Локоть очень часто используется в учебниках кинезиологии и биомеханики для иллюстрации простого — односуставного и одноосного — движения. В этом случае он описывается как одноосный блоковидный сустав, допускающий движение в одной плоскости, а именно сгибание/разгибание в сагиттальном разрезе.
Понятно, что в этом упрощенном анализе основной акцент делается на плечелоктевой сустав. При этом общая схема локтевого сустава включает в себя также и плечелучевой, и лучелоктевой суставы. Эти суставы характеризуется винтообразным строением суставных поверхностей, что позволяет им выступать в роли осевой структуры, обеспечивающей вращение предплечья как стержня. Иначе говоря, если в этом разделе мы покажем, что тенсегрити-интерпретация превосходит рычажную, даже на ее собственной территории максимального упрощения движений, то в случаях плечелучевого и лучелоктевого суставов их сложность еще более выигрышна для тенсегрити-интерпретации, чем для стандартной рычажной механики.
Работа плечелоктевого и плечелучевого суставов в сагиттальной плоскости обеспечивает сгибание/разгибание, необходимое для захвата, подъема и других манипуляций, выполняемых рукой.
Казалось бы, будучи стандартной иллюстрацией рычажного движения, начиная с работ Борелли в 1680-е годы, сагиттальная плоскость работы локтя как одноосного блоковидного сустава должна быть настолько хорошо изучена, что в ней уже не остается никаких секретов и недопониманий. Однако это совсем не так.
Как оказывается, плечевая и лучевая кости во время одноосного движения не соприкасаются друг с другом, несмотря на то, что мышцы плеча и предплечья как бы стягивают их друг к другу (Kim et al., 2002). Поэтому до недавнего времени основные функции некоторых из мышц, участвующих в этом движении, были на удивление плохо изучены, в частности плечелучевой мышцы. И только модель биотенсегрити наконец позволяет понять их функциональную роль (Scarr, 2012).
Плечелучевая мышца (brachioradialis) весьма странная: она минимально активна при медленном сгибании и минимальной нагрузке, несмотря на то, что ее относительно высокое прикрепление к надмыщелковому гребню создает для нее большое механическое преимущество по сравнению с другими сгибателями (рис. 7.11).
Поэтому согласно инженерно-механической логике организм — машина, производящая механическую работу вовне, именно плечелучевую мышцу было бы наиболее целесообразно и механически эффективно использовать при медленном и малонагрузочном движении. Однако в реальности это не так. Какой же вывод делается из этого? Кто неправ: природа тупит или все-таки инженеры неправильно понимают истинные приоритеты природных процессов?
Именно из таких ситуаций образуется механо-инженерный фольклор и несколько поучительное и пренебрежительное отношение к природе, которая не догадалась использовать очевидное механически-рычажное преимущество. К сожалению, простой вопрос о том, что, может быть, природа имела другие критерии оптимизации, чем поднятие внешних весов и перемещение их на расстояние, им, к сожалению, не приходит в голову.
Следующей биомеханической странностью плечелучевой мышцы является то, что в отличие от других сгибателей ее мышечная масса расположена дистально от сустава, что согласно рычажной механике должно было бы увеличивать инерцию конечности из-за дополнительного веса и требовать больших усилий для выполнения быстрых движений. Тем не менее в реальности оказывается, что плечелучевая мышца более всего активируется при быстром и напряженно-силовом сгибании, а также — сюрприз! — и при разгибании (Standring, 2005, с. 879). На этом странности не заканчиваются! Дело в том, что она подключена к лучевому нерву, который иннервирует мышцы-разгибатели — трицепс и локтевую мышцу, которые в рычаговом подходе считаются ее антагонистами!
В текущей биомеханической модели сгибатели локтя не рассматриваются как единый функциональный «юнит», а оцениваются по отдельности, в соответствии с их иерархией силы сокращения.
В результате такого подхода плечелучевая мышца считается всего лишь вспомогательным сгибателем, которым можно легко пренебречь без потери качества. В частности, именно поэтому плечелучевую мышцу используют как донора для пересадки мышц в случае травм и неврологических нарушений в руке и предплечье. При таких операциях дистальный конец плечелучевой мышцы просто отрезается, а потом пересаживается на новое место. Все это лишний раз показывает, насколько мало значения придается в современной рычаговой биомеханике функции и роли плечелучевой мышцы.
Рис. 7.11. Упрощенный вид сбоку на правый локоть, показывающий направление предполагаемого распределения силы, приложенной плечелучевой мышцей (синяя стрелка); расстояние в плечелоктевом суставе увеличено для наглядности.
Но на плечелучевой мышце пробелы в понимании функционирования локтя даже в сагиттальной плоскости не заканчиваются, несмотря на многовековое изучение и моделирование. Другая плохо изученная мышца — локтевая, которая не прекращает своей активности при всех разнонаправленных движениях локтя. То есть не вписывается в схему переключения «работа-отдых» между агонистами и антагонистами рычага. Кроме того, локтевая мышца всегда предшествует трехглавой мышце плеча, что тоже плохо вписывается в рычажную модель (Le Bozec et al., 1980). И наконец, совсем уникальное свойство: это единственная мышца локтя, которая не имеет непосредственного прикрепления к вышележащей более поверхностной фасции. В силу этих странностей локтевую мышцу достаточно расплывчато относят к стабилизирующим мышцам, скорее для того, чтобы избавиться от этого неудобного участника движения в покое.
