<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing DTD v2.3 20070202//EN" "journalpublishing.dtd">
<article article-type="research-article" dtd-version="2.3" xml:lang="EN" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">Front. Physiol.</journal-id>
<journal-title>Frontiers in Physiology</journal-title>
<abbrev-journal-title abbrev-type="pubmed">Front. Physiol.</abbrev-journal-title>
<issn pub-type="epub">1664-042X</issn>
<publisher>
<publisher-name>Frontiers Media S.A.</publisher-name>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="publisher-id">855303</article-id>
<article-id pub-id-type="doi">10.3389/fphys.2022.855303</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Physiology</subject>
<subj-group>
<subject>Original Research</subject>
</subj-group>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>A thermodynamically consistent monte carlo cross-bridge model with a trapping mechanism reveals the role of stretch activation in heart pumping</article-title>
<alt-title alt-title-type="left-running-head">Yoneda et al.</alt-title>
<alt-title alt-title-type="right-running-head">
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.3389/fphys.2022.855303">10.3389/fphys.2022.855303</ext-link>
</alt-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Yoneda</surname>
<given-names>Kazunori</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1385702/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Kanada</surname>
<given-names>Ryo</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff2">
<sup>2</sup>
</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/543976/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Okada</surname>
<given-names>Jun-ichi</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff3">
<sup>3</sup>
</xref>
<xref ref-type="aff" rid="aff4">
<sup>4</sup>
</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/282377/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Watanabe</surname>
<given-names>Masahiro</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1408256/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Sugiura</surname>
<given-names>Seiryo</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff3">
<sup>3</sup>
</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/282363/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Hisada</surname>
<given-names>Toshiaki</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff3">
<sup>3</sup>
</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/544177/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name>
<surname>Washio</surname>
<given-names>Takumi</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff3">
<sup>3</sup>
</xref>
<xref ref-type="aff" rid="aff4">
<sup>4</sup>
</xref>
<xref ref-type="corresp" rid="c001">&#x2a;</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/264922/overview"/>
</contrib>
</contrib-group>
<aff id="aff1">
<sup>1</sup>
<institution>Section Solutions Division</institution>, <institution>Healthcare Solutions Development Unit</institution>, <institution>Fujitsu Japan Limited</institution>, <institution>Shiodome City Center</institution>, <addr-line>Tokyo</addr-line>, <country>Japan</country>
</aff>
<aff id="aff2">
<sup>2</sup>
<institution>RIKEN Center for Computational Science HPC- and AI-driven Drug Development Platform Division</institution>, <institution>AI-driven Drug Discovery Collaborative Unit</institution>, <addr-line>Kobe</addr-line>, <country>Japan</country>
</aff>
<aff id="aff3">
<sup>3</sup>
<institution>UT-Heart Inc.</institution>, <institution>Kashiwanoha Campus Satellite</institution>, <addr-line>Kashiwa</addr-line>, <country>Japan</country>
</aff>
<aff id="aff4">
<sup>4</sup>
<institution>Graduate School of Frontier Sciences</institution>, <institution>University of Tokyo</institution>, <institution>Kashiwanoha Campus Satellite</institution>, <addr-line>Kashiwa</addr-line>, <country>Japan</country>
</aff>
<author-notes>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Edited by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/487107/overview">Guido Caluori</ext-link>, INSERM Institut de Rythmologie et Mod&#xe9;lisation Cardiaque (IHU-Liryc), France</p>
</fn>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Reviewed by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/36202/overview">Kenneth Scott Campbell</ext-link>, University of Kentucky, United States</p>
<p>
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/967214/overview">Wenjun Kou</ext-link>, Northwestern University, United States</p>
</fn>
<corresp id="c001">&#x2a;Correspondence: Takumi Washio, <email>washio@ut-heart.com</email>
</corresp>
<fn fn-type="other">
<p>This article was submitted to Integrative Physiology, a section of the journal Frontiers in Physiology</p>
</fn>
</author-notes>
<pub-date pub-type="epub">
<day>08</day>
<month>09</month>
<year>2022</year>
</pub-date>
<pub-date pub-type="collection">
<year>2022</year>
</pub-date>
<volume>13</volume>
<elocation-id>855303</elocation-id>
<history>
<date date-type="received">
<day>15</day>
<month>01</month>
<year>2022</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>18</day>
<month>07</month>
<year>2022</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>Copyright &#xa9; 2022 Yoneda, Kanada, Okada, Watanabe, Sugiura, Hisada and Washio.</copyright-statement>
<copyright-year>2022</copyright-year>
<copyright-holder>Yoneda, Kanada, Okada, Watanabe, Sugiura, Hisada and Washio</copyright-holder>
<license xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">
<p>This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.</p>
</license>
</permissions>
<abstract>
<p>Changes in intracellular calcium concentrations regulate heart beats. However, the decline in the left ventricular pressure during early diastole is much sharper than that of the Ca<sup>2&#x2b;</sup> transient, resulting in a rapid supply of blood to the left ventricle during the diastole. At the tissue level, cardiac muscles have a distinct characteristic, known as stretch activation, similar to the function of insect flight muscles. Stretch activation, which is a delayed increase in force following a rapid muscle length increase, has been thought to be related to autonomous control in these muscles. In this numerical simulation study, we introduced a molecular mechanism of stretch activation and investigated the role of this mechanism in the pumping function of the heart, using the previously developed coupling multiple-step active stiffness integration scheme for a Monte Carlo (MC) cross-bridge model and a bi-ventricular finite element model. In the MC cross-bridge model, we introduced a mechanism for trapping the myosin molecule in its post-power stroke state. We then determined the rate constants of transitions for trapping and escaping in a thermodynamically consistent manner. Based on our numerical analysis, we draw the following conclusions regarding the stretch activation mechanism: (i) the delayed force becomes larger than the original isometric force because the population of trapped myosin molecules and their average force increase after stretching; (ii) the delayed force has a duration of more than a few seconds owing to a fairly small rate constant of escape from the trapped state. For the role of stretch activation in heart pumping, we draw the following conclusions: (iii) for the regions in which the contraction force decreases earlier than the neighboring region in the end-systole phase, the trapped myosin molecules prevent further lengthening of the myocytes, which then prevents further shortening of neighboring myocytes; (iv) as a result, the contraction forces are sustained longer, resulting in a larger blood ejection, and their degeneration is synchronized.</p>
</abstract>
<kwd-group>
<kwd>stretch activation</kwd>
<kwd>Monte Carlo method</kwd>
<kwd>finite element method</kwd>
<kwd>heartbeat</kwd>
<kwd>excitation contraction coupling</kwd>
<kwd>spontaneous oscillation</kwd>
<kwd>cross-bridge cycle</kwd>
</kwd-group>
<contract-sponsor id="cn001">Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology<named-content content-type="fundref-id">10.13039/501100001700</named-content>
</contract-sponsor>
<contract-sponsor id="cn002">Japan Agency for Medical Research and Development<named-content content-type="fundref-id">10.13039/100009619</named-content>
</contract-sponsor>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec id="s1">
<title>Introduction</title>
<p>Stretch activation is a distinctive feature in the tension response that occurs after a small rapid stretch (lengthening of approximately 1% of the initial length) is imposed in the fiber direction to the isometrically contracting muscle. As illustrated in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1A</xref>, after the rapid rise of tension during stretching (phase 1), the tension declines to a certain level (phase 2) and then rises again to a level higher than that of the original isometric force (phase 3). In the following, we refer to the force in phase 3 as the delayed force following <xref ref-type="bibr" rid="B22">Stelzer et al. (2006)</xref>. The degree of delayed force development, or stretch activation, varies for different types of muscles. In particular, an increased delayed force is prominent in asynchronous insect flight muscles, in which stretch activation is thought to be a key factor of the spontaneous oscillations (SPOCs) that occur without intracellular Ca<sup>2&#x2b;</sup> regulation (<xref ref-type="bibr" rid="B13">Pringle 1978</xref>). Although heartbeats are regulated by the intracellular Ca<sup>2&#x2b;</sup> transient ([Ca<sup>2&#x2b;</sup>]), the stretch activation mechanism is thought to promote efficient switching between the systole and diastole. In our previous work on a numerical bi-ventricular model (<xref ref-type="bibr" rid="B28">Washio et al., 2018</xref>), we showed that stretch activation might aid in synchronizing the generation of contraction force over all of the ventricles for a non-uniform rapid rise of [Ca<sup>2&#x2b;</sup>] during isovolumetric contraction. The stretch activation may also aid in synchronizing the degeneration of contraction force against a non-uniform slow decline of [Ca<sup>2&#x2b;</sup>] during early diastole. In the simulation, although the total length change of cardiomyocytes in the systole and diastole was approximately 15&#x2013;20% larger than the length change in the stretch activation, it was shown that the activated force can be generated locally by instantaneous small stretches at the location where the active tension is smaller than the surrounding part because of inhomogeneities of the activation level (<xref ref-type="bibr" rid="B28">Washio et al., 2018</xref>). In this simulation study, we assumed a trapping mechanism for strongly binding myosin molecules and modeled this mechanism using a Langevin dynamics model of the power stroke transition. However, the fairly fine time step (&#x223c;0.25&#xa0;ns) used in solving the Langevin equations presented an obstacle in extending this approach for clinical applications. Furthermore, we showed that a multiple-step active stiffness integration scheme that couples the Monte Carlo (MC) model with a larger time step (&#x223c;5 <inline-formula id="inf1">
<mml:math id="m1">
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x3bc;s</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) and the continuum had a much higher computational efficiency (<xref ref-type="bibr" rid="B31">Yoneda et al., 2021</xref>). Therefore, in this study, we introduce a stretch activation mechanism in the MC model, targeting clinical uses of beating heart simulations.</p>
<fig id="F1" position="float">
<label>FIGURE 1</label>
<caption>
<p>
<bold>(A)</bold> A typical stretch activation response for a cardiomyocyte. Time course of the active tension (bottom) is illustrated for the response of length change (1&#x2013;2%) (top) after steady-state is achieved. There is an initial increase in the active tension with the stretch (Phase 1), followed by a rapid decay in tension (Phase 2) to a minimum, and finally a delayed increase in tension (Phase 3, stretch activation). <bold>(B)</bold> A filament pair in the half-sarcomere model <bold>(C)</bold> the state transition MC model of the myosin molecule, and <bold>(D)</bold> the T/T unit. <inline-formula id="inf2">
<mml:math id="m2">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mtext>M</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> MHs and <inline-formula id="inf3">
<mml:math id="m3">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mtext>T</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> T/T units are arranged on the thick and thin filaments, respectively. The MHs in either the N<sub>XB</sub> or P<sub>XB</sub> states are assumed to be detached. The rate constant factors <inline-formula id="inf4">
<mml:math id="m4">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>np</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf5">
<mml:math id="m5">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>pn</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> between N<sub>XB</sub> and P<sub>XB</sub> are affected by the state of the T/T unit above it. <inline-formula id="inf6">
<mml:math id="m6">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is an integer that takes a value of 0, 1, or 2, according to the number of neighboring MHs attached or weakly binding. <inline-formula id="inf7">
<mml:math id="m7">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>80</mml:mn>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> was adopted to model the cooperativity of the MHs. The forward transitions from XB<sub>PreR</sub> to XB<sub>PostR2</sub> <italic>via</italic> XB<sub>PostR1</sub> are called &#x201c;power strokes,&#x201d; whereas the back transitions are called &#x201c;reverse strokes.&#x201d; It should be noted that a new state, &#x201c;XB<sub>Trap</sub>,&#x201d; is introduced and interacts only with XB<sub>PostR1</sub>. The transition from XB<sub>PostR1</sub> to XB<sub>Trap</sub> is called &#x201c;trapping,&#x201d; whereas the opposite transition is called &#x201c;escaping.&#x201d; The MHs connected to the extremely strained myosin rods are detached (arrows of these forced detachments are not shown).</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphys-13-855303-g001.tif"/>
</fig>
<p>We briefly present an overview of our sarcomere model (<xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1B</xref>) with the MC cross-bridge model used in this study (<xref ref-type="fig" rid="F1">Figures 1C,D</xref>). We provide details in the Materials and Methods section. We assume that <italic>N</italic>
<sub>
<italic>M</italic>
</sub> (&#x3d; 38) myosin molecules are arranged on the thick filament at regular intervals, except for the bare zone, whereas the thin filament is divided into <italic>N</italic>
<sub>
<italic>T</italic>
</sub> (&#x3d; 32) segments, termed troponin/tropomyosin (T/T) units. These numbers of myosin molecules and T/T units were determined by assuming that our one-dimensional model corresponds to one of the double spirals of the actual thin filament and surrounding accessible myosin molecules (<xref ref-type="bibr" rid="B30">Washio et al., 2016</xref>). A myosin molecule in our cross-bridge model has one non-binding state (N<sub>XB</sub>), one weakly binding state (P<sub>XB</sub>), and four strong binding states (XB<sub>PreR</sub>, XB<sub>PostR1</sub>, XB<sub>PostR2</sub>, and XB<sub>Trap</sub>) (<xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1C</xref>). Here, the trap state XB<sub>Trap</sub> is added to our previous model (<xref ref-type="bibr" rid="B31">Yoneda et al., 2021</xref>) to reproduce the stretch activation. Ca<sup>2&#x2b;</sup> sensitivity is reproduced based on state transitions in the T/T units on the thin filament (<xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1D</xref>). The coefficients k<sub>np</sub> and k<sub>pn</sub> in the rate constants between the non-binding state N<sub>XB</sub> and the weakly binding state P<sub>XB</sub> are changed according to the state of the T/T unit above the myosin molecule. Cooperativity in nearest neighbor interactions is incorporated with the factors &#x3b3;<sup>ng</sup> and <italic>&#x3b3;</italic>
<sup>&#x2212;ng</sup> to reproduce the force&#x2013;pCa<sup>2&#x2b;</sup> relationship (<xref ref-type="bibr" rid="B15">Rice et al., 2003</xref>), where <italic>&#x3b3;</italic> &#x3d; 80 is used and <italic>ng</italic> &#x3d; 0, 1, or 2 is the number of neighboring myosin molecules either in the weakly binding (P<sub>XB</sub>) or strong binding (XB<sub>PreR</sub>, XB<sub>PostR1</sub>, XB<sub>PostR2</sub>, and XB<sub>Trap</sub>) states.</p>
<p>The contraction force is generated by power stroke transitions in which the lever arm swing distance increases by <inline-formula id="inf9">
<mml:math id="m9">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf10">
<mml:math id="m10">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the first and second strokes, respectively (<xref ref-type="fig" rid="F2">Figures 2A,B</xref>). This increase in swing distance is directly reflected by an increase in myosin rod distortion (<xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1B</xref>). In our model, the rate constants of the power and reverse strokes are given by functions of the myosin rod distortion <inline-formula id="inf11">
<mml:math id="m11">
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> such that the Boltzmann equilibrium condition is fulfilled:<disp-formula id="e1">
<mml:math id="m12">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2261;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mtext>exp</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>rod</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>rod</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(1)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf12">
<mml:math id="m13">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf13">
<mml:math id="m14">
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> denote the Boltzmann constant and temperature, respectively. <inline-formula id="inf14">
<mml:math id="m15">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf15">
<mml:math id="m16">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf16">
<mml:math id="m17">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are the free energies, respectively, at XB<sub>PreR</sub>, XB<sub>PostR1</sub>, and XB<sub>PostR2</sub> (<xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2B</xref>). <inline-formula id="inf17">
<mml:math id="m18">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>rod</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the strain energy of the myosin rod. It should be noted that the rate constants are defined as a function of distortion at the origin of the transition. With the power stroke, the free energy decrease <inline-formula id="inf18">
<mml:math id="m19">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is transferred to an increase in strain energy <inline-formula id="inf19">
<mml:math id="m20">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>rod</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>rod</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The strain energy is used for the external work <italic>via</italic> the half-sarcomere shortening, which corresponds to muscle shortening in the fiber direction.</p>
<fig id="F2" position="float">
<label>FIGURE 2</label>
<caption>
<p>
<bold>(A)</bold> Lever arm rotations at the four attached states with a hook (light blue) that traps the XB<sub>Trap</sub> state. <bold>(B)</bold> The free energy profile that drives the power strokes. <bold>(C)</bold> A cross-sectional view of the lever arm positions of the four attached states. <bold>(D)</bold> Magnification of the lever arm rotations with the spring of the myosin rod. The distortion of the myosin rod decreases by <inline-formula id="inf20">
<mml:math id="m21">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> during trapping, while it increases by <inline-formula id="inf21">
<mml:math id="m22">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> while escaping.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphys-13-855303-g002.tif"/>
</fig>
<p>Under the above formulation, the ratio <inline-formula id="inf22">
<mml:math id="m23">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> increases when the distortion <inline-formula id="inf23">
<mml:math id="m24">
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> decreases as the sarcomere shortens. Conversely, sarcomere lengthening (as in stretch activation) causes an increase in distortion <inline-formula id="inf24">
<mml:math id="m25">
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>, resulting in a facilitation of reverse strokes. The chain reaction of reverse strokes and sarcomere lengthening is assumed to enable quick relaxation at the early diastole in the cardiac cycle (<xref ref-type="bibr" rid="B27">Washio et al., 2019</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B5">Hwang et al., 2021</xref>). However, the synchrony of this relaxation over the entire ventricular wall is needed to explain the realistic rapid decline in the left ventricular pressure. In our previous work (<xref ref-type="bibr" rid="B28">Washio et al., 2018</xref>), we introduced a trapping mechanism at the XB<sub>PostR1</sub> state in the Langevin dynamics model to indicate the role of the stretch activation mechanism in the synchrony of relaxation. In the Langevin model, the potential that drove the power stroke was represented as a function of two parameters: the lever arm rotation distance, <inline-formula id="inf25">
<mml:math id="m26">
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>, and the degree of lever arm deflection, <inline-formula id="inf26">
<mml:math id="m27">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>. With these parameters, the total distance of the power stroke is given by <inline-formula id="inf27">
