Cryotherapy and joint position sense in healthy participants: a systematic review

Objective: To (1) search the English-language literature for original research addressing the effect of cryotherapy on joint position sense (JPS) and (2) make recommendations regarding how soon healthy athletes can safely return to participation after cryotherapy. Data Sources: We performed an exhaustive search for original research using the AMED, CINAHL, MEDLINE, and SportDiscus databases from 1973 to 2009 to gather information on cryotherapy and JPS. Key words used were cryotherapy and proprioception, cryotherapy and joint position sense, cryotherapy, and proprioception. Study Selection: The inclusion criteria were (1) the literature was written in English, (2) participants were human, (3) an outcome measure included JPS, (4) participants were healthy, and (5) participants were tested immediately after a cryotherapy application to a joint. Data Extraction: The means and SDs of the JPS outcome measures were extracted and used to estimate the effect size (Cohen d) and associated 95% confidence intervals for comparisons of JPS before and after a cryotherapy treatment. The numbers, ages, and sexes of participants in all 7 selected studies were also extracted. Data Synthesis: The JPS was assessed in 3 joints: ankle (n 5 2), knee (n 5 3), and shoulder (n 5 2). The average effect size for the 7 included studies was modest, with effect sizes ranging from 20.08 to 1.17, with a positive number representing an increase in JPS error. The average methodologic score of the included studies was 5.4/10 (range, 5–6) on the Physiotherapy Evidence Database scale. Conclusions: Limited and equivocal evidence is available to address the effect of cryotherapy on proprioception in the form of JPS. Until further evidence is provided, clinicians should be cautious when returning individuals to tasks requiring components of proprioceptive input immediately after a cryotherapy treatment.

Visual and proprioceptive representations in spatial memory

It has been shown that spatial information can be acquired from both visual and nonvisual modalities. The present study explored how spatial information from vision and proprioception was represented in memory, investigating orientation dependence of spatial memories acquired through visual and proprioceptive spatial learning. Experiment 1 examined whether visual learning alone and proprioceptive learning alone yielded orientation-dependent spatial memory. Results showed that spatial memories from both types of learning were orientation dependent. Experiment 2 explored how different orientations of the same environment were represented when they were learned visually and proprioceptively. Results showed that both visually and proprioceptively learned orientations were represented in spatial memory, suggesting that participants established two different reference systems based on each type of learning experience and interpreted the environment in terms of these two reference systems. The results provide some initial clues to how different modalities make unique contributions to spatial representations.

Functional adaptation and rehabilitation following total knee replacement

This research project evaluated the biomechanical and functional outcomes of patients following total knee replacement measured at 6 and 12 months following surgery. Using more objective measures, patients were examined to determine changes in biomechanical and neuromuscular function during performance of activities of daily living such as walking, stair climbing and turning. Adaptations in joint positioning and performance were identified and progressive improvements were made in some areas of locomotor function. The findings of the study provided important objective information to contribute to the design and evaluation of prostheses, new surgical and rehabilitation procedures and improved recovery of patients.

Effects of the sensorimotor training volume on sensorimotor function in patients following lower limb arthroplasty

Background Sensorimotor function is degraded in patients after lower limb arthroplasty. Sensorimotor training is thought to improve sensorimotor skills, however, the optimal training stimulus with regard to volume, frequency, duration, and intensity is still unknown. The aim of this study, therefore, was to firstly quantify the progression of sensorimotor function after total hip (THA) or knee (TKA) arthroplasty and, as second step, to evaluate effects of different sensorimotor training volumes. Methods 58 in-patients during their rehabilitation after THA or TKA participated in this prospective cohort study. Sensorimotor function was assessed using a test battery including measures of stabilization capacity, static balance, proprioception, and gait, along with a self-reported pain and function. All participants were randomly assigned to one of three intervention groups performing sensorimotor training two, four, or six times per week. Outcome measures were taken at three instances, at baseline (pre), after 1.5 weeks (mid) and at the conclusion of the 3 week program (post). Results All measurements showed significant improvements over time, with the exception of proprioception and static balance during quiet bipedal stance which showed no significant main effects for time or intervention. There was no significant effect of sensorimotor training volume on any of the outcome measures. Conclusion We were able to quantify improvements in measures of dynamic, but not static, sensorimotor function during the initial three weeks of rehabilitation following TKA/THA. Although sensorimotor improvements were independent of the training volume applied in the current study, long-term effects of sensorimotor training volume need to be investigated to optimize training stimulus recommendations.

