Arquitectura muscular

Disposición física de las fibras musculares a nivel macroscópico

La arquitectura muscular es la disposición física de las fibras musculares a nivel macroscópico que determina la función mecánica de un músculo . Hay varios tipos diferentes de arquitectura muscular que incluyen: paralelos, pennados e hidrostáticos. La producción de fuerza y ​​el engranaje varían según los diferentes parámetros musculares, como la longitud del músculo, la longitud de la fibra, el ángulo de penetración y el área de sección transversal fisiológica (PCSA). ^[1]

Tipos de arquitectura

Algunos tipos de arquitectura muscular.

Paralelo y pennado (también conocido como pinnado) son dos tipos principales de arquitectura muscular. También se puede considerar una tercera subcategoría, los hidrostáticos musculares . El tipo de arquitectura está determinado por la dirección en la que se orientan las fibras musculares en relación con el eje generador de fuerza . La fuerza producida por un músculo dado es proporcional al área de la sección transversal o al número de sarcómeros paralelos presentes. ^[2]

Paralelo

La arquitectura de los músculos paralelos se encuentra en los músculos donde las fibras son paralelas al eje generador de fuerza. ^[1] Estos músculos se utilizan a menudo para movimientos rápidos o extensos y se pueden medir mediante el área de sección transversal anatómica (ACSA). ^[3] Los músculos paralelos se pueden definir en tres categorías principales: correa, fusiforme o en forma de abanico.

Correa

Los músculos de la correa tienen forma de correa o cinturón y tienen fibras que corren longitudinalmente en la dirección de contracción. ^[4] Estos músculos tienen inserciones amplias en comparación con otros tipos de músculos y pueden acortarse aproximadamente entre un 40% y un 60% de su longitud en reposo. ^{[3] [4]} Se ha pensado que los músculos de la correa, como los músculos laríngeos , controlan la frecuencia fundamental utilizada en la producción del habla, así como en el canto. ^[5] Otro ejemplo de este músculo es el músculo más largo del cuerpo humano, el sartorio .

Fusiforme

Los músculos fusiformes son más anchos y de forma cilíndrica en el centro y se estrechan en los extremos. Esta forma general de músculos fusiformes a menudo se denomina huso. La línea de acción de este tipo de músculo discurre en línea recta entre los puntos de unión, que a menudo son tendones. Debido a la forma, la fuerza producida por los músculos fusiformes se concentra en un área pequeña. ^[3] Un ejemplo de este tipo de arquitectura es el bíceps braquial en humanos.

Convergente

Las fibras de los músculos convergentes o triangulares convergen en un extremo (generalmente en un tendón) y se extienden sobre un área amplia en el otro extremo en forma de abanico. ^{[3] [6] Los} músculos convergentes, como el pectoral mayor en los humanos, tienen un tirón más débil en el sitio de unión en comparación con otras fibras paralelas debido a su amplia naturaleza. Estos músculos se consideran versátiles debido a su capacidad para cambiar la dirección de tracción dependiendo de cómo se contraigan las fibras. ^[3]

Por lo general, los músculos convergentes experimentan diversos grados de tensión de la fibra. Esto se debe en gran parte a las diferentes longitudes y a los diferentes puntos de inserción de las fibras musculares. Los estudios en peces rata han analizado la tensión en estos músculos que tienen un tendón torcido. Se ha encontrado que la tensión se vuelve uniforme sobre la cara de un músculo convergente con la presencia de un tendón torcido. ^[7]

Pennate

A diferencia de los músculos paralelos, las fibras de los músculos pennados forman un ángulo con el eje generador de fuerza (ángulo de pennation) y, por lo general, se insertan en un tendón central. ^{[3] [8]} Debido a esta estructura, se pueden encontrar menos sarcómeros en serie, lo que resulta en una longitud de fibra más corta. ^{[2] [3]} Esto permite además que haya más fibras presentes en un músculo dado; sin embargo, existe una compensación entre el número de fibras presentes y la transmisión de fuerza. ^{[3] [8]} La fuerza producida por los músculos penados es mayor que la fuerza producida por los músculos paralelos. ^[3]Dado que las fibras pinnadas se insertan en ángulo, el área de la sección transversal anatómica no se puede utilizar como en los músculos de fibras paralelas. En cambio, el área de sección transversal fisiológica (PCSA) debe usarse para los músculos penados. Los músculos penados se pueden dividir a su vez en uni, bi- o multipennate.

