Muscular coactivation (CA) around the knee reduces power production in elderly women

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

Antagonist coactivation of trunk stabilizer muscles during Pilates exercises

The purpose of this study was to compare the antagonist coactivation of the local and global trunk muscles during mat-based exercises of Skilled Modern Pilates. Twelve women performed five exercises and concurrently, surface EMG from internal oblique (OI), multifidus (MU), rectus abdominis (RA) and iliocostalis lumborum (IL) muscles was recorded bilaterally. The percentage of antagonist coactivation between local (OI/MU) and global muscles (RA/IL) was calculated. Individuals new to the practice of these exercises showed differences in coactivation of the trunk muscles between the exercises and these results were not similar bilaterally. Thus, in clinical practice, the therapist should be aware of factors such as compensation and undesirable rotation movements of the trunk. Moreover, the coactivation of global muscles was higher bilaterally in all exercises analyzed. This suggests that the exercises of Skilled Modern Pilates only should be performed after appropriate learning and correct execution of all principles, mainly the Centering Principle. © 2013 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Lower limb muscle coactivation levels in healthy younger and older adults during functional dual-task gait

The purpose of this study was to investigate the influence of daily cognitive task on stiffness of old and young female adults during the gait. The study included 17 physically active younger and 18 older women, with low risk of falls. The volunteers were asked to walk on the treadmill at two different gait conditions: normal gait and functional dual-task gait. The electromyographic signals were collected of the lower limb muscles. The percentage of coactivation for the tibialis anterior/gastrocnemius lateralis and tibialis anterior/soleus were significantly higher in elderly than in younger in the normal gait and dual-task gait. Our results suggest that the elderly have a greater stiffness in the ankle joint during gait normal and daily dual task gait. Thus, we conclude that challenging cognitively situations during the gait may increase the risk of falls in this population.

A new strategy to decrease N-methyl-d-aspartate (NMDA) receptor coactivation: Inhibition of d-serine synthesis by converting serine racemase into an eliminase

Serine racemase is a brain-enriched enzyme that synthesizes d-serine, an endogenous modulator of the glycine site of N-methyl-d-aspartate (NMDA) receptors. We now report that serine racemase catalyzes an elimination reaction toward a nonphysiological substrate that provides a powerful tool to study its neurobiological role and will be useful to develop selective enzyme inhibitors. Serine racemase catalyzes robust elimination of l-serine O-sulfate that is 500 times faster than the physiological racemization reaction, generating sulfate, ammonia, and pyruvate. This reaction provides the most simple and sensitive assay to detect the enzyme activity so far. We establish stable cell lines expressing serine racemase and show that serine racemase can also be converted into a powerful eliminase in cultured cells, while the racemization of l-serine is inhibited. Likewise, l-serine O-sulfate inhibits the synthesis of d-serine in primary astrocyte cultures. We conclude that the synthetic compound l-serine O-sulfate is a better substrate than l-serine as well as an inhibitor of d-serine synthesis. Inhibition of serine racemase provides a new strategy to selectively decrease NMDA receptor coactivation and may be useful in conditions in which overstimulation of NMDA receptors plays a pathological role.

Features in visual search combine linearly

Single features such as line orientation and length are known to guide visual search, but relatively little is known about how multiple features combine in search. To address this question, we investigated how search for targets differing in multiple features ( intensity, length, orientation) from the distracters is related to searches for targets differing in each of the individual features. We tested race models (based on reaction times) and coactivation models ( based on reciprocal of reaction times) for their ability to predict multiple feature searches. Multiple feature searches were best accounted for by a co-activation model in which feature information combined linearly (r = 0.95). This result agrees with the classic finding that these features are separable i.e., subjective dissimilarity ratings sum linearly. We then replicated the classical finding that the length and width of a rectangle are integral features-in other words, they combine nonlinearly in visual search. However, to our surprise, upon including aspect ratio as an additional feature, length and width combined linearly and this model outperformed all other models. Thus, length and width of a rectangle became separable when considered together with aspect ratio. This finding predicts that searches involving shapes with identical aspect ratio should be more difficult than searches where shapes differ in aspect ratio. We confirmed this prediction on a variety of shapes. We conclude that features in visual search co-activate linearly and demonstrate for the first time that aspect ratio is a novel feature that guides visual search.