The development of a component to improve the loading safety of bone-anchored prostheses

Use of socket prostheses Currently, for individuals with limb loss, the conventional method of attaching a prosthetic limb relies on a socket that fits over the residual limb. However, there are a number of issues concerning the use of a socket (e.g., blisters, irritation, and discomfort) that result in dissatisfaction with socket prostheses, and these lead ultimately a significant decrease in quality of life. Bone-anchored prosthesis Alternatively, the concept of attaching artificial limbs directly to the skeletal system has been developed (bone anchored prostheses), as it alleviates many of the issues surrounding the conventional socket interface.Bone anchored prostheses rely on two critical components: the implant, and the percutaneous abutment or adapter, which forms the connection for the external prosthetic system (Figure 1). To date, an implant that screws into the long bone of the residual limb has been the most common intervention. However, more recently, press-fit implants have been introduced and their use is increasing. Several other devices are currently at various stages of development, particularly in Europe and the United States. Benefits of bone-anchored prostheses Several key studies have demonstrated that bone-anchored prostheses have major clinical benefits when compared to socket prostheses (e.g., quality of life, prosthetic use, body image, hip range of motion, sitting comfort, ease of donning and doffing, osseoperception (proprioception), walking ability) and acceptable safety, in terms of implant stability and infection. Additionally, this method of attachment allows amputees to participate in a wide range of daily activities for a substantially longer duration. Overall, the system has demonstrated a significant enhancement to quality of life. Challenges of direct skeletal attachment However, due to the direct skeletal attachment, serious injury and damage can occur through excessive loading events such as during a fall (e.g., component damage, peri-prosthetic fracture, hip dislocation, and femoral head fracture). These incidents are costly (e.g., replacement of components) and could require further surgical interventions. Currently, these risks are limiting the acceptance of bone-anchored technology and the substantial improvement to quality of life that this treatment offers. An in-depth investigation into these risks highlighted a clear need to re-design and improve the componentry in the system (Figure 2), to improve the overall safety during excessive loading events. Aim and purposes The ultimate aim of this doctoral research is to improve the loading safety of bone-anchored prostheses, to reduce the incidence of injury and damage through the design of load restricting components, enabling individuals fitted with the system to partake in everyday activities, with increased security and self-assurance. The safety component will be designed to release or ‘fail’ external to the limb, in a way that protects the internal bone-implant interface, thus removing the need for restorative surgery and potential damage to the bone. This requires detailed knowledge of the loads typically experienced by the limb and an understanding of potential overload situations that might occur. Hence, a comprehensive review of the loading literature surrounding bone anchored prostheses will be conducted as part of this project, with the potential for additional experimental studies of the loads during normal activities to fill in gaps in the literature. This information will be pivotal in determining the specifications for the properties of the safety component, and the bone-implant system. The project will follow the Stanford Biodesign process for the development of the safety component.

Unipedal balance is affected by lower extremity joint arthroplasty procedure 1 year following surgery.

Lower Extremity Joint Arthroplasty (LEJA) surgery is an effective way to alleviate painful osteoarthritis. Unfortunately, these surgeries do not normalize the loading asymmetry during the single leg stance phase of gait. Therefore, we examined single leg balance in 234 TJA patients (75 hips, 65 knees, 94 ankles) approximately 12 months following surgery. Patients passed if they maintained single leg balance for 10s with their eyes open. Patients one year following total hip arthroplasty (THA-63%) and total knee arthroplasty (TKA-69%) had similar pass rates compared to a total ankle arthroplasty (TAA-9%). Patients following THA and TKA exhibit better unilateral balance in comparison with TAA patients. It may be beneficial to include a rigorous proprioception and balance training program in TAA patients to optimize functional outcomes.

A pathway in primate brain for internal monitoring of movements.

