Neuromuscular-skeletal origins of predominant patterns of coordination in a rhythmic two-joint arm movement

The authors tested for predominant patterns of coordination in the combination of rhythmic flexion-extension (FE) and supination-pronation (SP) at the elbow-joint complex. Participants (N = 10) spontaneously established in-phase (supination synchronized with flexion) and antiphase (pronation synchronized with flexion) patterns. In addition, the authors used a motorized robot arm to generate involuntary SP movements with different phase relations with respect to voluntary FE. The involuntarily induced in-phase pattern was accentuated and was more consistent than other patterns. That result provides evidence that the predominance of the in-phase pattern originates in the influence of neuro-muscular-skeletal constraints rather than in a preference dictated by perceptual-cognitive factors implicated in voluntary control. Neuromuscular-skeletal constraints involved in the predominance of the in-phase and the antiphase patterns are discussed.

Illusory changes in head position induced by neck muscle vibration can alter the perception of elbow position

Acuity for elbow joint position sense (JPS) is reduced when head position is modified. Movement of the head is associated with biomechanical changes in the neck and shoulder musculoskeletal system, which may explain changes in elbow JPS. The present study aimed to determine whether elbow JPS is also influenced by illusory changes in head position. Simultaneous vibration of sternocleidomastoid (SCM) and the contralateral splenius was applied to 14 healthy adult human subjects. Muscle vibration or passive head rotation was introduced between presentation and reproduction of a target elbow position. Ten out of 14 subjects reported illusions consistent with lengthening of the vibrated muscles. In these 10 subjects, absolute error for elbow JPS increased with left SCM/right splenius vibration but not with right SCM/left splenius vibration. Absolute error also increased with right rotation, with a trend for increased error with left rotation. These results demonstrated that both actual and illusory changes in head position are associated with diminished acuity for elbow JPS, suggesting that the influence of head position on upper limb JPS depends, at least partially, on perceived head position.

Neuromuscular and biomechanical factors codetermine the solution to motor redundancy in rhythmic multijoint arm movement

How the CNS deals with the issue of motor redundancy remains a central question for motor control research. Here we investigate the means by which neuromuscular and biomechanical factors interact to resolve motor redundancy in rhythmic multijoint arm movements. We used a two-df motorised robot arm to manipulate the dynamics of rhythmic flexion-extension (FE) and supination-pronation (SP) movements at the elbow-joint complex. Participants were required to produce rhythmic FE and SP movements, either in isolation, or in combination (at the phase relationship of their choice), while we recorded the activity of key bi-functional muscles. When performed in combination, most participants spontaneously produced an in-phase pattern of coordination in which flexion is synchronised with supination. The activity of the Biceps Brachii (BB), the strongest arm muscle which also has the largest moment arms in both flexion and supination was significantly higher for FE and SP performed in combination than in isolation, suggesting optimal exploitation of the mechanical advantage of this muscle. In a separate condition, participants were required to produce a rhythmic SP movement while a rhythmic FE movement was imposed by the motorised robot. Simulations based upon a musculoskeletal model of the arm demonstrated that in this context, the most efficient use of the force-velocity relationship of BB requires that an anti-phase pattern of coordination (flexion synchronized with pronation) be produced. In practice, the participants maintained the in-phase behavior, and BB activity was higher than for SP performed in isolation. This finding suggests that the neural organisation underlying the exploitation of bifunctional muscle properties, in the natural context, constrains the system to maintain the

Neuromuscular adaptation during skill acquisition on a two degree-of-freedom target-acquisition task: Dynamic movement

In this experiment, we examined the extent to which the spatiotemporal reorganization of muscle synergies mediates skill acquisition on a two degree-of-freedom (df) target-acquisition task. Eight participants completed five practice sessions on consecutive days. During each session they practiced movements to eight target positions presented by a visual display. The movements required combinations of flexion/extension and pronation/supination of the elbow joint complex. During practice sessions, eight targets displaced 5.4 cm from the start position ( representing joint excursions of 54) were presented 16 times. During pre- and posttests, participants acquired the targets at two distances (3.6 cm [36 degrees] and 7.2 cm [72 degrees]). EMG data were recorded from eight muscles contributing to the movements during the pre- and posttests. Most targets were acquired more rapidly after the practice period. Performance improvements were, in most target directions, accompanied by increases in the smoothness of the movement trajectories. When target acquisition required movement in both dfs, there were also practice-related decreases in the extent to which the trajectories deviated from a direct path to the target. The contribution of monofunctional muscles ( those producing torque in a single df) increased with practice during movements in which they acted as agonists. The activity in bifunctional muscles ( those contributing torque in both dfs) remained at pretest levels in most movements. The results suggest that performance gains were mediated primarily by changes in the spatial organization of muscles synergies. These changes were expressed most prominently in terms of the magnitude of activation of the monofunctional muscles.

