Influence of Long-Term Space Flights on Biomechanical Characteristics of Human Walking and the Dynamics of Their Post-Flight Recovery

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The article presents the results of a long-term study, the purpose of which was a comparative assessment of the impact of long-term exposure to weightlessness on indicators characterizing the functional state of the human musculoskeletal system. The study involved 18 cosmonauts (M ± SD: 44.1 ± 5.3 years, 81.6 ± 7.5 kg, 179.8 ± 5.1 cm) who had completed long-term space flights on the ISS lasting 178 ± 16 days (M ± SD). The functional state of the musculoskeletal system before and after space flights was assessed based on biomechanical characteristics of walking at a pace of 90 steps/minute: kinematic, electromyographic, and spatiotemporal. The article presents the results of the analysis of biomechanical characteristics of walking before and after space flights of the combined group of cosmonauts (n = 18). For the first time, an assessment was made of the dynamics of restoration of biomechanical characteristics of walking in the post-flight period of three groups of cosmonauts, distributed depending on the volume and intensity of physical training on a treadmill during long-term space flights. The results of the study revealed significant changes in the state of the musculoskeletal system as a result of being in conditions of weightlessness. During walking at a pace of 90 steps/minute in the post-flight period, the kinematic (joint angles, body tilt angle), electromyographic (EMG cost of muscle work) and spatiotemporal (length and duration of a double step) walking parameters changed. The key factor that determines the indicated changes in locomotion in the post-flight period is the reduction and elimination of the required level of support loads during the space flights. Analysis of the dynamics of recovery of some biomechanical characteristics of locomotion (EMG-cost of calf muscle work, double step length) depending on the volume and intensity of physical training during the space flights showed that prevention of negative consequences of the influence of weightlessness depends on rational use of physical training. The optimal combination of volume and intensity of training loads, as well as adherence to the principles of intervals and cyclicity are key factors in the positive dynamics of the recovery of walking characteristics after the return of cosmonauts to Earth.

About the authors

A. V Shpakov

Institute of Biomedical Problems of the Russian Academy of Sciences; Federal State Budgetary Institution Federal Scientific Center of Physical Culture and Sports (VNIIFK)

Email: avshpakov@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-0073-2944
Dr. Sci. (Biology), Leading Researcher, Head of the Laboratory Moscow, Russian Federation; Moscow, Russian Federation

A. V Voronov

Federal State Budgetary Institution Federal Scientific Center of Physical Culture and Sports (VNIIFK)

Email: voronov3057@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-4358-3982
Dr. Sci. (Biology), Leading Researcher Moscow, Russian Federation

