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Resumen Desarrollar la capacidad de caminar y correr habitualmente erguidos sobre dos pies es una de las transformaciones más significativas que se han producido en la evolución humana. Muchas adaptaciones musculoesqueléticas permitieron la locomoción bípeda, incluidos cambios estructurales dramáticos en el pie y, en particular, la evolución de un arco medial elevado. Anteriormente se suponía que la estructura arqueada del pie desempeñaba un papel central en la propulsión directa del centro de masa hacia adelante y hacia arriba a través de los dedos de los pies y un retroceso de energía similar a un resorte. Sin embargo, no está claro si la movilidad de la flexión plantar y la altura del arco medial apoyan su función de palanca propulsora. Utilizamos mediciones de rayos X biplanares de alta velocidad del movimiento de los huesos del pie en siete participantes mientras caminan y corren y comparamos su movimiento con un modelo específico del sujeto sin retroceso del arco. Mostramos que, independientemente de las diferencias intraespecíficas en la altura del arco medial, el retroceso del arco permite un tiempo de contacto más prolongado y condiciones de propulsión favorables en el tobillo para caminar erguido con una pierna extendida. La articulación cuneiforme navicular-medial, generalmente pasada por alto, es la principal responsable del retroceso del arco en los arcos humanos. El mecanismo a través del cual el retroceso del arco permite una postura erguida del tobillo puede haber ayudado a impulsar la evolución del arco longitudinal después de nuestro último ancestro común con los chimpancés, que carecen de movilidad de flexión plantar del arco durante el impulso. Las futuras investigaciones morfológicas de la articulación cuneiforme navicular-medial probablemente proporcionarán nuevas interpretaciones del registro fósil. Nuestro trabajo sugiere además que permitir el retroceso del arco medial en el calzado y las intervenciones quirúrgicas puede ser fundamental para mantener la capacidad de propulsión natural del tobillo. |
FIGURA. (A) La hipótesis de propulsión del centro de masa (COM) sugiere que tanto el retroceso del arco como la capacidad de palanca del pie pueden elevar el COM. (B) Las palancas de pie alrededor de la articulación metatarsofalángica del punto de apoyo.
Comentarios
Los científicos han descubierto que el retroceso creado por el arco flexible de los pies humanos ayuda a colocar nuestras piernas en la postura óptima para avanzar en la marcha bípeda. Comprender cómo nuestras articulaciones ayudan a los humanos modernos a caminar erguidos podría ayudarnos a rastrear la evolución del bipedalismo y mejorar la atención de los pacientes con problemas en los pies.
Un nuevo estudio ha demostrado que los humanos pueden haber desarrollado un arco similar a un resorte para ayudarnos a caminar sobre dos pies. Los investigadores que estudian la evolución de la marcha bípeda han asumido durante mucho tiempo que el arco elevado del pie nos ayuda a caminar actuando como una palanca que impulsa el cuerpo hacia adelante. Pero un equipo global de científicos descubrió ahora que el retroceso del arco flexible reposiciona el tobillo en posición vertical para caminar de manera más efectiva. Los efectos al correr son mayores, lo que sugiere que la capacidad de correr de manera eficiente podría haber sido una presión selectiva para un arco flexible que también hizo que caminar fuera más eficiente. Este descubrimiento podría incluso ayudar a los médicos a mejorar los tratamientos para los problemas de los pies de los pacientes actuales.
"Originalmente pensamos que el arco en forma de resorte ayudaba a levantar el cuerpo al siguiente paso", dijo la Dra. Lauren Welte, primera autora del estudio en Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, quien realizó la investigación mientras estaba en la Universidad de Queen y ahora está afiliada con la Universidad de Wisconsin-Madison. “Resulta que, en cambio, el arco con forma de resorte retrocede para ayudar al tobillo a levantar el cuerpo”.
Paso a paso
La evolución de nuestros pies, incluido el arco medial elevado que nos diferencia de los grandes simios, es crucial para la marcha bípeda. Se cree que el arco les da a los homínidos más fuerza cuando caminan erguidos: el mecanismo no está claro, pero cuando el movimiento del arco está restringido, correr exige más energía. El retroceso del arco podría potencialmente convertirnos en corredores más eficientes al impulsar la masa central del cuerpo hacia adelante o al compensar el trabajo mecánico que los músculos tendrían que hacer de otro modo.
Para investigar estas hipótesis, el equipo seleccionó a siete participantes con movilidad de arco variable, que caminaron y corrieron mientras sus pies eran filmados por cámaras de captura de movimiento de rayos X de alta velocidad. Se midió la altura del arco de cada participante y se realizó una tomografía computarizada del pie derecho. Los científicos crearon modelos rígidos y los compararon con el movimiento medido de los huesos del pie para probar el efecto de la movilidad del arco en las articulaciones adyacentes. También midieron qué articulaciones contribuyeron más al retroceso del arco y la contribución del retroceso del arco al centro de masa y la propulsión del tobillo.
