Kinematic, kinetic and EMG patterns during downward squatting

The aim of this study was to investigate the kinematic, kinetic, and electromyographic pattern before, during and after downward squatting when the trunk movement is restricted in the sagittal plane. Eight healthy subjects performed downward squatting at two different positions, semisquatting (40 degrees knee flexion) and half squatting (70 degrees knee flexion). Electromyographic responses of the vastus medialis oblique, vastus medialis longus, rectus femoris, vastus lateralis, biceps femoris, semitendineous, gastrocnemius lateralis, and tibialis anterior were recorded. The kinematics of the major joints were reconstructed using an optoelectronic system. The center of pressure (COP) was obtained using data collected from one force plate, and the ankle and knee joint torques were calculated using inverse dynamics. In the upright position there were small changes in the COP and in the knee and ankle joint torques. The tibialis anterior provoked the disruption of this upright position initiating the squat. During the acceleration phase of the squat the COP moved posteriorly, the knee joint torque remained in flexion and there was no measurable muscle activation. As the body went into the deceleration phase, the knee joint torque increased towards extension with major muscle activities being observed in the four heads of the quadriceps. Understanding these kinematic, kinetic and EMG strategies before, during and after the squat is expected to be beneficial to practitioners for utilizing squatting as a task for improving motor function. (C) 2006 Elsevier Ltd. All rights reserved.

A comparison of lower limb EMG and ground reaction forces between barefoot and shod gait in participants with diabetic neuropathic and healthy controls

Background: It is known that when barefoot, gait biomechanics of diabetic neuropathic patients differ from nondiabetic individuals. However, it is still unknown whether these biomechanical changes are also present during shod gait which is clinically advised for these patients. This study investigated the effect of the participants own shoes on gait biomechanics in diabetic neuropathic individuals compared to barefoot gait patterns and healthy controls. Methods: Ground reaction forces and lower limb EMG activities were analyzed in 21 non-diabetic adults (50.9 +/- 7.3 yr, 24.3 +/- 2.6 kg/m(2)) and 24 diabetic neuropathic participants (55.2 +/- 7.9 yr, 27.0 +/- 4.4 kg/m(2)). EMG patterns of vastus lateralis, lateral gastrocnemius and tibialis anterior, along with the vertical and antero-posterior ground reaction forces were studied during shod and barefoot gait. Results: Regardless of the disease, walking with shoes promoted an increase in the first peak vertical force and the peak horizontal propulsive force. Diabetic individuals had a delay in the lateral gastrocnemius EMG activity with no delay in the vastus lateralis. They also demonstrated a higher peak horizontal braking force walking with shoes compared to barefoot. Diabetic participants also had a smaller second peak vertical force in shod gait and a delay in the vastus lateralis EMG activity in barefoot gait compared to controls. Conclusions: The change in plantar sensory information that occurs when wearing shoes revealed a different motor strategy in diabetic individuals. Walking with shoes did not attenuate vertical forces in either group. Though changes in motor strategy were apparent, the biomechanical did not support the argument that the use of shoes contributes to altered motor responses during gait.

Characterization of Fiber Types in Different Muscles of the Hindlimb in Female Weanling and Adult Wistar Rats

We analyzed lesser diameter and distribution of fiber types in different skeletal muscles from female Wistar rats using a histoenzymology Myofibrillar Adenosine Tri-phosphatase (mATPase) method. Fragments from muscles were frozen and processed by mATPase in different pH. Adult and weanling rat soleus muscles presented a predominance of type I fibers and larger fiber diameters. In the plantar muscle in adult rats, the type IIB fibers demonstrated greater lesser diameter while in the weanling animals, types I and IIB fibers were larger. The plantar muscle of animals of both ages was composed predominantly of the type IID fibers. The type IID fibers were observed in similar amounts in the lateral gastrocnemius and the medial gastrocnemius muscles. Type IIB fibers showed predominance and presented higher size in comparison with other types in the EDL muscle. The present study shows that data on fiber type distribution and fiber lesser diameter obtained in adult animals cannot always be applied to weanling animals of the same species. Using the mATPase, despite the difficult handling, is an important tool to determine the different characteristics of the specific fibers in the skeletal muscle tissue.

