A complexa ciência por trás do ato de ficar parado em pé
Para a maioria das pessoas, ficar em pé, por exemplo, em uma fila é uma tarefa automática que não requer nenhuma atenção ou habilidade especial para manter o equilíbrio. Por outro lado, talvez paradoxalmente, o estudo científico de como o corpo humano se mantém em postura ereta quieta se mostra bastante complexo.
Inicialmente, serão apresentadas algumas considerações simples para situar um pouco o desafio de se estudar o controle da postura ereta quieta em seres humanos. Serão, também, apresentados aspectos sobre mecanismos e teorias associados ao estudo do controle postural humano.
Um conceito inicial, que merece ser ressaltado, é que a rigidez passiva (ou intrínseca) de músculos e tendões (componentes viscoelásticos) da perna e demais regiões do corpo envolvidos na postura ereta não é, em geral, suficiente para manter o equilíbrio de um sujeito em pé. É necessário haver a contração de certos músculos para garantir a manutenção da postura em pé, mesmo sobre uma superfície plana, horizontal, rígida e imóvel.
Um segundo aspecto é que, do ponto de vista de minimizar o gasto energético, poderia parecer ideal o corpo ficar a 90 graus durante a postura ereta quieta. Mas não é isso o que ocorre, o corpo fica alguns graus inclinado para a frente. Esta situação poderia, teoricamente, ocorrer com a rigidez passiva muscular e tendinosa dos músculos localizados atrás da perna (panturrilha), mas na realidade há uma leve contração dos músculos da panturrilha para evitar que o sujeito caia para a frente.
Uma razão que explica isto é que essa configuração mantém os receptores sensoriais (transdutores mecano-elétricos) que há nos músculos da panturrilha em condições ideais para sinalizar pequenas alterações na posição e movimento do corpo, algo que não ocorreria caso o sujeito ficasse a 90 graus. Essa sinalização sensorial evita eventuais princípios de queda por meio do controle da contração muscular ativada por realimentação sensório-motora via medula espinhal.
Adicionalmente, ainda no tema da hipótese de postura ereta a 90 graus, no caso de uma tendência de inclinação para trás, o principal músculo da perna que poderia contrabalancear este movimento é um músculo pequeno (tibial anterior), cuja ação mecânica seria eficaz apenas para mínimas variações angulares.
Um outro ponto a ressaltar é que, mesmo estando em pé sobre uma estrutura horizontal, sólida e imóvel, o termo “postura ereta quieta” não é fidedigno, uma vez que o corpo apresenta oscilações posturais involuntárias. Essas oscilações naturais não são periódicas (como um relógio) nem determinísticas. São aleatórias e originadas da interação de múltiplos processos neurais, musculares e biomecânicos que contribuem para a manutenção da postura.
Na apresentação acima, uma primeira aproximação física (muito usada na literatura sobre o tema de controle postural humano) para o entendimento do controle postural é a de que o corpo em postura ereta seria aproximável a um pêndulo invertido, com o ponto de rotação associado à articulação do tornozelo e a força gerada pelos músculos da perna sendo os atuadores que garantiriam a ausência de queda. Em uma representação propositalmente simplificada, receptores sensoriais musculares da panturrilha seriam os principais sinalizadores de variação angular no tornozelo, os sinais neurais seriam conduzidos até à medula espinhal, onde sinapses ativariam neurônios motores cujos potenciais de ação (pulsos elétricos que codificam “informação”) propagando-se até às fibras musculares da perna comandariam uma contração muscular, com a subsequente geração de torque que contrabalancearia um princípio de queda. Na realidade, há um envolvimento de diferentes níveis do sistema nervoso onde há integração de múltiplas informações sensoriais e que resultam na geração de comandos motores que contribuem para a manutenção do equilíbrio.
A associação da via sensorial com a via motora na propagação de potenciais de ação causa um atraso de algumas dezenas de milissegundos, atraso este que deve ser somado ao tempo que leva para uma contração muscular atingir uma força significativa (várias dezenas de milissegundos), o que do ponto de vista de controle do sistema dinâmico (pêndulo invertido simples com realimentação negativa com atraso) é um fator limitante. Por esse motivo, essa visão simplificadora de teoria do controle postural humano tem gerado hipóteses alternativas na literatura sobre os mecanismos neuro-músculo-esqueléticos envolvidos na manutenção da postura ereta em seres humanos.
Nos aproximando um pouco mais da realidade, perguntamos: (1) quais são os sistemas sensoriais envolvidos e (2) se a única articulação em que há movimentos durante a postura ereta é a do tornozelo. Em relação à primeira pergunta, para manter um controle postural eficiente, o sistema nervoso combina informações sensoriais provenientes dos músculos, tendões e articulações, de receptores cutâneos (particularmente das plantas dos pés), da retina e do sistema vestibular (localizado no ouvido interno). Os sinais neurais dessas múltiplas entradas sensoriais são processados e integrados em diversas partes do sistema nervoso central gerando atividade neural que é distribuída via medula espinhal para nervos do sistema nervoso periférico, gerando a ativação de diferentes músculos. Deficiências sensoriais e/ou motoras nessas diferentes regiões ou vias podem causar prejuízos na qualidade do controle postural (e do controle da marcha e de outros movimentos corpóreos), com riscos de quedas e outros acidentes.