Transfer of resistance training to enhance rapid coordinated force production by older adults

The purpose of this study was to examine the capacity of resistance training to enhance the rapid and coordinated production of force by older people. Thirty adults (greater than or equal to 60 years) completed a visually guided aiming task that required the generation of isometric torque in 2 df about the elbow prior to and following a 4-week training period. Groups of six participants were allocated to two progressive ( 40 - 100% maximal voluntary contraction (MVC)) resistance-training (PRT) groups, to two constant low-load (10% MVC) training groups (CLO) and to one no-training control group. Training movements required the generation of either combined flexion and supination (FLESUP), or combined extension and supination (EXTSUP). In response to training, target acquisition times in the aiming task decreased for all groups; however, both the nature of the training load and the training movement influenced the pattern and magnitude of improvements (EXTSUP_ CLO: 36%, FLESUP_ PRT 26%, EXTSUP_ PRT 22%, FLESUP_ CLO 20%, CONTROL 15%). For one group that trained with progressively increasing loads, there arose a subsequent decrease in performance in one condition of the transfer task. For each group, these adaptations were accompanied by systematic changes in the coordination of muscles about the elbow joint, particularly the biceps brachii.

The Synergistic Organization of Muscle Recruitment Constrains Visuomotor Adaptation

Reaching to visual targets engages the nervous system in a series of transformations between sensory information and motor commands. That which remains to be determined is the extent to which the processes that mediate sensorimotor adaptation to novel environments engage neural circuits that represent the required movement in joint-based or muscle-based coordinate systems. We sought to establish the contribution of these alternative representations to the process of visuomotor adaptation. To do so we applied a visuomotor rotation during a center-out isometric torque production task that involved flexion/extension and supination/pronation at the elbow-joint complex. In separate sessions, distinct half-quadrant rotations (i.e., 45°) were applied such that adaptation could be achieved either by only rescaling the individual joint torques (i.e., the visual target and torque target remained in the same quadrant) or by additionally requiring torque reversal at a contributing joint (i.e., the visual target and torque target were in different quadrants). Analysis of the time course of directional errors revealed that the degree of adaptation was lower (by ~20%) when reversals in the direction of joint torques were required. It has been established previously that in this task space, a transition between supination and pronation requires the engagement of a different set of muscle synergists, whereas in a transition between flexion and extension no such change is required. The additional observation that the initial level of adaptation was lower and the subsequent aftereffects were smaller, for trials that involved a pronation–supination transition than for those that involved a flexion–extension transition, supports the conclusion that the process of adaptation engaged, at least in part, neural circuits that represent the required motor output in a muscle-based coordinate system.

Minimal invasive surgery for coronoid fracture: technical note.

Operative treatment of coronoid fracture often requires a large dissection of soft tissue, resulting in elbow stiffness and functional limitation. The authors present a minimal invasive, safe technique, useful in the case of isolated coronoid fracture associated with elbow dislocation. This technique does not require soft tissue dissection and allows an early unlimited resumption of sports activities.