Morphological comparison of different protocols of skeletal muscle remobilization in rats after hindlimb suspension

The aim of this study was to evaluate and compare the efficacy of different remobilization protocols in different skeletal muscles considering the changes induced by hindlimb suspension of the tail. Thirty-six female Wistar rats were divided into six groups: control I, control II, suspended, suspended free, suspended trained on a declined treadmill and suspended trained on a flat treadmill. Fragments of soleus and tibialis anterior (TA) muscle were frozen and processed by different histochemical methods. The suspended soleus showed a significant increase in the proportional number of intermediate/hybrid fibers and a decrease in the number of type I fibers. Some of these changes proved to be reversible after remobilization. The three remobilization programs led to the recovery of both the proportional number of fibers and their size. The TA muscle presented a significant increase in the number and size of type I fibers and a cell size reduction of type IIB fibers, which were recovered after training on a declined treadmill and free movement. Especially regarding the soleus, the present findings indicate that, among the protocols, training on a declined treadmill was found to induce changes of a more regenerative nature, seemingly indicating a better tissue restructuring after the suspension procedure.

Implant-supported prosthesis following Branemark protocol on electromyography of masticatory muscles

This research evaluated the effects of Branemark protocol on electromyography of the masseter and temporal muscles. The patients were divided into two groups: Group 1: patients who wore an implant-supported prosthesis in the mandibular arch following Branemark protocol, and maxillary removable complete dentures; Group II: dentate individuals (control). Electromyography was carried out at rest, right (RL) and left (LL) laterality, protrusion and maximum voluntary contraction (MVC). Data were compared by t-test. At rest, a higher electromyographic (EMG) activity was observed in Group I, and the values were significant in the right masseter and left temporal muscles. In RL, there were statistically significant differences for right masseter (P < 0.01), left masseter and temporal muscles and for the left temporal muscle in LL (P < 0.05). In protrusion, Group I presented a higher EMG activity, and there was a statistically significant difference for the right masseter muscle (RM) (P < 0.05). In MVC, the EMG values were higher in Group II (control), but significant just for the right temporal muscle (P < 0.05). In conclusion, individuals with mandibular fixed dentures supported according to the Branemark protocol and maxillary removable complete dentures showed a higher activity of masticatory muscles during the mandibular postural clinical conditions examined; however, in the MVC, Group I presented lower values when compared to dentate group. Despite presenting different EMG values in all of the clinical conditions, both groups showed similar EMG patterns of muscle activation which demonstrates that the proposed treatment can be considered as a good option for oral rehabilitation.

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.

Mécanismes psychophysiques et neuronaux de la compensation dynamique de multiples champs de force : facilitation et anticipation liée à des indices de couleur

