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.

Development of a subject-specific musculoskeletal shoulder model : inverse and forward dynamics applications

A prevalência de pessoas que referem dor no complexo articular do ombro, com concomitante limitação na capacidade para realizar atividades da vida diária, é elevada. Estes níveis de prevalência sobrecarregam quer os utentes, como a própria sociedade. A evidência científica atual indicia a existência de uma relação entre as alterações da articulação escápulo-torácica e as patologias associadas à articulação gleno-umeral. A capacidade de quantificar, cinemática e cineticamente, as disfunções ao nível das articulações escápulo-torácica e gleno-umeral, é algo de enorme importância, quer para a comunidade biomecânica, como para a clínica. No decorrer dos trabalhos desta tese foi desenvolvido, através do software OpenSim, um modelo tridimensional músculo-esquelético do complexo articular do ombro que inclui a representação do tórax/coluna, clavícula, omoplata, úmero, rádio, cúbito e articulações que permitem os movimentos relativos desses segmentos, assim como, 16 músculos e 4 ligamentos. Com um total de 11 graus de liberdade, incluindo um novo modelo articular escápulo-torácico, os resultados demonstram que este é capaz de reconstruir de forma precisa e rápida os movimentos escápulo-torácicos e glenoumerais, recorrendo para tal, à cinemática inversa, e à dinâmica inversa e direta. Conta ainda com um método de transformação inovador para determinar, com base nas especificidades dos sujeitos, os locais de inserção muscular. As principais motivações subjacentes ao desenvolvimento desta tese foram contribuir para o aprofundar do atual conhecimento sobre as disfunções do complexo articular do ombro e, simultaneamente, proporcionar à comunidade clínica uma ferramenta biomecânica de livre acesso com o intuito de melhor suportar as decisões clínicas e dessa forma concorrer para uma prática mais efetiva.

Efeito do exercício na biomecânica da marcha em crianças e adolescentes com paralisia cerebral

Tipo de Estudo: Revisão. Temática: Efeito do exercício na biomecânica da locomoção de crianças e adolescentes com paralisia cerebral que apresentam marcha em agachamento (designada como “crouch gait”). Objetivos: 1) verificar e analisar as metodologias de programas de treino de força que, combinados ou não com outros programas de treino, exercícios ou intervenções, visam melhorar o padrão da marcha e a funcionalidade destes indivíduos; 2) tendo por base os resultados do primeiro objetivo, compilar uma bateria de exercícios e propôr um exemplo de plano de treino adequado a esta população. Métodos: Usou-se o PICOS para a definição de uma estratégia de busca segura e confiável. A “PubMed”, “Cochrane” e “Web of Knowledge", foram as bases de dados selecionadas e utilizadas. A pesquisa aconteceu na Faculdade de Motricidade Humana e no Hospital de Santa Maria em Lisboa. A seleção final dos artigos decorreu no mês de Janeiro, durante uma semana, e foi realizada e rastreada por dois investigadores de forma diferente. Incluíram-se nesta revisão estudos randomizados e controlados, com crianças e adolescentes com paralisia cerebral e que apresentam “crouch gait”, e nos quais foram utilizados protocolos de exercício como método de intervenção nesta população, tendo em vista a melhoria do padrão de marcha. Resultados: Da pesquisa inicial resultaram 223 estudos. Com a leitura dos resumos, selecionaram-se 96. Excluíram-se 85 porque apenas 11 cumpriram com todos os critérios de eligibilidade. Foi avaliada a qualidade metodológica destes 11 estudos com a escala PEDro e excluíram-se 3, resultando em 8 artigos como potenciais estudos para a revisão. Discussão: Um melhor alinhamento biomecânico e a obtenção de uma base mais estável podem afetar positivamente a função da marcha nestas crianças. O treino da força, sozinho, nem sempre melhora a capacidade da marcha. A melhoria da marcha advém dos efeitos e resultados significativos da força muscular, da amplitude de movimento articular, da diminuição da espasticidade, da regulação do tónus e da melhoria do equilíbrio e da postura. Conclusão: O treino da força não é uma contra indicação para estes indivíduos. Este oferece efeitos benéficos para a melhoria das suas funcionalidades. Para um efeito significativo, a intervenção deve ser superior a seis (6) semanas.

Effects of a resistance and stretching training program on forward head and protracted shoulder posture in physical education classes in students aged 15-17 years old

Purpose: This study aimed to characterize the postural alignment of the head and shoulder in the sagittal plane of Portuguese adolescents, 15-17 years old, and to evaluate the effects of a 32-week resistance and stretching training program applied in Physical Education classes on forward head posture and protracted shoulder posture of Portuguese adolescents. After 32-training weeks the detraining effects after a 16-week period were measured. Methods: This randomized and controlled study was conducted in two secondary schools in Portugal for 48 weeks. Prior the study 275 students aged 15-17 years old were evaluated. Sagittal head, cervical and shoulder angle were measured with photogrammetry and Postural Analysis Software. After this assessment 130 adolescents were considered to have forward head and protracted shoulder posture and were randomly assigned to a control group, an experimental group one or experimental group two. The control group (n=46) only did the Physical Education classes whereas the intervention group one (n=42) and two (n=42) performed a 16-week and 32-week stretching and strengthening program in addition to Physical Education classes, respectively. The postural angles were measured before and after the 16-week and 32-week time intervention period for the three groups and after a 16-week detraining period following the 32-week in intervention group two. Results: 68% of the adolescents studied revealed anteriorization of the head whereas 58% of them had protraction of the shoulder. Significant increases were observed in the cervical and shoulder angle in the experimental group (n=84) following the 16-week and in experimental group two (n=42)after the 32 week-intervention period. After the 16-week detraining period no significant differences were observed in the three postural angles in the intervention group two. Conclusions: Forward head and protracted shoulder are common postural disorders in Portuguese adolescents. The exercise intervention was successful ate decreasing forward head and protracted shoulder in adolescents. Detraining period of 16-week didn´t reduce the overall training effects.