It is essential to keep track of the movements we make, and one way to do that is to monitor correlates, or corollary discharges, of neuronal movement commands. We hypothesized that a previously identified pathway from brainstem to frontal cortex might carry corollary discharge signals. We found that neuronal activity in this pathway encodes upcoming eye movements and that inactivating the pathway impairs sequential eye movements consistent with loss of corollary discharge without affecting single eye movements. These results identify a pathway in the brain of the primate Macaca mulatta that conveys corollary discharge signals.

Adaptation and Reintegration of Proprioceptive Information in Young and Older Adults' Postural Control

We investigated age-related changes in adaptation and sensory reintegration in postural control without vision. In two sessions, participants adapted their posture to sway reference and to reverse sway reference conditions, the former reducing (near eliminating) and the latter enhancing (near doubling) proprioceptive information for posture by means of support-surface rotations in proportion to body sway. Participants stood on a stable platform for 3 min (baseline) followed by 18 min of sway reference or reverse sway reference (adaptation) and finally again on a stable platform for 3 min (reintegration). Results showed that when inaccurate proprioception was introduced, anterior-posterior (AP) sway path length increased in comparable levels in the two age groups. During adaptation, young and older adults reduced postural sway at the same rate. On restoration of the stable platform in the reintegration phase, a sizeable aftereffect of increased AP path length was observed in both groups, which was greater in magnitude and duration for older adults. In line with linear feedback models of postural control, spectral analyses showed that this aftereffect differed between the two platform conditions. In the sway-referenced condition, a switch from low- to high-frequency COP sway marked the transition from reduced to normal proprioceptive information. The opposite switch was observed in the reverse sway referenced condition. Our findings illustrate age-related slowing in participants' postural control adjustments to sudden changes in environmental conditions. Over and above differences in postural control, our results implicate sensory reweighting as a specific mechanism highly sensitive to age-related decline.

Refreshing Refreshable Braille Displays

The increased access to books afforded to blind people via e-publishing has given them long-sought independence for both recreational and educational reading. In most cases, blind readers access materials using speech output. For some content such as highly technical texts, music, and graphics, speech is not an appropriate access modality as it does not promote deep understanding. Therefore blind braille readers often prefer electronic braille displays. But these are prohibitively expensive. The search is on, therefore, for a low-cost refreshable display that would go beyond current technologies and deliver graphical content as well as text. And many solutions have been proposed, some of which reduce costs by restricting the number of characters that can be displayed, even down to a single braille cell. In this paper, we demonstrate that restricting tactile cues during braille reading leads to poorer performance in a letter recognition task. In particular, we show that lack of sliding contact between the fingertip and the braille reading surface results in more errors and that the number of errors increases as a function of presentation speed. These findings suggest that single cell displays which do not incorporate sliding contact are likely to be less effective for braille reading.

Influência da crioterapia no tendão quadricipital na força máxima, na sensação de força produzida e na funcionalidade do membro inferior

Enquadramento: A aplicação de crioterapia utiliza-se como coadjuvante na reeducação neuromuscular e tem como objetivo atingir o mais rápido possível a capacidade funcional, devido aos seus efeitos analgésicos e anti- inflamatórios, contudo, o seu efeito negativo ao nível da propriocepção tem vindo a ser questionado. Objetivo: Verificar se a aplicação de crioterapia no tendão quadricipital tem influência na força máxima, na sensação de força produzida e na funcionalidade do membro inferior. Metodologia: Tratou-se de um estudo experimental, do tipo laboratorial e com um desenho cruzado. Quarenta sujeitos foram distribuídos inicialmente e de forma aleatória em um grupo experimental e um grupo controlo, sendo que, após uma semana os elementos que pertenceram ao grupo experimental passaram para grupo controlo e vice-versa. O grupo experimental foi submetido a um programa com gelo dinâmico durante 10 minutos, avaliando-se a força máxima, sensação de força produzida e funcionalidade do membro, enquanto grupo controlo esteve em repouso o mesmo período de tempo. Resultados: Verificaram-se que não houve diferenças estatisticamente significativas relativas a todas variáveis estudadas (p>0,05). Conclusão: O uso da crioterapia na região mio-tendinosa do quadrícipete não provoca défices significativos ao nível das respostas sensório-motoras do joelho, e que à luz destes resultados, esta pode ser utilizada antes da realização de outras técnicas terapêuticas, sem qualquer risco adicional a nível motor.