Ángulo de fibra de un músculo pennado.

Unipennate

Los músculos unipennados son aquellos en los que las fibras musculares están orientadas en un ángulo de fibra con respecto al eje generador de fuerza y ​​están todas en el mismo lado de un tendón. ^[1] El ángulo de pennation en los músculos unipennate se ha medido en una variedad de longitudes de reposo y típicamente varía de 0 ° a 30 °. ^[1] El gastrocnemio lateral es un ejemplo de esta arquitectura muscular.

Bipennate

Los músculos que tienen fibras en los dos lados de un tendón se consideran bipennados. ^[1] El estapedio en el oído medio de los humanos, así como el recto femoral del cuádriceps son ejemplos de músculos bipintos.

Multipennate

El tercer tipo de subgrupo pennado se conoce como arquitectura multipennate. Estos músculos, como el músculo deltoides en el hombro de los humanos, tienen fibras que están orientadas en múltiples ángulos a lo largo del eje generador de fuerza. ^[1]

Hidrostáticos

Los hidrostáticos musculares funcionan independientemente de un sistema esquelético endurecido. Los hidrostáticos musculares suelen estar soportados por una membrana de tejido conectivo que mantiene constante el volumen. Mantener un volumen constante permite que las fibras estabilicen la estructura del músculo que de otra manera requeriría soporte esquelético. ^[9] Las fibras musculares cambian la forma del músculo al contraerse a lo largo de tres líneas generales de acción en relación con el eje largo: paralela, perpendicular y helicoidal. Estas contracciones pueden aplicar o resistir fuerzas de compresión a la estructura general. ^[10] Un equilibrio de fuerzas sincronizadas, compresivas y resistivas a lo largo de las tres líneas de acción, permite que el músculo se mueva de formas diversas y complejas. ^[10]

La contracción de las fibras helicoidales provoca el alargamiento y acortamiento del hidrostato. La contracción unilateral de estos músculos puede provocar un movimiento de flexión. Las fibras helicoidales pueden orientarse en arreglos para zurdos o diestros. La contracción de las fibras ortogonales provoca la torsión o torsión del hidrostato.

Generación de fuerza

La arquitectura muscular influye directamente en la producción de fuerza a través del volumen muscular, la longitud de la fibra, el tipo de fibra y el ángulo de penetración.

El volumen muscular está determinado por el área de la sección transversal. El área de la sección transversal anatómica es

${\displaystyle CSA={\frac {V}{l}}}$

donde

• ${\displaystyle \textstyle V}$ significa volumen
• ${\displaystyle \textstyle l}$ representa la longitud

En los músculos, una medición más precisa de CSA es la CSA fisiológica (PCSA) que tiene en cuenta el ángulo de la fibra.

${\displaystyle PCSA={\frac {m\cdot \cos \theta }{l\cdot \rho }}}$

donde

• ${\displaystyle \textstyle m}$ significa masa muscular
• ${\displaystyle \textstyle \theta }$ representa el ángulo de la fibra
• ${\displaystyle \textstyle l}$ representa la longitud de la fibra
• ${\displaystyle \textstyle \rho }$ significa densidad muscular

PCSA relaciona la fuerza producida por el músculo con la suma de las fuerzas producidas a lo largo del eje generador de fuerza de cada fibra muscular y está determinada en gran medida por el ángulo de separación. ^{[3] [8]}