<mml:math id="m28">
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Here, the deflection <inline-formula id="inf28">
<mml:math id="m29">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> increases as the pulling force imposed on the lever arm increases, and a high barrier in the y-direction is assumed for the large deflection <inline-formula id="inf29">
<mml:math id="m30">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> in the potential landscape between XB<sub>PreR</sub> and XB<sub>PostR1</sub>. In this way, reverse strokes from the XB<sub>PostR1</sub> state to the XB<sub>PreR</sub> state are prevented when the force is large. Thus, the myosin molecules in the XB<sub>PostR1</sub> state with a large force are trapped. In this study, we introduce a similar trapping mechanism in our MC model based on a thermodynamically consistent formulation.</p>
<p>In <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2C</xref>, the trap mechanism is illustrated using a hook that inhibits the reverse transition to the XB<sub>PreR</sub> state. The power stroke distance is slightly shortened by <inline-formula id="inf30">
<mml:math id="m31">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>trap</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the trapping transition from XB<sub>PostR1</sub> to XB<sub>Trap</sub>, while the system returns to the XB<sub>PostR1</sub> state in the escaping transition from the XB<sub>Trap</sub> state (<xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2D</xref>). Thus, the ratio of the transition rates is given by:<disp-formula id="e2">
<mml:math id="m32">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2261;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>escape</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>trap</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>trap</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>exp</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>trap</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>trap</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(2)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf31">
<mml:math id="m33">
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>trap</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the free energy in the XB<sub>Trap</sub> state. In this study, the rate constant for trapping is:<disp-formula id="e3">
<mml:math id="m34">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>trap</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>trap</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(3)</label>
</disp-formula>and the rate constant for escaping is:<disp-formula id="e4">
<mml:math id="m35">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>escape</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>escape</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>exp</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>trap</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(4)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>From <xref ref-type="disp-formula" rid="e2">Eq. 2</xref>, the relationship between the ratio of the coefficients <inline-formula id="inf32">
<mml:math id="m36">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>trap</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mtext>and</mml:mtext>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>escape</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and the free energy difference is given by:<disp-formula id="e5">
<mml:math id="m37">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>escape</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>trap</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>exp</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>trap</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(5)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>If we assume linear elasticity for the myosin rod, the potential energy difference in <xref ref-type="disp-formula" rid="e4">Eq. 4</xref> is represented by:<disp-formula id="e6">
<mml:math id="m38">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>trap</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>xb</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>trap</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>trap</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(6)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf33">
<mml:math id="m39">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>xb</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the spring constant of the myosin rod. <xref ref-type="disp-formula" rid="e4">Eqs 4</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="e6">6</xref> indicate that as the distortion <inline-formula id="inf34">
<mml:math id="m40">
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> increases, the myosin molecule becomes less likely to escape from the XB<sub>Trap</sub> state. Thus, the half-sarcomere lengthening (as in stretch activation) implies a rapid increase in distortion <inline-formula id="inf35">
<mml:math id="m41">
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>, resulting in trapping in the XB<sub>Trap</sub> state. <xref ref-type="disp-formula" rid="e4">Eqs 4</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="e6">6</xref> also indicate that the degree of trapping depends on the loss of the power stroke distance <inline-formula id="inf36">
<mml:math id="m42">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>trap</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Thus, the parameter <inline-formula id="inf37">
<mml:math id="m43">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>trap</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> has the potential to reproduce stretch activation phenomena in various muscle types (<xref ref-type="sec" rid="s10">Supplementary Figures S1,S2</xref> for the plots of the rate functions).</p>
<p>The structural mechanism of trapping has not yet been identified. However, the conformation change between the XB<sub>PreR</sub> state and XB<sub>PostR1</sub> state (<xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3A</xref>) and the arrangement of the converter domain and the lever arm in the XB<sub>PostR1</sub> state (<xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3B</xref>) produced by our coarse-grained molecular dynamic simulation (<xref ref-type="bibr" rid="B25">Washio et al., 2021</xref>) indicate that the V-shaped region in the converter domain could hold the lever arm when it is strongly pulled in the opposite direction (<xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3C</xref>). Note that these configurations of the myosin molecule are drawn from the viewpoint indicated in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3D</xref>. Once the lever arm is strongly held in the V-shaped region, it might inhibit reverse rotation of the converter domain (from <xref ref-type="fig" rid="F3">Figures 3A,B</xref>), resulting in trapping of the lever arm. <xref ref-type="sec" rid="s10">Supplementary Video 1</xref> shows a simulation of the power stroke transition from the XB<sub>PreR</sub> state to the XB<sub>PostR1</sub> state.</p>
<fig id="F3" position="float">
<label>FIGURE 3</label>
<caption>
<p>The conformation change of the myosin molecule in the first power stroke transition. <bold>(A)</bold> Intermediate conformations between the XB<sub>PreR</sub> and XB<sub>PostR1</sub> states. <bold>(B)</bold> Conformation in the XB<sub>PostR1</sub> states <bold>(C)</bold> A candidate of conformation of the XB<sub>Trap</sub> state with the imposed pulling force (thick red arrow). <bold>(D)</bold> The viewpoint for <bold>(A&#x2013;C)</bold>. The myosin molecule is divided into the following domains: lever arm (black), converter (light blue), N-terminal (brown), central domain (green), upper 50&#xa0;k (pink), and lower 50&#xa0;k (orange). The thin filament is colored gray. In the XB<sub>Trap</sub> state, the lever arm is trapped in the V-shaped region of the converter. The rotation of the converter might be inhibited in the case of a strong pulling force.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphys-13-855303-g003.tif"/>
</fig>
<p>Determining which part of the contractile proteins is responsible for stretch activation remains controversial. Campbell and Chandra (<xref ref-type="bibr" rid="B1">Campbell and Chandra. 2006</xref>) reproduced stretch activation in cardiac muscle (<xref ref-type="bibr" rid="B22">Stelzer et al., 2006</xref>) by applying a numerical model, where they assumed that the thin filament regulatory unit (RU) was responsible. Conversely, Straight et al. (2019) proposed a myosin-based mechanism focusing on the ADP state, which corresponds to XB<sub>PostR1</sub> in our MC model, although a trapping mechanism was not introduced in their model. A unique feature of our numerical model is its theoretical basement based on the Boltzmann distribution law under the strain energy for distortion of the myosin rod <xref ref-type="disp-formula" rid="e2">Eq. 2</xref>.</p>
</sec>
<sec sec-type="materials|methods" id="s2">
<title>Materials and methods</title>
<p>Here, we introduce the cross-bridge MC model and its use in multiscale analyses. Cross-bridge MC models are arranged on a thick filament and interact with a thin filament. The pairs of filaments compose the half-sarcomere model (<xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4A</xref>). Half-sarcomere models are imbedded into the myofibril model (<xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4B</xref>) or the ventricle model (<xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4C</xref>), where interactions of the half-sarcomere models in adjacent elements are analyzed. In the following, informative numerical results, representing basic properties of the MC cross-bridge model with the trapping mechanism are introduced to help readers understand the definitions of crucial parameters in the MC cross-bridge model.</p>
<fig id="F4" position="float">
<label>FIGURE 4</label>
<caption>
<p>Computational models at three scales. <bold>(A)</bold> A half-sarcomere model consisting of <inline-formula id="inf38">
<mml:math id="m44">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> filament pairs. In the stretch activation test, a rapid length change was imposed after the isometric force had matured. <bold>(B)</bold> The myofibril model for the SPOC simulation. The half-sarcomere models were imbedded to compute the active tensions in individual half-sarcomeres, whereas their stretches provide feedback to the half-sarcomere models. <bold>(C)</bold> A cross-section of the finite element bi-ventricular model and the transmural change in fiber orientation. The half-sarcomere models were imbedded in tetrahedral elements to compute the contraction force in the fiber direction, whereas the stretches in the fiber direction provided feedback to the half-sarcomere models. The boxed inset shows the Ca<sup>2&#x2b;</sup> transient given in each element.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphys-13-855303-g004.tif"/>
</fig>
<p>The parameter values, which are not related to the trap model, are listed in <xref ref-type="table" rid="T1">Table 1</xref>. Some of these values came from the following references [H2021]: <xref ref-type="bibr" rid="B5">Hwang et al., 2021</xref> [K2016]: <xref ref-type="bibr" rid="B8">Kolb et al., 2016</xref> [L2000]: <xref ref-type="bibr" rid="B10">Lodish et al., 2000</xref> [R2008]: <xref ref-type="bibr" rid="B16">Rice et al., 2008</xref> [S2013]: <xref ref-type="bibr" rid="B18">Sato et al., 2013</xref>, and [Y2021]: <xref ref-type="bibr" rid="B31">Yoneda et al., 2021</xref>.</p>
<table-wrap id="T1" position="float">
<label>TABLE 1</label>
<caption>
<p>Parameters for the actomyosin dynamics. &#x201c;Adjusted&#x201d; indicates that they were adjusted to reproduce the phenomena.</p>
</caption>
<table>
<thead valign="top">
<tr>
<th align="left">Parameter</th>
<th align="left">Value</th>
<th align="left">Unit</th>
<th align="left">References</th>
<th align="left">Parameter</th>
<th align="left">Value</th>
<th align="left">Unit</th>
<th align="left">References</th>
</tr>
<tr>
<th colspan="4" align="left">ATP hydrolysis energy</th>
<th colspan="4" align="center">Sarcomere geometry</th>
</tr>
</thead>
<tbody valign="top">
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf39">
<mml:math id="m45">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ATP</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">76.5</td>
<td align="left">
<inline-formula id="inf40">
<mml:math id="m46">
<mml:mrow>
<mml:mtext>pN</mml:mtext>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mtext>nm</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">[Y2021]</td>
<td align="left">
<inline-formula id="inf41">
<mml:math id="m47">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">1.9</td>
<td align="left">
<inline-formula id="inf42">
<mml:math id="m48">
<mml:mtext>&#x3bc;</mml:mtext>
</mml:math>
</inline-formula> m</td>
<td align="left">[R2008]</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf43">
<mml:math id="m49">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">4.28</td>
<td align="left">
<inline-formula id="inf44">
<mml:math id="m50">
<mml:mrow>
<mml:mtext>pN</mml:mtext>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mtext>nm</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">
<inline-formula id="inf45">
<mml:math id="m51">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>310</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">
<inline-formula id="inf46">
<mml:math id="m52">
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">1.65</td>
<td align="left">
<inline-formula id="inf47">
<mml:math id="m53">
<mml:mtext>&#x3bc;</mml:mtext>
</mml:math>
</inline-formula> m</td>
<td align="left">[L2000]</td>
</tr>
<tr>
<td colspan="4" align="left">
<bold>Stroke size and free energy</bold> <inline-formula id="inf48">
<mml:math id="m54">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>310</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">
<inline-formula id="inf49">
<mml:math id="m55">
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">0.16</td>
<td align="left">
<inline-formula id="inf50">
<mml:math id="m56">
<mml:mtext>&#x3bc;</mml:mtext>
</mml:math>
</inline-formula> m</td>
<td align="left">[K2016]</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf51">
<mml:math id="m57">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">6.0</td>
<td align="left">
<inline-formula id="inf52">
<mml:math id="m58">
<mml:mrow>
<mml:mtext>nm</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">[H2021]</td>
<td align="left">
<inline-formula id="inf53">
<mml:math id="m59">
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">1.0</td>
<td align="left">
<inline-formula id="inf54">
<mml:math id="m60">
<mml:mtext>&#x3bc;</mml:mtext>
</mml:math>
</inline-formula> m</td>
<td align="left">[K2016]</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf55">
<mml:math id="m61">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">4.0</td>
<td align="left">Nm</td>
<td align="left">[H2021]</td>
<td align="left">
<inline-formula id="inf56">
<mml:math id="m62">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">693</td>
<td align="left">
<inline-formula id="inf57">
<mml:math id="m63">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mtext>nm</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">[S2013]</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf58">
<mml:math id="m64">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">
<inline-formula id="inf59">
<mml:math id="m65">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ATP</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">pN/nm</td>
<td align="left">Adjusted</td>
<td colspan="4" align="center">
<bold>Force regulation through T/T unit</bold>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf60">
<mml:math id="m66">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">
<inline-formula id="inf61">
<mml:math id="m67">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ATP</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">pN/nm</td>
<td align="left">Adjusted</td>
<td align="left">
<inline-formula id="inf62">
<mml:math id="m68">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">100</td>
<td align="left">1/s</td>
<td align="left">[Y2021]</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf63">
<mml:math id="m69">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">0.7 <inline-formula id="inf64">
<mml:math id="m70">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">pN/nm</td>
<td align="left">Adjusted</td>
<td align="left">
<inline-formula id="inf65">
<mml:math id="m71">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">30</td>
<td align="left">1/s</td>
<td align="left">[Y2021]</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf66">
<mml:math id="m72">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">0</td>
<td align="left">pN/nm</td>
<td align="left">Adjusted</td>
<td align="left">
<inline-formula id="inf67">
<mml:math id="m73">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">100</td>
<td align="left">1/s</td>
<td align="left">[Y2021]</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">&#x2014;</td>
<td align="left">&#x2014;</td>
<td align="left">&#x2014;</td>
<td align="left">&#x2014;</td>
<td align="left">
<inline-formula id="inf68">
<mml:math id="m74">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">150</td>
<td align="left">1/s</td>
<td align="left">[Y2021]</td>
</tr>
<tr>
<td colspan="4" align="left">
<bold>Rod distortion energy</bold> <inline-formula id="inf69">
<mml:math id="m75">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">
<inline-formula id="inf70">
<mml:math id="m76">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">30</td>
<td align="left">1/s</td>
<td align="left">[Y2021]</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf71">
<mml:math id="m77">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">2.8</td>
<td align="left">pN/nm</td>
<td align="left">[K2010]</td>
<td align="left">
<inline-formula id="inf72">
<mml:math id="m78">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">1.6</td>
<td align="left">unitless</td>
<td align="left">[Y2021]</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf73">
<mml:math id="m79">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">0.05</td>
<td align="left">Unitless</td>
<td align="left">[K2010]</td>
<td align="left">
<inline-formula id="inf74">
<mml:math id="m80">
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">15</td>
<td align="left">unitless</td>
<td align="left">[Y2021]</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf75">
<mml:math id="m81">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">4.35</td>
<td align="left">Nm</td>
<td align="left">[K2010]</td>
<td align="left">
<inline-formula id="inf76">
<mml:math id="m82">
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">80</td>
<td align="left">unitless</td>
<td align="left">[R2003]</td>
</tr>
<tr>
<td colspan="4" align="left">&#x2014;</td>
<td colspan="4" align="center">
<bold>Number of elements in a sarcomere</bold>
</td>
</tr>
<tr>
<td colspan="4" align="left">
<bold>Power stroke transition</bold>
</td>
<td align="left">
<inline-formula id="inf77">
<mml:math id="m83">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">38</td>
<td align="left">Unitless</td>
<td align="left">[Y2021]</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf78">
<mml:math id="m84">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
<inline-formula>
<mml:math id="m85">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">10,000</td>
<td align="left">1/s</td>
<td align="left">Adjusted</td>
<td align="left">
<inline-formula id="inf79">
<mml:math id="m86">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">32</td>
<td align="left">umitles</td>
<td align="left">[Y2021]</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf80">
<mml:math id="m87">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
<inline-formula>
<mml:math id="m88">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">1,000</td>
<td align="left">1/s</td>
<td align="left">Adjusted</td>
<td align="left">&#x2014;</td>
<td align="left">&#x2014;</td>
<td align="left">&#x2014;</td>
<td align="left">&#x2014;</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf81">
<mml:math id="m89">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">3</td>
<td align="left">1/s</td>
<td align="left">Adjusted</td>
<td align="left">&#x2014;</td>
<td align="left">&#x2014;</td>
<td align="left">&#x2014;</td>
<td align="left">&#x2014;</td>
</tr>
<tr>
<td colspan="4" align="left">
<bold>Attachment and detachment transition</bold>
</td>
<td align="left">&#x2014;</td>
<td align="left">&#x2014;</td>
<td align="left">&#x2014;</td>
<td align="left">&#x2014;</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf82">
<mml:math id="m90">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>pre</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">3,000</td>
<td align="left">1/s</td>
<td align="left">adjusted</td>
<td align="left">&#x2014;</td>
<td align="left">&#x2014;</td>
<td align="left">&#x2014;</td>
<td align="left">&#x2014;</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf83">
<mml:math id="m91">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">225</td>
<td align="left">1/s</td>
<td align="left">adjusted</td>
<td align="left">&#x2014;</td>
<td align="left">&#x2014;</td>
<td align="left">&#x2014;</td>
<td align="left">&#x2014;</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<sec id="s2-1">
<title>Parameters for the trap mechanism</title>
<p>Three parameters, <inline-formula id="inf84">
<mml:math id="m92">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>trap</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf85">