Influence de la locomotion sur la morphologie de l’articulation distale de l’humérus chez les hominoïdes

La masse corporelle et la direction des charges sont des facteurs qui peuvent modifier la morphologie des surfaces articulaires qui sont généralement orientées et de taille suffisante pour résister aux charges chroniques. Chez les hominoïdes, les forces de tension et compression, générées par la locomotion, sont transmises à travers l’articulation du coude. Ces espèces ont une morphologie similaire de l’extrémité distale de l’humérus, mais qui présente certaines différences selon la taille des individus et leurs modes de locomotion. Ce projet tente de caractériser plus exhaustivement cette variation en analysant la largeur des surfaces articulaires ainsi que leur position et orientation par rapport à l’axe long de la diaphyse. La prémisse de ce mémoire est que, chez les espèces plus arboricoles, la morphologie de l’articulation distale de l’humérus répond aux stress transverses générés par les puissants muscles fléchisseurs du poignet et des doigts qui traversent le coude obliquement. En revanche, les espèces plus terrestres présentent une morphologie permettant de résister aux forces axiales provenant du contact avec le sol. Des coordonnées tridimensionnelles et des mesures linéaires ont été recueillies sur un échantillon squelettique d’individus des genres Homo, Pan, Gorilla et Pongo. Les résultats obtenus révèlent que l’orientation et la position des surfaces articulaires de la trochlée correspondent aux types de locomotion, or leur taille et celle et du capitulum semblent être influencées par la taille des individus. L’hypothèse suggérant que les stress reliés aux divers modes de locomotion des hominoïdes influencent la morphologie de l’articulation distale de l’humérus est donc supportée.

Role of corticospinal influences in post-stroke spasticity

Chez les personnes post-AVC (Accident Vasculaire Cérébral), spasticité, faiblesse et toute autre coactivation anormale proviennent de limitations dans la régulation de la gamme des seuils des réflexes d'étirement. Nous avons voulu savoir si les déficits dans les influences corticospinales résiduelles contribuaient à la limitation de la gamme des seuils et au développement de la spasticité chez les patients post-AVC. La stimulation magnétique transcranienne (SMT) a été appliquée à un site du cortex moteur où se trouvent les motoneurones agissant sur les fléchisseurs et extenseurs du coude. Des potentiels évoqués moteurs (PEM) ont été enregistrés en position de flexion et d'extension du coude. Afin d'exclure l'influence provenant de l'excitabilité motoneuronale sur l'évaluation des influences corticospinales, les PEM ont été suscités lors de la période silencieuse des signaux électromyographiques (EMG) correspondant à un bref raccourcissement musculaire juste avant l'enclenchement de la SMT. Chez les sujets contrôles, il y avait un patron réciproque d'influences corticospinales (PEM supérieurs en position d'extension dans les extenseurs et vice-versa pour les fléchisseurs). Quant à la plupart des sujets post-AVC ayant un niveau clinique élevé de spasticité, la facilitation corticospinale dans les motoneurones des fléchisseurs et extenseurs était supérieure en position de flexion (patron de co-facilitation). Les résultats démontrent que la spasticité est associée à des changements substantiels des influences corticospinales sur les motoneurones des fléchisseurs et des extenseurs du coude.

Contrôle cortico-spinal des mouvements volontaires du coude

Il existe plusieurs théories du contrôle moteur, chacune présumant qu’une différente variable du mouvement est réglée par le cortex moteur. On trouve parmi elles la théorie du modèle interne qui a émis l’hypothèse que le cortex moteur programme la trajectoire du mouvement et l’activité électromyographique (EMG) d’une action motrice. Une autre, appelée l’hypothèse du point d’équilibre, suggère que le cortex moteur établisse et rétablisse des seuils spatiaux; les positions des segments du corps auxquelles les muscles et les réflexes commencent à s’activer. Selon ce dernier, les paramètres du mouvement sont dérivés sans pré-programmation, en fonction de la différence entre la position actuelle et la position seuil des segments du corps. Pour examiner de plus près ces deux théories, nous avons examiné l’effet d’un changement volontaire de l’angle du coude sur les influences cortico-spinales chez des sujets sains en employant la stimulation magnétique transcrânienne (TMS) par-dessus le site du cortex moteur projetant aux motoneurones des muscles du coude. L’état de cette aire du cerveau a été évalué à un angle de flexion du coude activement établi par les sujets, ainsi qu’à un angle d’extension, représentant un déplacement dans le plan horizontal de 100°. L’EMG de deux fléchisseurs du coude (le biceps et le muscle brachio-radial) et de deux extenseurs (les chefs médial et latéral du triceps) a été enregistrée. L’état d’excitabilité des motoneurones peut influer sur les amplitudes des potentiels évoqués moteurs (MEPs) élicitées par la TMS. Deux techniques ont été entreprises dans le but de réduire l’effet de cette variable. La première était une perturbation mécanique qui raccourcissait les muscles à l'étude, produisant ainsi une période de silence EMG. La TMS a été envoyée avec un retard après la perturbation qui entraînait la production du MEP pendant la période de silence. La deuxième technique avait également le but d’équilibrer l’EMG des muscles aux deux angles du coude. Des forces assistantes ont été appliquées au bras par un moteur externe afin de compenser les forces produites par les muscles lorsqu’ils étaient actifs comme agonistes d’un mouvement. Les résultats des deux séries étaient analogues. Un muscle était facilité quand il prenait le rôle d’agoniste d’un mouvement, de manière à ce que les MEPs observés dans le biceps fussent de plus grandes amplitudes quand le coude était à la position de flexion, et ceux obtenus des deux extenseurs étaient plus grands à l’angle d’extension. Les MEPs examinés dans le muscle brachio-radial n'étaient pas significativement différents aux deux emplacements de l’articulation. Ces résultats démontrent que les influences cortico-spinales et l’activité EMG peuvent être dissociées, ce qui permet de conclure que la voie cortico-spinale ne programme pas l’EMG à être générée par les muscles. Ils suggèrent aussi que le système cortico-spinal établit les seuils spatiaux d’activation des muscles lorsqu’un segment se déplace d’une position à une autre. Cette idée suggère que des déficiences dans le contrôle des seuils spatiaux soient à la base de certains troubles moteurs d’origines neurologiques tels que l’hypotonie et la spasticité.