References

  1. Kim K.M., Jang H.C., Lim S. Differences among skeletal muscle mass indices derived from height-, weight-, and body mass index-adjusted models in assessing sarcopenia // Korean. J. Intern. Med. 2016. V. 31. № 4. P. 643.
  2. Edgerton V.R., Zhou M.Y., Ohira Y. et al. Human fiber size and enzymatic properties after 5 and 11 days of spaceflight // J. Appl. Physiol. (1985). 1995. V. 78. № 5. P. 1733.
  3. Goubel F. Changes in mechanical properties of human muscle as a result of spaceflight // Int. J. Sports. Med. 1997. V. 18. Suppl. 4. P. S285.
  4. Widrick J.J., Knuth S.T., Norenberg K.M. et al. Effect of a 17-day spaceflight on contractile properties of human soleus muscle fibres // J. Physiol. 1999. V. 516. Pt. 3. P. 915.
  5. Widrick J.J., Romatowski J.G., Norenberg K.M. et al. Functional properties of slow and fast gastrocnemius muscle fibers after a 17-day spaceflight // J. Appl. Physiol. (1985). 2001. V. 90. № 6. P. 2203.
  6. Волынкин Ю.М., Яздовский В.И., Генин А.М. и др. Первые космические полёты человека / Медико-биологические исследования. М.: АН СССР, 1962. Т. 1. 203 с.
  7. Воробьев Е.И., Нефедов Ю.Г., Какурин Л.И., Егоров Б.Б. Медицинские исследования, выполненные во время полетов космических кораблей «Союз-3», «Союз-4», «Союз-52» // Косм. биол. и мед. 1969. № 4. С. 46.
  8. Богданов В.А., Гурфинкель В.С., Панфилов В.Е. Движения человека в условиях лунной гравитации // Косм. биол. и мед. 1971. № 2. С. 3.
  9. Чекирда И.Ф., Еремин А.В. Динамика цикличных и ацикличных локомоций космонавтов после 63-дневного космического полета // Косм. биол. и авиакосм. мед. 1974. № 8 (4). С. 9.
  10. Корво Р.Э., Козловская Н.Б., Крейдич Ю.В. Влияние 7-суточного космического полета на структуру и функцию опорно-двигательного аппарата человека // Косм. биол. и авиакосм. мед. 1983. Т. 17. № 2. С. 37.
  11. Григорьева Л.С., Козловская И.Б. Влияние невесомости и гипокинезии на скоростно-силовые свойства скелетных мышц человека // Косм. биол. и авиакосм. мед. 1987. Т. 21. № 1. С. 27.
  12. Paloski W.H., Bloomberg J.J., Reschke M.F. et al. Spaceflight-induced changes in posture and locomotion // J. Biomech. 1994. V. 27. № 6. P. 812.
  13. Шенкман В.С., Немировская Т.Л., Белозерова Н.Н., Чеслова Н.А. и др. Скелетно-мышечные волокна человека после длительного космического полета // Докл. Акад. наук. 1999. Т. 367. № 2. С. 279.
  14. Miller C.A., Peters B.T., Brady R.R. et al. Change in toe clearance during treadmill walking after long-duration spaceflight // Aviat. Space Environ. Med. 2010. V. 81. № 10. P. 919.
  15. Michel E.L., Johnston R.S., Dietlein L.F. Biomedical results of the Skylab program // Life Sci. Space Res. 1976. V. 14. P. 3.
  16. Thornton W.E., Rummel J.A. Muscular deconditioning and its prevention in space flight / Biomedical results from Skylab. Eds. Johnston R.S., Dietlein L.F. Washington, DC: NASA Headquarters, 1977. P. 191.
  17. Фомина Е.В., Лысова Н.Ю., Савинкина А.О. и др. Роль стимуляции рецепторов опоры в локомоторных тренировках для профилактики гипогравитационных нарушений // Физиология человека. 2021. Т. 47. № 3. С. 88.
  18. Фомина Е.В., Савинкина А.О., Ярманова Е.Н. Величины опорных реакций у космонавтов при выполнении локомоторных упражнений на МКС // Физиология человека. 2017. Т. 43. № 5. С. 63.
  19. Маркин А.А., Агуреев А.Н., Козловская И.Б. и др. Годичная антиортостатическая гипокинезия (AHOT) – физиологическая модель межпланетного космического полета: монография / Под ред. Григорьева А.И., Козловской И.Б. М.: Российская Академия наук, 2018. 288 с.
  20. Koppelmans V., Mulavara A.P., Yuan P. et al. Exercise as potential countermeasure for the effects of 70-days of bed rest on cognitive and sensorimotor performance // Front. Syst. Neurosci. 2015. V. 9. P. 121.
