Changes in motor planning of feedforward postural responses of the trunk muscles in low back pain

Changes in trunk muscle recruitment have been identified in people with low-back pain (LBP). These differences may be due to changes in the planning of the motor response or due to delayed transmission of the descending motor command in the nervous system. These two possibilities were investigated by comparison of the effect of task complexity on the feedforward postural response of the trunk muscles associated with rapid arm movement in people with and without LBP. Task complexity was increased by variation of the expectation for a command to either abduct or flex the upper limb. The onsets of electromyographic activity (EMG) of the abdominal and deltoid muscles were measured. In control subjects, while the reaction time of deltoid and the superficial abdominal muscles increased with task complexity, the reaction time of transversus abdominis (TrA) was constant. However, in subjects with LBP, the reaction time of TrA increased along with the other muscles as task complexity was increased. While inhibition of the descending motor command cannot be excluded, it is more likely that the change in recruitment M of TrA represents a more complex change in organisation of the postural response.

Development of motor system dysfunction following whiplash injury

Dysfunction in the motor system is a feature of persistent whiplash associated disorders. Little is known about motor dysfunction in the early stages following injury and of its progress in those persons who recover and those who develop persistent symptoms. This study measured prospectively, motor system function (cervical range of movement (ROM), joint position error (JPE) and activity of the superficial neck flexors (EMG) during a test of cranio-cervical flexion) as well as a measure of fear of re-injury (TAMPA) in 66 whiplash subjects within 1 month of injury and then 2 and 3 months post injury. Subjects were classified at 3 months post injury using scores on the neck disability index: recovered (30). Motor system function was also measured in 20 control subjects. All whiplash groups demonstrated decreased ROM and increased EMG (compared to controls) at 1 month post injury. This deficit persisted in the group with moderate/severe symptoms but returned to within normal limits in those who had recovered or reported persistent mild pain at 3 months. Increased EMG persisted for 3 months in all whiplash groups. Only the moderate/severe group showed greater JPE, within 1 month of injury, which remained unchanged at 3 months. TAMPA scores of the moderate/severe group were higher than those of the other two groups. The differences in TAMPA did not impact on ROM, EMG or JPE. This study identifies, for the first time, deficits in the motor system, as early as 1 month post whiplash injury, that persisted not only in those reporting moderate/severe symptoms at 3 months but also in subjects who recovered and those with persistent mild symptoms. (C) 2002 International Association for the Study of Pain. Published by Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Ressonância magnética funcional: mapeamento do córtex motor através da técnica BOLD

A ressonância magnética funcional (RMf) é hoje uma ferramenta fundamental na investigação funcional do cérebro humano, quer em indivíduos saudáveis quer em pacientes com patologias diversas. É uma técnica complexa que necessita de uma aplicação cuidada e rigorosa, e uma compreensão dos mecanismos biofísicos a ela subjacentes, de modo a serem obtidos resultados fiáveis e com melhor aceitação clínica. O efeito BOLD (Blood Oxygenation Level Dependent) é o método mais utilizado para medir e estudar a actividade cerebral e baseia-se nas alterações das propriedades magnéticas da molécula hemoglobina. Com este Projecto propomo-nos optimizar um protocolo de RMf realizada com o efeito BOLD, em voluntários saudáveis, de modo a que este possa ser aplicado em futuros estudos de pacientes com patologias. ABSTRACT - Nowadays functional magnetic resonance imaging (fMRI) is a fundamental tool for the research of human brain function of healthy subjects or patients with several pathologies. It is a complex technique that requires a careful and rigorous application, and an understanding of its biophysical mechanisms, so that reliable results can be obtained with better clinical acceptance. The BOLD effect (Blood Oxygenation Level Dependent) is the most widely used method to measure and study the brain activity and its based on changes in magnetic properties of the hemoglobin molecule. The aim of this project was to optimize a BOLD fMRI protocol on healthy subjects, so it can be applied in future studies of patients with pathologies.