Contributions des voies vestibulospinale et corticospinale au contrôle des mouvements du bras

Le contrôle des mouvements du bras fait intervenir plusieurs voies provenant du cerveau. Cette thèse, composée principalement de deux études, tente d’éclaircir les contributions des voies tirant leur origine du système vestibulaire et du cortex moteur. Dans la première étude (Raptis et al 2007), impliquant des mouvements d’atteinte, nous avons cerné l’importance des voies descendantes partant du système vestibulaire pour l’équivalence motrice, i.e. la capacité du système moteur à atteindre un but moteur donné lorsque le nombre de degrés de liberté articulaires varie. L’hypothèse émise était que le système vestibulaire joue un rôle essentiel dans l’équivalence motrice. Nous avons comparé la capacité d’équivalence motrice de sujets sains et de patients vestibulodéficients chroniques lors de mouvements nécessitant un contrôle des positions du bras et du tronc. Pendant que leur vision était temporairement bloquée, les sujets devaient soit maintenir une position de l’index pendant une flexion du tronc, soit atteindre une cible dans l’espace péri-personnel en combinant le mouvement du bras avec une flexion du tronc. Lors d’essais déterminés aléatoirement et imprévus par les participants, leur tronc était retenu par un mécanisme électromagnétique s’activant en même temps que le signal de départ. Les sujets sains ont pu préserver la position ou la trajectoire de l’index dans les deux conditions du tronc (libre, bloqué) en adaptant avec une courte latence (60-180 ms) les mouvements articulaires au niveau du coude et de l’épaule. En comparaison, six des sept patients vestibulodéficients chroniques ont présenté des déficits au plan des adaptations angulaires compensatoires. Pour ces patients, entre 30 % et 100 % du mouvement du tronc n’a pas été compensé et a été transmis à la position ou trajectoire de l’index. Ces résultats indiqueraient que les influences vestibulaires évoquées par le mouvement de la tête pendant la flexion du tronc jouent un rôle majeur pour garantir l’équivalence motrice dans ces tâches d’atteinte lorsque le nombre de degrés de liberté articulaires varie. Également, ils démontrent que la plasticité de long terme survenant spontanément après une lésion vestibulaire unilatérale complète ne serait pas suffisante pour permettre au SNC de retrouver un niveau d’équivalence motrice normal dans les actions combinant un déplacement du bras et du tronc. Ces tâches de coordination bras-tronc constituent ainsi une approche inédite et sensible pour l’évaluation clinique des déficits vestibulaires. Elles permettent de sonder une dimension fonctionnelle des influences vestibulaires qui n’était pas prise en compte dans les tests cliniques usuels, dont la sensibilité relativement limitée empêche souvent la détection d’insuffisances vestibulaires six mois après une lésion de ces voies. Avec cette première étude, nous avons donc exploré comment le cerveau et les voies descendantes intègrent des degrés de liberté articulaires supplémentaires dans le contrôle du bras. Dans la seconde étude (Raptis et al 2010), notre but était de clarifier la nature des variables spécifiées par les voies descendantes pour le contrôle d’actions motrices réalisées avec ce membre. Nous avons testé l’hypothèse selon laquelle les voies corticospinales contrôlent la position et les mouvements des bras en modulant la position-seuil (position de référence à partir de laquelle les muscles commencent à être activés en réponse à une