<mml:math id="m93">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>trap</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf86">
<mml:math id="m94">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>escape</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, characterize the trapping. We adjusted these parameters so that the experimental stretch activation results reported by <xref ref-type="bibr" rid="B22">Stelzer et al. (2006)</xref> were reproduced. The adjusted parameter values are <inline-formula id="inf87">
<mml:math id="m95">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>trap</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x3d; 1.3 nm, <inline-formula id="inf88">
<mml:math id="m96">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>trap</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x3d; 50 1/s, and <inline-formula id="inf89">
<mml:math id="m97">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>escape</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x3d; 5,000 1/s. From <xref ref-type="disp-formula" rid="e5">Eq. 5</xref>, we find that <inline-formula id="inf90">
<mml:math id="m98">
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>trap</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x3d; 4.6 <inline-formula id="inf91">
<mml:math id="m99">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. According to <xref ref-type="disp-formula" rid="e6">Eq. 6</xref>, the rate constants of trapping <inline-formula id="inf92">
<mml:math id="m100">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>trap</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and escaping <inline-formula id="inf93">
<mml:math id="m101">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>escape</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are equal at a distortion of <inline-formula id="inf94">
<mml:math id="m102">
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>&#x3d; 4.8&#xa0;nm in the XB<sub>Trap</sub> state and <inline-formula id="inf95">
<mml:math id="m103">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>trap</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x3d; 6.1&#xa0;nm in the XB<sub>PostR1</sub> state, assuming a spring constant of <inline-formula id="inf96">
<mml:math id="m104">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>xb</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x3d; 2.8&#xa0;pN/nm (<xref ref-type="bibr" rid="B7">Kaya and Higuchi, 2010</xref>) and a physiological body temperature of <inline-formula id="inf97">
<mml:math id="m105">
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>&#x3d; 310&#xa0;K.</p>
</sec>
<sec id="s2-2">
<title>Control model of attachment and detachment and its effects on heart pumping</title>
<p>In our model, we assume that attachment, which represents the transition from the P<sub>XB</sub> state to the XB<sub>PreR</sub> state (<xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1C</xref>), is allowed only in the single overlap region of the thin and thick filaments. The myosin head (MH) (&#x23; <inline-formula id="inf98">
<mml:math id="m106">
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>) is situated in the single overlapping region only if the following condition is fulfilled:<disp-formula id="e7">
<mml:math id="m107">
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.5</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(7)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Here, the middle term is the distance from the center of the sarcomere <inline-formula id="inf99">
<mml:math id="m108">
<mml:mrow>
<mml:mo>.</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> <inline-formula id="inf100">
<mml:math id="m109">
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf101">
<mml:math id="m110">
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> represent the lengths of the thick filament, bare zone, and thin filament, respectively (<xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1B</xref>). <inline-formula id="inf102">
<mml:math id="m111">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the sarcomere length. The parameters for the sarcomere geometry were determined from cardiac sarcomeres (<xref ref-type="bibr" rid="B17">Rodriguez et al., 1993</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B10">Lodish et al., 2000</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B16">Rice et al., 2008</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B8">Kolb et al., 2016</xref>).</p>
<p>Two states (Ca-off and Ca-on) are assumed by each T/T unit (<xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1D</xref>). The transitions between the states of the T/T unit are determined by the Ca<sup>2&#x2b;</sup> concentration, <inline-formula id="inf103">
<mml:math id="m112">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mtext>Ca</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and the two parameters <inline-formula id="inf104">
<mml:math id="m113">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>on</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf105">
<mml:math id="m114">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>off</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Those two parameters are defined as follows:<disp-formula id="equ1">
<mml:math id="m115">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>on</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>on</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">h</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">M</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">l</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>on</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">h</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
<disp-formula id="equ2">
<mml:math id="m116">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>off</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>off</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">h</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">M</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">H</mml:mi>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">g</mml:mi>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">l</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>off</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">h</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</disp-formula>
</p>
<p>The transitions between the N<sub>XB</sub> and P<sub>XB</sub> states (<xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1C</xref>) are affected by the status of the T/T unit above, <italic>via</italic> modifications of <inline-formula id="inf106">
<mml:math id="m117">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>np</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf107">
<mml:math id="m118">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>pn</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, as well as by the states of the neighboring MHs through the integer <inline-formula id="inf108">
<mml:math id="m119">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The value of <inline-formula id="inf109">
<mml:math id="m120">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> represents the number of neighboring MHs in the P<sub>XB</sub> state or the four attached states. The corresponding T/T unit index <inline-formula id="inf110">
<mml:math id="m121">
<mml:mtext>&#x3c4;</mml:mtext>
</mml:math>
</inline-formula> for the <inline-formula id="inf111">
<mml:math id="m122">
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>-th MH is given by:<disp-formula id="e8">
<mml:math id="m123">
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x3c4;</mml:mtext>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x230A;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.5</mml:mn>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.5</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x230B;</mml:mo>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(8)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Here, &#x230A; &#x230B; indicates the floor function, which rounds down after the decimal point. The parameter <inline-formula id="inf113">
<mml:math id="m125">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.5</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> represents the spacing of the MHs, and <inline-formula id="inf114">
<mml:math id="m126">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the spacing of the T/T units. The corresponding T/T unit exists only if <inline-formula id="inf115">
<mml:math id="m127">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x3c4;</mml:mtext>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Based on this correspondence, the factors <inline-formula id="inf116">
<mml:math id="m128">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>np</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf117">
<mml:math id="m129">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>pn</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the rate constants are given by:<disp-formula id="e9">
<mml:math id="m130">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>O</mml:mi>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>np</mml:mtext>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">h</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">v</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">h</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>O</mml:mi>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>np</mml:mtext>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">h</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(9)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e10">
<mml:math id="m131">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">f</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">h</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">T</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi mathvariant="normal">u</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">v</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">h</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>pn</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi mathvariant="normal">o</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">h</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">w</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(10)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Here, <inline-formula id="inf118">
<mml:math id="m132">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>O</mml:mi>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> if the MH is located in the single overlapping region with the thin filament; otherwise, <inline-formula id="inf119">
<mml:math id="m133">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>O</mml:mi>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. This, along with <inline-formula id="inf120">
<mml:math id="m134">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> or <inline-formula id="inf121">
<mml:math id="m135">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> <inline-formula id="inf122">
<mml:math id="m136">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>80</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, represents the nearest-neighbor cooperativity of the MHs, following Rice et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B15">Rice et al., 2003</xref>), which plays an important role in the force-pCa relationship, as shown in <xref ref-type="fig" rid="F5">Figures 5A,B</xref>. From the cooperativity with <inline-formula id="inf123">
<mml:math id="m137">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>80</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the cardiac muscle in our ventricle model can relax in the diastole when [Ca<sup>2&#x2b;</sup>] is lower than 0.1 <inline-formula id="inf124">
<mml:math id="m138">
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x3bc;M</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4C</xref>), whereas the diastole deteriorates slightly with <inline-formula id="inf125">
<mml:math id="m139">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>40</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="fig" rid="F5">Figures 5C,D</xref>). The times to reach equilibria differ substantially and are dependent on the Ca<sup>2&#x2b;</sup> concentration and parameter <inline-formula id="inf126">
<mml:math id="m140">
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>. Thus, cooperativity also affects the maximal rising rate of the left ventricular pressure (dP/dt<sub>max</sub>), which is an important contractility index used in the medical community (<xref ref-type="fig" rid="F5">Figures 5C,D</xref>).</p>
<fig id="F5" position="float">
<label>FIGURE 5</label>
<caption>
<p>The simulated pCa-tension relationship of the MC cross-bridge model and its effects on heart pumping. <bold>(A)</bold> Time courses of the active tensions in the isometric contraction for [Ca<sup>2&#x2b;</sup>] &#x3d; 0.25, 0.42, and 1.05 <inline-formula id="inf127">
<mml:math id="m141">
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x3bc;M</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with <inline-formula id="inf128">
<mml:math id="m142">
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>&#x3d; 80 (black) and <inline-formula id="inf129">
<mml:math id="m143">
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>&#x3d; 40 (red). <bold>(B)</bold> Isometric tensions in the equilibrium states averaged over the time interval [3.5 s, 4&#xa0;s] with <inline-formula id="inf130">
<mml:math id="m144">
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>&#x3d; 80 (black) and <inline-formula id="inf131">
<mml:math id="m145">
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>&#x3d; 40 (red). The half-sarcomere length was fixed at 1.14 <inline-formula id="inf132">
<mml:math id="m146">
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x3bc;m</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<inline-formula id="inf133">
<mml:math id="m147">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1.2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>). <bold>(C)</bold> Time transients of left ventricular pressures (LVP) with <inline-formula id="inf134">
<mml:math id="m148">
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>&#x3d; 80 (black) and <inline-formula id="inf135">
<mml:math id="m149">
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>&#x3d; 40 (red). <bold>(D)</bold> Time transients of the left ventricular volume (LVV) with <inline-formula id="inf136">
<mml:math id="m150">
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>&#x3d; 80 (black) and <inline-formula id="inf137">
<mml:math id="m151">
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>&#x3d; 40 (red).</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphys-13-855303-g005.tif"/>
</fig>
<p>We assume that one thin filament in the three-dimensional arrangement corresponds to two thin filaments in our half-sarcomere model. This case arises because we assumed that cooperative behavior exists along the tropomyosin molecules wrapped around the thin filament in a double-spiral fashion, and one spiral is modeled in our half-sarcomere. The constants <inline-formula id="inf138">
<mml:math id="m152">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>np</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf139">
<mml:math id="m153">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>np</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf140">
<mml:math id="m154">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>pn</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf141">
<mml:math id="m155">
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>pn</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are determined from <inline-formula id="inf142">
<mml:math id="m156">
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf143">
<mml:math id="m157">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>basic</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf144">
<mml:math id="m158">
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>, as follows:<disp-formula id="e11">
<mml:math id="m159">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>&#xa0;&#xa0;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">i</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(11)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Here, <inline-formula id="inf145">
<mml:math id="m160">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> controls the degree of cross-bridge inhibition for the T/T units in states other than Ca-on, and <inline-formula id="inf146">
<mml:math id="m161">
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> controls the ratio of binding states for the MHs. To reproduce the SL dependence in the active contraction tension, the following function <inline-formula id="inf147">
<mml:math id="m162">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is multiplied to define <inline-formula id="inf148">
<mml:math id="m163">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>np</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf149">
<mml:math id="m164">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>np</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.<disp-formula id="e12">
<mml:math id="m165">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(12)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The values <inline-formula id="inf150">
<mml:math id="m166">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x3d; 0.25 [1/ <inline-formula id="inf151">
<mml:math id="m167">
<mml:mtext>&#x3bc;</mml:mtext>
</mml:math>
</inline-formula> m] and <inline-formula id="inf152">
<mml:math id="m168">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x3d; 2.1&#xa0;<inline-formula id="inf153">
<mml:math id="m169">
<mml:mtext>&#x3bc;</mml:mtext>
</mml:math>
</inline-formula>m are used in this study.</p>
<p>The rate constants of attachment <inline-formula id="inf154">
<mml:math id="m170">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and detachment <inline-formula id="inf155">
<mml:math id="m171">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> between the P<sub>XB</sub> state and XB<sub>PreR</sub> state are based on the assumed free energies, <inline-formula id="inf156">
<mml:math id="m172">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf157">
<mml:math id="m173">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the P<sub>XB</sub> state and XB<sub>PreR</sub> state, respectively:<disp-formula id="e13">
<mml:math id="m174">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>pre</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>exp</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>pre</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(13)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The initial rod distortion at attachment is given stochastically based on a Boltzmann distribution determined from the rod strain energy, <inline-formula id="inf158">
<mml:math id="m175">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="bibr" rid="B30">Washio et al., 2016</xref>). The detachment rate constant for transitions from the XB<sub>PostR2</sub> state to the N<sub>XB</sub> state is <inline-formula id="inf159">
<mml:math id="m176">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>NXB</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>Using the rate constants, we also considered forced detachments from the XB<sub>PreR</sub>, XB<sub>PostR1</sub>, and XB<sub>PostR2</sub> states to the N<sub>XB</sub> state caused by extreme strain on the myosin rod:<disp-formula id="e14">
<mml:math id="m177">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>exp</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mn>2.</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(14)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Similarly, the rate constant of detachment from the XB<sub>Trap</sub> state is given by:<disp-formula id="e15">
<mml:math id="m178">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>trap</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>exp</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(15)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>We paid close attention to the adjustments of parameters in <xref ref-type="disp-formula" rid="e14">Eqs 14</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="e15">15</xref> in reproducing the stretch activation. These parameters affect the degree of the increased delayed force. In this study, we used the following parameters to reproduce the characteristics of cardiac muscles: <inline-formula id="inf160">
<mml:math id="m179">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x3d; 100&#xa0;1/s, <inline-formula id="inf161">
<mml:math id="m180">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#x3d;<inline-formula id="inf162">
<mml:math id="m181">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#x3d;<inline-formula id="inf163">
<mml:math id="m182">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#x3d; 20 1/s, <inline-formula id="inf164">
<mml:math id="m183">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x3d; 1 1/nm, <inline-formula id="inf165">
<mml:math id="m184">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#x3d;<inline-formula id="inf166">
<mml:math id="m185">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#x3d;<inline-formula id="inf167">
<mml:math id="m186">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#x3d; 0.1 1/nm, <inline-formula id="inf168">
<mml:math id="m187">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x3d; 3&#xa0;nm, <inline-formula id="inf169">
<mml:math id="m188">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x3d; 8.5&#xa0;nm, <inline-formula id="inf170">
<mml:math id="m189">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x3d; 13&#xa0;nm, <inline-formula id="inf171">
<mml:math id="m190">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x3d; 8.5&#xa0;nm.</p>
