Active isolated stretching : an investigation of the mechanical mechanisms

The Active Isolated Stretching (AIS) technique proposes that by contracting a muscle (agonist) the opposite muscle (antagonist) will relax through reciprocal inhibition and lengthen without increasing muscle tension (Mattes, 2000). The clinical effectiveness of AIS has been reported but its mechanism of action has not been investigated at the tissue level. Proposed mechanisms for increased range of motion (ROM) include mechanical or neural changes, or an increased stretch tolerance. The purpose of the study was to investigate changes in mechanical properties, i.e. stiffness, of skeletal muscle in response to acute and long-term AIS stretching for the hamstring muscle group. Recreationally active university-aged students (female n=8, male n=2) classified as having tight hamstrings, by a knee extension test, volunteered for the study. All stretch procedures were performed on the right leg, with the left leg serving as a control. Each subject was assessed twice: at an initial session and after completing a 6-week AIS hamstring stretch training program. For both test sessions active knee extension (ROM) to a position of "light irritation", passive resisted torque and stiffness were determined before and after completion of the AIS technique (2x10 reps). Data were collected using a Biodex System 3 Pro (Biodex Medical Systems, NY, USA) isokinetic dynamometer. Surface electromyography (EMG) was used to monitor vastus lateralis (VL) and hamstring muscle activity during the stretching movements. Between test sessions, 2x10 reps of the AIS bent knee hamstring stretch were performed daily for 6-weeks.

Neuromotor Mechanisms Involved in the Recovery from Local Muscular Fatigue

The phenomenon of over-recovery consists of a participant’s maximal force levels returning to values above initial levels. The present study examined the presence and causes of over-recovery following local muscular fatigue. Fourteen males completed two fatigue protocols consisting of maximal isometric dorsiflexion contractions. Upon completion of the fatigue protocol participants’ force was monitored over a 15 minute recovery period. Dorsiflexion force and surface electromyography (sEMG) from the tibialis anterior and soleus were monitored concurrently. Following the two fatigue conditions (10 and 20% force decrement) force recovered to 100.5 and 99.5% of initial levels for each condition, respectively. Surface EMG root-mean-square amplitude and MPF exhibited changes consistent with a warm-up effect. It was concluded that over-recovery was not present in the tibialis anterior following a local muscular fatigue. However, the return in force to initial values, rather than a persistent decrement as normally observed, was mediated by the warm-up effect.

Compensatory Arm Reactions in Individuals with Parkinson’s Disease

This study examined how perturbation-evoked compensatory arm reactions in individuals with Parkinson’s disease (PD) are influenced by explicit verbal instruction. Ten individuals with PD and 15 older adults without PD responded to surface translations with or without specific instruction to reach for and grasp the handrail. Electromyographic (EMG) and kinematic recordings were taken from the reaching arm. Results showed that individuals with and without PD benefitted similarly from explicit instruction. Explicit instruction resulted in earlier (p=0.005) and larger (p<0.001) medial deltoid EMG responses in comparison to no specific instructions. Compensatory arm reactions also occurred with a higher peak medio-lateral wrist velocity (p<0.001) and higher peak shoulder abduction angular velocity (p<0.001) with explicit instruction. Explicit instruction positively influenced compensatory arm reactions in individuals with and without PD. Future research is needed to determine whether the benefits of instruction persist over time and translate to a loss of balance in real life.

The effect of perturbation warning on attention switching abilities during dual-task performance in young and older adults

This study examined whether providing an auditory warning would facilitate attention switching abilities in older adults during dual-tasking. Fifteen young and 16 older adults performed a tracking task while recovering their balance from a support surface translation. For half of the trials, an auditory warning was presented to inform participants of the upcoming translation. Performance was quantified through electromyographic (EMG) recordings of the lower limb muscles, while the ability to switch attention between tasks was determined by tracking task error. Providing warning of an upcoming loss of balance resulted in both young and older adults increasing their leg EMG activity by 10-165% (p<0.05) in preparation for the upcoming translation. However, no differences in the timing of attention switching were observed with or without the warning (p=0.424). Together, these findings suggest that providing a perturbation warning has minimal benefits in improving attention switching abilities for balance recovery in healthy older adults.