déviation de cette référence). Selon ce principe, les voies corticospinales ne spécifieraient pas directement les patrons d’activité EMG, ce qui se refléterait par une dissociation entre l’EMG et l’excitabilité corticospinale pour des positions-seuils différentes. Dans un manipulandum, des participants (n=16) ont modifié leur angle du poignet, d’une position de flexion (45°) à une position d’extension (-25°), et vice-versa. Les forces élastiques passives des muscles ont été compensées avec un moteur couple afin que les sujets puissent égaliser leur activité EMG de base dans les deux positions. L’excitabilité motoneuronale dans ces positions a été comparée à travers l’analyse des réponses EMG évoquées à la suite d’étirements brefs. Dans les deux positions, le niveau d’EMG et l’excitabilité motoneuronale étaient semblables. De plus, ces tests ont permis de montrer que le repositionnement du poignet était associé à une translation de la position-seuil. Par contre, malgré la similitude de l’excitabilité motoneuronale dans ces positions, l’excitabilité corticospinale des muscles du poignet était significativement différente : les impulsions de stimulation magnétique transcrânienne (TMS; à 1.2 MT, sur l’aire du poignet de M1) ont provoqué des potentiels moteurs évoqués (MEP) de plus grande amplitude en flexion pour les fléchisseurs comparativement à la position d’extension et vice-versa pour les extenseurs (p<0.005 pour le groupe). Lorsque les mêmes positions étaient établies après une relaxation profonde, les réponses réflexes et les amplitudes des MEPs ont drastiquement diminué. La relation caractéristique observée entre position physique et amplitude des MEPs dans le positionnement actif s’est aussi estompée lorsque les muscles étaient relâchés. Cette étude suggère que la voie corticospinale, en association avec les autres voies descendantes, participerait au contrôle de la position-seuil, un processus qui prédéterminerait le référentiel spatial dans lequel l’activité EMG émerge. Ce contrôle de la « référence » constituerait un principe commun s’appliquant à la fois au contrôle de la force musculaire, de la position, du mouvement et de la relaxation. Nous avons aussi mis en évidence qu’il est nécessaire, dans les prochaines recherches ou applications utilisant la TMS, de prendre en compte la configuration-seuil des articulations, afin de bien interpréter les réponses musculaires (ou leurs changements) évoquées par cette technique; en effet, la configuration-seuil influencerait de manière notable l’excitabilité corticomotrice, qui peut être considérée comme un indicateur non seulement lors d’activités musculaires, mais aussi cognitives, après apprentissages moteurs ou lésions neurologiques causant des déficits moteurs (ex. spasticité, faiblesse). Considérées dans leur ensemble, ces deux études apportent un éclairage inédit sur des principes fondamentaux du contrôle moteur : nous y illustrons de manière plus large le rôle du système vestibulaire dans les tâches d’atteinte exigeant une coordination entre le bras et son « support » (le tronc) et clarifions l’implication des voies corticomotrices dans la spécification de paramètres élémentaires du contrôle moteur du bras. De plus amples recherches sont cependant nécessaires afin de mieux comprendre comment les systèmes sensoriels et descendants (e.g. vestibulo-, réticulo-, rubro-, propriospinal) participent et interagissent avec les signaux corticofugaux afin de spécifier les seuils neuromusculaires dans le contrôle de la posture et du mouvement.