Influência da actividade do tronco inferior na sequência de activação muscular proximal durante o passo (fase de apoio) - em crianças com quadro motor diplegia

A marcha assegura uma progressão do corpo, compatível com o equilíbrio dinâmico e adaptada a potenciais factores destabilizadores, de um ponto de vista antecipatório, através de sinergias coordenadas entre os MSs, o tronco e os MIs. O tronco inferior tem um papel preponderante na marcha, sobretudo na estabilização necessária durante a fase de apoio. Esta actividade implica mobilidade pélvica e alongamento activo dos abdominais para conseguir a relação comprimento-tensão muscular óptima entre quadricípite e isquiotibiais, permitindo uma correcta sequência, timing e amplitude de activação. Nas crianças com alterações neuromotoras existem alterações no controlo do movimento e na estrutura do próprio movimento, alterando todo este processo. Como tal, este estudo tem como principal objectivo determinar a influência da actividade do tronco inferior na activação muscular proximal durante a fase de apoio da marcha, em crianças com quadro motor de diplegia, caracterizada por uma dificuldade na relação entre os membros e entre estes e o tronco. Para responder a este objectivo realizou-se um estudo de série de casos, com 2 crianças com quadro motor de diplegia. Efectuou-se EMG dos músculos abdominais, quadricípite e isquiotibiais e análise de imagem (para amplitude da CF) durante a marcha, em ambos os membros e em dois momentos de avaliação, separados por 2 meses, nos quais se realizou um protocolo de intervenção terapêutica adequado a cada caso. Os resultados indicam que a variação de amplitude da CF desde a fase de ataque ao solo à fase média de apoio é aproximadamente igual em M0e M1; concretamente, a amplitude inicial é inferior à de referência (pouca flexão) (melhor em M0) e a amplitude final é superior à de referência (pouca extensão) (melhor em M1). Estes resultados são idênticos em ambos os casos. Na EMG verificou-se uma actividade mais global e sincronizada de todos os músculos, mantendo-se aproximadamente a mesma percentagem de activação em M1, sobretudo no caso 1. No caso 2 verificou-se uma maior eficiência na variação da percentagem de activação dos abdominais, em M1, e dos isquiotibiais, à direita. Em conclusão, pode dizer-se que, em crianças com alterações neuromotoras (quadro motor de diplegia), uma actividade mais eficiente e sincronizada no tempo do tronco inferior, nomeadamente dos abdominais, contribui para uma maior capacidade de extensão da CF, durante a fase de apoio.

Soleus activity in post-stroke subjects: movement sequence from standing to sitting

O documento em anexo encontra-se na versão post-print (versão corrigida pelo editor).

Comportamento motor do tronco e membro superior, num sistema de posicionamento rígido e dinâmico, durante atividade

A funcionalidade dos indivíduos com Paralisia Cerebral está muitas vezes comprometida devido às alterações do movimento e do controlo postural. Dadas estas alterações, a posição de sentado oferece uma maior estabilidade sendo muitas das atividades de vida diária desempenhadas nesta posição. O objetivo mais importante de intervenção é obter o máximo de funcionalidade na posição de sentado, particularmente do membro superior. Este objectivo, na maioria das vezes, só pode ser atingido com o uso de sistemas de posicionamento que tentam colmatar as alterações posturais e do movimento. Assim, o objetivo deste estudo de caso é verificar se existem diferenças no comportamento motor do tronco e do membro superior, com um sistema de posicionamento rígido e com um sistema de posicionamento dinâmico, numa jovem com Paralisia Cerebral, aquando da ativação manual de um switch. Foi realizado um estudo de caso único em que foi feita uma análise cinemática do movimento do tronco e membro superior na ativação de um switch BigMack, em três posições de teste com distâncias diferentes. Simultaneamente mediu-se a distribuição do peso durante o movimento, através do mapa de pressão e foi registada, bilateralmente a atividade dos músculos trapézio (porção média), longuíssimo, recto abdominal e oblíquo externo. Os resultados obtidos apontam, neste caso em particular, para uma melhoria na qualidade do movimento e da distribuição de peso, com o sistema de posicionamento dinâmico, sem diferenças entre os dois sistemas relativamente à ativação muscular.

