İskelet kaslarındaki kuvvet üretim mekanizmasının Huxley tipi kas modelleriyle incelenmesi

Abstract

Hareketin gerçekleştirilmesinde birincil rol oynayan ve lokomotor sistem bileşenlerinden olan iskelet kasları, kasılma esnasında çeşitli biyokimyasal ve mekanik süreçler sonucunda kuvvet üretirler. Kas kuvvetlerinin çeşitli deneysel veya klinik amaçlar için bilgisayar ortamında benzetiminin (simülasyonunun) yapılabilmesi amacıyla matematiksel kas modelleri kullanılmaktadır. Kas modellerinin, gerçek kas kuvvetlerini yüksek doğrulukla üretebilmeleri modellemede esas alınan varsayımlarla yakından ilişkilidir. Yapısal modeller olarak da bilinen Huxley tipi kas modelleri, kasılma esnasındaki biyokimyasal ve mekanik etkileşimleri esas alarak kuvvetin yanı sıra çeşitli kas karakteristiklerinin de hesaplanmasında kullanılan matematiksel modellerdir. Çapraz köprü teorisine dayanan ve kas yapısındaki filamentlerin etkileşimi üzerine kurulu bu modeller, halen deneysel çalışmaların da etkisiyle, modifiye edilmeye ve geliştirilmeye devam edilmektedir. Kas modellerinin yapısını, kullanılan varsayımları ve bu modellerin kabiliyetlerini anlamak, gerçeğe yakın kas kuvvetlerinin ve kasın dinamik karakteristiklerinin yeniden üretimi açısından önem arz etmektedir. Bu derleme makalede, Huxley tipi matematiksel kas modellerinin yapı ve özellikleri ile ürettikleri kuvvet cevapları, deneysel olarak elde edilen kas karakteristiklerini kestirmedeki performansları açısından incelenmiştir. Bu amaç doğrultusunda, çalışmada bir Huxley modeli kullanılarak farklı kasılma durumları için kas kuvvetleri elde edilmiş ve model performansları değerlendirilmiştir. Ayrıca Huxley tipi modellerde gerçekleştirilen değişimler sunulmuş, modellerin avantaj ve dezavantajlarının yanı sıra hangi tür çalışmalar için elverişli oldukları da ortaya konmuştur.

Skeletal muscles, which are the components of the locomotor system and play a primary role in the movement, produce force as a result of various biochemical and mechanical processes during contraction. Mathematical muscle models are used to simulate muscle forces in silico for various experimental or clinical purposes. The ability of muscle models to produce actual muscle forces with high accuracy is closely related to the assumptions adopted in the modeling Huxley-type muscle models, also known as structural models, are mathematical models used to calculate various muscle characteristics as well as force based on biochemical and mechanical interactions during contraction. These models, which are based on the cross-bridge theory and the interaction of the filaments in the muscle structure, are still being modified and developed through experimental studies. Understanding the structure of muscle models, the employed assumptions, and the capabilities of these models are important for reproducing the realistic muscle forces and dynamic characteristics of muscle. In this review article, the structure and properties of Huxley-type mathematical muscle models and their force responses are examined in terms of their performances in predicting experimentally obtained muscle characteristics. For this purpose, muscle forces were obtained for different contraction conditions using a Huxley model and the model performance was evaluated in the study. In addition, the changes in Huxley-type models are presented, and the kinds of works, for which are suitable, were introduced besides the advantages and disadvantages of the models.