Characterisation of anticipatory muscle activations during motor transitions
Caractérisation de la coordination musculaire anticipatoire lors de transitions motrices
Résumé
Human movements result from a complex coordination of the nervous, muscular, and skeletal systems. Understanding motor coordination requires proper consideration of each system characteristics. When at least one system is defective, human mobility is largely impaired, leading to dependency. A fundamental understanding of human movement coordination is necessary to build adapted devices or rehabilitation programs for populations with mobility impairments. Particularly, the objectives the nervous system needs to satisfy when executing movement remain unclear.
To adapt their movements relative to both internal and external constraints, humans can predict the consequences of these constraints, and thus program anticipatory muscle activations, providing favourable conditions for movement execution. To better understand these favourable conditions, we propose a new framework of motor transitions to better characterise how the nervous system manages the distinct changes in external force. We then reviewed the different roles of anticipatory muscle activations using this new framework in two different contexts: anticipation for balance-movement coordination, and anticipation of ground contact. First, we characterised the mechanical consequences of anticipatory muscle activations and showed that motor transitions are a period of desired mechanical instability with a different balance-movement coordination than during steady-states (such as walking or standing). However, the complete understanding of balance regulation, in particular the conditions provided by free segments, during motor transitions is still lacking. When reviewing anticipation of contact, we showed that the literature only states that anticipatory muscle activations generate stiffness to prepare the whole-body upward acceleration during contact. Some kinematic configurations of the lower-limb at the instant of contact reduce the magnitude of external force at contact, and help protect the skeletal system. However, the conditions required to achieved these kinematic configurations remain unknown.
To improve our knowledge of the favourable conditions provided by anticipatory muscle activations, two experimental situations have been set up. First, motor transitions during walking were analysed to determine the contribution of the free segments. We modified the inertial parameters of the trunk by adding rigid masses, to highlight the role of upper-body segments in balance-movement coordination. We showed that the trunk first increases the state of mechanical instability, and once the transition is initiated, contributes to regulate this instability. Second, we analysed anticipatory kinematic adjustments during different landing contexts. We showed that anticipatory muscle activations have kinematic consequences before ground contact. These adjustments may serve to provide conditions to achieve a given kinematic configuration at contact, and to cope both with gravity and estimated consequences of ground contact to protect the skeletal system. As a direct consequence of these anticipatory joint flexions, we showed that the foot was accelerated upward before contact to reduce the upward acceleration required at the beginning of contact. Moreover, we recorded two muscle activations before contact, and we suggested that the first one creates favourable conditions to prepare the joint flexions we described.
Combining these two experimental situations, we suggest that anticipatory processes provide different favourable conditions to the movement execution, and may represent objectives that the nervous system needs to satisfy when executing a movement. Since motor transitions are ubiquitous in daily-life, these conditions are necessary to movement execution and may be incorporated in future adapted devices and rehabilitation programs for population with mobility impairments.
Les mouvements humains dépendent d’une coordination des systèmes nerveux, musculaire et squelettique. La compréhension de la coordination motrice nécessite la considération des caractéristiques de chaque système. Quand un des systèmes est défectueux, la mobilité humaine est largement dégradée et mène à la dépendance. La compréhension fondamentale de la coordination motrice est nécessaire afin de proposer des dispositifs adaptés aux populations avec des déficits de la mobilité. En particulier, les objectifs que le système nerveux doit satisfaire restent sous-étudiés.
Pour adapter les mouvements aux contraintes internes et externes, les humains peuvent prédire les conséquences de ces contraintes et programmer des activations musculaires anticipées permettant d’apporter des conditions favorables au mouvement. Pour mieux comprendre ces conditions favorables, nous avons développé le cadre des transitions motrices afin de mieux caractériser la manière dont le système nerveux gère le changement de force extérieure. Nous avons ensuite examiné les activations musculaires anticipées en utilisant ce cadre dans deux contextes : l’anticipation pour la coordination de l’équilibre et du mouvement, et l’anticipation d’un contact. Nous avons premièrement caractérisé les conséquences mécaniques des activations musculaires anticipées et montré que les transitions motrices sont une période d’instabilité mécanique désirée et une coordination entre l’équilibre et le mouvement différente d’un état stable (comme la marche ou le maintien d’une posture). Cependant, les conditions apportées par l’utilisation des segments libres restent incomplètes. En examinant l’anticipation du contact, nous avons montré que la littérature présente les activations musculaires anticipées uniquement dans le but de générer de la raideur et accélérer le corps vers le haut durant le contact. Pourtant, des configurations cinématiques du membre inférieur à l’instant du contact réduisent la force de réaction du sol nécessaire, et protège le système squelettique. Cependant, les conditions nécessaires afin d’arriver à ces configurations cinématiques restent inconnues.
Pour étendre nos connaissances quant aux conditions apportées par les processus anticipés, deux situations expérimentales ont été mises en place. Premièrement, nous avons analysés des transitions motrices durant de la marche pour déterminer la contribution des segments libres. Nous avons modifié les paramètres inertiels du tronc en ajoutant des masses, afin de mettre en évidence le rôle des segments du haut du corps dans la coordination entre l’équilibre et le mouvement. Nous avons montré que le tronc augmente tout d’abord la condition d’instabilité mécanique, et, une fois la transition initiée, régule cette instabilité. Deuxièmement, nous avons montré que les activations musculaires ont une conséquence cinématique avant le contact avec le sol lors de tâches de réception. Ces ajustements peuvent servir à créer les conditions nécessaires pour atteindre une certaine configuration cinématique au contact. Ces ajustements permettent de faire face aux conséquences prédites du contact et protéger le système squelettique. Nous avons également montré que ces ajustements permettent d’accélérer le pied vers le haut avant le contact pour réduire l’accélération nécessaire au début du temps de contact. De plus, nous avons enregistré deux activations musculaires avant le contact, et avons suggéré que la première créée des conditions favorables afin de préparer las flexions précédemment décrites.
En combinant les deux situations expérimentales, nous suggérons que les processus anticipés fournissent des conditions favorables au mouvement, et pourraient représenter les objectifs que le système nerveux doit satisfaire. Les transitions motrices étant omniprésentes dans la vie quotidienne, ces conditions sont nécessaires à l’exécution des mouvements et peuvent être incorporées dans les futurs dispositifs d’aide à la mobilité.
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