Dans cette thèse, nous abordons le contrôle moteur du mouvement du coude à travers deux approches expérimentales : une première étude psychophysique a été effectuée chez les sujets humains, et une seconde implique des enregistrements neurophysiologiques chez le singe. Nous avons recensé plusieurs aspects non résolus jusqu’à présent dans l’apprentissage moteur, particulièrement concernant l’interférence survenant lors de l’adaptation à deux ou plusieurs champs de force anti-corrélés. Nous avons conçu un paradigme où des stimuli de couleur aident les sujets à prédire la nature du champ de force externe actuel avant qu’ils ne l’expérimentent physiquement durant des mouvements d’atteinte. Ces connaissances contextuelles faciliteraient l’adaptation à des champs de forces en diminuant l’interférence. Selon le modèle computationnel de l’apprentissage moteur MOSAIC (MOdular Selection And Identification model for Control), les stimuli de couleur aident les sujets à former « un modèle interne » de chaque champ de forces, à s’en rappeler et à faire la transition entre deux champs de force différents, sans interférence. Dans l’expérience psychophysique, quatre groupes de sujets humains ont exécuté des mouvements de flexion/extension du coude contre deux champs de forces. Chaque force visqueuse était associée à une couleur de l’écran de l’ordinateur et les deux forces étaient anti-corrélées : une force résistante (Vr) a été associée à la couleur rouge de l’écran et l’autre, assistante (Va), à la couleur verte de l’écran. Les deux premiers groupes de sujets étaient des groupes témoins : la couleur de l’écran changeait à chaque bloc de 4 essais, tandis que le champ de force ne changeait pas. Les sujets du groupe témoin Va ne rencontraient que la force assistante Va et les sujets du groupe témoin Vr performaient leurs mouvements uniquement contre une force résistante Vr. Ainsi, dans ces deux groupes témoins, les stimuli de couleur n’étaient pas pertinents pour adapter le mouvement et les sujets ne s’adaptaient qu’à une seule force (Va ou Vr). Dans les deux groupes expérimentaux, cependant, les sujets expérimentaient deux champs de forces différents dans les différents blocs d’essais (4 par bloc), associés à ces couleurs. Dans le premier groupe expérimental (groupe « indice certain », IC), la relation entre le champ de force et le stimulus (couleur de l’écran) était constante. La couleur rouge signalait toujours la force Vr tandis que la force Va était signalée par la couleur verte. L’adaptation aux deux forces anti-corrélées pour le groupe IC s’est avérée significative au cours des 10 jours d’entraînement et leurs mouvements étaient presque aussi bien ajustés que ceux des deux groupes témoins qui n’avaient expérimenté qu’une seule des deux forces. De plus, les sujets du groupe IC ont rapidement démontré des changements adaptatifs prédictifs dans leurs sorties motrices à chaque changement de couleur de l’écran, et ceci même durant leur première journée d’entraînement. Ceci démontre qu’ils pouvaient utiliser les stimuli de couleur afin de se rappeler de la commande motrice adéquate. Dans le deuxième groupe expérimental, la couleur de l’écran changeait régulièrement de vert à rouge à chaque transition de blocs d’essais, mais le changement des champs de forces était randomisé par rapport aux changements de couleur (groupe « indice-incertain », II). Ces sujets ont pris plus de temps à s’adapter aux champs de forces que les 3 autres groupes et ne pouvaient pas utiliser les stimuli de couleurs, qui n’étaient pas fiables puisque non systématiquement reliés aux champs de forces, pour faire des changements prédictifs dans leurs sorties motrices. Toutefois, tous les sujets de ce groupe ont développé une stratégie ingénieuse leur permettant d’émettre une réponse motrice « par défaut » afin de palper ou de sentir le type de la force qu’ils allaient rencontrer dans le premier essai de chaque bloc, à chaque changement de couleur. En effet, ils utilisaient la rétroaction proprioceptive liée à la nature du champ de force afin de prédire la sortie motrice appropriée pour les essais qui suivent, jusqu’au prochain changement de couleur d’écran qui signifiait la possibilité de changement de force. Cette stratégie était efficace puisque la force demeurait la même dans chaque bloc, pendant lequel la couleur de l’écran restait inchangée. Cette étude a démontré que les sujets du groupe II étaient capables d’utiliser les stimuli de couleur pour extraire des informations implicites et explicites nécessaires à la réalisation des mouvements, et qu’ils pouvaient utiliser ces informations pour diminuer l’interférence lors de l’adaptation aux forces anti-corrélées. Les résultats de cette première étude nous ont encouragés à étudier les mécanismes permettant aux sujets de se rappeler d’habiletés motrices multiples jumelées à des stimuli contextuels de couleur. Dans le cadre de notre deuxième étude, nos expériences ont été effectuées au niveau neuronal chez le singe. Notre but était alors d’élucider à quel point les neurones du cortex moteur primaire (M1) peuvent contribuer à la compensation d’un large éventail de différentes forces externes durant un mouvement de flexion/extension du coude. Par cette étude, nous avons testé l’hypothèse liée au modèle MOSAIC, selon laquelle il existe plusieurs modules contrôleurs dans le cervelet qui peuvent prédire chaque contexte et produire un signal de sortie motrice approprié pour un nombre restreint de conditions. Selon ce modèle, les neurones de M1 recevraient des entrées de la part de plusieurs contrôleurs cérébelleux spécialisés et montreraient ensuite une modulation appropriée de la réponse pour une large variété de conditions. Nous avons entraîné deux singes à adapter leurs mouvements de flexion/extension du coude dans le cadre de 5 champs de force différents : un champ nul ne présentant aucune perturbation, deux forces visqueuses anti-corrélées (assistante et résistante) qui dépendaient de la vitesse du mouvement et qui ressemblaient à celles utilisées dans notre étude psychophysique chez l’homme, une force élastique résistante qui dépendait de la position de l’articulation du coude et, finalement, un champ viscoélastique comportant une sommation linéaire de la force élastique et de la force visqueuse. Chaque champ de force était couplé à une couleur d’écran de l’ordinateur, donc nous avions un total de 5 couleurs différentes associées chacune à un champ de force (relation fixe). Les singes étaient bien adaptés aux 5 conditions de champs de forces et utilisaient les stimuli contextuels de couleur pour se rappeler de la sortie motrice appropriée au contexte de forces associé à chaque couleur, prédisant ainsi leur sortie motrice avant de sentir les effets du champ de force. Les enregistrements d’EMG ont permis d’éliminer la possibilité de co-contractions sous-tendant ces adaptations, étant donné que le patron des EMG était approprié pour compenser chaque condition de champ de force. En parallèle, les neurones de M1 ont montré des changements systématiques dans leurs activités, sur le plan unitaire et populationnel, dans chaque condition de champ de force, signalant les changements requis dans la direction, l’amplitude et le décours temporel de la sortie de force musculaire nécessaire pour compenser les 5 conditions de champs de force. Les changements dans le patron de réponse pour chaque champ de force étaient assez cohérents entre les divers neurones de M1, ce qui suggère que la plupart des neurones de M1 contribuent à la compensation de toutes les conditions de champs de force, conformément aux prédictions du modèle MOSAIC. Aussi, cette modulation de l’activité neuronale ne supporte pas l’hypothèse d’une organisation fortement modulaire de M1.