The electromyographic threshold in children: Differences in neuromuscular activation during progressive exercise between boys and men

The electromyographic threshold (EMGTh), defined as an upward inflexion in the rising EMG signal during progressive exercise, is thought to reflect the onset of increased type-II MU recruitment. The study’s objective was to compare the relative exercise intensity at which the EMGTh occurs in boys vs. men. Participants included 21 men (23.4±4.1 yrs) and 23 boys (11.1±1.1 yrs). Ramped cycle-ergometry was conducted to volitional exhaustion with surface EMG recorded from the vastus lateralis muscles. The EMGTh was mathematically determined using a composite of both legs. EMGTh was detected in 95.2% of the men and in 78.3% of the boys (χ2(1, n=44) =2.69, p =.10). The boys’ EMGTh was significantly higher than the men’s (86.4±9.6 vs. 79.7±10.0% of peak power-output at exhaustion; p <.05). These findings suggest that boys activate their type-II MUs to a lesser extent than men during progressive exercise and support the hypothesis of differential child–adult MU activation.

The influence of cognitive resources on compensatory arm responses

The purpose of this study was to determine the influence of an ongoing cognitive task on an individual’s ability to generate a compensatory arm response. Twenty young and 16 older adults recovered their balance from a support surface translation while completing a cognitive (counting) task of varying difficulty. Surface electromyographic (EMG) recordings from the shoulders and kinematics of the right arm were collected to quantify the compensatory arm response. Results indicated that the counting task, regardless of its difficulty as well as the age of the individual, had minimal influence on the onset or magnitude of arm muscle activity that occurred following a loss of balance. In contrast to previous research, this study’s findings suggest that the cortical or cognitive resources utilized by the cognitive task are not relied upon for the generation of compensatory arm responses and that older adults are not disproportionately affected by dual-tasking than young adults.

The electromyographic threshold in boys and men

Abstract Background Children have been shown to have higher lactate (LaTh) and ventilatory (VeTh) thresholds than adults, which might be explained by lower levels of type-II motor-unit (MU) recruitment. However, the electromyographic threshold (EMGTh), regarded as indicating the onset of accelerated type-II MU recruitment, has been investigated only in adults. Purpose To compare the relative exercise intensity at which the EMGTh occurs in boys versus men. Methods Participants were 21 men (23.4 ± 4.1 years) and 23 boys (11.1 ± 1.1 years), with similar habitual physical activity and peak oxygen consumption (VO2pk) (49.7 ± 5.5 vs. 50.1 ± 7.4 ml kg−1 min−1, respectively). Ramped cycle ergometry was conducted to volitional exhaustion with surface EMG recorded from the right and left vastus lateralis muscles throughout the test (~10 min). The composite right–left EMG root mean square (EMGRMS) was then calculated per pedal revolution. The EMGTh was then determined as the exercise intensity at the point of least residual sum of squares for any two regression line divisions of the EMGRMS plot. Results EMGTh was detected in 20/21 of the men (95.2 %) and only in 18/23 of the boys (78.3 %). The boys’ EMGTh was significantly higher than the men’s (86.4 ± 9.6 vs. 79.7 ± 10.0 % of peak power output at exhaustion; p < 0.05). The pattern was similar when EMGTh was expressed as percentage of VO2pk. Conclusions The boys’ higher EMGTh suggests delayed and hence lesser utilization of type-II MUs in progressive exercise, compared with men. The boys–men EMGTh differences were of similar magnitude as those shown for LaTh and VeTh, further suggesting a common underlying factor.

Do Neuro-Muscular Adaptations Occur in Endurance-Trained Boys and Men?