A influência da dor no joelho na incapacidade e proprioceção em adultos mais velhos

Introdução: A dor no joelho apresenta uma etiologia multifatorial, sendo a idade um fator de risco importante. A dor no joelho poderá estar relacionada com alterações na propriocetividade do joelho. Objetivo (s): Comparar a influência dor unilateral com bilateral do joelho na incapacidade e proprioceção em adultos mais velhos. Métodos: Estudo transversal com uma amostra de 11 indivíduos com dor no joelho, divididos em grupo com dor unilateral (GDU=6) e grupo com dor bilateral (GDB=5). Utilizou-se, a Knee injury and Osteoarthritis Outcome Score (KOOS) para analisar a dor, rigidez e outros sintomas, atividades de vida diária, desportivas e de lazer e qualidade de vida. Foi medida a sensação de posição articular passiva e ativa, bem como a sensação de discriminação de carga. Foram utilizados os testes de Mann-Whitney e de correlação de Spearman, com um nível de significância de 0,05. Resultados: Nas diferentes dimensões da KOOS apesar de não se ter verificado diferenças significativas entre os grupos, o GDU apresenta scores menores, que traduzem uma maior incapacidade. Na sensação de posição articular e na sensação de discriminação de carga não se verificaram diferenças significativas entre os grupos. Conclusão: A dor no joelho ser unilateral ou bilateral não influencia nem a incapacidade nem a proprioceção nos adultos mais velhos.

Altered sensory-weighting mechanisms is observed in adolescents with idiopathic scoliosis

Affiliation: Paul Allard : Département de kinésiologie, Université de Montréal

Étiopathogenèse de la scoliose idiopathique de l'adolescent : implication de la mélatonine et de l'ostéopontine

La scoliose idiopathique de l’adolescent (SIA) est une maladie dont la cause est encore inconnue, et qui génère des déformations complexes du rachis, du thorax et du bassin. La prévalence est de 4% dans la population adolescente au Québec. Cette pathologie affecte surtout les filles durant leur poussée de croissance pubertaire. Parmi plusieurs hypothèses émises, l’hypothèse neuroendocrinienne, impliquant une déficience en mélatonine comme agent étiologique de la SIA a suscité beaucoup d’intérêt. Cette hypothèse découle du fait que l’ablation de la glande pinéale chez le poulet produit une scoliose ressemblant sous plusieurs aspects à la pathologie humaine. La pertinence biologique de la mélatonine dans la scoliose est controversée, étant donné que la majorité des études chez l’homme n’ont pu mettre en évidence une diminution significative des niveaux de mélatonine circulante chez les patients scoliotiques. Nous avons démontré un dysfonctionnement dans la signalisation de la mélatonine au niveau des tissus musculo-squelettiques chez une série de patients atteints de SIA (Moreau & coll. 2004). Nous avons confirmé ce défaut chez un plus grand nombre de patients ainsi qu’en utilisant une nouvelle technologie (spectroscopie cellulaire diélectrique) n’ayant pas recours à un prétraitement des cellules donnant ainsi des résultats plus précis. Cette technique a montré la présence des mêmes groupes fonctionnels identifiés auparavant par la technique d’AMPc. Le dysfonctionnement de la signalisation de la mélatonine est dû à une phosphorylation accrue des protéines G inhibitrices. Ce défaut pourrait être causé par un déséquilibre de l’activité des kinases et phosphatases capables de réguler la phosphorylation des protéines Gi. Parmi ces kinases, PKCd a suscité initialement notre intérêt vu qu’elle peut phosphoryler les protéines Gi. Nous avons démontré que cette kinase interagit avec le récepteur de la mélatonine MT2 et que cette interaction varie selon le groupe fonctionnel auquel un patient SIA appartient. Par la suite nos travaux se sont dirigés vers la découverte d’effecteurs cellulaires régulés par la mélatonine et plus spécifiquement l’ostéopontine (OPN), compte tenu de son rôle présumé comme mécanorécepteur et dans certaines structures jouant un rôle dans la proprioception, le contrôle postural et la fonction vestibulaire. L’OPN a été identifiée initialement par sa surexpression au niveau protéique et de l’ARNm dans la musculature paraspinale uniquement chez les poulets scoliotiques. Nous avons également utilisé un autre modèle animal, la souris C57Bl/6 naturellement déficiente en mélatonine. Nous avons généré des souris bipèdes en amputant les membres antérieurs de souris OPN KO, des souris CD44 KO ainsi que des souris contrôles C57Bl/6. Nos résultats ont montré qu’aucune souris OPN KO (n=50) ou CD44 KO (n=60) ne développe la maladie, contrairement aux souris contrôles C57Bl/6 (n=50) dont 45% deviennent scoliotiques. Ces résultats nous ont poussés à investiguer le rôle de cette protéine dans l’étiopathogenèse de la maladie chez l’humain. Nos résultats ont montré une augmentation des niveaux circulants d’OPN chez les patients atteints de la SIA et que l’élevation en OPN corrélait avec la sévérité de la maladie. Nos études chez les enfants asymptomatiques nés de parents scoliotiques et qui sont plus à risque de développer la maladie ont aussi démontré des différences significatives au niveau des concentrations en OPN en comparaison avec les sujets sains. En effet, plusieurs enfants à risque présentaient des niveaux d’OPN supérieurs à 800ng/ml suggérant un plus grand risque de développer une scoliose indiquant aussi que l’augmentation des niveaux en OPN précède le début de la maladie.