Theory of Handwriting

Handwriting production is viewed as a constrained modulation of an underlying oscillatory process. Coupled oscillations in horizontal and vertical directions produce letter forms, and when superimposed on a rightward constant velocity horizontal sweep result in spatially separated letters. Modulation of the vertical oscillation is responsible for control of letter height, either through altering the frequency or altering the acceleration amplitude. Modulation of the horizontal oscillation is responsible for control of corner shape through altering phase or amplitude. The vertical velocity zero crossing in the velocity space diagram is important from the standpoint of control. Changing the horizontal velocity value at this zero crossing controls corner shape, and such changes can be effected through modifying the horizontal oscillation amplitude and phase. Changing the slope at this zero crossing controls writing slant; this slope depends on the horizontal and vertical velocity zero amplitudes and on the relative phase difference. Letter height modulation is also best applied at the vertical velocity zero crossing to preserve an even baseline. The corner shape and slant constraints completely determine the amplitude and phase relations between the two oscillations. Under these constraints interletter separation is not an independent parameter. This theory applies generally to a number of acceleration oscillation patterns such as sinusoidal, rectangular and trapezoidal oscillations. The oscillation theory also provides an explanation for how handwriting might degenerate with speed. An implementation of the theory in the context of the spring muscle model is developed. Here sinusoidal oscillations arise from a purely mechanical sources; orthogonal antagonistic spring pairs generate particular cycloids depending on the initial conditions. Modulating between cycloids can be achieved by changing the spring zero settings at the appropriate times. Frequency can be modulated either by shifting between coactivation and alternating activation of the antagonistic springs or by presuming variable spring constant springs. An acceleration and position measuring apparatus was developed for measurements of human handwriting. Measurements of human writing are consistent with the oscillation theory. It is shown that the minimum energy movement for the spring muscle is bang-coast-bang. For certain parameter values a singular arc solution can be shown to be minimizing. Experimental measurements however indicate that handwriting is not a minimum energy movement.

Cerebellar Learning in an Opponent Motor Controller for Adaptive Load Compensation and Synergy Formation

This paper shows how a minimal neural network model of the cerebellum may be embedded within a sensory-neuro-muscular control system that mimics known anatomy and physiology. With this embedding, cerebellar learning promotes load compensation while also allowing both coactivation and reciprocal inhibition of sets of antagonist muscles. In particular, we show how synaptic long term depression guided by feedback from muscle stretch receptors can lead to trans-cerebellar gain changes that are load-compensating. It is argued that the same processes help to adaptively discover multi-joint synergies. Simulations of rapid single joint rotations under load illustrates design feasibility and stability.

Men and women differ in their cardiovascular responses to affective pictures

Empirical evidence supports the hypothesis that emotional states might contribute to cardiovascular disease and health through multiple pathways. To the extent that the acute cardiovascular response to emotional events plays a role in cardiovascular health and disease, an essential step in order to understand this possible link is to define the hemodynamic response to affective challenges. This was the aim of the present study. We assessed blood pressure (BP), heart rate (HR), stroke volume (SV), cardiac output, and total peripheral resistance (TPR) in response to 13 picture series in 18 men and 19 women (mean age 26) in order to investigate their hemodynamic responses associated with activation of the appetitive and defensive motivational systems underlying emotional experience. The hemodynamic parameters were recorded by finger-cuff photoplethysmography with Finometer™ (FMS Finapres Medical Systems, Amsterdam) and electrocardiography with the Lifeshirt system (VivoMetrics Inc., Ventura, California). Participants rated self-perceived pleasantness and arousal for each series. In men, BP and SV, but not TPR, increased with increasing self-rated arousal both for appetitive and defensive activation, whereas in women these relationships were almost absent, especially, for defensive activation. HR decelerated more in response to negative than positive and neutral pictures, and more so in men than women. These findings indicate striking sex differences. In particular, it is suggested that the sympathetic inotropic effect to the heart increases with increasing self-rated arousal strongly in men but only weakly in women. Regardless of sex differences, the modulation of the cardiovascular response to affective pictures along the dimensions of pleasantness and arousal is primarily myocardial, and the pattern of cardiovascular response is consistent with a configuration of cardiac sympathetic-parasympathetic coactivation. One possible implication of the observed sex differences concerns the link between affective states and cardiovascular health and disease. Men have a higher incidence of cardiovascular diseases than premenopausal women, and exaggerated sympathetic reactivity to emotional events is a potential pathophysiological mechanism. These findings extend current knowledge showing that under several acute behavioral challenges men demonstrate stronger cardiovascular reactivity than women.

Dynamic Upper Leg Strength and Neuromuscular Function in Children, Adolescents and Adults

This study examined muscle strength, muscle performance, and neuromuscular function during contractions at different velocities across maturation stages and between sexes. Participants included pre-pubertal, late-pubertal and adult males and females. All completed 8 isometric and 8 isokinetic leg extensions at two different velocities. Peak torque (PT), rate of torque development (PrTD), electromechanical-day (EMD), rate of muscle activation (Q30), muscle activation efficiency and coactivation were determined. Sex, maturity, and velocity main effects were found in PT and PrTD, reflecting greater values in men, adults, and isometric contractions respectively. When values were normalized to quadriceps cross-sectional area (qCSA), there was still an increase with maturity. EMD decreased with maturity. Adults had greater activation efficiency than children. Overall, differences in muscle size and neuromuscular function failed to explain group differences in PT or PrTD. More research is needed to investigate why adults may be affected to a greater extent by increasing movement velocity.