Most research on the effects of endurance training has focused on endurance training's health-related benefits and metabolic effects in both children and adults. The purpose of this study was to examine the neuromuscular effects of endurance training and to investigate whether they differ in children (9.0-12.9 years) and adults (18.4-35.6 years). Maximal isometric torque, rate of torque development (RTD), rate of muscle activation (Q30), electromechanical delay (EMD), and time to peak torque and peak RTD were determined by isokinetic dynamometry and surface electromyography (EMG) in elbow and knee flexion and extension. The subjects were 12 endurance-trained and 16 untrained boys, and 15 endurance-trained and 20 untrained men. The adults displayed consistently higher peak torque, RTD, and Q30, in both absolute and normalized values, whereas the boys had longer EMD (64.7+/-17.1 vs. 56.6+/-15.4 ms) and time to peak RTD (98.5+/-32.1 vs. 80.4+/-15.0 ms for boys and men, respectively). Q30, normalized for peak EMG amplitude, was the only observed training effect (1.95+/-1.16 vs. 1.10+/-0.67 ms for trained and untrained men, respectively). This effect could not be shown in the boys. The findings show normalized muscle strength and rate of activation to be lower in children compared with adults, regardless of training status. Because the observed higher Q30 values were not matched by corresponding higher performance measures in the trained men, the functional and discriminatory significance of Q30 remains unclear. Endurance training does not appear to affect muscle strength or rate of force development in either men or boys.

Développement et validation d'un instrument non-invasifde caractérisation du comportement musculaire respiratoire

Réalisé en cotutelle avec l'Université Joseph Fourier École Doctorale Ingénierie pour la Santé,la Cognition et l'Environnement (France)

Étude clinique et génétique d’une nouvelle forme d’ataxie spinocérébelleuse pure associée à l’Érythrokératodermie

Nous présentons ici la description clinique et génétique d’un syndrome neurocutané unique. Le laboratoire du Dr Cossette a entrepris la caractérisation clinique et génétique d'une famille canadienne-française qui a été identifiée par les Drs Giroux et Barbeau en 1972 et qui comprend plus de 100 personnes sur six générations. Les membres atteints de cette famille présentent des lésions typiques d'érythrokératodermie (EK) (OMIM 133190, EKV1 et EKV2), associées à une ataxie spinocérébelleuse pure. Dans cette famille, l'ataxie est caractérisée par des troubles de la coordination et de la démarche causés par une dégénérescence du cervelet et de la moelle épinière. Cette ataxie est transmise selon un mode autosomique dominant. Une étude antérieure de cette variante d'EK avec ataxie avait suggéré une liaison sur le chromosome 1p34-p35, soit la même région que les formes EKV de type 1 et 2, causées respectivement par des mutations dans les gènes connexin-31 (GJB3; OMIM 603324) et connexin-30.3 (GJB4; OMIM 605425). Cependant, aucune mutation n'a été retrouvée dans ces gènes pour la famille canadienne-française. Nous avons récemment recontacté la famille et effectué des examens détaillés, incluant une imagerie par résonance magnétique (IRM) et un électromyogramme (EMG). Les manifestations neurologiques des individus atteints sont compatibles avec une nouvelle forme d’ataxie cérébelleuse pure à transmission autosomique dominante (ADCA de type III dans la classification de Harding) que nous avons appelée SCA34. Une cartographie complète du génome nous a permis de localiser le gène SCA34 sur le chromosome 6p12.3-q16.2. Également, en collaboration avec les Drs Alexis Brice (Hôpital Pitié-La Salpêtrière, Paris) et Alfredo Brusco (Hôpital San Giovanni Battista di Torino, Italie), nous avons confirmé que trois autres familles européennes avec SCA inexpliquée étaient également liées au locus SCA34. Notre laboratoire a récemment entrepris la recherche des mutations responsables de SCA34. Les résultats de ce criblage de gènes candidats sont présentés dans le chapitre 3 de cette thèse.