Gait analysis of the hind limb in Labrador Retrievers with and without cranial cruciate ligament disease

Cranial cruciate ligament (CCL) deficiency is the leading cause of lameness affecting the stifle joints of large breed dogs, especially Labrador Retrievers. Although CCL disease has been studied extensively, its exact pathogenesis and the primary cause leading to CCL rupture remain controversial. However, weakening secondary to repetitive microtrauma is currently believed to cause the majority of CCL instabilities diagnosed in dogs. Techniques of gait analysis have become the most productive tools to investigate normal and pathological gait in human and veterinary subjects. The inverse dynamics analysis approach models the limb as a series of connected linkages and integrates morphometric data to yield information about the net joint moment, patterns of muscle power and joint reaction forces. The results of these studies have greatly advanced our understanding of the pathogenesis of joint diseases in humans. A muscular imbalance between the hamstring and quadriceps muscles has been suggested as a cause for anterior cruciate ligament rupture in female athletes. Based on these findings, neuromuscular training programs leading to a relative risk reduction of up to 80% has been designed. In spite of the cost and morbidity associated with CCL disease and its management, very few studies have focused on the inverse dynamics gait analysis of this condition in dogs. The general goals of this research were (1) to further define gait mechanism in Labrador Retrievers with and without CCL-deficiency, (2) to identify individual dogs that are susceptible to CCL disease, and (3) to characterize their gait. The mass, location of the center of mass (COM), and mass moment of inertia of hind limb segments were calculated using a noninvasive method based on computerized tomography of normal and CCL-deficient Labrador Retrievers. Regression models were developed to determine predictive equations to estimate body segment parameters on the basis of simple morphometric measurements, providing a basis for nonterminal studies of inverse dynamics of the hind limbs in Labrador Retrievers. Kinematic, ground reaction forces (GRF) and morphometric data were combined in an inverse dynamics approach to compute hock, stifle and hip net moments, powers and joint reaction forces (JRF) while trotting in normal, CCL-deficient or sound contralateral limbs. Reductions in joint moment, power, and loads observed in CCL-deficient limbs were interpreted as modifications adopted to reduce or avoid painful mobilization of the injured stifle joint. Lameness resulting from CCL disease affected predominantly reaction forces during the braking phase and the extension during push-off. Kinetics also identified a greater joint moment and power of the contralateral limbs compared with normal, particularly of the stifle extensor muscles group, which may correlate with the lameness observed, but also with the predisposition of contralateral limbs to CCL deficiency in dogs. For the first time, surface EMG patterns of major hind limb muscles during trotting gait of healthy Labrador Retrievers were characterized and compared with kinetic and kinematic data of the stifle joint. The use of surface EMG highlighted the co-contraction patterns of the muscles around the stifle joint, which were documented during transition periods between flexion and extension of the joint, but also during the flexion observed in the weight bearing phase. Identification of possible differences in EMG activation characteristics between healthy patients and dogs with or predisposed to orthopedic and neurological disease may help understanding the neuromuscular abnormality and gait mechanics of such disorders in the future. Conformation parameters, obtained from femoral and tibial radiographs, hind limb CT images, and dual-energy X-ray absorptiometry, of hind limbs predisposed to CCL deficiency were compared with the conformation parameters from hind limbs at low risk. A combination of tibial plateau angle and femoral anteversion angle measured on radiographs was determined optimal for discriminating predisposed and non-predisposed limbs for CCL disease in Labrador Retrievers using a receiver operating characteristic curve analysis method. In the future, the tibial plateau angle (TPA) and femoral anteversion angle (FAA) may be used to screen dogs suspected of being susceptible to CCL disease. Last, kinematics and kinetics across the hock, stifle and hip joints in Labrador Retrievers presumed to be at low risk based on their radiographic TPA and FAA were compared to gait data from dogs presumed to be predisposed to CCL disease for overground and treadmill trotting gait. For overground trials, extensor moment at the hock and energy generated around the hock and stifle joints were increased in predisposed limbs compared to non predisposed limbs. For treadmill trials, dogs qualified as predisposed to CCL disease held their stifle at a greater degree of flexion, extended their hock less, and generated more energy around the stifle joints while trotting on a treadmill compared with dogs at low risk. This characterization of the gait mechanics of Labrador Retrievers at low risk or predisposed to CCL disease may help developing and monitoring preventive exercise programs to decrease gastrocnemius dominance and strengthened the hamstring muscle group.

Mécanismes psychophysiques et neuronaux de la compensation dynamique de multiples champs de force : facilitation et anticipation liée à des indices de couleur