Каким же образом можно разрешить этот конфликт и лучше понять работу как плечелучевой, так и локтевой мышц? В этом нам и поможет биотенсегрити-подход.
При переходе к биотенсегрити-модели происходит полное переосмысление работы как плечелучевой, так и локтевой мышцы, показывающие, что это не странные и бесполезные, а на самом деле исключительно важные элементы работы локтевого сустава во всех плоскостях.
Основная часть плечелучевой мышцы отчетливо видна на внешней стороне предплечья (ее другое крепление находится в дистальной части лучевой кости) и, как следствие, выполняет трансартикулярную (или шунтирующую) биомеханическую роль, опосредованно притягивая локтевую кость к плечевой кости во время сгибания локтя (Williams & Warwick, 1980, с. 579). Однако одновременно с этим благодаря своему высокому прикреплению к латеральному надмыщелковому гребню плечелучевая мышца также обеспечивает возникновение сил растяжения между плечевой и локтевой костями. Таким образом, плечелучевая мышца реализует два противоположно направленных действия относительно плечевой и локтевой кости, одновременно притягивая их друг к другу и раздвигая! В дальнейшем это двойное действие распространяется от нее на трицепс, локтевую мышцу, коллатеральные связки и связанную фасцию.
Такое, как бы взаимоконкурентное, взаимодействие между плечелучевой, трехглавой и локтевой мышцами выглядит совершенно неэффективно с точки зрения рычажной биомеханики! В рамках стандартной диаграммы сил противоположно направленные силы взаимонейтрализуются и аннигилируют друг друга, а значит, перед нами инженерная бессмыслица — природа сошла с ума! Такие примеры используют в учебниках биомеханики как доказательство того, что наука знает лучше, что эволюционный отбор подхватывает случайные мутации, а значит, от природы не стоит ожидать оптимальных решений, что природе не стоит слепо доверять и т. д.
До появления биотенсегрити-интерпретации механики природного движения этому тону инженерного превосходства было нечего противопоставить внутри научного языка и дискурса, кроме принципиальной философской позиции: если вычисления приводят к выводам об ошибочности природы, то, значит, нужно усомниться в таких вычислениях и их основаниях, а не впадать в гордыню.
С появлением биотенсегрити-интерпретации впервые появилась рациональная научная позиция, которая на тех же самых примерах, казавшихся ранее ошибками природы, снова и снова позволяет убедиться, что именно природа права и наиболее эффективна! Что расчеты теоретической механики, предполагающие взаимоуничтожение противоположно направленных сил в структурной диаграмме — это всего лишь слабый частный случай, а отнюдь не фундаментальный закон природы. Давайте вдумаемся, насколько энергонеэффективен подобный принцип! Может ли природа позволить себе такое энергорасточительство?
В то время как взаимоумножение внутренних сил, даже противоположно направленных, через закольцованное самонатяжение, переводящее их в скрытый режим, явно более энергоэффективно!
Рис. 7.12. Простая тенсегрити-модель локтя, демонстрирующая принцип плавающей кости (без строгой анатомической точности).
Именно к таким выводам мы приходим при биотенсегрити-интерпретации взаимодействия между плечелучевой, трехглавой и локтевой мышцами. Мы видим, что натяжная кольцевая структура, организующая совместную работу этих мышц, способствует скольжению, или даже «сесамовидному плаванию», суставных поверхностей друг относительно друга без непосредственного соприкосновения, что позволяет исключить гиперконцентрированные перегрузки и возникновение разрушающих пиковых деформаций. Это дает нам возможность рассматривать локоть как тенсегрити-конфигурацию (Scarr, 2012).
При таком тенсегрити-подходе к анализу функционального взаимодействия плечелучевой, трехглавой и плечевой мышц совершенно по-новому интерпретируется тот хорошо известный факт, что все эти мышцы связаны с дорсальной частью суставной капсулы локтя посредством общей иннервации через лучевой нерв. В тенсегрити-интерпретации именно такое анатомическое строение обретает новый смысл, поскольку наличие общей иннервации этих мышц позволяет быстро получать и координировать механосенсорную информацию из капсулы сустава и других тканей, превращая этот мышечно-фасциально-суставной комплекс в блок быстрого реагирования, который регулирует нагрузки и расстояния между суставными поверхностями во время движения (рис. 7.12). Подобно тросам и стержням (струнам и распоркам) в конфигурации ЗКЦ эти мышцы также становятся частью глобальной сети натяжений, контролирующей движения плеча и запястья и т. д., спиральные траектории движения которых хорошо моделируются через траектории T-икосадра (рис. 3.4) и джиттербага (рис. 2.18).
В рамках такого подхода к моделированию уже даже использование простой Т3-призмы и математический анализ ее динамики подтверждает принципы биотенсегрити (рис. 3.1) (Cretu, 2009). На практическом уровне уже начинаются прикладные применения биотенсегрити-подхода при разработке нового класса протезов суставов и конечностей (рис. 7.12) (Lessard et al., 2016).