Proprioceptive Neuromuscular Facilitation of the Wrist Flexors

The present study examined a wrist extension-to-flexion contraction pattern that was theorized to result in proprioceptive neuromuscular facilitation. However, the “reversal of antagonists” contraction pattern may have, alternatively, interfered with motor learning-related increases in strength. Participants (N=24) were matched on predicted strength and randomly assigned to either the control or experimental group. Training occurred during three test sessions within a one-week period. Retention and transfer (crossed-condition) tests were administered during a fourth test session two- weeks later. Both groups exhibited comparable increases in strength (20.2%) and decreases in muscle coactivation (35.2%), which were retained and transferred. Decreases in error and variability of the torque traces were associated with parallel decreases in variability of muscle activity. The reversal of antagonists technique did not interfere with motor learning-related increases in strength and decreases in variability. However, the more complex contraction pattern failed to result in proprioceptive neuromuscular facilitation of strength.

Redundancy gain : manifestations, causes and predictions

Les temps de réponse dans une tache de reconnaissance d’objets visuels diminuent de façon significative lorsque les cibles peuvent être distinguées à partir de deux attributs redondants. Le gain de redondance pour deux attributs est un résultat commun dans la littérature, mais un gain causé par trois attributs redondants n’a été observé que lorsque ces trois attributs venaient de trois modalités différentes (tactile, auditive et visuelle). La présente étude démontre que le gain de redondance pour trois attributs de la même modalité est effectivement possible. Elle inclut aussi une investigation plus détaillée des caractéristiques du gain de redondance. Celles-ci incluent, outre la diminution des temps de réponse, une diminution des temps de réponses minimaux particulièrement et une augmentation de la symétrie de la distribution des temps de réponse. Cette étude présente des indices que ni les modèles de course, ni les modèles de coactivation ne sont en mesure d’expliquer l’ensemble des caractéristiques du gain de redondance. Dans ce contexte, nous introduisons une nouvelle méthode pour évaluer le triple gain de redondance basée sur la performance des cibles doublement redondantes. Le modèle de cascade est présenté afin d’expliquer les résultats de cette étude. Ce modèle comporte plusieurs voies de traitement qui sont déclenchées par une cascade d’activations avant de satisfaire un seul critère de décision. Il offre une approche homogène aux recherches antérieures sur le gain de redondance. L’analyse des caractéristiques des distributions de temps de réponse, soit leur moyenne, leur symétrie, leur décalage ou leur étendue, est un outil essentiel pour cette étude. Il était important de trouver un test statistique capable de refléter les différences au niveau de toutes ces caractéristiques. Nous abordons la problématique d’analyser les temps de réponse sans perte d’information, ainsi que l’insuffisance des méthodes d’analyse communes dans ce contexte, comme grouper les temps de réponses de plusieurs participants (e. g. Vincentizing). Les tests de distributions, le plus connu étant le test de Kolmogorov- Smirnoff, constituent une meilleure alternative pour comparer des distributions, celles des temps de réponse en particulier. Un test encore inconnu en psychologie est introduit : le test d’Anderson-Darling à deux échantillons. Les deux tests sont comparés, et puis nous présentons des indices concluants démontrant la puissance du test d’Anderson-Darling : en comparant des distributions qui varient seulement au niveau de (1) leur décalage, (2) leur étendue, (3) leur symétrie, ou (4) leurs extrémités, nous pouvons affirmer que le test d’Anderson-Darling reconnait mieux les différences. De plus, le test d’Anderson-Darling a un taux d’erreur de type I qui correspond exactement à l’alpha tandis que le test de Kolmogorov-Smirnoff est trop conservateur. En conséquence, le test d’Anderson-Darling nécessite moins de données pour atteindre une puissance statistique suffisante.

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.

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.