La longitud de la fibra también es una variable clave en la anatomía muscular. La longitud de la fibra es el producto tanto del número de sarcómeros en serie en la fibra como de sus longitudes individuales. A medida que una fibra cambia de longitud, los sarcómeros individuales se acortan o alargan, pero el número total no cambia (excepto en escalas de tiempo prolongadas después del ejercicio y el acondicionamiento). Para estandarizar la longitud de la fibra, la longitud se mide en el pico de la relación longitud-tensión (L0), asegurando que todos los sarcómeros tengan la misma longitud. La longitud de la fibra (en L0) no afecta la generación de fuerza, al igual que la resistencia de una cadena no se ve afectada por la longitud. De manera similar, el aumento de la sección transversal de la fibra o las fibras múltiples aumentan la fuerza, como tener múltiples cadenas en paralelo.La velocidad se ve afectada de manera inversa: debido a que los sarcómeros se acortan a un cierto porcentaje por segundo bajo cierta fuerza, las fibras con más sarcómeros tendrán velocidades absolutas (pero no relativas) más altas.^[11] Los músculos con fibras cortas tendrán una PCSA más alta por unidad de masa muscular, por lo tanto, una mayor producción de fuerza, mientras que los músculos con fibras largas tendrán una PCSA más baja por unidad de masa muscular, por lo tanto, una producción de fuerza menor. Sin embargo, los músculos con fibras más largas se acortarán a velocidades absolutas mayores que un músculo similar con fibras más cortas. ^[2]

El tipo de fibra muscular se correlaciona con la producción de fuerza. Las fibras de tipo I son de oxidación lenta con un aumento lento de la fuerza y ​​una producción de fuerza baja en general. Las fibras de tipo I tienen un diámetro de fibra más pequeño y presentan una contracción lenta. Las fibras de tipo IIa son de oxidación rápida que presentan una rápida contracción y un rápido aumento de la fuerza. Estas fibras tienen tiempos de contracción rápidos y mantienen algo, aunque no una gran cantidad, de su producción de fuerza con actividad repetida debido a que son moderadamente resistentes a la fatiga. Las fibras de tipo IIb son glucolíticas rápidas que también exhiben una contracción rápida y un aumento rápido de la fuerza. Estas fibras muestran una producción de fuerza extremadamente grande, pero se fatigan fácilmente y, por lo tanto, no pueden mantener la fuerza durante más de unas pocas contracciones sin descanso.

Ángulo de pennation

El ángulo de pennation es el ángulo entre el eje longitudinal de todo el músculo y sus fibras. El eje longitudinal es el eje generador de fuerza del músculo y las fibras pinnadas se encuentran en un ángulo oblicuo. A medida que aumenta la tensión en las fibras musculares, también aumenta el ángulo de separación. Un ángulo de penetración mayor da como resultado que se transmita una fuerza menor al tendón. ^[9]

La arquitectura muscular afecta la relación fuerza-velocidad. Los componentes de esta relación son la longitud de la fibra, el número de sarcómeros y el ángulo de penetración. En los músculos pennados, por ejemplo, a medida que las fibras se acortan, el ángulo de pennation aumenta a medida que las fibras pivotan, lo que afecta la cantidad de fuerza generada. ^[2]

Relación de transmisión arquitectónica

La relación de transmisión arquitectónica (AGR) relaciona la velocidad contráctil de todo un músculo con la velocidad contráctil de una sola fibra muscular. El AGR está determinado por las demandas mecánicas de un músculo durante el movimiento. Los cambios en el ángulo de la pennación permiten un engranaje variable en los músculos pennados. ^[12] El ángulo de penetración variable también influye en la geometría de todo el músculo durante la contracción. El grado de rotación de la fibra determina el área de la sección transversal durante el curso del movimiento que puede resultar en aumentos del grosor o ancho del músculo. ^[12] El ángulo de separación se puede modificar mediante intervenciones de ejercicio ^[13]