</sec>
<sec id="s2-3">
<title>Power stroke and reverse transitions</title>
<p>In our model, the rate constants of the power and reverse strokes are determined from the Kramers escape theory (<xref ref-type="bibr" rid="B9">Kramers 1940</xref>), in which rate constants are defined by the Boltzmann factor associated with the height of the energy barrier from the origin.<disp-formula id="e16">
<mml:math id="m191">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">x</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(16)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e17">
<mml:math id="m192">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">x</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">p</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(17)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Here, <inline-formula id="inf172">
<mml:math id="m193">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is introduced because we assume that the barrier is given at the middle of the power stroke distances for the two states. In addition, we adopt upper limits to those transition rate constants because the power stroke transitions are thought to accompany a release of Pi and ADP from the nucleotide-binding pocket in the MH during the first and second strokes, respectively. Thus, the reverse stroke transitions must accompany a rebinding of these molecules. We assumed that the rates of chemical reactions for the release and rebinding are given by <inline-formula id="inf173">
<mml:math id="m194">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf174">
<mml:math id="m195">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, respectively. With these upper limits, the temporary rate constants are modified so that the Boltzmann equilibrium in <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">Eq. 1</xref> is preserved:<disp-formula id="e18">
<mml:math id="m196">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(18)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e19">
<mml:math id="m197">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(19)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Here, <inline-formula id="inf175">
<mml:math id="m198">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf176">
<mml:math id="m199">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are the distortions at which the temporary rates reach the upper limits (<inline-formula id="inf177">
<mml:math id="m200">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#x5e;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>).</p>
<p>The elastic force of a myosin rod is nonlinear with respect to the strain (<xref ref-type="bibr" rid="B7">Kaya and Higuchi, 2010</xref>). We assume that the myosin rod behaves as a linear spring for positive stretches, whereas nonlinear behavior is introduced for negative stretches because of the slack induced along the myosin rod. The strain energy <inline-formula id="inf178">
<mml:math id="m201">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is found by integrating the force <inline-formula id="inf179">
<mml:math id="m202">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>rod</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> from <inline-formula id="inf180">
<mml:math id="m203">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, defined by:<disp-formula id="e20">
<mml:math id="m204">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>exp</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(20)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Here, <inline-formula id="inf181">
<mml:math id="m205">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf182">
<mml:math id="m206">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are determined from the other parameters, so that the function <inline-formula id="inf183">
<mml:math id="m207">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and its first derivative are continuous at <inline-formula id="inf184">
<mml:math id="m208">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf185">
<mml:math id="m209">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>:<disp-formula id="e21">
<mml:math id="m210">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>ln</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>exp</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(21)</label>
</disp-formula>
</p>
</sec>
<sec id="s2-4">
<title>Half-sarcomere model and its basic properties</title>
<p>We constructed a half-sarcomere model (<xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5A</xref>) with <inline-formula id="inf186">
<mml:math id="m211">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> one-dimensional filament pairs in which the active tension generated by the bound myosin molecules is given as:<disp-formula id="e22">
<mml:math id="m212">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>F</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:munderover>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mtext>d</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>d</mml:mtext>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(22)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Here, <inline-formula id="inf187">
<mml:math id="m213">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> if the MH is in an attached state; otherwise, <inline-formula id="inf188">
<mml:math id="m214">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The parameter <inline-formula id="inf189">
<mml:math id="m215">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the cross-sectional area per thin filament in an unloaded half-sarcomere (<xref ref-type="bibr" rid="B18">Sato et al., 2013</xref>). The factor of 2 comes from the fact that our one-dimensional model corresponds to one of the double spirals of actin monomers along the thin filament. The parameter <inline-formula id="inf190">
<mml:math id="m216">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the sarcomere volume ratio under the unloaded condition. <inline-formula id="inf191">
<mml:math id="m217">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x3d; 0.5 is used, which indicates that 50% of the total volume is occupied by the sarcomere in the cardiac muscle.</p>
<p>For the feedback between sarcomere dynamics and actomyosin dynamics, the relation between the time transients of the molecular and sarcomere variables can be expressed by:<disp-formula id="e23">
<mml:math id="m218">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x2009;</mml:mi>
<mml:mtext>t</mml:mtext>
</mml:msup>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x2009;</mml:mi>
<mml:mtext>A</mml:mtext>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x2009;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x2009;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x2009;</mml:mi>
<mml:mtext>A</mml:mtext>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(23)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Here, <inline-formula id="inf192">
<mml:math id="m219">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the most recent time at which the myosin molecule was attached, <inline-formula id="inf193">
<mml:math id="m220">
<mml:mrow>
<mml:mmultiscripts>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mprescripts/>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>A</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mmultiscripts>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the initial distortion at the attachment, and <inline-formula id="inf194">
<mml:math id="m221">
<mml:mrow>
<mml:mmultiscripts>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mprescripts/>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mmultiscripts>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the half-sarcomere shortening length from the unloaded condition:<disp-formula id="e24">
<mml:math id="m222">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x2009;</mml:mi>
<mml:mtext>t</mml:mtext>
</mml:msup>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x2009;</mml:mi>
<mml:mtext>t</mml:mtext>
</mml:msup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(24)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf195">
<mml:math id="m223">
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the unloaded SL. Here, the stretch <inline-formula id="inf196">
<mml:math id="m224">
<mml:mrow>
<mml:mmultiscripts>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mprescripts/>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mtext>t</mml:mtext>
</mml:mmultiscripts>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the parameter given by macroscale models. The initial distortion is given from the Boltzmann distribution, assuming a fluctuation in the MH position under the potential <inline-formula id="inf197">
<mml:math id="m225">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="bibr" rid="B30">Washio et al., 2016</xref>).</p>
<p>The half-sarcomere shortening (<inline-formula id="inf198">
<mml:math id="m226">
<mml:mrow>
<mml:mmultiscripts>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mprescripts/>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mmultiscripts>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) reduces the rod distortion (<xref ref-type="disp-formula" rid="e23">Eq. 23</xref>), which facilitates the power stroke (<xref ref-type="disp-formula" rid="e16">Eq. 16</xref>) and the deterioration of the reverse stroke (<xref ref-type="disp-formula" rid="e17">Eq. 17</xref>). Therefore, both the active tension and energy consumption are affected by the half-sarcomere shortening velocity. In <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6A</xref>, changes in the half-sarcomere length with various isotonic tensions computed using the MC cross-bridge model are depicted. In these isotonic contractions, the shortening velocities were computed over the common range of the half-sarcomere length (1.09&#x2013;1.12&#xa0;&#x3bc;m) to derive the tension-shortening velocity relationship (<xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6B</xref>). By counting the number of detachments from the XB<sub>PostR2</sub> state (<xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1C</xref>: <inline-formula id="inf199">
<mml:math id="m227">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>), the energy consumption rates were evaluated assuming the detachment requires the energy <inline-formula id="inf200">
<mml:math id="m228">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>76.5</mml:mn>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mtext>pN</mml:mtext>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mtext>nm</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, which is used in power stroke transitions (<xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6C</xref>), as represented by <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">Eq. 1</xref>. In the MC cross-bridge model, we assumed that 30% of <inline-formula id="inf201">
<mml:math id="m229">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is consumed during the first power stroke (6&#xa0;nm), and the remaining <inline-formula id="inf202">
<mml:math id="m230">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is consumed during the second power stroke (4&#xa0;nm) (See <xref ref-type="table" rid="T1">Table 1</xref>). The efficiencies were computed by dividing the work rates by the energy consumption rates (<xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6D</xref>).</p>
<fig id="F6" position="float">
<label>FIGURE 6</label>
<caption>
<p>Simulated half-sarcomere length changes under isotonic conditions with the two cross-bridge model using different myosin rod stiffnesses, <inline-formula id="inf203">
<mml:math id="m231">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x3d; 1.4&#xa0;pN/nm and <inline-formula id="inf204">
<mml:math id="m232">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x3d; 2.8&#xa0;pN/nm. <bold>(A)</bold> Time courses of the half-sarcomere length under isotonic conditions with isotonic tensions of 0, 50, and 100&#xa0;kPa for the cross-bridge model with <inline-formula id="inf205">
<mml:math id="m233">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x3d; 2.8&#xa0;pN/nm, and 0, 25&#xa0;kPa for the cross-bridge model with <inline-formula id="inf206">
<mml:math id="m234">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x3d; 1.4&#xa0;pN/nm. <bold>(B)</bold> Half-sarcomere shortening velocities under isotonic tensions after the release starting from the half-sarcomere length at 1.14&#xa0;&#x3bc;m (<inline-formula id="inf207">
<mml:math id="m235">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1.2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>). The velocities were calculated from changes of the half-sarcomere length from 1.12 to 1.09 after the release under isotonic conditions, where [Ca<sup>2&#x2b;</sup>] was fixed at 0.4 <inline-formula id="inf208">
<mml:math id="m236">
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x3bc;M</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. <bold>(C)</bold> The energy consumption rate per the left ventricular wall volume (157&#xa0;ml) of the ventricle model. <bold>(D)</bold> Efficiencies for shortening under isotonic conditions.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphys-13-855303-g006.tif"/>
</fig>
<p>The energy loss in the cross-bridge cycle is given during the power stroke transitions and detachment from the XB<sub>PostR2</sub> state. The difference between <inline-formula id="inf209">
<mml:math id="m237">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf210">
<mml:math id="m238">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is lost in the former, whereas the rod strain energy, <inline-formula id="inf211">
<mml:math id="m239">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, at the detachment is lost in the latter. To observe the influence of the stiffness parameter <inline-formula id="inf212">
<mml:math id="m240">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in <xref ref-type="disp-formula" rid="e20">Eq. 20</xref> on the dynamics in isotonic shortening, the cross-bridge performance was evaluated with the stiffness parameter <inline-formula id="inf213">
<mml:math id="m241">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x3d; 1.4&#xa0;pN/nm, which is half of our parameter <inline-formula id="inf214">
<mml:math id="m242">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x3d; 2.8&#xa0;pN/nm found by <xref ref-type="bibr" rid="B7">Kaya and Higuchi, 2010</xref>. In this case, the phase changes of the shortening velocity were not reproduced (<xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6A</xref>), and the changes in the energy consumption rate for the tension is gentler than our model because the rate constants of power stoke transitions are less sensitive to the tension than the case of <inline-formula id="inf215">
<mml:math id="m243">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x3d; 2.8&#xa0;pN/nm. As a result, the peak efficiency is approximately half for our case (<xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6D</xref>). The strain energy after the second power stroke (<inline-formula id="inf216">
<mml:math id="m244">
<mml:mrow>
<mml:mn>0.5</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) with <inline-formula id="inf217">
<mml:math id="m245">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x3d; 1.4&#xa0;pN/nm is 70 <inline-formula id="inf218">
<mml:math id="m246">
<mml:mrow>
<mml:mtext>pN</mml:mtext>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mtext>nm</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> assuming isometric contraction and zero distortion at XB<sub>PreR</sub>. This energy is almost equal to <inline-formula id="inf219">
<mml:math id="m247">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. However, rod distortion decreases by half-sarcomere shortening until reaching XB<sub>PostR2</sub> (<xref ref-type="disp-formula" rid="e23">Eq. 23</xref>) during isotonic contraction. Therefore, 75% of the energy loss is accounted for even at the optimal shortening velocity.</p>
</sec>
<sec id="s2-5">
<title>Coupling with macroscale models</title>
<p>In this study, coupling of the half-sarcomere model (<xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4A</xref>) and the myofibril model (<xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5B</xref>) or the ventricle model (<xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4C</xref>) was achieved by applying the multiple-step active stiffness integration scheme in the exchange of the active tension <inline-formula id="inf220">
<mml:math id="m248">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and stretch <inline-formula id="inf221">
<mml:math id="m249">
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> between the two scales. The macroscale model is driven by the active stress given by the active tension in the half-sarcomere model, whereas the stretch in the fiber orientation in the macroscale model provides feedback to the length change of the half-sarcomere model.</p>
<p>In the macroscale model, a much larger time step <inline-formula id="inf222">
<mml:math id="m250">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mtext>t</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> compared with the MC time step <inline-formula id="inf223">
<mml:math id="m251">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mtext>t</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is used to save computational time. For a given stretch <inline-formula id="inf224">
<mml:math id="m252">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x2009;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> at <inline-formula id="inf225">
<mml:math id="m253">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the macroscopic active tension <inline-formula id="inf226">
<mml:math id="m254">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>act</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> over the time interval <inline-formula id="inf227">
<mml:math id="m255">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is determined by taking the time average of the active tension in the half-sarcomere model given for each MC step within an interval of <inline-formula id="inf228">
<mml:math id="m256">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mtext>t</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.<disp-formula id="e25">
<mml:math id="m257">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>act</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mmultiscripts>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mprescripts/>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mmultiscripts>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mfrac>
<mml:munderover>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:munderover>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>act</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mfrac>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x2009;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(25)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The active tension <inline-formula id="inf229">
<mml:math id="m258">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>act</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the half-sarcomere model is given as a function of time and stretch for each MC step. The stretch for each MC step is determined by interpolating the stretches at <inline-formula id="inf230">
<mml:math id="m259">
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf231">
<mml:math id="m260">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to evaluate an appropriate stiffness of the binding myosin molecules in macroscopic Newton iterations. Note that the state transitions in the MC computations are calculated only once before the Newton iterations, assuming a stretch of <inline-formula id="inf232">
<mml:math id="m261">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2009;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mtext>t</mml:mtext>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for each MC step. However, the rod distortion <inline-formula id="inf233">
<mml:math id="m262">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2009;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is re-evaluated from <xref ref-type="disp-formula" rid="e23">Eqs 23</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="e24">24</xref> by replacing <inline-formula id="inf234">
<mml:math id="m263">
<mml:mrow>
<mml:mmultiscripts>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mprescripts/>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mmultiscripts>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with <inline-formula id="inf235">
<mml:math id="m264">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2009;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> using the updated stretch <inline-formula id="inf236">
<mml:math id="m265">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2009;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the macroscopic Newton iterations. In this study, <inline-formula id="inf237">
<mml:math id="m266">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mtext>t</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x3d; 2.5 <inline-formula id="inf238">
<mml:math id="m267">
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x3bc;s</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is used for the MC step, while <inline-formula id="inf239">
<mml:math id="m268">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x3d; 0.1&#xa0;ms and <inline-formula id="inf240">
<mml:math id="m269">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x3d; 1.25&#xa0;ms are used, respectively, for the myofibril and ventricle models.</p>