Rôle de la ghréline dans la régulation du coactivateur transcriptionnel PGC-1alpha

L’adaptation de l’organisme à son environnement est essentielle à sa survie. L’homéostasie énergétique permet l’équilibre entre les apports, les dépenses et le stockage d’énergie. Un surplus calorique important dérègle ce processus et mène au développement du syndrome métabolique caractérisé, entre autres, par une obésité, un diabète de type II, des maladies cardiovasculaires et des dyslipidémies. La ghréline participe au maintien de l’équilibre énergétique durant le jeûne en stimulant la production de glucose par le foie et le stockage lipidique dans le tissu adipeux. Le coactivateur transcriptionnel PGC-1alpha, surexprimé en situation de jeûne, est impliqué dans l’induction de la production de glucose par le foie et l’oxydation des acides gras. Notre hypothèse est que ces deux acteurs clés du métabolisme énergétique constituent un axe de régulation commun. Dans cette étude, nous montrons que la ghréline participe à la régulation de PGC-1alpha. Son récepteur GHS-R1a, possédant une forte activité constitutive, est également impliqué de façon indépendante au ligand. GHS-R1a réduit l’activité transcriptionnelle de PGC-1alpha tandis que l’ajout du ligand inverse modérément cette action. L’effet de GHS-R1a corrèle avec l’acétylation de PGC-1alpha qui est fortement augmentée de façon dose-dépendante. La stabilité de PGC-1alpha est également augmentée par le GHS-R1a indépendamment de l’ubiquitine. La ghréline diminue la capacité de PGC-1alpha à lier PPARbeta, un récepteur nucléaire partenaire de PGC-1alpha. De plus, la ghréline réduit, de façon ligand-dépendante, la capacité de coactivation de PGC-1alpha sur PPARbeta dans les hépatocytes. L’ensemble de ces résultats identifie PGC-1alpha comme cible du signal de la ghréline et suggère un axe de régulation ghréline/PGC-1alpha/PPARbeta.Une meilleure compréhension de cet axe de régulation va permettre la mise en évidence de nouvelles cibles thérapeutiques pour faire face aux pathologies associées au syndrome métabolique.

Interactions multimodales visuelles et tactiles dans l’espace

L’intégration de stimulations provenant de modalités sensorielles différentes nous offre des avantages perceptifs tels qu’une meilleure discrimination et une accélération des temps de réponse (TR) face aux évènements environnementaux. Cette thèse a investigué les effets de la position spatiale de stimulations visuelles et tactiles sur le gain de redondance (GR), qui correspond à une réduction du temps de réaction lorsque deux stimulations sont présentées simultanément plutôt qu’isolément. La première étude a comparé le GR lorsque les mêmes stimulations visuotactiles sont présentées dans une tâche de détection et une tâche de discrimination spatiale. Les stimulations étaient présentées unilatéralement dans le même hémichamp ou bilatéralement dans les hémichamps opposés. Dans la tâche de détection, les participants devaient répondre à toutes les stimulations, peu importe leur localisation. Les résultats de cette tâche démontrent que les stimulations unilatérales et bilatérales produisent un GR et une violation du modèle de course indissociables. Dans la tâche de discrimination spatiale où les participants devaient répondre seulement aux stimulations présentées dans l’hémichamp droit, les TR aux stimulations bilatérales étaient moins rapides. Nous n’avons pas observé de différence entre le GR maximal obtenu dans l’une ou l’autre des tâches de cette étude. Nous concluons que lorsque l’information spatiale n’est pas pertinente pour accomplir la tâche, les stimulations unilatérales et bilatérales sont équivalentes. La manipulation de la pertinence de l’information spatiale permet donc d’induire une altération du GR en fonction de la localisation des stimulations. Lors d’une seconde étude, nous avons investigué si la différence entre les gains comportementaux résultants de l’intégration multimodale et intramodale dépend de la configuration spatiale des stimulations. Les résultats montrent que le GR obtenu pour les conditions multimodales surpasse celui obtenu pour les stimulations intramodales. De plus, le GR des conditions multimodales n’est pas influencé par la configuration spatiale des stimulations. À l’opposé, les stimulations intramodales produisent un GR plus important iii lorsque les stimulations sont présentées bilatéralement. Nos résultats suggèrent que l’intégration multimodale et intramodale se distinguent quant au GR qu’ils produisent et quant aux conditions nécessaires à cette amélioration. La troisième étude examine le rôle du corps calleux (CC) dans l’observation du GR obtenu pour les stimulations multimodales et intramodales lorsque celles-ci sont présentées unilatéralement et bilatéralement. Quatre patients ayant une agénésie congénitale du corps calleux (AgCC) et un patient callosotomisé ont été comparés à des individus normaux dans une tâche de détection. Dans l’ensemble, les résultats suggèrent que le CC n’est pas nécessaire pour l’intégration interhémisphérique de stimulations multimodales. Sur la base d’études précédentes démontrant le rôle des collicules supérieurs (CS) dans l’intégration multimodale, nous concluons qu’en l’absence du CC, les bénéfices comportementaux résultants d’un traitement sous-cortical par les CS ne reflètent pas les règles d’intégration observées dans les études neurophysiologiques chez l’animal.