膝关节位置影响动态跖屈过程中腓肠肌内侧头与比目鱼肌的激活：未发现健康年轻成人存在肌肉间代偿现象
背景介绍
跖屈肌群（小腿三头肌）在步行、跑步等日常活动中提供关键推进力，其核心组成包括双关节的腓肠肌内侧头（MG）和单关节的比目鱼肌（SOL）。两肌在结构、肌纤维类型（SOL慢肌占比约80%，MG约60%）和力学特性上存在显著差异，导致其对踝关节跖屈力矩的贡献随膝关节角度变化而不同。当膝关节屈曲时，MG肌束长度缩短，处于力-长度曲线的上升支，其发力能力下降，EMG活性也相应降低；而SOL因不跨膝关节，其肌束长度几乎不受膝位影响。然而，现有研究主要集中于等长收缩，且多采用双极表面电极，难以捕捉肌肉内部的异质性激活。针对动态条件下膝位对MG和SOL区域激活的影响，尤其是是否存在SOL代偿性增强以弥补MG输出下降的机制，尚缺乏高密度肌电（HD-EMG）的系统证据。本研究采用渐进加速的等速跖屈模式，更贴近自然运动中的非恒定关节速度，旨在揭示膝位和收缩速度如何协同调节MG与SOL的激活强度及分布，为康复训练和运动处方提供神经生理学依据。
论文摘要
本研究招募30名健康男性，在自主研制的测力台上分别于膝伸直位和膝屈曲位（90°）完成从背屈15°至跖屈30°的向心收缩，速度梯度为30、60、120、180、210°/s（实际为持续加速模式）。采用16通道线性HD-EMG阵列（sessantaquattro+，OT Bioelectronica）同步记录MG和SOL的肌电信号。结果显示：膝屈曲位时，各速度下的峰值跖屈力矩平均降低31%（P=0.002）；MG总体EMG活性在屈膝位下降35%（P=0.002）；SOL在低速收缩的前半程（0~35%关节位移）反而在伸膝位表现出更高活性（15%~28%升高，P=0.002），而非屈膝位代偿性增加。研究证实膝位显著影响MG和SOL的激活模式，但未发现SOL激活增强可弥补MG下降的证据。提示动态跖屈训练中，膝位对肌群协调的影响具有速度依赖性，且非恒定速度模式可产生比传统等速测试更高的力矩输出（较文献高30%~40%）。
研究方法
受试者仰卧（膝伸直）或跪姿（膝屈曲90°）于定制测力台，踝关节轴与动力仪旋转轴同轴校准。每次收缩从15°背屈加速至30°跖屈，目标峰值速度分别为30、60、120、180、210°/s（速度连续递增，非等速）。每个条件完成3次最大努力收缩，间歇2分钟。肌电采集：使用便携式HD-EMG系统（sessantaquattro+，OT Bioelectronica），两枚16通道线性阵列（银条电极，10×1 mm，间距10 mm；Spes Medica）沿肌腹纵轴贴于MG和SOL表面，经超声定位避开肌边界以减少串扰。参考电极置于对侧内踝。信号经12位A/D转换（OT Bioelettronica）放大1000倍，采样率2 kHz，经带通滤波（10-500 Hz）和RMS处理（根据收缩时长比例调整窗宽：30°/s用100 ms，高速相应缩短）。取15个通道的平均RMS作为总体肌肉活性。力矩和角度信号与EMG同步记录。统计采用非参数SPM（SnPM）进行双因素重复测量ANOVA，显著性阈值经Bonferroni校正（P=0.01）。
实验结果
力矩：各速度下屈膝位峰值力矩均显著低于伸膝位（P=0.002），平均降幅31%（范围28%~33%）。最大峰值见于伸膝30°/s（178.7±56.2 N·m），最小见于屈膝210°/s（90.1±21.5 N·m）。力矩差异在低速时更大（60°/s时差33%）。
MG EMG：屈膝位MG总体活性平均降低35%（P=0.002），低速（30°/s）降26%，高速（210°/s）降13%，差异贯穿整个收缩过程（除高速少数短区间外）。
SOL EMG：与预期相反，屈膝位SOL活性在低速收缩（30、60°/s）的前半段反而低于伸膝位（升高14%~19%在伸膝位），差异主要出现在0~35%关节位移（P=0.002）；随速度增至180、210°/s，差异消失或仅零星出现。整个收缩期未观察到屈膝位SOL持续性代偿性升高。
总结与展望
本研究首次采用HD-EMG和渐进加速动态跖屈模式，明确膝屈曲位导致MG激活和力矩输出显著下降，而SOL并未表现出代偿性增强，反而在低速收缩初期呈激活降低。这一发现否定了“SOL代偿MG”的经典假说，提示神经调控策略可能更侧重于减少低效肌纤维的募集以节省代谢成本，而非单纯通过SOL增补力矩。此外，非等速模式产生的力矩远高于传统等速测试，表明收缩持续时间对力-速度关系有重要影响，或可优化训练方案。局限性：皮肤-肌肉位移可能影响EMG幅值；仅限年轻男性，结果外推需谨慎。未来应结合超声成像追踪肌束动态长度，并纳入老年、女性及运动员群体，探究年龄和训练状态对膝位-肌协调的影响。同时，可探索不同加速模式（如减速）下的神经适应，为个性化跖屈力量训练提供精细指导。
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本实验由意大利OT公司研发的sessantaquattro无线高密度肌电采集系统完成，该设备最大可达64通道的高密度矩阵式肌电记录系统。可以观察肌肉局部席位的电生理活动特性。在无创研究神经-肌肉电生理信号传导、疲劳负荷评价、肌电模式识别和肌纤维类判读方面具有无与伦比的优势。可广泛用于体育训练、运动选材、康复指导、仿生假肢设计、机器人等研究领域。