Quanto à segunda pergunta, há sim movimentos durante a postura ereta quieta em outras articulações, além da do tornozelo. Há movimentos de rotação do quadril, em alguns casos também do joelho, além de movimentos de rotação em pontos da coluna vertebral e da articulação da coluna com a cabeça (articulação craniocervical). Obviamente, o estudo biomecânico-neural experimental bem como a modelagem matemática ficam extremamente mais complexos (mas mais realistas) se mais articulações forem incluídas no estudo além da do tornozelo. Por exemplo, ao invés do modelo físico-matemático clássico de pêndulo invertido simples, que é mais fácil de controlar para evitar uma queda, passamos a ter um pêndulo invertido de múltiplos segmentos, cujo controle neuromecânico é muito mais complexo, pois não só deve-se manter o corpo em pé com vários ângulos articulares e segmentos do corpo se movendo, mas também assegurar que não haja movimentos muito bruscos em nenhuma das articulações para evitar lesões.
Para não deixar uma lacuna muito grande na exposição simplificada dada acima sobre ficar em pé, deve-se acrescentar que há ocasiões em que, mesmo com muita ativação de múltiplos músculos e muitos movimentos em diferentes articulações e segmentos corpóreos, um sujeito por vezes será obrigado a dar um passo (ou até mais que um) para evitar uma queda devido a uma perda de equilíbrio mais acentuada (quer por causas endógenas ou exógenas).
No tocante ao estudo experimental do controle da postura ereta em seres humanos, a tecnologia atual permite realizar um estudo do equilíbrio humano com um poder e abrangência inimagináveis no século passado. Um laboratório atual utiliza sistemas de câmeras e marcadores afixados ao longo do corpo, sistemas multicanais de eletromiografia (medem a atividade elétrica de músculos), além de plataformas de força (estas medem as forças exercidas pelos pés sobre a superfície de apoio, podendo estimar os limites do equilíbrio postural). Com esses sistemas consegue-se fazer uma análise concomitante e multivariável de movimentos de muitos articulações e segmentos do corpo em conjunto com as ativações de um grande número de músculos e as forças em 3D aplicadas sobre o solo. Sendo um estudo multivariável, são necessários métodos adequados de processamento de sinais e de análise matemática para se poder obter melhores frutos dos experimentos, algo em que a engenharia, a física e a matemática podem prover um respaldo importante.
Em termos de manipulações experimentais para estudo da postura ereta quieta em superfície de apoio fixa, pode-se avaliar os efeitos de: diferentes materiais da superfície de apoio (por exemplo, espumas de diferentes densidades e espessuras), diferentes inclinações da superfície de apoio, diferentes inputs visuais (com visão, sem visão, com influxo visual periódico), diferentes estimulações tendinosas por vibração, diferentes estimulações elétricas de músculos para ativar receptores sensoriais (por exemplo, para estudar efeitos de ressonância estocástica), etc.
Por outro lado, investigações comparando sujeitos de diferentes faixas etárias ou comparando sujeitos sãos com outros com determinada disfunção têm muita utilidade em medicina e fisioterapia.
Áreas que estudam controle postural em humanos incluem a biomecânica, a neurociência, a neurologia, a engenharia biomédica, dentre outras. Laboratórios ou setores que estudam experimentalmente o controle postural humano incluem os de Educação Física, Medicina, Engenharia, Fisioterapia, dentre outros.
Finalmente, a modelagem matemática do controle postural humano é um grande desafio, em parte porque não se tem acesso à maioria dos sinais neurais e musculares internos ao sistema neuromuscular humano. A maioria das abordagens é por caixa-preta, utilizando ferramentas de matemática como a de teoria de controle linear ou não linear. Uma das poucas abordagens que estudaram o controle postural representando matematicamente vários dos elementos ósteo-neuromusculares do corpo humano (atividades de neurônios e músculos, partes da biomecânica, etc) foi realizado por Leonardo Abdala Elias em seu doutorado no Laboratório de Engenharia Biomédica da Escola Politécnica da USP, que contou com a colaboração do então doutorando Renato Naville Watanabe. As simulações do complexo modelo matemático “isomórfico” mostraram boa aderência a dados experimentais e sugeriram novas interpretações a temas conceituais, como a existência e a possível origem de controle intermitente no controle postural humano. Em outras palavras, o modelo virtual de um ser humano em pé permitiu testar hipóteses sobre a fisiologia e a dinâmica biomecânica envolvidas na manutenção da postura ereta, algo que, para certas perguntas científicas, pode ser muito difícil (ou impossível) de ser conseguido com uma abordagem de experimentos de laboratório com seres humanos. Uma revisão recente sobre o espinhoso tema de modelagem matemática do controle postural humano pode ser encontrada neste link.
Em resumo, o estudo experimental do controle postural humano ainda tem muito a oferecer de informações inestimáveis pela frente e deve render frutos em várias áreas do conhecimento da ciência pura e aplicada. O mesmo pode ser dito de estudos teóricos, por modelagem matemática e subsequente aplicação de teorias de sinais e sistemas dinâmicos.
(*) André Fabio Kohn é professor da Escola Politécnica da USP.
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