Dans cette thèse, nous abordons le contrôle moteur du mouvement du coude à travers deux approches expérimentales : une première étude psychophysique a été effectuée chez les sujets humains, et une seconde implique des enregistrements neurophysiologiques chez le singe. Nous avons recensé plusieurs aspects non résolus jusqu’à présent dans l’apprentissage moteur, particulièrement concernant l’interférence survenant lors de l’adaptation à deux ou plusieurs champs de force anti-corrélés. Nous avons conçu un paradigme où des stimuli de couleur aident les sujets à prédire la nature du champ de force externe actuel avant qu’ils ne l’expérimentent physiquement durant des mouvements d’atteinte. Ces connaissances contextuelles faciliteraient l’adaptation à des champs de forces en diminuant l’interférence. Selon le modèle computationnel de l’apprentissage moteur MOSAIC (MOdular Selection And Identification model for Control), les stimuli de couleur aident les sujets à former « un modèle interne » de chaque champ de forces, à s’en rappeler et à faire la transition entre deux champs de force différents, sans interférence. Dans l’expérience psychophysique, quatre groupes de sujets humains ont exécuté des mouvements de flexion/extension du coude contre deux champs de forces. Chaque force visqueuse était associée à une couleur de l’écran de l’ordinateur et les deux forces étaient anti-corrélées : une force résistante (Vr) a été associée à la couleur rouge de l’écran et l’autre, assistante (Va), à la couleur verte de l’écran. Les deux premiers groupes de sujets étaient des groupes témoins : la couleur de l’écran changeait à chaque bloc de 4 essais, tandis que le champ de force ne changeait pas. Les sujets du groupe témoin Va ne rencontraient que la force assistante Va et les sujets du groupe témoin Vr performaient leurs mouvements uniquement contre une force résistante Vr. Ainsi, dans ces deux groupes témoins, les stimuli de couleur n’étaient pas pertinents pour adapter le mouvement et les sujets ne s’adaptaient qu’à une seule force (Va ou Vr). Dans les deux groupes expérimentaux, cependant, les sujets expérimentaient deux champs de forces différents dans les différents blocs d’essais (4 par bloc), associés à ces couleurs. Dans le premier groupe expérimental (groupe « indice certain », IC), la relation entre le champ de force et le stimulus (couleur de l’écran) était constante. La couleur rouge signalait toujours la force Vr tandis que la force Va était signalée par la couleur verte. L’adaptation aux deux forces anti-corrélées pour le groupe IC s’est avérée significative au cours des 10 jours d’entraînement et leurs mouvements étaient presque aussi bien ajustés que ceux des deux groupes témoins qui n’avaient expérimenté qu’une seule des deux forces. De plus, les sujets du groupe IC ont rapidement démontré des changements adaptatifs prédictifs dans leurs sorties motrices à chaque changement de couleur de l’écran, et ceci même durant leur première journée d’entraînement. Ceci démontre qu’ils pouvaient utiliser les stimuli de couleur afin de se rappeler de la commande motrice adéquate. Dans le deuxième groupe expérimental, la couleur de l’écran changeait régulièrement de vert à rouge à chaque transition de blocs d’essais, mais le changement des champs de forces était randomisé par rapport aux changements de couleur (groupe « indice-incertain », II). Ces sujets ont pris plus de temps à s’adapter aux champs de forces que les 3 autres groupes et ne pouvaient pas utiliser les stimuli de couleurs, qui n’étaient pas fiables puisque non systématiquement reliés aux champs de forces, pour faire des changements prédictifs dans leurs sorties motrices. Toutefois, tous les sujets de ce groupe ont développé une stratégie ingénieuse leur permettant d’émettre une réponse motrice « par défaut » afin de palper ou de sentir le type de la force qu’ils allaient