Μαθηματικό μοντέλο στοχεύει στην πρόβλεψη τραυματισμών του μυοσκελετικού συστήματος
Ερευνητές του Πανεπιστημίου της Πενσυλβάνια και του Haverford College, έχοντας ως στόχο να κατανοήσουν το πώς ένας τραυματισμός σε ένα σημείο του σώματος μπορεί να οδηγήσει σε άλλους τραυματισμούς, ανέπτυξαν ένα μαθηματικό μοντέλο για όλους τους μυς και τα οστά του ανθρώπινου σώματος.
Το μαθηματικό αυτό μοντέλο, βασίζεται στην επιστήμη των γράφων-δικτύων και αποτελεί μια προσπάθεια απλούστευσης του μυοσκελετικού συστήματος με την αναπαράσταση των μυών ως «ελατήρια» και των οστών ως «σφαιρίδια». Στην «αφηρημένη του μορφή», σύμφωνα με ένα δελτίο τύπου, το πρωτότυπο αυτό δίκτυο σκοπό έχει να δείξει τον τρόπο μετάδοσης των δυνάμεων στο σώμα.
Οι ερευνητές δήλωσαν ότι καθώς βελτιώνουν το μοντέλο, ελπίζουν ότι θα είναι σε θέση να δώσουν στους φυσικοθεραπευτές και τους κλινικούς ιατρούς, τη δυνατότητα να προβλέπουν μελλοντικούς τραυματισμούς ώστε να συμβουλεύουν τους ασθενείς για το πώς θα μπορούσαν να τους αποφύγουν.
«Μπορούμε να πούμε ότι, αν αυτός είναι ο μυς που τραυματίσατε, εδώ είναι οι άλλοι μύες για τους οποίους θα πρέπει να ανησυχούμε περισσότερο», δήλωσε η Danielle Bassett, επικεφαλής ερευνήτρια και αναπληρώτρια καθηγήτρια στη Σχολή Μηχανικών και Εφαρμοσμένων Επιστημών του Penn (Penn’s School of Engineering and Applied Sciences).
Οι ερευνητές σχεδιάζουν την αναβάθμιση του μυοσκελετικού τους μοντέλου, με σκοπό την «πιο ρεαλιστική» αναπαράσταση της οστικής μάζα και της «ελαστικότητας» στους μυς. Θα επιδιώξουν επίσης να βελτιώσουν τη μοντελοποίηση των τενόντων και των μυών που «έχουν πιο περίπλοκες συμπεριφορές κάμψης».
Η Bassett σε συνέντευξή της, έδωσε μερικές απαντήσεις σε ερωτήσεις σχετικά με τη σύλληψη της ιδέας της και τον τρόπο που ακολούθησε με τους συνεργάτες της ώστε να την υλοποιήσουν:
Σε αυτή την έρευνα, χρησιμοποιήσατε την επιστήμη των γράφων-δικτύων για να αναλύσετε το ανθρώπινο μυοσκελετικό σύστημα. Τι σας έδωσε αυτή την ιδέα;
Danielle Bassett: Πάντα με ενθουσίαζε το πώς χρησιμοποιούμε τα μαθηματικά για να εξηγήσουμε φαινόμενα του πραγματικού κόσμου. Δεν ξέρω πώς συμβαίνει, αλλά βλέπω δίκτυα όπου κι αν πάω! Η σκέψη για την ανάλυση του ανθρώπινου μυοσκελετικού συστήματος ως δικτύου, προήλθε από ένα ατύχημα που είχα με το ποδήλατο. Τραυματίστηκα στον ώμο και ο πρωταρχικός τραυματισμός οδήγησε σε δευτερογενή τραυματισμό με πολύ μεγάλο χρόνο αποκατάστασης. Εκτός από την προσωπική ταλαιπωρία, το γεγονός αυτό μου έδειξε πως οι μυϊκοί τραυματισμοί δεν εμφανίζονται μεμονωμένα.
