The Interaction of Compliance and Activation on the Force-Length Operating Range and Force Generating Capacity of Skeletal Muscle: A Computational Study using a Guinea Fowl Musculoskeletal Model.

A muscle's performance is influenced by where it operates on its force-length (F-L) curve. Here we explore how activation and tendon compliance interact to influence muscle operating lengths and force-generating capacity. To study this, we built a musculoskeletal model of the lower limb of the guinea fowl and simulated the F-L operating range during fixed-end fixed-posture contractions for 39 actuators under thousands of combinations of activation and posture using three different muscle models: Muscles with non-compliant tendons, muscles with compliant tendons but no activation-dependent shift in optimal fiber length (L0), and muscles with both compliant tendons and activation-dependent shifts in L0. We found that activation-dependent effects altered muscle fiber lengths up to 40% and increased or decreased force capacity by up to 50% during fixed-end contractions. Typically, activation-compliance effects reduce muscle force and are dominated by the effects of tendon compliance at high activations. At low activation, however, activation-dependent shifts in L0 are equally important and can result in relative force changes for low compliance muscles of up to 60%. There are regions of the F-L curve in which muscles are most sensitive to compliance and there are troughs of influence where these factors have little effect. These regions are hard to predict, though, because the magnitude and location of these areas of high and low sensitivity shift with compliance level. In this study we provide a map for when these effects will meaningfully influence force capacity and an example of their contributions to force production during a static task, namely standing. A Interação de Conformidade e Ativação na Faixa de Operação Força-Comprimento e Capacidade de Geração de Força do Músculo Esquelético: Um Estudo Computacional Usando um Modelo Musculoesquelético de Galinhas-D’angola O desempenho muscular é influenciado por onde ele opera na sua curva de força-comprimento. Aqui, exploramos como a ativação e a conformidade do tendão interagem para influenciar os comprimentos musculares e a capacidade de geração de força. Para estudar isso, construímos um modelo musculoesquelético do membro inferior da galinha-d’angola e simulamos a faixa de operação força-comprimento durante contrações fixas de postura e extremidade para 39 atuadores sob milhares de combinações de ativação e postura usando três modelos musculares diferentes: músculos com tendões não-complacentes, músculos com tendões complacentes, mas sem desvio dependente de ativação no comprimento ideal de fibra (L0), e músculos com tendões complacentes e desvios dependentes de ativação em L0. Descobrimos que os efeitos dependentes da ativação alteraram os comprimentos da fibra muscular em até 40% e aumentaram ou diminuíram a capacidade de força em até 50% durante as contrações de extremidade fixas. Normalmente, os efeitos de ativação e conformidade reduzem a força muscular e são dominados pelos efeitos de complacência do tendão em altas ativações. Em baixa ativação, no entanto, desvios dependentes de ativação em L0 são igualmente importantes e podem resultar em mudanças de força relativas de até 60% para músculos de baixa complacência. Existem regiões da curva de força-comprimento em que os músculos são mais sensíveis à complacência e há baixas de influência onde esses fatores têm pouco efeito. Essas regiões são difíceis de prever porque a magnitude e a localização dessas áreas de alta e baixa sensibilidade mudam com o nível de conformidade. Neste estudo, fornecemos um mapa para quando esses efeitos influenciarão significativamente a capacidade de força e um exemplo de suas contribuições para a produção de forças durante uma tarefa estática, ou seja, em pé. Translated to Portuguese by G. Sobral ([e-mail]).

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© The Author(s) 2019. Published by Oxford University Press on behalf of the Society for Integrative and Comparative Biology.