Inclinándose hacia el bipedalismo
Aunque los científicos esperaban encontrar que el retroceso del arco ayudaba a la palanca rígida del arco a levantar el cuerpo, descubrieron que un arco rígido sin retroceso hacía que el pie se levantara antes del suelo, lo que probablemente disminuía la eficiencia de los músculos de la pantorrilla, o inclinó los huesos del tobillo demasiado hacia adelante. La inclinación hacia adelante refleja la postura de los chimpancés que caminan, en lugar de la postura erguida característica de la marcha humana. El arco flexible ayudó a reposicionar el tobillo en posición vertical, lo que permite que la pierna se levante del suelo con mayor eficacia. Este efecto es aún mayor cuando se ejecuta, lo que sugiere que la ejecución eficiente puede haber sido una presión evolutiva a favor del arco flexible.
Los científicos también encontraron que la articulación entre dos huesos en el arco medial, el navicular y el cuneiforme medial, es crucial para la flexibilidad del arco. Los cambios en esta articulación podrían ayudarnos a rastrear el desarrollo del bipedalismo en el registro fósil de los homínidos.
"La movilidad de nuestros pies parece permitirnos caminar y correr erguidos en lugar de agacharnos hacia adelante o dar el siguiente paso demasiado pronto", dijo el Dr. Michael Rainbow de la Universidad de Queen, autor principal.
Potencial terapéutico
Estos hallazgos también sugieren vías terapéuticas para las personas cuyos arcos están rígidos debido a una lesión o enfermedad: apoyar la flexibilidad del arco podría mejorar la movilidad general.
“Nuestro trabajo sugiere que permitir que el arco se mueva durante la propulsión hace que el movimiento sea más eficiente”, dijo Welte. "Si restringimos el movimiento del arco, es probable que haya cambios correspondientes en el funcionamiento de las otras articulaciones".
“En esta etapa, nuestra hipótesis requiere más pruebas porque necesitamos verificar que las diferencias en la movilidad del pie en la población conducen a los tipos de cambios que vemos en nuestra muestra limitada”, dijo Rainbow. “Dicho esto, nuestro trabajo prepara el escenario para una nueva y emocionante vía de investigación”.
Aplicaciones
Habilitar la movilidad de la flexión plantar del arco tiene muchas aplicaciones importantes, incluido el diseño de calzado, la comprensión de la patología y la práctica quirúrgica. Ciertas modificaciones del calzado, como aumentar la rigidez a la flexión de la suela del zapato o usar insertos que restringen el arco, reducen la flexión plantar del arco y pueden modificar respectivamente las condiciones contráctiles musculares del tobillo durante la locomoción o aumentar el costo del metabolismo de funcionamiento a nivel del suelo.
Nuestros resultados también tienen implicaciones para las personas con pies naturalmente rígidos o patologías del pie (como la osteoartritis) que reducen la movilidad en el arco. Cuando las articulaciones del tarso se fusionan quirúrgicamente, la potencia del tobillo disminuye al caminar, lo que sugiere además que un arco móvil soporta la propulsión del tobillo. Nuestro método también podría usarse para predecir patrones de movimiento dinámico en fusiones de articulaciones quirúrgicas. Al fijar matemáticamente las juntas en posiciones conocidas, podemos dilucidar los posibles cambios a lo largo de la cadena cinemática. Por ejemplo, esperaríamos que la fusión de la articulación cuneonavicular afectara sustancialmente la propulsión, lo que provocaría que el pie se levantara antes del suelo o aumentara los requisitos de fuerza en el tobillo. Estos resultados resaltan la importancia de preservar la movilidad del arco en la práctica quirúrgica y el diseño del calzado.
| En conclusión, al caminar y correr bípedos, el retroceso del arco medial humano funciona junto con la morfología del arco medial para facilitar la locomoción erguida a través de su efecto sobre la postura del astrágalo, el rango de movimiento del tobillo y el tiempo de contacto con el suelo. Argumentamos que si bien las diferencias en la altura del arco medial pueden distinguir visualmente a los homínidos de otros primates, nuestra movilidad de flexión plantar del arco es más crítica para nuestra capacidad de locomoción en dos pies. Por lo tanto, el mapeo de las relaciones morfología-movilidad en nuestros parientes y humanos existentes, así como las predicciones dinámicas hacia adelante del registro fósil, son necesarias para comprender los patrones locomotores de nuestros antepasados. |