Το ανθρώπινο σώμα είναι περίπλοκο. Ποιες υποθέσεις έπρεπε να κάνετε ώστε να το μοντελοποιήσετε;
Danielle Bassett: Κάναμε πολλές απλουστευτικές υποθέσεις. Για αυτή τη μελέτη, μοντελοποιήσαμε τα οστά ως σφαιρίδια (κάτι σαν βόλους) και τους μυς ως ελατήρια. Στόχος μας ήταν να απομακρύνουμε κάθε ‘ξένη’ λεπτομέρεια για να απομονώσουμε μόνο τα αποτελέσματα της αρχιτεκτονικής του δικτύου.
Danielle Bassett: Όταν χαρτογραφήσαμε τις περιοχές του εγκεφάλου που ελέγχουν ομάδες διασυνδεδεμένων μυών, πιστεύαμε ότι θα μπορούσαμε να βρούμε συστήματα ελέγχου του εγκεφάλου που να στέλνουν σήματα σε πολλαπλές μυϊκές ομάδες ή πολλαπλά συστήματα ελέγχου που στέλνουν σήματα σε μία ομάδα. Αντ ‘αυτού, βρήκαμε μια ταξινομημένη χαρτογράφηση ένα προς ένα: κάθε σύστημα ελέγχου του εγκεφάλου ελέγχει μια ενιαία ομάδα μυών. Αυτό υποδηλώνει ότι το σύστημα ελέγχου μπορεί να έχει εξελιχθεί και να έχει βελτιστοποιηθεί με την πάροδο του χρόνου.
Τι σας φάνηκε πιο ενδιαφέρον στα αποτελέσματά σας;
Danielle Bassett: Είμαστε ιδιαίτερα ενθουσιασμένοι με το πώς η αρχιτεκτονική του τοπικού δικτύου προβλέπει πώς ένας μόνο μυς (ή ο τραυματισμός του) μπορεί να επηρεάσει ολόκληρο το μυοσκελετικό σύστημα. Οι εκτιμήσεις μας για τον αντίκτυπο αυτό συσχετίζονται έντονα με τους χρόνους ανάκαμψης μετά τον τραυματισμό των μυών, υποδεικνύοντας ότι ο ρόλος ενός μυός στο δίκτυο σχετίζεται άμεσα με το χρονικό διάστημα ανάρρωσης.
Τι είναι οι αντισταθμιστικοί τραυματισμοί και πώς μπορεί να μας βοηθήσει το μοντέλο να τους καταλάβουμε;
Danielle Bassett: Οι αντισταθμιστικοί τραυματισμοί είναι τραυματισμοί που συμβαίνουν όταν χρησιμοποιούμε άλλους μύες για να αντισταθμίσουμε την απώλεια ενός αρχικά τραυματισμένου μυός. Το μοντέλο μας είναι σε θέση να προβλέψει πού θα μπορούσαν να συμβούν αυτοί οι αντισταθμιστικοί τραυματισμοί, με βάση το τοπικό δίκτυο που βρίσκεται ένας ενιαίος μυς.
Ποιο είναι το επόμενο βήμα στη μελέτη σας;
Danielle Bassett: Το επόμενο βήμα είναι να αυξήσουμε την πολυπλοκότητα του μοντέλου μας ενσωματώνοντας περισσότερες πληροφορίες σχετικά με την οστική μάζα και τον όγκο των μυών, καθώς και να συμπεριλάβουμε το πώς διαφέρει το μυοσκελετικό σύστημα (αν και ελαφρώς) σε καθέναν από εμάς. Ελπίζουμε επίσης να συνεργαστούμε στενά με ορθοπεδικούς και φυσικοθεραπευτές ώστε να αναπτύξουμε μοντέλα που μπορούν να χρησιμοποιήσουν στην κλινική πρακτική.
Η μελέτη δημοσιεύεται στο επιστημονικό έντυπο PLOS Biology.
Πηγές
- journals.plos.org – Structure, function, and control of the human musculoskeletal network
- safetyandhealthmagazine.com – New math-based musculoskeletal model seeks to predict injuries
- researchnews.plos.org – The Bare Bones: Insights from Modeling our Musculoskeletal Matrix