Les habiletés spatio-cognitives des aveugles de naissance : résolution de labyrinthes tactiles

La navigation repose en majeure partie sur la vision puisque ce sens nous permet de rassembler des informations spatiales de façon simultanée et de mettre à jour notre position par rapport à notre environnement. Pour plusieurs aveugles qui se fient à l’audition, le toucher, la proprioception, l’odorat et l’écholocation pour naviguer, sortir à l’extérieur de chez soi peut représenter un défi considérable. Les recherches sur le circuit neuronal de la navigation chez cette population en particulier s’avèrent donc primordiales pour mieux adapter les ressources aux handicapés visuels et réussir à les sortir de leur isolement. Les aveugles de naissance constituent aussi une population d’intérêt pour l’étude de la neuroplasticité. Comme leur cerveau s’est construit en absence d’intrant visuel, la plupart des structures reliées au sens de la vue sont réduites en volume par rapport à ceux de sujets voyants. De plus, leur cortex occipital, une région normalement dédiée à la vision, possède une activité supramétabolique au repos, ce qui peut représenter un territoire vierge pouvant être recruté par les autres modalités pour exécuter diverses tâches sensorielles. Plusieurs chercheurs ont déjà démontré l’implication de cette région dans des tâches sensorielles comme la discrimination tactile et la localisation auditive. D’autres changements plastiques de nature intramodale ont aussi été observés dans le circuit neuronal de la navigation chez ces aveugles. Par exemple, la partie postérieure de l’hippocampe, impliquée dans l’utilisation de cartes mentales, est réduite en volume alors que la section antérieure est élargie chez ces sujets. Bien que ces changements plastiques anatomiques aient bel et bien été observés chez les aveugles de naissance, il reste toutefois à les relier avec leur aspect fonctionnel. Le but de la présente étude était d’investiguer les corrélats neuronaux de la navigation chez l’aveugle de naissance tout en les reliant avec leurs habiletés spatio-cognitives. La première étude comportementale a permis d’identifier chez les aveugles congénitaux une difficulté d’apprentissage de routes tactiles construites dans des labyrinthes de petite échelle. La seconde étude, employant la technique d’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle, a relié ces faiblesses au recrutement de régions cérébrales impliquées dans le traitement d’une perspective égocentrique, comme le lobule pariétal supérieur droit. Alors que des sujets voyants aux yeux bandés excellaient dans la tâche des labyrinthes, ces derniers recrutaient des structures impliquées dans un traitement allocentrique, comme l’hippocampe et le parahippocampe. Par ailleurs, la deuxième étude a confirmé le recrutement du cortex occipital dans une tâche de navigation chez les aveugles seulement. Ceci confirme l’implication de la plasticité intermodale dans des tâches cognitives de plus haut niveau, comme la navigation.