Mécanismes neuronaux médullaires, coordination musculaire et fonction motrice chez les sujets hémiparétiques

Dans l’hémiparésie consécutive à un AVC, une coactivation anormale des extenseurs du genou et de la cheville est souvent observée à la jambe atteinte lorsque la personne tente de bouger ou encore lors de la marche. Les mécanismes sous-jacents à cette coactivation sont mal compris. Bien que l’AVC entraîne une lésion supraspinale, des évidences démontrent le dysfonctionnement de certains circuits spinaux dans l’hémiparésie. Ce projet de doctorat visait à évaluer : 1) l’excitabilité des circuits spinaux intersegmentaires projetant des extenseurs du genou aux extenseurs de la cheville et 2) si un éventuel dysfonctionnement de ces circuits dans l’hémiparésie est associé à une coactivation anormale des extenseurs du genou et de la cheville lors de contractions statiques et au cours de la marche. La première étude compare la modulation de l’activité réflexe du soléaire suite à la stimulation du nerf fémoral entre des sujets hémiparétiques et sains. Une augmentation de la facilitation hétéronyme de courte latence et une diminution de l’inhibition ultérieure du réflexe H du soléaire ont été observées chez les sujets hémiparétiques. Ces résultats démontrent un dysfonctionnement des circuits intersegmentaires propriospinaux liant le quadriceps au soléaire suite à l’AVC. La deuxième étude démontre que ces changements dans la modulation hétéronyme des sujets hémiparétiques, évaluée au moyen de la méthode complexe basée sur l’activité réflexe du soléaire, sont similaires à ceux observés lorsque la modulation est évaluée en utilisant une méthode plus simple, soit celle de l’activité volontaire du soléaire. De plus, la modulation hétéronyme évaluée par les deux méthodes est corrélée avec l’atteinte motrice à la jambe parétique. La troisième étude a permis de quantifier une augmentation de la coactivation entre les extenseurs du genou et de la cheville lors de contractions volontaires statiques chez des personnes hémiparétiques par rapport à des personnes saines. De plus, le niveau accru de la coactivation involontaire des extenseurs de la cheville lors de l’activation volontaire des extenseurs du genou s’avère corrélé avec la modulation intersegmentaire du côté parétique. La quatrième étude a utilisé un indice temporel, soit l’intervalle entre les pics d’activation électromyographique (PAI), et un indice d’amplitude de coactivation (CAI) pour quantifier une augmentation de la coactivation entre les extenseurs du genou et de la cheville lors de la marche chez des personnes hémiparétiques par rapport à des personnes saines. Ces indices sont corrélés, pour certains groupes musculaires, avec la modulation intersegmentaire modifiée du côté parétique. Finalement, des résultats préliminaires montrent que la vibration mécanique du tendon rotulien (80 Hz) réduit la facilitation intersegmentaire accrue des sujets hémiparétiques. Ce projet doctoral a permis de mettre en lumière un dysfonctionnement de circuits spinaux liant le quadriceps et le soléaire dans l’hémiparésie consécutive à un AVC. Ce changement dans les mécanismes neurophysiologiques de la moelle épinière est corrélé avec des changements fonctionnels. Ainsi, ce dysfonctionnement pourrait contribuer à la coactivation involontaire entre les extenseurs du genou et de la cheville qui fait partie intégrante de la synergie pathologique en extension souvent rencontrée à la jambe parétique lors d’efforts en statique et pendant la marche. Finalement, une étude préliminaire suggère que la vibration mécanique serait une modalité sensorielle prometteuse pour réguler l’hyperexcitabilité des circuits spinaux qui contribuerait aux atteintes motrices chez les personnes hémiparétiques.