  21. Mulder E., Clément G., Linnarsson D. et al. Musculoskeletal effects of 5 days of bed rest with and without locomotion replacement training // Eur. J. Appl. Physiol. 2015. V. 115. № 4. P. 727.
  22. Whittle M. An introduction to gait analysis. 4th Edition. London: Butterworth-Heinemann, 2007. 244 p.
  23. Козловская И.Б., Ярманова Е.Н., Фомина Е.В. Российская система профилактики: настоящее и будущее // Авиакосм. и эколог. мед. 2013. Т. 47. № 1. С. 13.
  24. Winter D.A., Fuglevand A.J., Archer S.E. Crosstalk in surface electromyography: Theoretical and practical estimates // J. Electromyogr. Kinesiol. 1994. V. 4. № 1. P. 15.
  25. Farina D., Merletti R., Indino B., Graven-Nielsen T. Surface EMG crosstalk evaluated from experimental recordings and simulated signals. Reflections on crosstalk interpretation, quantification and reduction // Methods Inf. Med. 2004. V. 43. № 1. P. 30.
  26. Mesin L. Crosstalk in surface electromyogram: Literature review and some insights // Phys. Eng. Sci. Med. 2020. V. 43. № 2. P. 481.
  27. Hermens H.J., Freriks B., Disselhorst-Klug C., Rau G. Development of recommendations for SEMG sensors and sensor placement procedures // J. Electromyogr. Kinesiol. 2000. V. 10. № 5. P. 361.
  28. Котов-Смоленский А.М., Хижникова А.Е., Клочков А.С. и др. Поверхностная ЭМГ: применимость в биомеханическом анализе движений и возможности для практической реабилитации // Физиология человека. 2021. Т. 47. № 2. С. 122.
  29. Disselhorst-Klug C., Schmitz-Rode T., Rau G. Surface electromyography and muscle force: Limits in sEMG-force relationship and new approaches for applications // Clin. Biomech. (Bristol). 2009. V. 24. № 3. P. 225.
  30. Gonzalez-Izal M., Lusa Cadore E., Izquierdo M. Muscle conduction velocity, surface electromyography variables, and echo intensity during concentric and eccentric fatigue // Muscle Nerve. 2014. V. 49. № 3. P. 389.
  31. Winter D.A. Foot trajectory in human gait: A precise and multifactorial motor control task // Phys. Ther. 1992. V. 72. № 1. P. 45.
  32. Leteneur S., Gillet C., Sadeghi H. et al. Effect of trunk inclination on lower limb joint and lumbar moments in able men during the stance phase of gait // Clin. Biomech. (Bristol). 2009. V. 24. № 2. P. 190.
  33. Gollnick P.D., Sjödin B., Karlsson J. et al. Human soleus muscle: A comparison of fiber composition and enzyme activities with other leg muscles // Plügers Arch. 1974. V. 348. № 3. P. 247.
  34. Bryan Dixon J. Gastrocnemius vs. soleus strain: How to differentiate and deal with calf muscle injuries // Curr. Rev. Musculoskelet. Med. 2009. V. 2. № 2. P. 74.
  35. Garnett R.A., O’Donovan M.J., Stephens J.A., Taylor A. Motor unit organization of human medial gastrocnemius // J. Physiol. 1979. V. 287. P. 33.
  36. Матвеев Л.П. Теория и методика физической культуры (общие основы теории и методики физического воспитания; теоретико-методические аспекты спорта и профессионально-прикладных форм физической культуры): Учеб. для ин-тов физ. культуры. М.: Физкультура и спорт, 1991. 543 с.
  37. Григорьев А.Н., Дитлайн Л.Ф., Козловская И.Б., Соуин Ч.Ф. Профилактические мероприятия в кратковременных и длительных космических полетах / Космическая биология и медицина. Т. IV. Здоровье, работоспособность, безопасность космических экипажей. М.: Наука, 2001. С. 252.
  38. Фомина Е.В., Лысова Н.Ю., Чернова М.В. и др. Сравнительный анализ профилактической эффективности различных режимов локомоторных тренировок в условиях космического полета // Физиология человека. 2016. Т. 42. № 5. С. 84.