Ressonância magnética funcional: mapeamento do córtex motor através do efeito BOLD

Introdução – A ressonância magnética funcional (RMf) é hoje uma ferramenta fundamental na investigação funcional do cérebro humano, quer em indivíduos saudáveis quer em doentes com patologias diversas. É uma técnica complexa que necessita de uma aplicação cuidada e rigorosa e uma compreensão dos mecanismos biofísicos, de modo a serem obtidos resultados fiáveis e com melhor aceitação clínica. O efeito BOLD (Blood Oxygenation Level Dependent), que se baseia nas propriedades magnéticas da hemoglobina, é o método mais utilizado para medir a atividade cerebral por RMf. Objetivos – Otimizar um protocolo de RMf por efeito BOLD em voluntários saudáveis para mapeamento do córtex motor, de modo a que possa ser aplicado no futuro em doentes com patologias diversas. Metodologia – Foram estudados 34 voluntários saudáveis divididos em 2 grupos de estudo: BOLD 1 e BOLD 2. Com vista à otimização, foram testados no subgrupo BOLD 1 diferentes paradigmas e no subgrupo BOLD 2 foi estudada a influência do tempo de eco (TE). Para as várias condições foram comparados os volumes da região ativada e os níveis de ativação obtidos. Resultados/Discussão – O córtex motor foi identificado em todos os voluntários estudados. Não foram detetadas diferenças estatisticamente significativas quando comparados os resultados obtidos com os diferentes parâmetros de aquisição. Conclusão – O protocolo foi otimizado tendo em conta o nível de conforto reportado pelos voluntários. Uma vez que se pretende aplicar este mesmo protocolo no estudo de doentes, este fator torna-se particularmente relevante.

Avaliação por fMRI do córtex visual, motor e auditivo através de estimulação sensoriomotora e sonora em desportistas invisuais e desportistas sem deficiência visual

Mestrado em Radiações Aplicadas às Tecnologias da Saúde - Ramo de especialização: Imagem por Ressonância Magnética

Activity-Dependent Neurorehabilitation Beyond Physical Trainings: "Mental Exercise" Through Mirror Neuron Activation

The activity dependent brain repair mechanism has been widely adopted in many types of neurorehabilitation. The activity leads to target specific and non-specific beneficial effects in different brain regions, such as the releasing of neurotrophic factors, modulation of the cytokines and generation of new neurons in adult hood. However physical exercise program clinically are limited to some of the patients with preserved motor functions; while many patients suffered from paralysis cannot make such efforts. Here the authors proposed the employment of mirror neurons system in promoting brain rehabilitation by "observation based stimulation". Mirror neuron system has been considered as an important basis for action understanding and learning by mimicking others. During the action observation, mirror neuron system mediated the direct activation of the same group of motor neurons that are responsible for the observed action. The effect is clear, direct, specific and evolutionarily conserved. Moreover, recent evidences hinted for the beneficial effects on stroke patients after mirror neuron system activation therapy. Finally some music-relevant therapies were proposed to be related with mirror neuron system.

