Adaptation of motor control to training and disuse : contribution of muscle synergy analysis and movement variability

The well-known degrees of freedom problem originally introduced by Nikolai Bernstein (1967) results from the high abundance of degrees of freedom in the musculoskeletal system. Such abundance in motor control have two sides: i) because it is unlikely that the Central Nervous System controls each degree of freedom independently, the complexity of the control needs to be reduced, and ii) because there are many options to perform a movement, a repetition of a given movement is never the same. It leads to two main topics in motor control and biomechanics: motor coordination and motor variability. The present thesis aimed to understand how motor systems behave and adapt under specific conditions. This thesis comprises three studies that focused on three topics of major interest in the field of sports sciences and medicine: expertise, injury risk and fatigue. The first study (expertise) has focused on the muscle coordination topic to further investigate the effect of expertise on the muscle synergistic organization, which ultimately may represent the underlying neural strategies. Studies 2 (excessive medial knee displacement) and 3 (fatigue) both aimed to better understand its impact on the dynamic local stability. The main findings of the present thesis suggest: 1) there is a great robustness in muscle synergistic organization between swimmers at different levels of expertise (study 1, chapter II), which ultimately indicate that differences in muscle coordination is mainly explained by peripheral adaptations; 2) injury risk factors such as excessive medial knee displacement (study 2, chapter III) and fatigue (study 3, chapter IV) alter the dynamic local stability of the neuromuscular system towards a more unstable state. This change in dynamic local stability represents a loss of adaptability in the neuromuscular system reducing the flexibility to adapt to a perturbation.

Originalmente introduzido por Nikolai Bernstein (1967), o famoso degrees of freedom problema resulta do abundante número de graus de liberdade presentes no sistema músculo-esquelético. A análise deste tópico tem duas abordagens: i) uma vez que é pouco provável que o Sistema Nervoso Central consiga controlar cada grau de liberdade individualmente, a complexidade do controlo motor tem que ser reduzida, e ii) uma vez que existem várias formas e possibilidades de realizar o mesmo movimento, uma repetição de um gesto nunca é igual a outra. Isto leva a dois pontos de estudo na área do controlo motor e biomecânica: coordenação motora e variabilidade. A presente tese teve como principal objetivo compreender de que forma sistemas de controlo motor se comportam e adaptam em diferentes condições. Esta tese compreende três estudos que abordam três tópicos de grande interesse na área do desporto: expertise, risco de lesão e fadiga. O primeiro estudo (expertise) procurou perceber qual o efeito da expertise na organização sinergista dos músculos (muscle synergy) que parece representar as estratégias neurais de controlo motor. O estudo 2 (desvio medial do joelho) e 3 (fadiga) tiveram como principal objetivo perceber o impacto destas perturbações na estabilidade dinâmica dos sistemas biológicos. Os resultados principais desta tese sugerem: 1) que existe uma grande robustez nos padrões de organização sinergista dos músculos entre nadadores de diferentes níveis (estudo I), indicando que diferenças entre grupos se possa explicar por adaptações periféricas; 2) fatores de risco de lesão como o desvio medial do joelho e a fadiga alteram a estabilidade dinâmica do sistema neuromuscular no sentido de maior instabilidade. Esta alteração representa uma perda de capacidade de adaptação, por parte do sistemas neuromuscular, a eventuais perturbações ao sistema.