  39. Виноградова О.Л., Томиловская Е.С., Козловская И.Б. Гравитационный фактор как основа эволюционного приспособления животных организмов к деятельности в наземных условиях // Авиакосм. и эколог. мед. 2020. Т. 54. № 6. С. 5.
  40. Schoenrock B., Muckelt P.E., Hastermann M. et al. Muscle stiffness indicating mission crew health in space // Sci. Rep. 2024. V. 14. № 1. P. 4196.
  41. Шенкман Б.С., Цатурян А.К., Вихлянцев И.М. и др. Молекулярные механизмы изменения мышечного тонуса в условиях космического полета и при его моделировании // Acta Naturae. 2021. Т. 13. № 2. С. 85.
  42. Trappe S., Costill D., Gallagher P. et al. Exercise in space: Human skeletal muscle after 6 months aboard the International Space Station // J. Appl. Physiol. (1985). 2009. V. 106. № 4. P. 1159.
  43. Фомина Е.В., Кукоба Т.Б. Восстановление силы мышц ног космонавта после длительного космического полета с использованием силового тренажера для частичной компенсации гравитационной разгрузки // Авиакосм. и эколог. мед. 2019. Т. 53. № 5. С. 11.
  44. Serrancoli G., Alessandro C., Tresch M.C. The effects of mechanical scale on neural control and the regulation of joint stability // Int. J. Mol. Sci. 2021. V. 22. № 4. P. 2018.
  45. Riemann B.L., Lephart S.M. The sensorimotor system, part I: The physiologic basis of functional joint stability // J. Athl. Train. 2002. V. 37. № 1. P. 71.
  46. Шпаков А.В., Воронов А.В. Сравнительный анализ биомеханических параметров ходьбы человека с различным темпом в исследовании с моделированием невесомости и лунной гравитации // Мед. экстрем. сит. 2016. № 1 (55). С. 30.
  47. Борзяк Э.И., Добровольская Е.А., Ревазов В.С., Сапин М.Р. Анатомия человека. В 2 томах. Под ред. Сапина М.Р. М.: Медицина, 1986. Т. 1. 288 с.
  48. Воронов А.В. Скоростно-силовые свойства мышц человека при спортивных локомоциях: автореф. дис. ... д-ра биол. наук: 03.00.13. М., 2004. 56 с.
  49. Соколов Н.Н., Абрамова Т.Ф., Воронов А.В. и др. Влияние игровой соревновательной нагрузки на электрическую активность мышц-разгибателей коленного сустава // Вестник спортивной науки. 2023. № 3. С. 46.
  50. Шенкман Б.С., Григорьев А.И., Козловская И.Б. Гравитационные механизмы в тонической двигательной системе. Нейрофизиологические и мышечные аспекты // Физиология человека. 2017. Т. 43. № 5. С. 104.
  51. Козловская И.Б. Гравитация и поэно-тоническая двигательная система // Авиакосм. и эколог. мед. 2017. Т. 51. № 3. С. 5.
  52. Черняев А.А., Фонарева Е.А., Карасев Р.А. Соотношение объёма и интенсивности специальной работоспособности квалифицированных лыжников-гонщиков // Современные наукоемкие технологии. 2019. № 10–2. С. 375.
  53. Зациорский В.М. Физические качества спортсмена: основы теории и методики воспитания. М.: Спорт, 2019. 200 с.
  54. Tischler M.E., Sleutz M. Impact of weightlessness on muscle function // ASCSB Bull. 1995. V. 8. № 2. P. 73.
  55. Григорьев А.И., Козловская И.Б., Шенкман Б.С. Роль опорной афферентации в организации тонической мышечной системы // Рос. физиол. журн. им. И.М. Сеченова. 2004. Т. 90. № 5. С. 507.
  56. Сергеева К.В., Шарло К.А., Калашников В.Е. и др. Влияние спонтанной нервно-мышечной активности на развитие атрофии камбаловидной мышцы в условиях функциональной разгрузки // Рос. физиол. журн. им. И.М. Сеченова. 2023. Т. 109. № 10. С. 1430.
  57. Фомина Е.В., Лысова Н.Ю., Савинкина А.О. Осевая нагрузка при выполнении локомоторных тренировок в условиях невесомости как фактор эффективности профилактики гипогравитационных нарушений // Физиология человека. 2018. Т. 44. № 1. С. 56.
  58. Meyer F., Bar-Or O., MacDougall D., Heigenhauser G.J. Sweat electrolyte loss during exercise in the heat: Effects of gender and maturation // Med. Sci. Sports Exerc. 1992. V. 24. № 7. P. 776.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).