Diving into the depth of primary motor cortex: a high-resolution investigation of the motor system using 7Tesla fMRI

Dissertação para a obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Biomédica

Exploring deregulated signals involved in motor neuron-microglia cross-talk in ALS

Part of the results discussed in this thesis was presented in the following meetings: Cunha MI, Cunha C, Vaz AR, Brites D. Studying microglial-motoneuron cross-talk in ALS pathology. 6th iMed.UL Postgraduate Students Meeting, Lisbon, July 2, 2014. [Abstract and Poster] Vaz AR. Motoneuron degeneration and glial reactivity in ALS: insights from cellular to animal models. Neuroscience Seminars at IMM 2012, Instituto de Medicina Molecular, Universidade de Lisboa, Lisbon, Portugal, June 9, 2014. [Oral Communication (by invitation)]

Relação entre o desenvolvimento motor das crianças, quanto ao desempenho motor no controlo de objetos e as suas caraterísticas empreendedoras

Relatório de estágio de mestrado em Ensino de Educação Física nos Ensinos Básico e Secundário

Learning joint representations for order and timing of perceptual-motor sequences: a dynamic neural field approach

Many of our everyday tasks require the control of the serial order and the timing of component actions. Using the dynamic neural field (DNF) framework, we address the learning of representations that support the performance of precisely time action sequences. In continuation of previous modeling work and robotics implementations, we ask specifically the question how feedback about executed actions might be used by the learning system to fine tune a joint memory representation of the ordinal and the temporal structure which has been initially acquired by observation. The perceptual memory is represented by a self-stabilized, multi-bump activity pattern of neurons encoding instances of a sensory event (e.g., color, position or pitch) which guides sequence learning. The strength of the population representation of each event is a function of elapsed time since sequence onset. We propose and test in simulations a simple learning rule that detects a mismatch between the expected and realized timing of events and adapts the activation strengths in order to compensate for the movement time needed to achieve the desired effect. The simulation results show that the effector-specific memory representation can be robustly recalled. We discuss the impact of the fast, activation-based learning that the DNF framework provides for robotics applications.

Effect of levodopa on both verbal and motor representations of action in Parkinson's disease: a fMRI study.

Previous studies have demonstrated that non-demented Parkinson's disease (PD) patients have a specific impairment of verb production compared with noun generation. One interpretation of this deficit suggested the influence of striato-frontal dysfunction on action-related verb processing. The aim of our study was to investigate cerebral changes after motor improvement due to dopaminergic medication on the neural circuitry supporting action representation in the brain as mediated by verb generation and motor imagery in PD patients. Functional magnetic resonance imaging on 8 PD patients in "ON" dopaminergic treatment state (DTS) and in "OFF" DTS was used to explore the brain activity during three different tasks: Object Naming (ObjN), Generation of Action Verbs (GenA) in which patients were asked to overtly say an action associated with a picture and mental simulation of action (MSoA) was investigated by asking subjects to mentally simulate an action related to a depicted object. The distribution of brain activities associated with these tasks whatever DTS was very similar to results of previous studies. The results showed that brain activity related to semantics of action is modified by dopaminergic treatment in PD patients. This cerebral reorganisation concerns mainly motor and premotor cortex suggesting an involvement of the putaminal motor loop according to the "motor" theory of verb processing.

Are glutamate and lactate increases ubiquitous to physiological activation? A (1)H functional MR spectroscopy study during motor activation in human brain at 7Tesla.

Recent studies at high field (7Tesla) have reported small metabolite changes, in particular lactate and glutamate (below 0.3μmol/g) during visual stimulation. These studies have been limited to the visual cortex because of its high energy metabolism and good magnetic resonance spectroscopy (MRS) sensitivity using surface coil. The aim of this study was to extend functional MRS (fMRS) to investigate for the first time the metabolite changes during motor activation at 7T. Small but sustained increases in lactate (0.17μmol/g±0.05μmol/g, p<0.001) and glutamate (0.17μmol/g±0.09μmol/g, p<0.005) were detected during motor activation followed by a return to the baseline after the end of activation. The present study demonstrates that increases in lactate and glutamate during motor stimulation are small, but similar to those observed during visual stimulation. From the observed glutamate and lactate increase, we inferred that these metabolite changes may be a general manifestation of the increased neuronal activity. In addition, we propose that the measured metabolite concentration increases imply an increase in ΔCMRO2 that is transiently below that of ΔCMRGlc during the first 1 to 2min of the stimulation.