Neural and mechanical function of flexor hallucis longus at different walking speeds and in different footwear

Abstract

Ankle plantar flexor muscles make a major contribution to body propulsion in walking. Besides the triceps surae, deep ankle plantar flexors such as flexor hallucis longus (FHL) may also contribute to this. However, FHL function has not been extensively examined in vivo. Therefore, the aim of this thesis was to examine the effects of walking speed on FHL electromyography (EMG) activity, fascicle behaviour, and forces measured under the hallux in shod walking. Agreement between surface and intramuscular EMG was also tested in shod walking at different speeds for FHL, soleus, gastrocnemii, and tibialis anterior. Furthermore, intramuscular EMG activity of FHL and triceps surae was examined in different footwear at self-selected walking speed. As expected, FHL was highly active in the push-off phase of walking, similar to other plantar flexors. Increased walking speed was associated with higher FHL EMG activity and higher forces under the hallux, indicating an increase in the relative importance of FHL at faster walking speeds. FHL muscle fascicles operated at a near-constant length throughout the stance phase of slow walking, and shortened at faster speeds. This is similar to the fascicle mechanics of medial gastrocnemius in walking, with which FHL also shares similar architectural properties. When surface and intramuscular EMG methods were compared, there was often (~60% of all cases) poor agreement between methods for FHL, likely due to the challenge of minimising cross-talk in this muscle. Walking in shoes at preferred speed required higher plantar flexor muscle activity for body propulsion than walking in flip-flops or barefoot in most individuals, however individual variability was substantial. In shod walking, peak muscle activity occurred at the same relative time in the contact phase between participants. This may be due to the fact that shoes limit individual-specific natural foot and ankle function, imposing a restrictive motion pattern. This thesis provides in vivo evidence for the important role of FHL in walking. Using intramuscular EMG and ultrasonography, future studies should examine FHL function in individuals with Achilles tendinopathy or flatfoot, which are associated with altered FHL morphology, and perhaps also altered muscle function.

Kävelyssä nilkan ojennukseen osallistuvat lihakset ovat merkittävässä roolissa erityisesti kontaktivaiheen kehoa eteenpäin työntävässä vaiheessa. Kolmipäisen pohjelihaksen lisäksi syvemmät pohjelihakset, kuten isovarpaan pitkä koukistajalihas (flexor hallucis longus, FHL), osallistuvat nilkan ojentamiseen. Tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää kävelynopeuden vaikutuksia FHL:n lihasaktiivisuuteen, lihas-solukimppujen toimintaan ja isovarpaaseen kohdistuviin reaktiovoimiin kävelyn aikana. Lisäksi tutkittiin lihasaktiivisuuksia eri jalkineilla itsevalitulla kävelynopeudella. Lihaksen pinnalta mitatun lihasaktiivisuuden (elektromyografian, EMG) lisäksi EMG:tä mitattiin lihasten sisältä lankaelektrodeilla, ja EMG-signaalien amplitudien ja ajoitusten yhteneväisyyksiä näillä menetelmillä vertailtiin FHL-lihaksesta, leveästä kantalihaksesta, kaksoiskantalihaksesta sekä etummaisesta säärilihaksesta. Oletuksen mukaisesti isovarpaan pitkä koukistajalihas oli erittäin aktiivinen kävelyn työntövaiheessa samoin kuin muut nilkkaa ojentavat lihakset. Suurempi kävelynopeus oli yhteydessä korkeampaan FHL:n EMG-aktiivisuuteen ja suurempiin voimiin isovarpaan alla. Tämä viittaa isovarpaan pitkän koukistajalihaksen suhteellisen merkityksen lisääntymiseen suuremmilla kävelynopeuksilla. Isovarpaan pitkän koukistajalihaksen lihassolukimput toimivat lähes vakiopituudella koko kontaktivaiheen ajan hitaassa kävelyssä, mutta suuremmilla kävelynopeuksilla FHL työskenteli konsentrisesti. Tämä toimintatapa on samankaltainen kuin sisemmän kaksoiskantalihaksen lihas-solukimpun mekaniikka kävelyssä. Onkin huomattava, että kaksoiskantalihaksella ja FHL:lla on samankaltaisia rakenteellisia ominaisuuksia. Kun verrattiin pinta- ja lanka-EMG -menetelmiä, ~60% tapauksissa pinta-EMG ei vastannut lanka-EMG:n tuloksia. Useimmilla tutkittavilla jalkineilla kävely vaati suurempaan aktiivisuutta nilkkaa ojentavilta lihaksilta kävelyn työntövaiheessa kuin sandaaleilla tai paljasjaloin kävely. Yksilöllinen vaihtelu oli kuitenkin huomattavaa. Jalkineilla kävellessä lihasten huippuaktiivisuus ajoittui kontaktivaiheessa samaan kohtaan kaikilla osallistujilla. Tämä voi johtua siitä, että kengät rajoittavat yksilökohtaisia luonnollisia jalkaterän ja nilkan toimintoja, ja täten rajoittavat liikemallia. Tämä tutkielma tarjoaa in vivo todisteita isovarpaan pitkän koukistajalihaksen tärkeästä roolista kävelyssä. Tulevissa tutkimuksissa tämän tutkimuksen menetelmiä voisi soveltaa tutkittaessa henkilöitä, joilla on akillesjänteen tendinopatia tai matala jalkaholvi, jotka liittyvät muuttuneeseen morfologiaan ja luultavasti myös muuttuneeseen lihaksen toimintaan.