J. Strength Cond. 2015. V. 29. № 2. P. 386.Koryak Yu.A. Isokinetic Force and Work Capacity After Long-Duration Space Station Mir and Short-Term International Space Station Missions // Aerosp. Med. Hum. Perform. 2020. V. 91. № 5. P. 422.Rittweger J., Albracht K., Flück M. et al. Sarcolab pilot study into skeletal muscle’s adaptation to long-term spaceflight // NPJ Microgravity. 2018. V. 4. P. 23.Kotov-Smolenskiy A.M., Khizhnikova A.E., Klochkov A.S. et al. Surface EMG: applicability in the motion analysis and opportunities for practical rehabilitation // Human Physiology. 2021. V. 47. № 2. P. 237.Котов-Смоленский А.М., Хижникова А.Е., Клочков А.С. и др. Поверхностная ЭМГ: применимость в биомеханическом анализе движений и возможности для практической реабилитации // Физиология человека. 2021. Т. 47. № 2. С. 122.Esposito F., Limonts E., Gobbo M. Electrical and mechanical response of finger flexor muscles during voluntary isometric contractions in elite rock-climbers // Eur. J. Appl. Physiol. 2009. V. 105. № 1. P. 81.Solomonow M., Baten C., Smit J. Electromyogram power spectra frequencies associated with motor unit recruitment strategies // J. Appl. Physiol. 1990. V. 68. № 3. P. 1177.Shpakov A.V., Voronov A.V., Artamonov A.A. et al. Biomechanical Characteristics of Walking and Running during Unloading of the Musculoskeletal System by Vertical Hanging // Human Physiology. 2021. V. 47. № 4. P. 419.Шпаков А.В., Воронов А.В., Артамонов А.А. и др. Биомеханические характеристики ходьбы и бега при разгрузке опорно-двигательного аппарата человека методом вертикального вывешивания // Физиология человека. 2021. Т. 47. № 4. С. 68.Wakeling J.M., Uehli K., Rozitis A.I. Muscle fibre recruitment can respond to the mechanics of the muscle contraction // J. R. Soc. Interface. 2006. V. 3. № 9. P. 533.Linnamo V., Moritani T., Nicol C., Komi P.V. Motor unit activation patterns during isometric, concentric and eccentric actions at different force levels // J. Electromyogr. Kinesiol. 2003. V. 13. № 1. Р. 93.