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Title
Co-activation patterns and modification of spinal sensory-motor transmission during the execution of a volitional standardized motor task / von Martin Schmoll
AuthorSchmoll, Martin
CensorRattay, Frank
Published2012
Description100 Bl. : Ill., graph. Darst.
Institutional NoteWien, Techn. Univ., Mag.-Arb., 2013
Annotation
Zsfassung in dt. Sprache
LanguageEnglish
Document typeMaster Thesis
Keywords (DE)transkutane Rückenmarksstimulation / spinale Reflexe / Hinterwurzel zu Muskel Reflex (PRM Reflex)/ Dorsiflexion / muskuläre Ko-aktivierung / Ko-aktivierungsmuster / zentrales Nervensystem (ZNS) / sensomotorische Reizleitung
Keywords (EN)transcutaneous spinal cord stimulation (tSCS) / spinal reflexes / posterior-root-muscle reflex (PRM reflex)/ dorsiflexion / muscular co-activation / co-activation patterns / central nervous system (CNS) / sensory-motor transmission
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-47318 Persistent Identifier (URN)
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Co-activation patterns and modification of spinal sensory-motor transmission during the execution of a volitional standardized motor task [4.14 mb]
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Abstract (German)

Motivation und Ziele: Ein wesentlicher Mechanismus, welcher der erfolgreichen neuronalen Steuerung von Bewegungen zugrunde liegt, ist die Fähigkeit des zentralen Nervensystems (ZNS), Gruppen von Motorneuronen aktivieren bzw.

inhibieren zu können welche den jeweiligen Muskelgruppen zugeordnet sind. Unter gewissen Umständen werden jedoch auch Muskelgruppen koaktiviert welche nicht primär zur Ausführung einer bestimmten Bewegungsaufgabe benötigt werden. Eines der Ziele der vorliegenden Studie was es, Muster in der Koaktivierung diverser Beinmuskelgruppen, während der Ausführung einer isolierten, unilateralen, ein-gelenkigen Bewegungsaufgabe, zu untersuchen. Ein weiteres Ziel war die Untersuchung der sensomotorischen Reizleitung auf lumbosakraler Rückenmarksebene, während der Ausführung einer definierten, einseitigen Dorsiflexion auf bestimmtem Kraftlevel, mittels Stimulation spinaler Reflexe. Die Arbeitshypothese war, dass es bei der Erzeugung größerer Kräfte zu verstärken Reflexmodulationen kommt. Diese Modulationen betreffen sowohl Motorneuronen die an der Bewegungsaufgabe beteiligt sind, als auch teilweise außenstehende Motorneuronen die nicht beteiligt sind.

Methodik: Sechs freiwillige Probanden (4 Männer und 2 Frauen, Durchschnittsalter 25.0 Jahre 3.9 Jahre) ohne Schäden am ZNS, nahmen an der Studie teil.

Um die Kraft einer Dorsiflexion des Sprunggelenks, zu messen wurde ein spezieller Kraftmessschuh entwickelt. Elektromyographische Aktivität wurde mittels Ag/AgCl--Oberflächenelektroden von den wichtigsten Beinmuskelgruppen, sowohl ipsi- als auch contralateral aufgezeichnet. In dieser Studie wurden drei experimentelle Paradigmen (A, B und C) durchgeführt.

In Paradigma A wurden die Probanden aufgefordert eine Dorsiflexion mit maximaler willentlicher Kontraktion (MWK) von Tibialis Anterior (TA) solange zu halten, bis nur noch 50 % des ursprünglich gemessenen Wertes erreicht werden konnten. Die Versuche fanden im Sitzen statt, wobei das Equipment so eingestellt wurde das Sprunggelenk, Kniegelenk und Hüftgelenk einen Winkel von 90 einnehmen konnten. Alle Probanden absolvierten die Messungen beidseitig, jeweils mit und ohne visuellem Feedback (Balkenanzeige der erzeugten Kraft als Prozentsatz von MWK).

In Paradigma B hatten die Probanden die Aufgabe kurze aufeinanderfolgende Dorsiflexionen für 6 s zu halten wobei zwischen den Kontraktionen Pausen von 4 s einzuhalten waren. Ein Durchgang begann mit einer Initialkontraktion von 20 % MKW und wurde gefolgt von Kontraktionen mit 40 %, 60 %, 80 % und 100 % MKW. Messungen wurden beidseitig in Bauchlage, im Stehen und im Sitzen durchgeführt, wobei visuelles Feedback bei allen Durchgängen zur Verfügung gestellt wurde.

In Paradigma C kam transkutane Rückenmarksstimulation zum Einsatz um sogenannte ,Posterior-Root Muscle' (PRM) Reflexe auszulösen. In allen Durchgängen wurden zuerst fünf unkonditionierte PRM Reflexe im entspannten Zustand stimuliert und aufgezeichnet. Danach wurden weitere fünf konditionierte Reflexe aufgezeichnet, bei denen der Proband eine Dorsiflexion mit vordefiniertem Kraftlevel absolvierte. Messungen wurden beidseitig mit 20 %, 40 %, 60 %, 80 % und 100 % MWK durchgeführt, wobei stets visuelles Feedback zur Verfügung gestellt wurde.