Utilisation normale du mode et du tempo par les amusiques adultes, lors de jugements émotionnels

Notre aptitude à déterminer si un extrait de musique est gai ou triste réside dans notre capacité à extraire les caractéristiques émotionnelles de la musique. Une de ces caractéristiques, le mode, est liée aux hauteurs musicales et une autre, le tempo, est temporelle (Hevner, 1937; 1935). Une perception déficitaire de l’une de ces caractéristiques (ex. les hauteurs) devrait affecter l’expérience émotionnelle. L’amusie congénitale est caractérisée par un traitement anormal des hauteurs (Peretz, 2008). Toutefois, peu de données ont été accumulées sur les réponses émotionnelles des amusiques face à la perception du mode. La perception émotionnelle liée à celui-ci pourrait être préservée, chez les amusiques en raison de leur perception implicite des hauteurs (Peretz, et coll., 2009). Dans un premier temps, cette étude cherchera à déterminer dans quelle mesure les amusiques adultes utilisent le mode relativement au tempo dans la distinction d’une pièce gaie, d’une triste. Dans cette optique, onze amusiques et leurs contrôles appariés ont jugé des extraits de musique classique gais et tristes, dans leur forme originale et dans deux versions modifiées : (1) mode inversé (transcrit dans le mode opposé mineur ↔ majeur) et (2) tempo neutralisé (réglé à une valeur médiane), où le mode émerge comme caractéristique dominante. Les participants devaient juger si les extraits étaient gais ou tristes sur une échelle de 10-points, pendant que leurs réponses électromyographiques (zygomatique et corrugateur) étaient enregistrées. Les participants ont par la suite été réinvités au laboratoire pour réaliser une tâche non émotionnelle de discrimination des modes (majeur, mineur), dans laquelle des paires de stimuli composés de versions plus courtes des extraits originaux et leur version au mode inversé leur étaient présentées. Les participants (14; 7 amusiques) devaient juger si les paires étaient identiques (même stimulus, même mode) ou différentes (même stimulus, modes différents). Dans cette dernière tâche, les amusiques ont eu plus de difficulté que leurs contrôles à discriminer les modes, mais les amusiques comme leurs contrôles se sont montrés sensibles aux manipulations du mode et du tempo, dans la tâche émotionnelle. Ces résultats supportés par des réponses EMG normales présupposent des habiletés préservées ou implicites de traitement tonal dans l’amusie congénitale.

Study on the activation of the biceps brachii compartments in normal subjects

Les prothèses myoélectriques modernes peuvent être dotées de plusieurs degrés de liberté ce qui nécessite plusieurs signaux musculaires pour en exploiter pleinement les capacités. Pour obtenir plus de signaux, il nous a semblé prometteur d'expérimenter si les 6 compartiments du biceps brachial pouvaient être mis sous tension de façon volontaire et obtenir ainsi 6 signaux de contrôle au lieu d'un seul comme actuellement. Des expériences ont donc été réalisées avec 10 sujets normaux. Des matrices d'électrodes ont été placées en surface au-dessus du chef court et long du biceps pour recueillir les signaux électromyographiques (EMG) générés par le muscle lors de contractions effectuées alors que les sujets étaient soit assis, le coude droit fléchi ~ 100 ° ou debout avec le bras droit tendu à l'horizontale dans le plan coronal (sur le côté). Dans ces deux positions, la main était soit en supination, soit en position neutre, soit en pronation. L'amplitude des signaux captés au-dessus du chef court du muscle a été comparée à ceux obtenus à partir du chef long. Pour visualiser la forme du biceps sous les électrodes l'imagerie ultrasonore a été utilisée. En fonction de la tâche à accomplir, l'activité EMG a était plus importante soit dans un chef ou dans l'autre. Le fait de pouvoir activer préférentiellement l'un des 2 chefs du biceps, même si ce n'est pas encore de façon complètement indépendante, suggère que l'utilisation sélective des compartiments pourrait être une avenue possible pour faciliter le contrôle des prothèses myoélectriques du membre supérieur.

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.