L’influence d’un contexte virtuel sur les processus de contrôle en ligne des mouvements d’atteinte manuelle

L’objectif principal de la présente thèse était de déterminer les facteurs susceptibles d’influencer l’efficacité des processus de contrôle en ligne des mouvements d’atteinte manuelle. De nos jours, les mouvements d’atteinte manuelle réalisés dans un environnement virtuel (déplacer une souris d’ordinateur pour contrôler un curseur à l’écran, par exemple) sont devenus chose commune. Par comparaison aux mouvements réalisés en contexte naturel (appuyer sur le bouton de mise en marche de l’ordinateur), ceux réalisés en contexte virtuel imposent au système nerveux central des contraintes importantes parce que l’information visuelle et proprioceptive définissant la position de l’effecteur n’est pas parfaitement congruente. Par conséquent, la présente thèse s’articule autour des effets d’un contexte virtuel sur le contrôle des mouvements d’atteinte manuelle. Dans notre premier article, nous avons tenté de déterminer si des facteurs tels que (a) la quantité de pratique, (b) l’orientation du montage virtuel (aligné vs. non-aligné) ou encore (c) l’alternance d’un essai réalisé avec et sans la vision de l’effecteur pouvaient augmenter l’efficacité des processus de contrôle en ligne de mouvement réalisés en contexte virtuel. Ces facteurs n’ont pas influencé l’efficacité des processus de contrôle de mouvements réalisés en contexte virtuel, suggérant qu’il est difficile d’optimiser le contrôle des mouvements d’atteinte manuelle lorsque ceux-ci sont réalisés dans un contexte virtuel. L’un des résultats les plus surprenants de cette étude est que nous n’avons pas rapporté d’effet concernant l’orientation de l’écran sur la performance des participants, ce qui était en contradiction avec la littérature existante sur ce sujet. L’article 2 avait pour but de pousser plus en avant notre compréhension du contrôle du mouvement réalisé en contexte virtuel et naturel. Dans le deuxième article, nous avons mis en évidence les effets néfastes d’un contexte virtuel sur le contrôle en ligne des mouvements d’atteinte manuelle. Plus précisément, nous avons observé que l’utilisation d’un montage non-aligné (écran vertical/mouvement sur un plan horizontal) pour présenter l’information visuelle résultait en une importante diminution de la performance comparativement à un montage virtuel aligné et un montage naturel. Nous avons aussi observé une diminution de la performance lorsque les mouvements étaient réalisés dans un contexte virtuel aligné comparativement à un contexte naturel. La diminution de la performance notée dans les deux conditions virtuelles s’expliquait largement par une réduction de l’efficacité des processus de contrôle en ligne. Nous avons donc suggéré que l’utilisation d’une représentation virtuelle de la main introduisait de l’incertitude relative à sa position dans l’espace. Dans l’article 3, nous avons donc voulu déterminer l’origine de cette incertitude. Dans ce troisième article, deux hypothèses étaient à l’étude. La première suggérait que l’augmentation de l’incertitude rapportée dans le contexte virtuel de la précédente étude était due à une perte d’information visuelle relative à la configuration du bras. La seconde suggérait plutôt que l’incertitude provenait de l’information visuelle et proprioceptive qui n’est pas parfaitement congruente dans un contexte virtuel comparativement à un contexte naturel (le curseur n’est pas directement aligné avec le bout du doigt, par exemple). Les données n’ont pas supporté notre première hypothèse. Plutôt, il semble que l’incertitude soit causée par la dissociation de l’information visuelle et proprioceptive. Nous avons aussi démontré que l’information relative à la position de la main disponible sur la base de départ influence largement les processus de contrôle en ligne, même lorsque la vision de l’effecteur est disponible durant le mouvement. Ce résultat suggère que des boucles de feedback interne utilisent cette information afin de moduler le mouvement en cours d’exécution.