予測シミュレーションは、特発性のつま先歩行への潜在的な神経筋貢献者を特定します

背景：子供を歩くつま先のほとんどの場合は特発性です。私たちは、病理特異的神経筋骨格予測シミュレーションを使用して、特発性のつま先歩行に寄与する潜在的な根底にある神経および筋肉のメカニズムを特定しました。 方法：一般的な筋骨格モデルの足首足底屈筋に筋肉張りの拘縮を加えて、病理学固有の拘縮モデルを表し、特発性のつま先歩行の子供のコホートの足首背屈の範囲の範囲に一致しました。このモデルは、拘縮モデルを使用して歩行パターンを予測するために多目的コスト関数によって支配された、反射と棘上駆動によって制御される前方の動的シミュレーションで採用されました。すべての生体力学的変数にわたって平均化された根平均平方根誤差を計算することにより、足首の拘縮を伴う特発性のつま先のある子供の実験的歩行データを使用して、予測される歩行を検証しました。 調査結果：拘縮を備えた病理特異的モデルを使用した予測シミュレーションは、実験的なITWデータ（ルート平均平方根誤差= 1.37SD）に近づきました。胃閉塞性の活性化は、典型的な歩行シミュレーションから2倍になりましたが、筋電図に存在するように初期の姿勢にピークが欠けていました。この合成された特発性のつま先歩行は、典型的な歩行シミュレーションよりもすべてのコスト関数基準でよりコストがかかりました。また、異なる神経制御戦略を採用し、典型的な歩行シミュレーションよりも初期の姿勢とスイングで長さおよび速度ベースの反射を増加させました。 解釈：シミュレーションは、筋肉張りの拘縮と組み合わされた神経制御がどのように特発性のつま先の歩行に寄与する可能性があるかについての洞察を提供します。これらの神経筋メカニズムに関する洞察は、将来の計算および実験的研究を導き、特発性のつま先歩行の原因に関する洞察を改善することができます。

BACKGROUND: Most cases of toe walking in children are idiopathic. We used pathology-specific neuromusculoskeletal predictive simulations to identify potential underlying neural and muscular mechanisms contributing to idiopathic toe walking. METHODS: A musculotendon contracture was added to the ankle plantarflexors of a generic musculoskeletal model to represent a pathology-specific contracture model, matching the reduced ankle dorsiflexion range-of-motion in a cohort of children with idiopathic toe walking. This model was employed in a forward dynamic simulation controlled by reflexes and supraspinal drive, governed by a multi-objective cost function to predict gait patterns with the contracture model. We validated the predicted gait using experimental gait data from children with idiopathic toe walking with ankle contracture, by calculating the root mean square errors averaged over all biomechanical variables. FINDINGS: A predictive simulation with the pathology-specific model with contracture approached experimental ITW data (root mean square error = 1.37SD). Gastrocnemius activation was doubled from typical gait simulations, but lacked a peak in early stance as present in electromyography. This synthesised idiopathic toe walking was more costly for all cost function criteria than typical gait simulation. Also, it employed a different neural control strategy, with increased length- and velocity-based reflex gains to the plantarflexors in early stance and swing than typical gait simulations. INTERPRETATION: The simulations provide insights into how a musculotendon contracture combined with altered neural control could contribute to idiopathic toe walking. Insights into these neuromuscular mechanisms could guide future computational and experimental studies to gain improved insight into the cause of idiopathic toe walking.