rencontrer dans le premier essai de chaque bloc, à chaque changement de couleur. En effet, ils utilisaient la rétroaction proprioceptive liée à la nature du champ de force afin de prédire la sortie motrice appropriée pour les essais qui suivent, jusqu’au prochain changement de couleur d’écran qui signifiait la possibilité de changement de force. Cette stratégie était efficace puisque la force demeurait la même dans chaque bloc, pendant lequel la couleur de l’écran restait inchangée. Cette étude a démontré que les sujets du groupe II étaient capables d’utiliser les stimuli de couleur pour extraire des informations implicites et explicites nécessaires à la réalisation des mouvements, et qu’ils pouvaient utiliser ces informations pour diminuer l’interférence lors de l’adaptation aux forces anti-corrélées. Les résultats de cette première étude nous ont encouragés à étudier les mécanismes permettant aux sujets de se rappeler d’habiletés motrices multiples jumelées à des stimuli contextuels de couleur. Dans le cadre de notre deuxième étude, nos expériences ont été effectuées au niveau neuronal chez le singe. Notre but était alors d’élucider à quel point les neurones du cortex moteur primaire (M1) peuvent contribuer à la compensation d’un large éventail de différentes forces externes durant un mouvement de flexion/extension du coude. Par cette étude, nous avons testé l’hypothèse liée au modèle MOSAIC, selon laquelle il existe plusieurs modules contrôleurs dans le cervelet qui peuvent prédire chaque contexte et produire un signal de sortie motrice approprié pour un nombre restreint de conditions. Selon ce modèle, les neurones de M1 recevraient des entrées de la part de plusieurs contrôleurs cérébelleux spécialisés et montreraient ensuite une modulation appropriée de la réponse pour une large variété de conditions. Nous avons entraîné deux singes à adapter leurs mouvements de flexion/extension du coude dans le cadre de 5 champs de force différents : un champ nul ne présentant aucune perturbation, deux forces visqueuses anti-corrélées (assistante et résistante) qui dépendaient de la vitesse du mouvement et qui ressemblaient à celles utilisées dans notre étude psychophysique chez l’homme, une force élastique résistante qui dépendait de la position de l’articulation du coude et, finalement, un champ viscoélastique comportant une sommation linéaire de la force élastique et de la force visqueuse. Chaque champ de force était couplé à une couleur d’écran de l’ordinateur, donc nous avions un total de 5 couleurs différentes associées chacune à un champ de force (relation fixe). Les singes étaient bien adaptés aux 5 conditions de champs de forces et utilisaient les stimuli contextuels de couleur pour se rappeler de la sortie motrice appropriée au contexte de forces associé à chaque couleur, prédisant ainsi leur sortie motrice avant de sentir les effets du champ de force. Les enregistrements d’EMG ont permis d’éliminer la possibilité de co-contractions sous-tendant ces adaptations, étant donné que le patron des EMG était approprié pour compenser chaque condition de champ de force. En parallèle, les neurones de M1 ont montré des changements systématiques dans leurs activités, sur le plan unitaire et populationnel, dans chaque condition de champ de force, signalant les changements requis dans la direction, l’amplitude et le décours temporel de la sortie de force musculaire nécessaire pour compenser les 5 conditions de champs de force. Les changements dans le patron de réponse pour chaque champ de force étaient assez cohérents entre les divers neurones de M1, ce qui suggère que la plupart des neurones de M1 contribuent à la compensation de toutes les conditions de champs de force, conformément aux prédictions du modèle MOSAIC. Aussi, cette modulation de l’activité neuronale ne supporte pas l’hypothèse d’une organisation fortement modulaire de M1.