¿La tomografía de codo cambia la conducta tomada previamente con radiografía en fracturas de cúpula radial? un estudio de concordancia

Las fracturas de la cúpula radial corresponden a un tercio de todas las fracturas del codo en adultos (1), por lo que se toman radiografías o tomografías, sin embargo no existe literatura que soporte la realización de la tomografía como estudio complementario, por lo que preguntamos ¿La tomografía de codo cambia la conducta tomada previamente con radiografía en fracturas de cúpula radial? Se propone un estudio de concordancia, donde se evalúan las radiografías y tomografías por parte de dos cirujanos de codo, de pacientes con diagnóstico de fractura de cúpula radial valorados en urgencias de dos hospitales de tercer nivel de Bogotá desde enero 2011 a enero 2013. Se revisaron 116 historias, 99 cumplieron los criterios, las radiografías fueron revisadas por dos ortopedistas de codo quienes realizaron clasificación de Mason obteniendo un κ 1 (p˂ 0,00), propuesta de tratamiento postradiografía κ 0,934 (p˂ 0,000 IC95% 0.85, 1). Tratamiento post-tomografía de codo κ 0.949 (p˂ 0,00 IC95% 0.867,1). Concordancia intra-ortopedista de la conducta pre y post-tomografía hay cambio en la conducta del ortopedista 1 en 32.6% (κ 0.674 p˂ 0,00 IC95% 0.52, 0.818) y del ortopedista 2 en 36% (κ 0.64 p˂ 0,00 IC95% 0.452, 0.792). Se dividieron los pacientes en Mason I, II, III con concordancia considerable en los pacientes Mason I y III, mientras que en Mason II fue una concordancia aceptable lo que significa que el uso de tomografía de codo cambia la conducta en general pero sobretodo en pacientes clasificados Masson II.

Interobserver reliability of radial head fracture classification : two-dimensional compared with three-dimensional CT

Background: The Broberg and Morrey modification of the Mason classification of radial head fractures has substantial interobserver variation. This study used a large web-based collaborative of experienced orthopaedic surgeons to test the hypothesis that three-dimensional reconstructions of computed tomography (CT) scans improve the interobserver reliability of the classification of radial head fractures according to the Broberg and Morrey modification of the Mason classification.

Methods: Eighty-five orthopaedic surgeons evaluated twelve radial head fractures. They were randomly assigned to review either radiographs and two-dimensional CT scans or radiographs and three-dimensional CT images to determine the fracture classification, fracture characteristics, and treatment recommendations. The kappa multirater measure (κ) was calculated to estimate agreement between observers.

Results: Three-dimensional CT had moderate agreement and two-dimensional CT had fair agreement among observers for the Broberg and Morrey modification of the Mason classification, a difference that was significant. Observers assessed seven fracture characteristics, including fracture line, comminution, articular surface involvement, articular step or gap of ≥2 mm, central impaction, recognition of more than three fracture fragments, and fracture fragments too small to repair. There was a significant difference in kappa values between three-dimensional CT and two-dimensional CT for fracture fragments too small to repair, recognition of three fracture fragments, and central impaction. The difference between the other four fracture characteristics was not significant. Among treatment recommendations, there was fair agreement for both three-dimensional CT and two-dimensional CT.

Conclusions: Although three-dimensional CT led to some small but significant decreases in interobserver variation, there is still considerable disagreement regarding classification and characterization of radial head fractures. Three-dimensional CT may be insufficient to optimize interobserver agreement.

Características anatômicas e morfométricas do ligamento oblíquo do cotovelo de eqüinos

Neste trabalho, algumas características anatômicas e morfométricas do ligamento oblíquo do cotovelo do eqüino foram descritas em dez animais adultos, sem raça definida, que não apresentavam afecções dos órgãos locomotores. O ligamento oblíquo origina-se dorsal à fossa radial do úmero, atravessa obliquamente a superfície cranial do cotovelo e se divide em uma porção longa, que se insere na tuberosidade radial, e em outra curta, que se une à porção longa do ligamento colateral medial. Foram efetuadas medidas visando a obter o comprimento e a largura máximas entre a origem e a inserção do ligamento oblíquo, não sendo observadas diferenças (P>0,05) nas comparações feitas entre os sexos e os antímeros. O ligamento oblíquo contribui no efeito mola e na manutenção da estabilidade da articulação do cotovelo do eqüino. Pela particularidade de sua localização, cranial à articulação, o ligamento oblíquo possui ação frenadora, impedindo a extensão completa da referida articulação.

Goniometric measurements of the forelimb and hindlimb joints in sheep

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)