<p>For simplicity, we introduce the Newton iteration for the one half-sarcomere model under the isotonic condition, as in <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6A</xref>.<disp-formula id="e26">
<mml:math id="m270">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(26)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf241">
<mml:math id="m271">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.01</mml:mn>
<mml:mtext>&#xa0;kPa</mml:mtext>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the sarcomere friction, <inline-formula id="inf242">
<mml:math id="m272">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the deformation energy for stretching in the longitudinal direction (<xref ref-type="bibr" rid="B27">Washio et al., 2019</xref>), and <inline-formula id="inf243">
<mml:math id="m273">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the isotonic tension imposed on the cardiac muscle. <xref ref-type="disp-formula" rid="e26">Eq. 26</xref> is discretized as:<disp-formula id="e27">
<mml:math id="m274">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x2009;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x2009;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>act</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x2009;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(27)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>After executing <inline-formula id="inf244">
<mml:math id="m275">
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>-times MC steps in <inline-formula id="inf245">
<mml:math id="m276">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, where the half-sarcomere shortening length <inline-formula id="inf246">
<mml:math id="m277">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2009;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> at the <italic>k</italic>th step is given by assuming <inline-formula id="inf247">
<mml:math id="m278">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2009;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mtext>t</mml:mtext>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with <inline-formula id="inf248">
<mml:math id="m279">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x2009;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the initial solution of the Newton iteration is set as <inline-formula id="inf249">
<mml:math id="m280">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2009;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and the following linearized equation of <xref ref-type="disp-formula" rid="e27">Eq. 27</xref> at <inline-formula id="inf250">
<mml:math id="m281">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x2009;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is iteratively solved until the magnitude of the residual <inline-formula id="inf251">
<mml:math id="m282">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is reduced sufficiently.<disp-formula id="e28">
<mml:math id="m283">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>act</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(28)</label>
</disp-formula>where the residual is given by<disp-formula id="equ3">
<mml:math id="m284">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x2009;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mmultiscripts>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mprescripts/>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mmultiscripts>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x2009;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>act</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x2009;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(29)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Here, <inline-formula id="inf252">
<mml:math id="m285">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>act</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x2009;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the total stiffness of the binding myosin rods given as:<disp-formula id="e30">
<mml:math id="m286">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>act</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x2009;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>act</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x2009;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(30)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>See our previous work (<xref ref-type="bibr" rid="B31">Yoneda et al., 2021</xref>) for the actual computation of the right-hand side in <xref ref-type="disp-formula" rid="e30">Eq. 30</xref>. Under normal situations, the stiffness coefficient <inline-formula id="inf253">
<mml:math id="m287">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>act</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> increases greatly to be much larger than <inline-formula id="inf254">
<mml:math id="m288">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> during contraction. Therefore, stiffness caused by the binding myosin rods must be correctly incorporated in the total stiffness, as in <xref ref-type="disp-formula" rid="e28">Eq. 28</xref>; otherwise, the time integration scheme generates inaccurate solutions without using a small time step <inline-formula id="inf255">
<mml:math id="m289">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in a similar order of magnitude to the MC time step <inline-formula id="inf256">
<mml:math id="m290">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="bibr" rid="B31">Yoneda et al., 2021</xref>).</p>
<p>The above implicit time integration scheme can be naturally extended to more general cases where the half-sarcomere models are imbedded in different elements that interact with each other at the element interfaces. In the myofibril model (<xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4B</xref>), two degrees of freedom, the stretches <inline-formula id="inf257">
<mml:math id="m291">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf258">
<mml:math id="m292">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, respectively, in the longitudinal and transverse directions, are given to each half-sarcomere element (<xref ref-type="bibr" rid="B27">Washio et al., 2019</xref>). For each half-sarcomere, the passive deformation energy per unit volume is given by<disp-formula id="e31">
<mml:math id="m293">
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x3c8;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(31)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Here, the function <inline-formula id="inf259">
<mml:math id="m294">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the deformation energy for the transverse stretch, and the last term is a weak penalty term associated with the inverse SL-lattice space (LS) relationship, which constrains the half-sarcomere deformation to make <inline-formula id="inf260">
<mml:math id="m295">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> small. In our model, a simple linear relation:<disp-formula id="e32">
<mml:math id="m296">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(32)</label>
</disp-formula>with <inline-formula id="inf261">
<mml:math id="m297">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is applied (<xref ref-type="bibr" rid="B27">Washio et al., 2019</xref>). Concerning the elasticity with differences in LS between adjacent half-sarcomeres, the following deformation energy per unit volume is further applied.<disp-formula id="e33">
<mml:math id="m298">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x3c6;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x3bc;</mml:mtext>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x3bc;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mi>M</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1,3</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>M</mml:mi>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2,4</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(33)</label>
</disp-formula>where the half-sarcomeres are separated by the M-band for the top expression, and are separated by the Z-disc for the lower expression.</p>
<p>Within each half-sarcomere, the following tensions act at the left and right edges:<disp-formula id="e34">
<mml:math id="m299">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(34)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The longitudinal mechanical equilibrium condition at the element boundaries:<disp-formula id="e35">
<mml:math id="m300">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">S</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">R</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(35)</label>
</disp-formula>and the transversal mechanical equilibrium condition at each element:<disp-formula id="e36">
<mml:math id="m301">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x3c6;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x3c6;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(36)</label>
</disp-formula>are simultaneously solved with the boundary condition, where one end of the myofibril is fixed and the other end is connected to a fixed linear spring (<xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4B</xref>). The parameter <inline-formula id="inf262">
<mml:math id="m302">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the sarcomere friction in the transverse direction, and <inline-formula id="inf263">
<mml:math id="m303">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the deformation energy for stretching in the transverse direction (<xref ref-type="bibr" rid="B27">Washio et al., 2019</xref>). In our myofibril model, the rapid sarcomere lengthening in SPOCs is reproduced by the avalanche of reverse strokes at the peak contractile phase in which the population of MHs with large mechanical loads is high. From the SL-LS relationship (<xref ref-type="disp-formula" rid="e32">Eq. 32</xref>) and LS alignment with the adjacent sarcomeres (<xref ref-type="disp-formula" rid="e33">Eq. 33</xref>), the rapid lengthening of one sarcomere transversally compresses the neighboring half-sarcomere in the peak contraction phase. Then, from the SL-LS relationship, the transverse compression enlarges the longitudinal stretch, resulting in the load increments of the attached MHs. As a result, an avalanche of reverse strokes is triggered. In this way, the rapid lengthening wave travels in the myofibril model.</p>
<p>In the finite element ventricle model, the half-sarcomere model is imbedded in each tetrahedral element along the fiber orientation <inline-formula id="inf264">
<mml:math id="m304">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">f</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> represented by a unit vector in the reference configuration (<xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4C</xref>). Thus, the half-sarcomere models pull each other at the element interfaces in the fiber orientation. As depicted in <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4C</xref>, the angle of the fibers relative to the equatorial plane varies depending on the depth of the wall, so that the direction of force developed in the wall covers a wide range. In the finite element analysis, the current position of each material point <inline-formula id="inf265">
<mml:math id="m305">
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x3a9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the reference (unloaded) configuration is represented by <inline-formula id="inf266">
<mml:math id="m306">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Therefore, the stretch in the fiber orientation is given by<disp-formula id="e37">
<mml:math id="m307">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2225;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">Ff</mml:mi>
<mml:mo>&#x2225;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(37)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf267">
<mml:math id="m308">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#xa0;F</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the deformation gradient tensor. The active stress <inline-formula id="inf268">
<mml:math id="m309">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">S</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (as the second Piola-Kirchhoff stress tensor) is formulated based on considering the virtual work done by the active tension <inline-formula id="inf269">
<mml:math id="m310">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the fiber orientation per unit volume in the reference space as follows:<disp-formula id="e38">
<mml:math id="m311">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">f</mml:mi>
<mml:mo>&#x2297;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">f</mml:mi>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">F</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mfrac>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">f</mml:mi>
<mml:mo>&#x2297;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">f</mml:mi>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3b4;E</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(38)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf270">
<mml:math id="m312">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3b4;E</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3b4;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">F</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">F</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">F</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3b4;F</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the infinitesimal increment of the Green&#x2013;Lagrange strain tensor:<disp-formula id="e39">
<mml:math id="m313">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">E</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">F</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">F</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">I</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(39)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>As a result, with the active stress represented by<disp-formula id="e40">
<mml:math id="m314">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">S</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">c</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="normal">t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:mfrac>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">f</mml:mi>
<mml:mo>&#x2297;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">f</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(40)</label>
</disp-formula>the virtual work by the active stress per unit volume is given by<disp-formula id="e41">
<mml:math id="m315">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>w</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3b4;E</mml:mi>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">S</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>act</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(41)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The equation of motion for the displacement, <inline-formula id="inf271">
<mml:math id="m316">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, is given as:<disp-formula id="e42">
<mml:math id="m317">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:munder>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
</mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3b4;u</mml:mi>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi>
<mml:mo>&#xa8;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#xa0;</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:munder>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
</mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3b4;E</mml:mi>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">S&#xa0;</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:munder>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x393;</mml:mtext>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3b4;u</mml:mi>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">n&#xa0;</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x393;</mml:mtext>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:munder>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x393;</mml:mtext>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3b4;u</mml:mi>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">n&#xa0;</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x393;</mml:mtext>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(42)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Here, <inline-formula id="inf272">
<mml:math id="m318">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf273">
<mml:math id="m319">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are the blood pressures in the left and right ventricular cavities, respectively. <inline-formula id="inf274">
<mml:math id="m320">
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
</mml:math>
</inline-formula> is the muscle domain in the reference configuration, whereas <inline-formula id="inf275">
<mml:math id="m321">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x393;</mml:mtext>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf276">
<mml:math id="m322">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x393;</mml:mtext>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are the blood&#x2013;muscle interfaces of the left and right ventricles, respectively, in the configuration at time <inline-formula id="inf277">
<mml:math id="m323">
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf278">
<mml:math id="m324">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">n</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> is the normal unit vector directed from the cavity to the muscle at these surfaces. The Dirichlet boundary condition <inline-formula id="inf279">
<mml:math id="m325">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2261;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is imposed on the boundary nodes around the valve rings. The second Piola&#x2013;Kirchhoff stress tensor <inline-formula id="inf280">
<mml:math id="m326">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">S</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> consists of the active, passive, and viscous stresses:<disp-formula id="e43">
<mml:math id="m327">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">S</mml:mi>
<mml:mo>&#x2261;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">S</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>act</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">S</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>pas</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">S</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>vis</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(43)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf281">
<mml:math id="m328">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">S</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>act</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is given by <xref ref-type="disp-formula" rid="e40">Eq. 40</xref>, and <inline-formula id="inf282">
<mml:math id="m329">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">S</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>pas</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">E</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf283">
<mml:math id="m330">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">S</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>vis</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#xa0;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are the passive and viscous stresses, respectively. The ventricle blood pressures <inline-formula id="inf284">
<mml:math id="m331">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf285">
<mml:math id="m332">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are determined through their interactions with the circulatory systems of the body and the lung. See details of the deformation potential <inline-formula id="inf286">
<mml:math id="m333">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the viscous stress <inline-formula id="inf287">
<mml:math id="m334">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">S</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>vis</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and the coupling with the circulatory system in our previous work (<xref ref-type="bibr" rid="B31">Yoneda et al., 2021</xref>).</p>
<p>Assuming a periodical solution over a heartbeat, the time integration on a cycle with the substitutions of <inline-formula id="inf288">
<mml:math id="m335">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">u</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf289">
<mml:math id="m336">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">E</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, respectively, into <inline-formula id="inf290">
<mml:math id="m337">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3b4;u</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf291">
<mml:math id="m338">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3b4;E</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in <xref ref-type="disp-formula" rid="e42">Eq. 42</xref> gives the relationship between the cardiac output <inline-formula id="inf292">
<mml:math id="m339">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and the energy production inside the cardiac muscle as follows:<disp-formula id="e44">
<mml:math id="m340">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2261;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x222e;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x222e;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x222e;</mml:mi>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:munder>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
</mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">E</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>:</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">S</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">act</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">S</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">vis</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#xa0;</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(44)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Here, the inertia and the passive energy terms disappear for the sake of the periodicity assumption. If the viscous energy loss is negligible, the following work done by the active stress is almost equal to the cardiac output.<disp-formula id="e45">
<mml:math id="m341">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2261;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x222e;</mml:mi>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:munder>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
</mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x222e;</mml:mi>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:munder>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
</mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi mathvariant="bold-italic">E</mml:mi>
<mml:mo>&#x2d9;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mo>:</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">S</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">act</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#xa0;</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(45)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The above relationship between the blood dynamics and muscle dynamics of the left ventricle (the left ventricular free wall and the septum) in our ventricle model is depicted in <xref ref-type="fig" rid="F7">Figures 7A,B</xref>, where the two cases of the myosin rod stiffness with <inline-formula id="inf293">
<mml:math id="m342">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x3d; 2.8&#xa0;pN/nm (black lines) and <inline-formula id="inf294">
<mml:math id="m343">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x3d; 1.4&#xa0;pN/nm (red lines) are compared. The solid lines and broken lines represent, respectively, the blood dynamics and the muscle dynamics. Roughly, in the mid-systole ([0.15 s, 0.2&#xa0;s]), the average active tension reaches 30&#x2013;40&#xa0;kPa, with a systolic blood pressure of 12&#x2013;15&#xa0;kPa and an average half-sarcomere shortening velocity of 1&#xa0;&#x3bc;m/s (see also <xref ref-type="sec" rid="s10">Supplementary Video 2</xref>). The relationship between the active tension and the systolic pressure agrees with the simple estimation given by the Laplace law assuming the dimension of the left ventricle in the early-systole (40&#xa0;mm-diameter, 10&#xa0;mm-wall thickness, the fiber helix angle twisting from &#x2212;60&#xb0; (epicardium) to &#x2b;60&#xb0; (endocardium). For example, to support blood pressure of 15&#xa0;kPa, the active tension <inline-formula id="inf295">
<mml:math id="m344">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> must be roughly equal to <inline-formula id="inf296">
<mml:math id="m345">
<mml:mrow>
<mml:mn>15</mml:mn>
<mml:mtext>&#xa0;kPa&#xa0;</mml:mtext>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>20</mml:mn>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mtext>mm</mml:mtext>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>10</mml:mn>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mtext>mm</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:msqrt>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mo>&#x223c;</mml:mo>
<mml:mn>36</mml:mn>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mtext>kPa</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Here, the factor <inline-formula id="inf297">
<mml:math id="m346">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:msqrt>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> comes from considering the fiber helix angles. The complex distributions of the active tension and the half-sarcomere shortening velocity over the ventricular wall (see <xref ref-type="sec" rid="s10">Supplementary Video 2</xref>) make it difficult to find the correspondence to the tension-shortening velocity relationship under isotonic conditions (<xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6B</xref>). Although the cardiac outputs and the muscle works of the two cases (the solid lines in <xref ref-type="fig" rid="F7">Figures 7A,B</xref>, and the broken lines in <xref ref-type="fig" rid="F7">Figure 7C</xref>) are not so different, the difference in energy consumption (the solid lines in <xref ref-type="fig" rid="F7">Figure 7C</xref>) is remarkable, as indicated also in <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6D</xref>. The comparison of the time transients of the population ratio of the binding states (<xref ref-type="fig" rid="F7">Figure 7D</xref>) indicates a shorter average dwell time in the XB<sub>PostR1</sub> state and a larger population in the XB<sub>PostR2</sub> state for the case of <inline-formula id="inf298">
<mml:math id="m347">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x3d; 1.4&#xa0;pN/nm than those for the case of <inline-formula id="inf299">
<mml:math id="m348">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x3d; 2.8&#xa0;pN/nm, resulting in the remarkable energy loss. Therefore, in this study, we analyzed the effects of the trapping mechanism when <inline-formula id="inf300">
<mml:math id="m349">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x3d; 2.8&#xa0;pN/nm.</p>
<fig id="F7" position="float">
<label>FIGURE 7</label>
<caption>
<p>The comparison of pumping heart performance for different myosin rod distortion stiffnesses. The spring constants tested were <inline-formula id="inf301">
<mml:math id="m350">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x3d; 2.8&#xa0;pN/nm (black lines) and <inline-formula id="inf302">
<mml:math id="m351">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x3d; 1.4&#xa0;pN/nm (red lines). <bold>(A)</bold> Time courses of the left ventricular pressure (solid lines) and the average active tension (broken lines) over the left ventricular wall (free wall and septum). <bold>(B)</bold> Time courses of the left ventricular volume (solid lines) and the average half-sarcomere shortening velocity over the left ventricular wall. <bold>(C)</bold> Time courses of cumulative energy consumptions (solid lines) and cumulative works (broken lines) by the active tension over the left ventricular wall. <bold>(D)</bold> Time courses of the population ratio of attached MHs in the left ventricular wall classified according to the attached states.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphys-13-855303-g007.tif"/>
</fig>
</sec>
</sec>
<sec sec-type="results" id="s3">
<title>Results</title>
<sec id="s3-1">
<title>Stretch activation in the half-sarcomere model</title>
<p>To assess the effectiveness of the trapping mechanism, a stretch-activation test was performed for a single half-sarcomere model consisting of 32,768 filament pairs. Here, stretch lengths of 5, 6, 7, or 8&#xa0;nm were applied over a 1-ms time interval after the active tension had sufficiently matured. During the simulations, the Ca<sup>2&#x2b;</sup> concentration ([Ca<sup>2&#x2b;</sup>]) was held at a constant value of <inline-formula id="inf303">
<mml:math id="m352">
<mml:mrow>
<mml:mn>0.3</mml:mn>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x3bc;M</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="fig" rid="F8">Figure 8A</xref>) or <inline-formula id="inf304">
<mml:math id="m353">
<mml:mrow>
<mml:mn>0.4</mml:mn>
<mml:mo>&#xa0;</mml:mo>
<mml:mtext>&#x3bc;M</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="fig" rid="F8">Figure 8B</xref>). A greater increase in tension (the maximum in Phase 3) was observed as the stretching increased up to 7-nm stretch, corresponding to roughly &#x2b;13% for a 6-nm stretch and &#x2b;15% for a 7-nm stretch under [Ca<sup>2&#x2b;</sup>] &#x3d; 0.3&#xa0;&#x3bc;m. Here, 7&#xa0;nm is 0.7% of the half-sarcomere length. These increases lasted for a few seconds after the rapid stretching. In agreement with the experimental results given by <xref ref-type="bibr" rid="B22">Stelzer et al. (2006)</xref>, our numerical results reproduced &#x201c;phase 2 (<xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1A</xref>)&#x201d; in which the force decreased to the steady-state level before stretching. The increase in tension observed by <xref ref-type="bibr" rid="B22">Stelzer et al. (2006)</xref> was roughly 16% for a 2% stretch and 8% for a 1% stretch. The tension increases stopped at an 8-nm stretch in the simulation result. In the numerical model, the stretch is directly linked to the shift of the thin filament relative to the thick filament (<xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3A</xref>), while the stretch of the sarcomere may be relaxed by intermediate substances such as Z-lines or intercalated disks in the experimental conditions, as analyzed in the Discussion <xref ref-type="sec" rid="s4-3">Section 4.3</xref>. Note that we assumed a cross-bridge model under physiological conditions identical to those of a living heart, which differ from the experimental conditions in many aspects, such as temperature.</p>
<fig id="F8" position="float">
<label>FIGURE 8</label>
<caption>
<p>Numerical results of the stretch activation simulation. Stretches of 5, 6, 7, or 8&#xa0;nm were applied over the time span of 1&#xa0;ms at <inline-formula id="inf305">
<mml:math id="m354">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> s after the isometric force had matured under constant [Ca<sup>2&#x2b;</sup>] &#x3d; 0.3&#xa0;&#x3bc;m <bold>(A)</bold> and [Ca<sup>2&#x2b;</sup>] &#x3d; 0.4&#xa0;&#x3bc;m <bold>(B)</bold>. Time courses of the tensions are color-coded by the stretching as follows: 5&#xa0;nm (gray), 6&#xa0;nm (light green), 7&#xa0;nm (blue), and 8&#xa0;nm (red). Enlarged views of the top, focusing on the tension decrease on the order of seconds are depicted on the bottom.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphys-13-855303-g008.tif"/>
</fig>
<p>Focusing on the result for a 7-nm stretch (<xref ref-type="fig" rid="F9">Figures 9A&#x2013;F</xref>), compared with the pre-stretch steady state, the lasting increase in tension apparently arose from a lasting increase in the population of the XB<sub>Trap</sub> state (<xref ref-type="fig" rid="F9">Figures 9C,D</xref>). The effect of the XB<sub>Trap</sub> state is more emphasized when the individual contributions in the active tension of the attached states are plotted (<xref ref-type="fig" rid="F9">Figures 9E,F</xref>). In the half-sarcomere model, we assumed that one thin filament is surrounded by 76 (&#x3d; <inline-formula id="inf306">
<mml:math id="m355">
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
<mml:mn>38</mml:mn>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) myosin molecules. In the steady state before stretching, filament forces of roughly 20 and 22&#xa0;pN are generated by myosin molecules in the XB<sub>PostR1</sub> (2.9%) and XB<sub>PostR2</sub> (1.7%) states, respectively, when [Ca<sup>2&#x2b;</sup>] &#x3d; 0.3&#xa0;&#x3bc;m. Thus, the average force per molecule is 9.1 and 17.0&#xa0;pN, respectively, in the XB<sub>PostR1</sub> and XB<sub>PostR2</sub> states. Because we assumed a force constant of <inline-formula id="inf307">
<mml:math id="m356">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> 2.8&#xa0;pN/nm for the myosin rod distortion <inline-formula id="inf308">
<mml:math id="m357">
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>, the above forces are generated by distortions of 3.3 and 6.1&#xa0;nm, respectively. After the stretch, a filament force of 12&#xa0;pN is produced by the myosin molecules in the XB<sub>Trap</sub> state (&#x223c;0.9%). Thus, the average force is roughly 17.5&#xa0;pN per trapped myosin molecule. This average force is slightly larger than experimentally observed maximal forces (&#x223c;15&#xa0;pN) (<xref ref-type="bibr" rid="B5">Hwang et al., 2021</xref>). As analyzed in <xref ref-type="sec" rid="s2-4">Section 2.4</xref> and <xref ref-type="sec" rid="s2-5">Section 2.5</xref>, our setting of the force constant (<inline-formula id="inf309">
<mml:math id="m358">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#x3d; 2.8&#xa0;pN/nm) seems reasonable with respect to the efficiency in both the isotonic contraction and heart pumping. Furthermore, it may be difficult to measure the maximal force produced by a single myosin molecule under the sarcomeric condition. In particular, the force measured in the filament direction depends on the angle between the myosin rod (S2) and the thick filament, and the maximal force under a similar condition to the stretch activation environment has not been reported.</p>
<fig id="F9" position="float">
<label>FIGURE 9</label>
<caption>
<p>Transients of the four attached states during and after the 1-ms stretching in the stretch activation test with [Ca<sup>2&#x2b;</sup>] &#x3d; 0.3&#xa0;&#x3bc;m (left) and [Ca<sup>2&#x2b;</sup>] &#x3d; 0.4&#xa0;&#x3bc;m (right). <bold>(A,B)</bold> Time courses of the tension for a 7-nm stretch. <bold>(C,D)</bold> Time courses of the population ratio of the attached states: XB<sub>PreR</sub> (green), XB<sub>PostR1</sub> (orange), XB<sub>PostR2</sub> (red), and XB<sub>Trap</sub> (gray). <bold>(E,F)</bold> Time courses of the force per thin filament in each state.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphys-13-855303-g009.tif"/>
</fig>
<p>As observed by <xref ref-type="bibr" rid="B22">Stelzer et al. (2006)</xref>, the MC cross-bridge model also reproduced the different behaviors in Phase 3 (<xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1A</xref>) in the different activation levels. In our model, this difference is made by the differences in the time courses of the population ratio of the attached states (<xref ref-type="fig" rid="F9">Figures 9C,D</xref>) that are produced by the cooperativity effects, as shown in <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5A</xref>.</p>
</sec>
<sec id="s3-2">
<title>Effects of the trap mechanism on SPOCs in a single myofibril model</title>
<p>The effects of the trap mechanism on SPOCs of a single myofibril model consisting of 40 half-sarcomeres were investigated (<xref ref-type="fig" rid="F10">Figures 10A,B</xref>). Here, 2048 filament pairs were imbedded in each half-sarcomere model. SPOCs were produced for all Ca<sup>2&#x2b;</sup> concentrations ([Ca<sup>2&#x2b;</sup>]) in the no-trap model. In contrast, SPOCs were reproduced only for the intermediate concentration ([Ca<sup>2&#x2b;</sup>] &#x3d; 0.4 <inline-formula id="inf310">
<mml:math id="m359">
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x3bc;M</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) between the states of relaxation and contraction in the trap model, as observed by Fabiato and Fabiato (<xref ref-type="bibr" rid="B3">Fabiato and Fabiato, 1978</xref>). Therefore, the trap mechanism may contribute to the [Ca<sup>2&#x2b;</sup>] dependence of the SPOCs by inhibiting the reverse stroke for certain amounts of myosin molecules in the XB<sub>PostR1</sub> state. For the low Ca<sup>2&#x2b;</sup> concentration ([Ca<sup>2&#x2b;</sup>] &#x3d; 0.3 <inline-formula id="inf311">
<mml:math id="m360">
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x3bc;M</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>), the lengthening was prevented by myosin molecules trapped in the XB<sub>Trap</sub> state despite the oscillating XB<sub>PostR2</sub> concentration in the trap model, as indicated by a small increase in the XB<sub>Trap</sub> state for each reduction in the XB<sub>PostR2</sub> state (<xref ref-type="fig" rid="F11">Figure 11A</xref>). For the intermediate Ca<sup>2&#x2b;</sup> concentration ([Ca<sup>2&#x2b;</sup>] &#x3d; 0.4 <inline-formula id="inf312">
<mml:math id="m361">
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x3bc;M</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>), the SPOCs are similar for both cases (<xref ref-type="fig" rid="F11">Figure 11B</xref>). For the high Ca<sup>2&#x2b;</sup> concentration ([Ca<sup>2&#x2b;</sup>] &#x3d; 0.6&#xa0;<inline-formula id="inf313">
<mml:math id="m362">
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x3bc;M</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>), the sarcomeres were shortened to the minimum length, which is almost equal to the thick filament length of <italic>LM</italic> &#x223c; 1.6&#xa0;<inline-formula id="inf314">
<mml:math id="m363">
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x3bc;M</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, as shown in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1B</xref>. At this length, the population of the attached MHs is small because of the small single overlap region of the two filaments. Thus, lengthening was prevented in the same way as that observed for the low Ca<sup>2&#x2b;</sup>-concentration case in the trap model (<xref ref-type="fig" rid="F11">Figure 11C</xref>).</p>
<fig id="F10" position="float">
<label>FIGURE 10</label>
<caption>
<p>Sarcomere length changes in the myofibril model under activations with different constant calcium concentrations [Ca<sup>2&#x2b;</sup>] &#x3d; 0.3 <inline-formula id="inf315">
<mml:math id="m364">
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x3bc;M&#xa0;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (left), 0.4 <inline-formula id="inf316">
<mml:math id="m365">
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x3bc;M</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (center), 0.6 <inline-formula id="inf317">
<mml:math id="m366">
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x3bc;M</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (right), for <bold>(A)</bold> the no-trap model and <bold>(B)</bold> the trap model.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphys-13-855303-g010.tif"/>
</fig>
<fig id="F11" position="float">
<label>FIGURE 11</label>
<caption>
<p>Transitions of the four attached states for the no-trap model (left) and the trap model (right) during SPOCs in a half-sarcomere model imbedded in the myofibril model. Time courses are shown for the half-sarcomere length (black) and the population ratio of binding states: XB<sub>PreR</sub> (green), XB<sub>PostR1</sub> (orange), XB<sub>PostR2</sub> (red), and XB<sub>Trap</sub> (gray), for the no-trap model (left) and the trap model (right). <bold>(A)</bold> [Ca<sup>2&#x2b;</sup>] &#x3d; 0.3 <inline-formula id="inf318">
<mml:math id="m367">
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x3bc;M</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> <bold>(B)</bold> [Ca<sup>2&#x2b;</sup>] &#x3d; 0.4 <inline-formula id="inf319">
<mml:math id="m368">
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x3bc;M</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <bold>(C)</bold> [Ca<sup>2&#x2b;</sup>] &#x3d; 0.6 <inline-formula id="inf320">
<mml:math id="m369">
<mml:mrow>
<mml:mtext>&#x3bc;M</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphys-13-855303-g011.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="s3-3">
<title>Effects in beating ventricle simulation</title>
<p>Beating-ventricle simulations were performed using a finite element ventricle model with the same setup as our previous work (<xref ref-type="bibr" rid="B31">Yoneda et al., 2021</xref>). In each element, a sarcomere model consisting of 16 filament pairs was imbedded along the appropriate fiber orientation <inline-formula id="inf321">
<mml:math id="m370">
<mml:mi mathvariant="bold">f</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>. The distribution of the fiber orientations was found by an optimization algorithm based on the isovolumetric active tension (<xref ref-type="bibr" rid="B29">Washio et al., 2020</xref>) according to the impulses given by the active tension. Portions of the helical fiber structure are depicted in <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4C</xref>. The heart rate was set to 60 beats per minute, and the Ca<sup>2&#x2b;</sup> transient (<xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4C</xref>) generated by the mid-myocardial cell model proposed by <xref ref-type="bibr" rid="B24">ten Tusscher panflov, (2006)</xref> was applied. Transmural delays of the Ca<sup>2&#x2b;</sup> transient determined by the distances from the endocardial surfaces of the left and right ventricles under a transmural conduction velocity of 52&#xa0;cm/s, as measured by <xref ref-type="bibr" rid="B23">Taggart et al. (2000)</xref>, were adopted. By comparing the trap and no-trap models in <xref ref-type="fig" rid="F12">Figures 12A,B</xref>, one can see that the trap mechanism contributes to maintaining both the high pressure in the last half of the systolic phase and the rapid pressure decrease at the end of the systolic phase (<xref ref-type="fig" rid="F12">Figure 12A</xref>). As a result, the blood volume ejected from the left ventricle in the trap model increased from 71 to 78 <inline-formula id="inf322">
<mml:math id="m371">
<mml:mrow>
<mml:mtext>mL</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, while the ATP energy consumption of the left ventricular wall was almost equivalent (<xref ref-type="fig" rid="F12">Figure 12C</xref>). This trend implies that the trap mechanism increases blood ejection without increasing energy consumption. It should be noted that the ATP consumption rates were computed by counting the detachments of MHs in the XB<sub>PostR2</sub> state transferred to those in the N<sub>XB</sub> state, which was controlled by the rate constant <inline-formula id="inf323">