Ageing and surface EMG activity patterns of masticatory muscles

P>The purpose of this study was to evaluate the influence of age on the electromyographic activity of masticatory muscles. All volunteers were Brazilian, fully dentate (except for Group I - mixed dentition), Caucasian, aged 7-80, and divided into five groups: I (7-12 years), II (13-20 years), III (21-40 years), IV (41-60 years) and V (61-80 years). Except for Group V, which comprised nine women and eight men, all groups were equally divided with respect to gender (20 M/20 F). Surface electromyographic records of masticatory muscles were obtained at rest and during maximal voluntary contraction, right and left laterality, maximal jaw protrusion and maximal clenching in the intercuspal position. Statistically significant differences (P < 0 center dot 05) were found in all clinical conditions among the different age groups. Considerably different patterns of muscle activation were found across ages, with greater electromyographic activity in children and youth, and decreasing from adults to aged people.

Support vector machines to detect physiological patterns for EEG and EMG-based human-computer interaction:a review

Support Vector Machines (SVMs) are widely used classifiers for detecting physiological patterns in Human-Computer Interaction (HCI). Their success is due to their versatility, robustness and large availability of free dedicated toolboxes. Frequently in the literature, insufficient details about the SVM implementation and/or parameters selection are reported, making it impossible to reproduce study analysis and results. In order to perform an optimized classification and report a proper description of the results, it is necessary to have a comprehensive critical overview of the application of SVM. The aim of this paper is to provide a review of the usage of SVM in the determination of brain and muscle patterns for HCI, by focusing on electroencephalography (EEG) and electromyography (EMG) techniques. In particular, an overview of the basic principles of SVM theory is outlined, together with a description of several relevant literature implementations. Furthermore, details concerning reviewed papers are listed in tables, and statistics of SVM use in the literature are presented. Suitability of SVM for HCI is discussed and critical comparisons with other classifiers are reported.

EMG activity of trunk muscles and torque output during isometric axial rotation exertion: a comparison between back pain patients and matched controls