Resultate und Schlussfolgerungen: Die Ergebnisse der durchgeführten Studie zeigten, dass es mit dem hergestellten Equipment möglich war die erzeugte Kraft, einer einseitigen Dorsiflexion des Sprunggelenks, sachgemäß zu messen. Die korrekte Funktion des Messaufbaus wurde durch die Wiederholung der Versuche von Dimitrijevic et al. (1992) verifiziert. Durch die Messung der erzeugten Kraft, konnte die gewünschte Bewegungsaufgabe standardisiert werden, wodurch ein inter-individueller Vergleich der Ergebnisse der einzelnen Probanden möglich wurde. In der vorliegenden Studie wurden Koaktivierungsmuster der untersuchten Beinmuskeln beschrieben, welche während der Ausführung einseitiger, willentlicher, anhaltender oder unterbrochener Kontraktionen des Sprunggelenkflexors Tibialis Anterior auftraten. In allen sechs Probanden konnten ähnliche Rekrutierungsfolgen, der einzelnen Muskelgruppen, beobachtet werden, was auf einen zentralen ,motor pattern generator' als Quelle der Erregung hindeuten würde.

Die Modulationen der PRM Reflexe, aufgrund der Dorsiflexion des Sprunggelenks, reflektierten die funktionellen Rollen (Flexor und Extensor) der betrachteten Muskelgruppen. Verstärkte Reflexantworten waren grundsätzlich im aktivierten Tibialis Anterior als auch im synergistisch wirkenden ipsilateralen Quadriceps zu finden, wohingegen Antworten im antagonistischen Triceps Surae supprimiert wurden.

Die vorliegende Arbeit stellt eine wertvolle Basis für weitere Studien in größerem Maßstab dar, um die zugrundeliegenden Mechanismen der neuronalen Bewegungskontrolle, sowohl in Menschen mit gesundem als auch im veränderten ZNS, besser verstehen zu können.

Abstract (English)

Motivation and objectives: An important mechanism underlying successful neural control of movement is the capacity of the CNS to selectively activate and inhibit, respectively, motoneuron pools associated with antagonistic muscle groups. Yet, there are circumstances when muscle groups extraneous to a particular motor task become co-activated, e.g. during the effort to maintain force in a particular (isolated) muscle group. An aim of the present thesis was to investigate co-activation patterns of multiple lower limb muscle groups bilaterally, during the execution of a unilateral isolated single-joint movement. A further goal of the present work was to assess the gain of sensory-motor transmission at several lumbosacral spinal cord levels during the execution of a unilateral ankle dorsiflexion at defined levels of force, by eliciting spinal reflexes. The working hypothesis was that higher levels of produced force, will lead to more profound reflex modulations affecting various motoneuron pools pertinent as well as extraneous to the intended task.

Methods: Six volunteers (4 male and 2 female, mean age 25.0 years 3.9 years), with intact nervous system participated on this study. The force produced during a unilateral dorsiflexion of the ankle was measured using a specially designed force measurement shoe. The equipment allowed performing measurements in supine, standing and sitting position.

Electromyographic activity was recorded from several lower limb muscle groups using Ag/AgCl--surface electrodes. Three experimental paradigms were carried out, named A, B and C.

In Paradigm A, the subjects were instructed to maintain a maximum voluntary contraction (MVC) of the ankle dorsiflexor until the force decreased to 50 % of its initial value. This procedure was executed in sitting position, with hip, knee and ankle joints adjusted to 90 degrees. Separate recordings were carried out for both lower limbs as well as with and without visual feedback of the produced force (bar-scale showing a percentage of MVC). In Paradigm B, the subjects were asked to carry out intermittent contractions of the ankle dorsiflexor for 6 s followed by 4 s relaxation periods. The initial contraction was 20 % MVC followed by 40 %, 60 %, 80 % and 100 % MVC which represented one cycle. This procedure was executed bilaterally in supine, standing and sitting position. Visual feedback was provided all the time.

In Paradigm C transcutaneous spinal cord stimulation was applied to elicit posterior-root muscle (PRM) reflexes. All recordings started with the elicitation of five unconditioned PRM reflexes during relaxation, followed by five responses elicited during unilateral dorsiflexion at a certain force level. The initial contraction level was 20 % MVC followed by 40 %, 60 %, 80 % and 100% MVC. Results and conclusions: The results of the present study proved the measurement equipment to be working properly in order to measure the force produced during a unilateral dorsiflexion of the ankle. Functional suitability was also verified by repeating the measurements conducted by Dimitrijevic et al.

(1992). The device allowed for the standardization of the chosen motor task with respect to the degree of force being generated and thus, for the inter-individual comparison of the results obtained.

The present thesis described co-activation patterns of various lower limb muscles accompanying the execution of unilateral, volitional sustained or intermittent contractions of the ankle flexor tibialis anterior. The observed recruitment orders were similar in all six subjects studied, hinting on a motor pattern generator as the source of activation. The gain of PRM reflexes during the execution of a dorsiflexion of the ankle at different contraction levels reflected the functional roles of the (flexor and extensor) muscle groups assessed. Facilitated responses were generally found in the exercised tibialis anterior and the synergistic ipsilateral quadriceps, whereas reflex suppression was found in the antagonistic ipsilateral triceps surae. The presented approach provides a valuable basis for further larger-scale studies, to elucidate the mechanisms underlying the neural control of movement, in individuals with intact and altered CNS function.