<mml:math id="m372">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and the forced detachments defined by <xref ref-type="disp-formula" rid="e14">Eqs 14</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="e15">15</xref>. As shown in <xref ref-type="fig" rid="F12">Figures 12A,B</xref> slight increase in the population of MHs in the XB<sub>Trap</sub> state can be seen at the end of the systolic phase (<xref ref-type="fig" rid="F12">Figures 12D,E</xref>). This increase corresponds to a prolonged ejection time in the trap model, as shown in <xref ref-type="fig" rid="F12">Figure 12A</xref>.</p>
<fig id="F12" position="float">
<label>FIGURE 12</label>
<caption>
<p>Numerical results of the beating ventricle simulation using the bi-ventricular FEM. <bold>(A)</bold> Time courses of the left ventricular pressure (black) and volume (red) for the no-trap MH model (broken lines) and the trap model (solid lines). <bold>(B)</bold> Time courses of the population ratio of attached MHs in the left ventricular wall classified according to the attached states: XB<sub>PreR</sub> (green), XB<sub>PostR1</sub> (orange), XB<sub>PostR2</sub> (red), and XB<sub>Trap</sub> (gray), for the no-trap model (broken lines) and the trap model (solid lines). <bold>(C)</bold> Time courses of the cumulative ATP energy consumption (black) and work (red) in the left ventricular wall for the no-trap model (broken line) and the trap model (solid line). <bold>(D)</bold> Contours of the tension distribution (upper) and the half-sarcomere shortening velocity (lower) for the trap MH model. <bold>(E)</bold> Contours of the tension distribution (upper) and the half-sarcomere shortening velocity (lower) for the no-trap MH model.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphys-13-855303-g012.tif"/>
</fig>
<p>In the systolic phase, the cardiac myocytes within the shared fiber bundle support each other by pulling their neighbors <italic>via</italic> contractile forces, with the active tension in <xref ref-type="disp-formula" rid="e22">Eq. 22</xref> playing the greatest role. Therefore, based on the mechanical equilibrium condition in the fiber direction, the active tensions must be almost equal. Consequently, if there is a loss of active tension at one point of the fiber bundle prior to the remaining parts in the early-systole or in the end-systolic phase, this portion would be lengthened quickly, and the sarcomeres in the remaining parts would be shortened until a mechanical equilibrium is reached. Because this transition accompanies decreases in the active tension owing to the loss of distortion in the myosin rods, stopping this process as early as possible is desirable to maintain blood pressure. The trapping mechanism can achieve this goal, as shown in <xref ref-type="fig" rid="F13">Figures 13A&#x2013;C</xref>, which depict the distributions of the active tension generated by the individual states XB<sub>PostR2</sub> and XB<sub>Trap</sub> in the end-systolic phase. The degenerated forces of the XB<sub>PostR2</sub> state in the no-trap model (<xref ref-type="fig" rid="F13">Figure 13A</xref>) are compensated by the force generated by the XB<sub>Trap</sub> state in the trap model (<xref ref-type="fig" rid="F13">Figure 13B</xref>). Furthermore, the forces of the XB<sub>PostR2</sub> state in the trap model around the degenerated regions in the no-trap model (<xref ref-type="fig" rid="F13">Figure 13C</xref>) are well maintained, owing to the contributions of the reinforced regions <italic>via</italic> the trap mechanism. As shown in the frequencies of transitions (<xref ref-type="fig" rid="F14">Figure 14</xref>), the reverse power stroke contributes to diastolic relaxation to the same extent as the detachment from the XB<sub>PostR2</sub> state (<xref ref-type="fig" rid="F14">Figure 14A</xref>). Although the difference between the trapping and escaping frequencies averaged over the left ventricular wall (<xref ref-type="fig" rid="F14">Figure 14B</xref>) is relatively small, the two peaks of the difference in <xref ref-type="fig" rid="F14">Figure 14C</xref> agree with the differences in LVP between the trap model and the no-trap model in <xref ref-type="fig" rid="F12">Figure 12A</xref>. <xref ref-type="fig" rid="F14">Figure 14C</xref> also indicates that a certain extent of the trapped MHs is forced to detach because of the extreme distortion (<xref ref-type="disp-formula" rid="e15">Eq. 15</xref>).</p>
<fig id="F13" position="float">
<label>FIGURE 13</label>
<caption>
<p>Distribution of contraction forces in the ventricles in the systolic phase at the early systole: 0.10&#xa0;s (left), at the mid-systole: 0.20&#xa0;s (center), and at the end-systole: 0.26&#xa0;s (right) for <bold>(A)</bold> the XB<sub>PostR2</sub> state in the no-trap model <bold>(B)</bold> XB<sub>Trap</sub>, and <bold>(C)</bold> the XB<sub>PostR2</sub> state in the trap model. In <bold>(B)</bold>, the regions in which the forces are less than 10&#xa0;pN are transparent.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphys-13-855303-g013.tif"/>
</fig>
<fig id="F14" position="float">
<label>FIGURE 14</label>
<caption>
<p>Transition frequencies of binding MHs during a heartbeat. <bold>(A)</bold> The frequencies per MH of the transitions from XB<sub>PostR1</sub> to XB<sub>PostR2</sub> (orange), XB<sub>Pre</sub> to XB<sub>PostR1</sub> (red), XB<sub>PostR2</sub> to N<sub>XB</sub> (pink), XB<sub>PostR2</sub> to XB<sub>PostR1</sub> (green), and XB<sub>PostR1</sub> to XB<sub>PreR</sub> (blue). The solid and broken lines represent the trap model and the no-trap model, respectively. <bold>(B)</bold> Frequencies per MH of trapping (solid line) and escaping (broken line). <bold>(C)</bold> The difference between the trapping frequency and the escaping frequency (solid line), and the frequency of the forced detachment from XB<sub>Trap</sub>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphys-13-855303-g014.tif"/>
</fig>
</sec>
</sec>
<sec sec-type="discussion" id="s4">
<title>Discussion</title>
<sec id="s4-1">
<title>Effects of the trapping mechanism</title>
<p>In the stretch activation tests, the step length dependence was reproduced (<xref ref-type="fig" rid="F8">Figure 8</xref>), similar to the experimental results of Stelzer (<xref ref-type="bibr" rid="B22">Stelzer et al., 2006</xref>). However, the minimum values for the rapid force decay (phase 2) in the numerical results were lower than the original isometric force before stretching and higher than the isometric force in the experimental results of Stelzer. Conversely, minimum values smaller than the original isometric force were reported for wild-type myocardium by Mamidi et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B11">Mamidi et al., 2018</xref>). Thus, the level of the minimum force in phase 2 compared with the original isometric force seems to depend on the experimental conditions. In our model, the decay was determined from decreases in the XB<sub>PostR1</sub> and XB<sub>PostR2</sub> states owing to the reverse strokes from XB<sub>PostR2</sub> to XB<sub>PostR1</sub> and XB<sub>PostR1</sub> to XB<sub>PreR</sub>. Meanwhile, the loss of force was compensated by the increase in population and the distortions of the trapped myosin molecules in the XB<sub>Trap</sub> state (<xref ref-type="fig" rid="F9">Figures 9B,C</xref>). Here, the rates of reverse strokes are limited by the upper bounds <inline-formula id="inf324">
<mml:math id="m373">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>b</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, as in <xref ref-type="disp-formula" rid="e19">Eq. 19</xref>, and the population in the XB<sub>Trap</sub> state is determined by the parameter values associated with the trap mechanism (<inline-formula id="inf325">
<mml:math id="m374">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf326">
<mml:math id="m375">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>trap</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf327">
<mml:math id="m376">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>h</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>escape</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) in <xref ref-type="disp-formula" rid="e3">Eqs 3</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="e4">4</xref> and the forced detachment (<inline-formula id="inf328">
<mml:math id="m377">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf329">
<mml:math id="m378">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>c</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf330">
<mml:math id="m379">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) in <xref ref-type="disp-formula" rid="e15">Eq. 15</xref>. In our trap model, these parameters were carefully chosen, focusing not only on the stretch activation phenomena, but also on the SPOCs and performance in the beating ventricle model.</p>
<p>In our model, the trap mechanism was added to the XB<sub>PostR1</sub> state, which is the state after the first power stroke. Alternatively, it might be conceivable to add a similar trap mechanism in the XB<sub>PostR2</sub> state (the state after the second power stroke) if a force-dependent detachment rate constant (<xref ref-type="bibr" rid="B4">Greenberg et al., 2014</xref>) is adopted in the numerical model. <xref ref-type="bibr" rid="B5">Hwang et al. (2021)</xref> reported a much gentler increase in the reverse stroke rate constant of the first stroke compared with that of the second stroke, with a force increase of 8&#x2013;14&#xa0;pN. Their single-molecule experimental results support the adequacy of adding the trap mechanism to the XB<sub>PostR1</sub> state.</p>
<p>The numerical SPOC results indicate that the trap mechanism affects the calcium activation sensitivity for the relaxation dynamics in an advantageous manner. The trap mechanism prevents sarcomere lengthening at high or low levels of calcium activation (<xref ref-type="fig" rid="F10">Figure 10</xref>). The sarcomere lengthening maximizes the single overlap region between the two filaments, resulting in a facilitation of re-activation. Thus, the prevention of lengthening at low calcium levels (<xref ref-type="fig" rid="F11">Figure 11A</xref>) stops weak re-activation, leading to a smooth relaxation of muscle in the diastolic phase (<xref ref-type="fig" rid="F12">Figure 12A</xref>). Conversely, the prevention of lengthening at high calcium levels (<xref ref-type="fig" rid="F11">Figure 11C</xref>) stops sarcomere shortening in the neighboring cardiomyocytes, causing a retention of high active tension in the fiber bundle (<xref ref-type="fig" rid="F13">Figures 13B,C</xref>).</p>
</sec>
<sec id="s4-2">
<title>Advantages of MC simulations</title>
<p>The above-mentioned features for heartbeats are similar to those found in our previous work (<xref ref-type="bibr" rid="B28">Washio et al., 2018</xref>) with the Langevin dynamics model. However, the new MC model produced better results in the tension response for the step length changes and SPOCs owing to the simpler adjustment of related parameters. In a previous study, MC simulations were performed for a three-dimensional half-sarcomere model consisting of three myosin filaments and 13 thin filaments implemented with 360 myosin molecules and 1,170 binding sites to examine the impact of filament compliance on Ca<sup>2&#x2b;</sup> activation (<xref ref-type="bibr" rid="B2">Chase et al., 2004</xref>). However, these simulations were conducted only under steady-state conditions and were not coupled with a macroscopic finite element model (FEM). Moreover, in the beating ventricle simulation, the computation cost per beat was 1.5&#xa0;h when 320 cores of a conventional parallel computer system were used for the MC model (<xref ref-type="bibr" rid="B31">Yoneda et al., 2021</xref>), while the cost was 105&#xa0;h when 1920 cores of the same computer system were used (<xref ref-type="bibr" rid="B28">Washio et al., 2018</xref>). The former simulation was performed for a bi-ventricular FEM consisting of 45,000 tetrahedral elements with 16 filament pairs, while the latter was performed for a smaller FEM consisting of 7,900 elements with eight filament pairs. The improvements of the MC model, such as those demonstrated in the current study, will lead to better predictions in clinical applications (<xref ref-type="bibr" rid="B6">Kariya et al., 2020</xref>).</p>
</sec>
<sec id="s4-3">
<title>Limitations</title>
<p>Smith et al. argued that multiple working strokes are required for a cross-bridge cycle to satisfy energetic constraints and demonstrated that a cross-bridge cycling model with three strokes can reproduce various experimental findings observed for frog muscle, including absolute values of active tension, stiffness, and ATPase rate; the phase-2 tension response to a length release; and the transient tension rise during ramp stretching (<xref ref-type="bibr" rid="B20">Smith et al., 2008a</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B19">Smith et al., 2008b</xref>). This line of reasoning led us to adopt a model with two strokes with lengths of 6.0 and 4.0&#xa0;nm to realize the 10-nm stroke suggested by the crystal structure of myosin molecules. In the three-stroke model of Smith et al., the first two strokes, which each have a length of 5.0 nm, occur around the Pi release, and a third small stroke was implemented to account for the strain-dependent ADP release rate. Although we did not explicitly define the relationship between strokes and the nucleotide released in our model, these points should be examined by comparing our results against various experimental findings in future work.</p>
<p>The average force of the trapped MH was larger than the maximal force ever observed experimentally. In our model, this discrepancy comes from our stiffness parameter <inline-formula id="inf331">
<mml:math id="m380">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#x3d; 2.8&#xa0;pN/nm for nearly a 10&#xa0;nm stretch, assuming linear elasticity. The force function, <inline-formula id="inf332">
<mml:math id="m381">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, in <xref ref-type="disp-formula" rid="e20">Eq. 20</xref> may be improved by reducing the stiffness for substantial distortions. Further investigation and modification of the detachment rate function in <xref ref-type="disp-formula" rid="e15">Eq. 15</xref> represent future tasks.</p>
<p>In our model, we didn&#x2019;t account for the elasticity of the components, such as the thin and thick filaments and the Z-band in the sarcomere. Namely, we assumed that all of the sarcomere components (except for the myosin rods) are rigid. Thus, the macroscopic stretch change <inline-formula id="inf333">
<mml:math id="m382">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mtext>&#x3bb;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is directly reflected in the distortion increase <inline-formula id="inf334">
<mml:math id="m383">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mtext>&#x3bb;</mml:mtext>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. However, in the actual setting, the distortion increase might be somewhat relaxed because of the elasticities. For example, if we assume a linear elasticity of the Z-line with a spring constant of <inline-formula id="inf335">
<mml:math id="m384">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf336">
<mml:math id="m385">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> attached myosin molecules per thin filament, we have:<disp-formula id="e46">
<mml:math id="m386">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>Z</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mtext>&#x3bb;</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(46)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>By eliminating the Z-line distortion increment <inline-formula id="inf337">
<mml:math id="m387">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in <xref ref-type="disp-formula" rid="e46">Eq. 46</xref>, we obtain:<disp-formula id="e47">
<mml:math id="m388">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>Z</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mtext>&#x3bb;</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(47)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Thus, the distortion increment <inline-formula id="inf338">
<mml:math id="m389">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> decreases as the number of attached myosin molecules increases. Here, the magnitude of the distortion increment <inline-formula id="inf339">
<mml:math id="m390">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> corresponds to the strength of trapping for myosin molecules in the XB<sub>Trap</sub> state. Because <inline-formula id="inf340">
<mml:math id="m391">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is smaller for a lower activation, <xref ref-type="disp-formula" rid="e47">Eq. 47</xref> may give a straightforward explanation of the experimental findings reported by Stelzer (<xref ref-type="bibr" rid="B22">Stelzer et al., 2006</xref>), who reported that the stretch activation is most pronounced at low levels of Ca<sup>2&#x2b;</sup> activation. Apart from these considerations, the effect of filament compliance on the realignment of cross-bridges reported by Chase et al. (<xref ref-type="bibr" rid="B2">Chase et al., 2004</xref>) is an important issue that should be included in future modeling studies.</p>
<p>Razumova et al. modeled and compared three possible mechanisms of cooperativity: 1) interactions between adjacent T/T RUs, 2) interactions between adjacent cycling cross-bridges, and 3) a facilitation of the transition to the on-state of a RU by the adjacent attached cross-bridge, which all control the open and closed states of the thin filament (<xref ref-type="bibr" rid="B14">Razumova et al., 2000</xref>). Their results clearly demonstrated distinct roles of these interactions in the maximal force and cooperativity; however, their formulations are conceptual and thus do not represent specific molecular interactions. McKillop and Geeves proposed a three-state (blocked, closed, and open) model of thin filament activation, which is compatible with X-ray diffraction data (<xref ref-type="bibr" rid="B12">McKillop and Geeves, 1993</xref>). Smith et al. further attempted to establish the relation between RU&#x2013;RU interactions and physical entities (<xref ref-type="bibr" rid="B21">Smith et al., 2003</xref>) by modeling the flexible-chain-like structure of the tropomyosin molecule with a continuous-flexible-chain model. In this regard, the RU&#x2013;RU model used in this study is also empirical and lacks a relation to a physical entity. Moreover, only part of the above-mentioned mechanism of cooperativity was considered.</p>
<p>In the finite element ventricular model, a single half-sarcomere model was imbedded in each tetrahedral element, and the half-sarcomere length changed according to the stretch of the element in the fiber direction. This is nothing but assuming that the movements of sarcomeres contained in each element are perfectly synchronized. In reality, there may be time lags in the length changes between the neighboring sarcomeres particularly in the relaxation phase. In our future work, the issue will be studied by using the homogenization method (<xref ref-type="bibr" rid="B26">Washio et al., 2013</xref>) whereby the bundle of myofibril models is imbedded in each element.</p>
</sec>
</sec>
</body>
<back>
<sec sec-type="data-availability" id="s5">
<title>Data availability statement</title>
<p>The raw data supporting the conclusion of this article will be made available by the authors, without undue reservation.</p>
</sec>
<sec id="s6">
<title>Author contributions</title>
<p>TH, SS, and MW designed the project; RK, J-IO, and KY prepared the input data for the computer simulations; TW designed and conceived the trap model and ran the simulations; TW and KY analyzed the simulation data; TW, RK, J-IO, and KY developed the simulation code with input from SS, TH, MW, TW, and KY wrote the paper with input from SS, TH, and MW.</p>
</sec>
<sec id="s7">
<title>Funding</title>
<p>This work was supported by the MEXT under the &#x201c;Program for Promoting Research on the Supercomputer Fugaku&#x201d; (hp200121) and by AMED under Grant Number JP21he2102003. The computational resources of Supercomputer Fugaku were provided by the RIKEN Center for Computational Science.</p>
</sec>
<ack>
<p>We thank Rosalie Tran, and Kristi Hatch, from Edanz (<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://jp.edanz.com/ac">https://jp.edanz.com/ac</ext-link>) for editing a draft of this manuscript.</p>
</ack>
<sec sec-type="COI-statement" id="s8">
<title>Conflict of interest</title>
<p>TW, JO, SS, and TH are employed by UT-Heart Inc. KY and MW were employed by Fujitsu Japan, Limited.</p>
<p>The authors declare that the research was conducted in the absence of any commercial or financial relationships that could be construed as a potential conflict of interest.</p>
</sec>
<sec sec-type="disclaimer" id="s9">
<title>Publisher&#x2019;s note</title>
<p>All claims expressed in this article are solely those of the authors and do not necessarily represent those of their affiliated organizations, or those of the publisher, the editors and the reviewers. Any product that may be evaluated in this article, or claim that may be made by its manufacturer, is not guaranteed or endorsed by the publisher.</p>
</sec>
<sec id="s10">
<title>Supplementary material</title>
<p>The Supplementary Material for this article can be found online at: <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fphys.2022.855303/full#supplementary-material">https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fphys.2022.855303/full&#x23;supplementary-material</ext-link>
</p>
<supplementary-material xlink:href="DataSheet1.PDF" id="SM1" mimetype="application/PDF" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"/>
<supplementary-material xlink:href="DataSheet2.ZIP" id="SM2" mimetype="application/ZIP" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"/>
<supplementary-material xlink:href="Video2.MP4" id="SM3" mimetype="application/MP4" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"/>
