MUSCLE COORDINATION IN THE FEED-FORWARD CONTROL OF POSTURE

The framework of the uncontrolled manifold (UCM) hypothesis has been used to study a type of feed-forward postural adjustments anticipatory synergy adjustments (ASAs) compared to anticipatory postural adjustments (APAs). ASAs reflect attenuation of a synergy index stabilizing a variable (e.g., center of pressure anterior-posterior coordinate, COPAP) in preparation to a quick change in that variable, while APAs are the means of generating net forces and moments of force that minimize the effects of a predictable perturbation on posture. ASAs and APAs were explored in preparation to a self-triggered postural perturbation in conditions when the direction of the perturbation was known and unknown. Eleven healthy subjects stood on a force platform and performed two tasks: (1) voluntary cyclic body sway in the anterior-posterior (AP) direction at 0.5 Hz; and (2) self-paced load release task in two conditions where the perturbation direction was either known or unknown (randomized by the experimenter). Surface electromyograms of 13 leg and trunk muscles as well as COPAP displacements were recorded and analyzed. The first task was used to identify four muscle modes (M-modes, muscle groups with parallel scaling of activation levels). Further, inter-trial variance in the M-mode space was quantified within the UCM and orthogonal (ORT) space. An index of synergy (∆V) was computed reflecting the relative amount of inter-trial M-mode variance within the UCM for COP AP. The index of multi-M-mode synergies showed a drop starting about 200 ms prior to the time of perturbation. These ASAs were similar across conditions. In contrast, the timing and structure of APAs differed depended on knowledge of the perturbation direction. Namely, APAs were delayed when the perturbation direction was unknown. In addition, analysis of co-activation and reciprocal activation within agonist–antagonist muscle pairs showed predominance of reciprocal patterns in conditions when the subjects knew the perturbation direction and co- activation patterns when the perturbation direction was unknown. The results demonstrate the existence of two separate mechanisms of feed-forward control of vertical posture. These findings potentially have implication for elucidating impaired postural control in neurological and musculoskeletal disorders and being incorporated in rehabilitation strategies.

INTRODUZIONE All’interno dell’ipotesi del uncontrolled manifold (UCM) sono stati esplorati due tipologie di aggiustamenti posturali anticipatori: aggiustamenti sinergici anticipatori (ASAs) ed aggiustamenti posturali anticipatori (APAs). Gli ASAs riflettono una diminuzione progressiva dell’indice di sinergia multimuscle-mode che stabilizza una variabile (e.g. coordinate antero-posteriori del centro di pressione, COPAP) in preparazione ad un rapido cambiamento in quella performance. Gli APAs, invece, sono interpretati come il risultato di segnali neurali atti a generare momenti di forza per ridurre gli effetti di eventuali perturbazioni prevedibili sulla postura. Se l’istante della perturbazione è conosciuto, gli ASAs sono funzionali per generare correzioni posturali indipendentemente dalla direzione della perturbazione. Al contrario, gli APAs sono utili solo se la direzione della perturbazione è conosciuta in anticipo. Obiettivo dello studio è stato esaminare gli ASAs e APAs in preparazione ad una perturbazione posturale auto-generata in due differenti condizioni: direzione della perturbazione conosciuta e non-conosciuta. Si è ipotizzato che gli APAs, al contrario degli ASAs, risultassero maggiormente sensibili alla preconoscenza della direzione della perturbazione. METODI Undici partecipanti sani in ortostatismo su piattaforma di forza hanno effettuato due task: (1) oscillazioni volontarie in direzione antero-posteriore a 0.5 HZ; (2) rilascio auto-generato di un carico in due condizioni: direzione della perturbazione (anteriore/posteriore rispetto al soggetto) conosciuta o non-conosciuta (randomizzata dal ricercatore). Sono stati acquisiti e analizzati i segnali elettromiografici di superficie (EMGs) di 13 muscoli (arto inferiore e tronco) e lo spostamento del COPAP. Il primo task è stato utilizzato per identificare quattro M-modes muscolari (gruppi di muscoli caratterizzati da pattern di attivazione parallela). Successivamente, la varianza inter-trail nel M-mode space è stata quantificata sia entro lo spazio del UCM sia perpendicolarmente (ORT) a questo per il COPAP. È stato calcolato l’indice di sinergia (∆V) che riflette la quantità di varianza inter-trial entro l’UCM. Inoltre, sono state quantificati indici di co-attivazione e attivazione reciproca (attività agonista-antagonista) di coppie di gruppi muscolari. RISULTATI ∆V ha mostrato una diminuzione di circa 200ms prima dell’inizio della perturbazione. Gli ASAs sono stati simili tra le due condizioni, con e senza la conoscenza della direzione della perturbazione (ANOVA non significativo per direzione). Al contrario, i tempi e la struttura degli APAs hanno presentato differenze rispetto alla conoscenza della direzione della perturbazione. Gli APAs sono comparsi in ritardo quando la direzione della perturbazione era sconosciuta (p < 0.05). Inoltre, l’analisi degli indici di co-attivazione ed attivazione reciproca hanno mostrato una maggiore presenza di pattern reciproci quando i soggetti conoscevano la direzione della perturbazione, mentre i pattern di co-attivazione erano più frequenti durante i trials senza conoscenza della direzione. DISCUSSIONE I risultati dimostrano l'esistenza di due distinti meccanismi di controllo feed-forward posturale fornendo supporto per un modello di controllo motorio basato su due gruppi di variabili, quelle che definiscono le grandezze desiderate delle variabili di performance di movimenti programmati (APAs) e quelle che definiscono la stabilità delle variabili di performance (ASAs). Questi risultati hanno potenziali implicazioni per chiarire la compromissione del controllo posturale nei disordini neurologici e potrebbero essere integrati in strategie riabilitative.