	Relación de transmisión alta	Relación de transmisión baja
Relación de velocidad de contracción (músculo / fibra)	Músculo entero ≫ fibra muscular	Proporción aproximada de 1: 1
Fuerza desarrollada por todo el músculo	Contracciones de poca fuerza	Contracciones de mucha fuerza
Velocidad desarrollada por todo el músculo	Contracciones de alta velocidad	Contracciones de baja velocidad
Ángulo de pennation (rotación de la fibra)	Aumento del ángulo de la pennation	Minuto o ninguna disminución en el ángulo de pennation
Varianza transversal	Aumentar el grosor (aumentar la distancia entre aponeurosis)	Disminuir el grosor (disminuir la distancia entre aponeurosis)

Una relación de transmisión alta ocurre cuando la velocidad de contracción de todo el músculo es mucho mayor que la de una fibra muscular individual, lo que resulta en una relación de transmisión mayor que 1. Una relación de transmisión alta dará como resultado contracciones de baja fuerza y ​​alta velocidad de la todo el músculo. El ángulo de pennation aumentará durante la contracción acompañada de un aumento de grosor. El grosor se define como el área entre las aponeurosis del músculo. Una relación de transmisión baja ocurre cuando la velocidad de contracción de todo el músculo y las fibras individuales es aproximadamente la misma, lo que da como resultado una relación de transmisión de 1. Las condiciones que dan como resultado una relación de transmisión baja incluyen una contracción de fuerza alta y velocidad baja de todo el músculo. El ángulo de pennation típicamente muestra poca variación. El grosor del músculo disminuirá.

Referencias

1. Lieber, Richard L., Friden, Jan (noviembre de 2002). "Importancia funcional y clínica de la arquitectura del músculo esquelético" (PDF) . Músculo y nervio . 23 (11): 1647–1666. doi : 10.1002 / 1097-4598 (200011) 23:11 <1647 :: aid-mus1> 3.3.co; 2-d . PMID  11054744 . Consultado el 17 de noviembre de 2012 .
2. Narici, Marco (abril de 1999). "Arquitectura del músculo esquelético humano estudiada in vivo mediante técnicas de imagen no invasivas: significado funcional y aplicaciones" (PDF) . Revista de Electromiografía y Kinesiología . 9 (2): 97–103. doi : 10.1016 / s1050-6411 (98) 00041-8 . PMID 10098710 . Consultado el 20 de noviembre de 2012 .  
3. Liem, Karel F., Bemis, William E., Walker, Warren F. Jr., Grande, Lance (2001). Anatomía funcional de los vertebrados: una perspectiva evolutiva . Emily Barosse. ISBN 0-03-022369-5.
4. Brooks, Darrell MD (2012). "Trasplante de músculo microvascular funcional" . Consultado el 20 de noviembre de 2012 .
5. Erickson, Donna, Baer, ​​Thomas y Harris, Katherine S. "El papel de los músculos de la correa en la reducción de médula" (PDF) . Laboratorio Haskins: Informe de estado : 275–284 . Consultado el 20 de noviembre de 2012 .
6. Moore, Keith L. (2018). Anatomía clínicamente orientada (octava ed.). Filadelfia: Wolters Kluwer. págs. 30–32. ISBN 9781496347213.
7. Dean, Mason N., Azizi, Emanuel, Sumers, Adam, P. (2007). "Tensión uniforme en músculos anchos: efectos activos y pasivos del tendón torcido del pez rata manchado Hydrolagus colliei " . Revista de Biología Experimental . 210 (19): 3395–3406. doi : 10.1242 / jeb.007062 . PMID 17872993 . Consultado el 20 de noviembre de 2012 . 
8. Alexander, RM y A. Vernon. (1975). "Las dimensiones de los músculos de la rodilla y el tobillo y las fuerzas que ejercen". J Hum Mov Stud . 1 : 115-123.
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