<supplementary-material xlink:href="Video1.MP4" id="SM4" mimetype="application/MP4" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"/>
</sec>
<ref-list>
<title>References</title>
<ref id="B1">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Campbell</surname>
<given-names>K. B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chandra</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2006</year>). <article-title>Functions of stretch activation in heart muscle</article-title>. <source>J. Gen. Physiol.</source> <volume>127</volume> (<issue>2</issue>), <fpage>89</fpage>&#x2013;<lpage>94</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1085/jgp.200509483</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B2">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chase</surname>
<given-names>P. B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Macpherson</surname>
<given-names>J. M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Daniel</surname>
<given-names>T. L.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2004</year>). <article-title>A spatially explicit nanomechanical model of the half-sarcomere: Myofilament compliance affects Ca<sup>2&#x2b;</sup>-activation</article-title>. <source>Ann. Biomed. Eng.</source> <volume>32</volume> (<issue>11</issue>), <fpage>1559</fpage>&#x2013;<lpage>1568</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1114/b:abme.0000049039.89173.08</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B3">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Fabiato</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Fabiato</surname>
<given-names>F.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1978</year>). <article-title>Myofilament-generated tension oscillations during partial calcium activation and activation dependence of the sarcomere length-tension relation of skinned cardiac cells</article-title>. <source>J. Gen. Physiol.</source> <volume>72</volume> (<issue>5</issue>), <fpage>667</fpage>&#x2013;<lpage>699</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1085/jgp.72.5.667</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B4">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Greenberg</surname>
<given-names>M. J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Shuman</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ostap</surname>
<given-names>E. M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2014</year>). <article-title>Inherent force-dependent properties of &#x3b2;-cardiac myosin contribute to the force-velocity relationship of cardiac muscle</article-title>. <source>Biophys. J.</source> <volume>107</volume> (<issue>12</issue>), <fpage>L41</fpage>&#x2013;<lpage>L44</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.bpj.2014.11.005</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B5">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Hwang</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Washio</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hisada</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Higuchi</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kaya</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>A reverse stroke characterizes the force generation of cardiac myofilaments, leading to an understanding of heart function</article-title>. <source>Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.</source> <volume>118</volume> (<issue>23</issue>), <fpage>e2011659118</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1073/pnas.2011659118</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B6">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kariya</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Washio</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Okada</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Nakagawa</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Watanabe</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kadooka</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Personalized perioperative multi-scale, multi-physics heart simulation of double outlet right ventricle</article-title>. <source>Ann. Biomed. Eng.</source> <volume>48</volume> (<issue>6</issue>), <fpage>1740</fpage>&#x2013;<lpage>1750</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s10439-020-02488-y</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B7">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kaya</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Higuchi</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2010</year>). <article-title>Non-linear elasticity and an 8 nm working stroke of single myosin molecules in myofilaments</article-title>. <source>Science</source> <volume>329</volume> (<issue>5992</issue>), <fpage>686</fpage>&#x2013;<lpage>689</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1126/science.1191484</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B8">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kolb</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>F.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Methawasin</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Adler</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Escobar</surname>
<given-names>Y. N.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Nedrud</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2016</year>). <article-title>Thin filament length in the cardiac sarcomere varies with sarcomere length but is independent of titin and nebulin</article-title>. <source>J. Mol. Cell. Cardiol.</source> <volume>97</volume>, <fpage>286</fpage>&#x2013;<lpage>294</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.yjmcc.2016.04.013</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B9">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kramers</surname>
<given-names>H. A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1940</year>). <article-title>Brownian motion in a field of force and the diffusion model of chemical reactions</article-title>. <source>Physica</source> <volume>7</volume>, <fpage>284</fpage>&#x2013;<lpage>304</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/S0031-8914(40)90098-2</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B10">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Lodish</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Berk</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zipursky</surname>
<given-names>S. L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Matsudaira</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Baltimore</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Darnell</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2000</year>). <source>Molecular cell biology</source>. <edition>4th edition</edition>. <publisher-loc>New York</publisher-loc>: <publisher-name>W. H. Freeman</publisher-name>. </citation>
</ref>
<ref id="B11">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Mamidi</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Doh</surname>
<given-names>C. Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Verma</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Stelzer</surname>
<given-names>J. E.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2018</year>). <article-title>Impact of the myosin modulator Mavacamten on force generation and cross-bridge behavior in a murine model of hypercontractility</article-title>. <source>J. Am. Heart Assoc.</source> <volume>7</volume> (<issue>17</issue>), <fpage>e009627</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1161/JAHA.118.009627</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B12">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>McKillop</surname>
<given-names>D. F.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Geeves</surname>
<given-names>M. A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1993</year>). <article-title>Regulation of the interaction between actin and myosin subfragment 1: Evidence for three states of the thin filament</article-title>. <source>Biophys. J.</source> <volume>65</volume> (<issue>2</issue>), <fpage>693</fpage>&#x2013;<lpage>701</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/S0006-3495(93)81110-X</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B13">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Pringle</surname>
<given-names>J. W. S.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1978</year>). <article-title>The croonian lecture 1977-stretch activation of muscle: Function and mechanism</article-title>. <source>Proc. R. Soc. Lond. B Biol. Sci.</source> <volume>201</volume>, <fpage>107</fpage>&#x2013;<lpage>130</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1098/rspb.1978.0035</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B14">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Razumova</surname>
<given-names>M. V.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bukatina</surname>
<given-names>A. E.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Campbell</surname>
<given-names>K. B.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2000</year>). <article-title>Different myofilament nearest-neighbor interactions have distinctive effects on contractile behavior</article-title>. <source>Biophys. J.</source> <volume>78</volume> (<issue>6</issue>), <fpage>3120</fpage>&#x2013;<lpage>3137</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/S0006-3495(00)76849-4</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B15">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Rice</surname>
<given-names>J. J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Stolovitzky</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tu</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>de Tombe</surname>
<given-names>P. P.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2003</year>). <article-title>Ising model of cardiac thin filament activation with nearest-neighbor cooperative interactions</article-title>. <source>Biophys. J.</source> <volume>84</volume>, <fpage>897</fpage>&#x2013;<lpage>909</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/S0006-3495(03)74907-8</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B16">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Rice</surname>
<given-names>J. J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>F.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bers</surname>
<given-names>D. M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>de Tombe</surname>
<given-names>P. P.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2008</year>). <article-title>Approximate model of cooperative activation and crossbridge cycling in cardiac muscle using ordinary differential equations</article-title>. <source>Biophys. J.</source> <volume>95</volume> (<issue>5</issue>), <fpage>2368</fpage>&#x2013;<lpage>2390</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1529/biophysj.107.119487</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B17">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Rodriguez</surname>
<given-names>E. K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Omens</surname>
<given-names>J. H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Waldman</surname>
<given-names>L. K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>McCulloch</surname>
<given-names>A. D.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1993</year>). <article-title>Effect of residual stress on transmural sarcomere length distributions in rat left ventricle</article-title>. <source>Am. J. Physiol.</source> <volume>264</volume>, <fpage>H1048</fpage>&#x2013;<lpage>H1056</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1152/ajpheart.1993.264.4.H1048</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B18">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Sato</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kuramoto</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ohtaki</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Shimamoto</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ishiwata</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2013</year>). <article-title>Locally and globally coupled oscillators in muscle</article-title>. <source>Phys. Rev. Lett.</source> <volume>111</volume> (<issue>10</issue>), <fpage>108104</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.111.108104</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B19">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Smith</surname>
<given-names>D. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Geeves</surname>
<given-names>M. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sleep</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mijailovich</surname>
<given-names>S. M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2008b</year>). <article-title>Toward a unified theory of muscle contraction. II: Predictions with the mean-field approximation</article-title>. <source>Ann. Biomed. Eng.</source> <volume>36</volume> (<issue>8</issue>), <fpage>1353</fpage>&#x2013;<lpage>1371</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s10439-008-9514-z</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B20">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Smith</surname>
<given-names>D. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Geeves</surname>
<given-names>M. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sleep</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mijailovich</surname>
<given-names>S. M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2008a</year>). <article-title>Towards a unified theory of muscle contraction. I: Foundations</article-title>. <source>Ann. Biomed. Eng.</source> <volume>36</volume> (<issue>10</issue>), <fpage>1624</fpage>&#x2013;<lpage>1640</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s10439-008-9536-6</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B21">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Smith</surname>
<given-names>D. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Maytum</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Geeves</surname>
<given-names>M. A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2003</year>). <article-title>Cooperative regulation of myosin-actin interactions by a continuous flexible chain I: Actin-tropomyosin systems</article-title>. <source>Biophys. J.</source> <volume>84</volume> (<issue>5</issue>), <fpage>3155</fpage>&#x2013;<lpage>3167</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/S0006-3495(03)70040-X</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B22">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Stelzer</surname>
<given-names>J. E.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Larsson</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Fitzsimons</surname>
<given-names>D. P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Moss</surname>
<given-names>R. L.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2006</year>). <article-title>Activation dependence of stretch activation in mouse skinned myocardium: Implications for ventricular function</article-title>. <source>J. Gen. Physiol.</source> <volume>127</volume> (<issue>2</issue>), <fpage>95</fpage>&#x2013;<lpage>107</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1085/jgp.200509432</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B23">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Taggart</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sutton</surname>
<given-names>P. M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Opthof</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Coronel</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Trimlett</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pugsley</surname>
<given-names>W.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2000</year>). <article-title>Inhomogeneous transmural conduction during early ischaemia in patients with coronary artery disease</article-title>. <source>J. Mol. Cell. Cardiol.</source> <volume>32</volume> (<issue>4</issue>), <fpage>621</fpage>&#x2013;<lpage>630</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1006/jmcc.2000.1105</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B24">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>ten Tusscher</surname>
<given-names>K. H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Panfilov</surname>
<given-names>A. V.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2006</year>). <article-title>Alternans and spiral breakup in a human ventricular tissue model</article-title>. <source>Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol.</source> <volume>291</volume>, <fpage>H1088</fpage>&#x2013;<lpage>H1100</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1152/ajpheart.00109.2006</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B25">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Washio</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kanada</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Cui</surname>
<given-names>X.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Okada</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sugiura</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Takada</surname>
<given-names>and S.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Semi-implicit time integration with Hessian eigenvalue corrections for a larger time step in molecular dynamics simulations</article-title>. <source>J. Chem. Theory Comput.</source> <volume>17</volume> (<issue>9</issue>), <fpage>5792</fpage>&#x2013;<lpage>5804</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1021/acs.jctc.1c00398</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B26">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Washio</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Okada</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Takahashi</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yoneda</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kadooka</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sugiura</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2013</year>). <article-title>Multiscale heart simulation with cooperative stochastic cross-bridge dynamics and cellular structures</article-title>. <source>Multiscale Model. Simul.</source> <volume>11</volume> (<issue>4</issue>), <fpage>965</fpage>&#x2013;<lpage>999</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1137/120892866</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B27">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Washio</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Shintani</surname>
<given-names>S. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Higuchi</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hisada</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Effect of myofibril passive elastic properties on the mechanical communication between motor proteins on adjacent sarcomeres</article-title>. <source>Sci. Rep.</source> <volume>9</volume>, <fpage>9355</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/s41598-019-45772-1</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B28">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Washio</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sugiura</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kanada</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Okada</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hisada</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2018</year>). <article-title>Coupling Langevin dynamics with continuum mechanics: Exposing the role of sarcomere stretch activation mechanisms to cardiac function</article-title>. <source>Front. Physiol.</source> <volume>9</volume>, <fpage>333</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3389/fphys.2018.00333</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B29">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Washio</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sugiura</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Okada</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hisada</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Using systolic local mechanical load to predict fiber orientation in ventricles</article-title>. <source>Front. Physiol.</source> <volume>11</volume>, <fpage>467</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3389/fphys.2020.00467</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B30">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Washio</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yoneda</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Okada</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kariya</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sugiura</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hisada</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2016</year>). <article-title>Ventricular fiber optimization utilizing the branching structure</article-title>. <source>Int. J. Numer. Method. Biomed. Eng.</source> <volume>32</volume> (<issue>7</issue>), <fpage>e02753</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/cnm.2753</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B31">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Yoneda</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Okada</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Watanabe</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sugiura</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hisada</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Washio</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>A multiple step active stiffness integration scheme to couple a stochastic cross-bridge model and continuum mechanics for uses in both basic research and clinical applications of heart simulation</article-title>. <source>Front. Physiol.</source> <volume>12</volume>, <fpage>712816</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3389/fphys.2021.712816</pub-id> </citation>
</ref>
</ref-list>
</back>
</article>