Vi ønsker å undersøke hvorvidt ryggsøylens biomekanikk bidrar til menneskelig prestasjon under utvalgte bevegelser.

Av: Jens Bojsen-Møller, professor ved Seksjon for fysisk prestasjonsevne, NIH

En søyle er normalt designet for å tåle kompresjon (trykkkraft på langs). Det beste søyledesignet er derfor en rett struktur, som evt. øker i tykkelse nedover, og nettopp slik ser søyler i hus og broer ut. Disse søylene er statiske og må være stabile så de ikke bøyer ut til siden under høye kompresjonskrefter (buckling). Designmessig kan stabilitet oppnås ved å øke diameter på søylen, men prisen blir høy vekt/stort materialforbruk, hvilket kan være ok i for eksempel en bygning. En lettere og like stabil søyle vil være en hul søyle med stor diameter, eller alternativt en tynn søyle med stag eller "struts". Dette designet anvendes der en stabil søyle er påkrevet, men samtidig hvor vekten ønskes minimert: Eksempelvis en mast på en seilbåt eller en bygningskran.

Den menneskelige virvelsøyle må kunne tåle høy kompresjon og samtidig er det ønskelig med lav vekt. Designmessige egenskaper er økt diameter nedover og stabilitet via muskler og leddbånd som forbinder beinfremspring (struts).

Den store forskjellen på en søyle i en bygning og virvelsøylen er at virvelsøylen både må fungere som en statisk søyle, men til tider også må være en dynamisk og bevegelig struktur. Virvelsøylen må kunne ta opp høye kompresjonskrefter, men samtidig kunne bøyes i flere plan. Dette er en stor designmessig utfordring, som realiseres ved at virvelsøylen består av en lang rekke segmenter (harde virvellegemer gjort av bein) som er forbundet med mere myke segmenter (discii, laget av brusk). Mellom to virvellegemer er litt (men ikke mye) bevegelse mulig, og som et resultat av mange discii i serie blir søylen totalt sett ganske bevegelig. Holdes søylen rett kan den ta opp store krefter på langs, men samtidig kan den bøye og være ettergivende når det er påkrevet.

Et resultat av dette designet er at virvelsøylen endrer lengde som følge av belastning. Avhengig av kroppshøyde, alder og daglig belastning sammentrykkes discii i løpet av dagen og det kan være opp til 1,5 cm forskjell på kroppshøyde fra morgen til kveld. Lengdeendring ses forøvrig i ekstrem grad hos astronauter som etter måneder utenfor tyngdefeltet kan ha økt kroppshøyde med 5 cm (og dermed har økt risiko for ryggskade i en periode etter de har kommet tilbake til jorden).

Virvelsøylen er altså et temmelig avansert design som kombinerer et passivt element (bein, brusk, ligament) med et aktivt kraftskapende element (muskel) som igjen er kontrollert av nervesystemet. Virvelsøylen har innebygget sensorer som gir feedback til nervesystemet om søylens stilling og belastning, og nervesystemet kan dermed aktivere muskelkraft og sikre stabilitet.

Nesten alle mennesker opplever vondt i korsryggen i løpet av livet; noen i invaliderende grad. Som nevnt er virvelsøylen designet i et ”trade-off” mellom vekt og stabilitet, og det betyr at søylen under menneskelig bevegelse innimellom kommer tett på bruddgrensen av enkelte strukturer. Selv om smerte og skadeårsaker ikke forstås i detaljert grad, er det sannsynlig at nettopp muskelstyrke og motorisk kontroll er viktige faktorer for å unngå uhensiktsmessig belastning og dermed redusere skaderisiko. I de senere år har såkalt ”core-training” blitt temmelig populært (for noen har det nesten religiøse dimensjoner), men uansett er det altså bra argumenter for å holde muskulaturen omkring ryggsøylen sterk ved hjelp av styrketrening.

Utover evne til å skifte mellom at være en statisk søyle og en dynamisk struktur har virvelsøylen ytterligere en funksjon relatert til energiflyten. Inne i virvelsøylen og på toppen av virvelsøylen ligger nervesystemet som ikke tåler vibrasjon. Ryggsøylen kan med sitt design bidra til støtdemping (omdanne mekanisk energi til varme) under bevegelse og dermed redusere rystelser av hjernen. Et spørsmål som ikke er vel belyst er om ryggsøylen i kombinasjon med omliggende strukturer evner å lagre og tilbakeføre energi under menneskelig bevegelse, for eksempel landing-opphop, løpesteg eller andre ”forspenningsbevegelser”. Er dette mulig, kan ryggsøylen bidra til prestasjon ved å gjøre bevegelser mindre energikrevende. Dette fenomenet kjennes fra andre strukturer i menneskekroppen eksempelvis akillessenen. 

Oppsummert løser virvelsøylen oppgaver i forbindelse med belastning, bevegelse og beskyttelse av nervesystemet, men det er mulig at også ryggsøylen bidrar med støtdemping og lagring av energi. Ved Seksjon for fysisk prestasjonsevne ønsker vi å undersøke hvorvidt ryggsøylens biomekanikk bidrar til menneskelig prestasjon under utvalgte bevegelser, og vi jobber med at utvikle ideer til forsking på dette feltet.