Abnormal patterns of trunk muscle activity could affect the biomechanics of spinal movements and result in back pain. The present study aimed to examine electromyographic (EMG) activity of abdominal and back muscles as well as triaxial torque output during isometric axial rotation at different exertion levels in back pain patients and matched controls. Twelve back pain patients and 12 matched controls performed isometric right and left axial rotation at 100%, 70%, 50%, and 30% maximum voluntary contractions in a standing position. Surface EMG activity of rectus abdominis, external oblique, internal oblique, latissimus dorsi, iliocostalis lumborum and multifidus were recorded bilaterally. The primary torque in the transverse plane and the coupling torques in sagittal and coronal planes were measured. Results showed that there was a trend (P = 0.08) of higher flexion coupling torque during left axial rotation exertion in back pain patients. Higher activity for external oblique and lower activity for multifidus was shown during left axial rotation exertion in back pain group when compared to the control group. In right axial rotation, back pain patients exhibited lesser activity of rectus abdominis at higher levels of exertion when compared with matched controls. These findings demonstrated that decreased activation of one muscle may be compensated by overactivity in other muscles. The reduced levels of activity of the multifidus muscle during axial rotation exertion in back pain patients may indicate that spinal stability could be compromised. Future studies should consider these alternations in recruitment patterns in terms of spinal stability and internal loading. The findings also indicate the importance of training for coordination besides the strengthening of trunk muscles during rehabilitation process. (C) 2002 Orthopaedic Research Society. Published by Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

3D movement and muscle activity patterns in a violin bowing task

Objective: Overuse injuries in violinists are a problem that has been primarily analyzed through the use of questionnaires. Simultaneous 3D motion analysis and EMG to measure muscle activity has been suggested as a quantitative technique to explore this problem by identifying movement patterns and muscular demands which may predispose violinists to overuse injuries. This multi-disciplinary analysis technique has, so far, had limited use in the music world. The purpose of this study was to use it to characterize the demands of a violin bowing task. Subjects: Twelve injury-free violinists volunteered for the study. The subjects were assigned to a novice or expert group based on playing experience, as determined by questionnaire. Design and Settings: Muscle activity and movement patterns were assessed while violinists played five bowing cycles (one bowing cycle = one down-bow + one up-bow) on each string (G, D, A, E), at a pulse of 4 beats per bow and 100 beats per minute. Measurements: An upper extremity model created using coordinate data from markers placed on the right acromion process, lateral epicondyle of the humerus and ulnar styloid was used to determine minimum and maximum joint angles, ranges of motion (ROM) and angular velocities at the shoulder and elbow of the bowing arm. Muscle activity in right anterior deltoid, biceps brachii and triceps brachii was assessed during maximal voluntary contractions (MVC) and during the playing task. Data were analysed for significant differences across the strings and between experience groups. Results: Elbow flexion/extension ROM was similar across strings for both groups. Shoulder flexion/extension ROM increaslarger for the experts. Angular velocity changes mirrored changes in ROM. Deltoid was the most active of the muscles assessed (20% MVC) and displayed a pattern of constant activation to maintain shoulder abduction. Biceps and triceps were less active (4 - 12% MVC) and showed a more periodic 'on and off pattern. Novices' muscle activity was higher in all cases. Experts' muscle activity showed a consistent pattern across strings, whereas the novices were more irregular. The agonist-antagonist roles of biceps and triceps during the bowing motion were clearly defined in the expert group, but not as apparent in the novice group. Conclusions: Bowing movement appears to be controlled by the shoulder rather than the elbow as shoulder ROM changed across strings while elbow ROM remained the same. Shoulder injuries are probably due to repetition as the muscle activity required for the movement is small. Experts require a smaller amount of muscle activity to perform the movement, possibly due to more efficient muscle activation patterns as a result of practice. This quantitative multidisciplinary approach to analysing violinists' movements can contribute to fuller understanding of both playing demands and injury mechanisms .

Relationship between Surface and Indwelling EMG Spike Shape Measures

Indwelling electromyography (EMG) has great diagnostic value but its invasive and often painful characteristics make it inappropriate for monitoring human movement. Spike shape analysis of the surface electromyographic signal responds to the call for non-invasive EMG measures for monitoring human movement and detecting neuromuscular disorders. The present study analyzed the relationship between surface and indwelling EMG interference patterns. Twenty four males and twenty four females performed three isometric dorsiflexion contractions at five force levels from 20% to maximal force. The amplitude measures increased differently between electrode types, attributed to the electrode sensitivity. The frequency measures were different between traditional and spike shape measures due to different noise rejection criteria. These measures were also different between surface and indwelling EMG due to the low-pass tissue filtering effect. The spike shape measures, thought to collectively function as a means to differentiate between motor unit characteristics, changed independent of one another.