ABSTRACT:
Lo scopo di questo progetto è stato valutare il controllo motorio nell’uomo mediante
l’applicazione di diverse tecniche di indagine inerenti il segnale elettromiografico di superficie.
Centro focale del progetto è stata anche l’interazione (e integrazione) di diversi sistemi di
acquisizione dati al fine di ottenere di volta in volta una descrizione dei fenomeni che fosse
adeguatamente precisa rispetto alle grandezze da misurare. Il controllo motorio è stato indagato,
a tre diversi livelli:
dallo studio strategie di reclutamento di un singolo muscolo, correlate con l’andamento di
parametri metabolici
all’interazione di diversi gruppi muscolari nell’esecuzione di uno specifico gesto
allo studio del controllo di un vasto numero di gruppi muscolari durante il cammino
ai rapporti tra reclutamento, sinergie muscolari e parametri metabolici in un test
incrementale all’ergometro a manovella.
Nella prima fase del progetto è stato messo a punto un procedimento per la stima della
velocità media di conduzione delle fibre muscolari (MFCV) durante contrazioni dinamiche. Una
volta individuato un metodo affidabile, esso è stato utilizzato per studiare le interazioni tra
MFCV e consumo di ossigeno durante un test incrementale al cicloergometro somministrato ad
atleti ciclisti di elevata qualificazione. Da questi primi studi risulta che la velocità di conduzione
è una grandezza affidabile (a diverse potenze meccaniche espresse) nello studio delle strategie di
reclutamento. Essa è risultata inoltre correlata con la soglia ventilatoria dei soggetti in esame.
La seconda fase del progetto ha visto coinvolti atleti pallavolisti di elite soggetti sani
moderatamente attivi durante l’esecuzione di serie di balzi verticali. Nei lavori derivanti da
questo esperimento, è stata messa in luce la relazione tra attivazione muscolare, efficacia ed
efficienza meccanica del gesto. In particolare è stato introdotto un coefficiente di coattivazione
utile nello studio della performance del gesto del balzo verticale, e sono stati utilizzati parametri
classici di interesse del segnale elettromiografico per ottenere informazioni sull’affaticamento
dei soggetti in esame. Dall’analisi effettuata risulta evidente come l’addestramento gestospecifico (i.e. balzo verticale) si rifletta non solo sulla potenza meccanica netta, ma anche sulla
strategia di attivazione muscolare da parte del sistema nervoso centrale.
L’ultima fase del progetto è stata indirizzata allo studio delle strategie di controllo applicato a
numerosi muscoli del corpo durante il cammino in pazienti affetti da stroke. Recenti teorie sul
controllo motorio si basano sul concetto di sinergia muscolare, ovvero, sulla considerazione che
il sistema nervoso centrale possa affrontare la gestione degli innumerevoli gradi di libertà del
corpo per mezzo di un alfabeto di rapporti di attivazione e un ristretto numero di segnali di
controllo relativamente semplici. Al fine di individuare le matrici di mutua attività muscolare e
dei possibili segnali di controllo sopraspinali è stato applicato un algoritmo di fattorizzazione
matriciale non negativa ai segnali muscolari estratti dall’attività elettromiografica di 32 muscoli
(16 per emicorpo) in soggetti sani e pazienti recentemente affetti da stroke. Alla base di questa
teoria, infatti,è stata ipotizzata una delocalizzazione a carico del midollo spinale di una parte del
controllo volontario del movimento; essendo lo stroke una lesione di tipo centrale, si è supposto
che il controllo dei muscoli nei pazienti potesse essere espresso tramite una serie di sinergie in
comune con i soggetti sani e segnali di controllo che differissero profondamente da quelli di
questi ultimi.
I risultati indicano la presenza di moduli di movimento comuni ai soggetti di controllo, e che
questi ultimi sono in grado di descrivere efficacemente il segnale dei singoli individui
appartenenti a quel gruppo. Tuttavia è emerso chiaramente come le sinergie (e i coefficienti di
attivazione) differiscano profondamente tra pazienti e soggetti sani, indicando che il controllo
motorio è influenzato dallo stroke in modo determinante. Non è stato possibile individuare
strategie di controllo condivise tra individui appartenenti al gruppo stroke.
L’ultimo studio ha indagato le interazioni tra sinergie muscolari e velocità di conduzione
delle fibre muscolari (associate a consumo di ossigeno e misure dell’infrarosso vicino) per
caratterizzare analogie e differenze nel controllo motorio di due distinte popolazioni di atleti di
elevata qualificazione.
Al fine di distinguere chiaramente la componente di fatica da quella di controllo in
condizioni ottimali essi sono stati sottoposti nell’ambito di un esercizio stereotipato (arm
cranking) a due diverse prove: la prima consistente nell’utilizzo dell’ergometro a manovella
durante prove a carico e velocità randomizzate, la seconda in un test incrementale di arm cycling.
Ad oggi i risultati preliminari di questo ultimo studio evidenziano come le due popolazioni
abbiano distinti comportamenti nei confronti del reclutamento delle fibre muscolari degli arti
superiori.
Abstract:
The aim of this project was to assess motor control strategies in healthy and pathologic individual by
means of surface EMG. A predominant aspect was to focus on the interaction (and integration) of
different instrumentations and procedures.
Motor control strategies have been assessed at different levels:
1) Motor control around a single joint, focusing on recruitment strategies and metabolic aspects.
2) Interaction of agonist/antagonist muscles around a single joint during a specific sport-oriented
task (vertical jump)
3) Motor strategies assessment on several muscles during a walking task in healthy subjects and
recently affected stroke patients.
4) Motor unit recruitment strategies and their correlation with muscle synergies and metabolic
parameters during a randomized and an incremental test on crank ergometer.
During the first phase of the project a reliable method for muscle fibers conduction velocity (MFCV)
estimation in dynamic cyclic contractions was assessed and tested. By means of this method interaction
between MFCV and metabolic parameters during a cycling incremental test administered to elite cyclists
was investigated.
Results showed a positive correlation between ventilatory threshold and motor unit recruitment.
The second phase of the project involved elite volleyball players and moderately active healthy controls
in a vertical jumping task. Mechanical and physiological parameters were evaluated. The aim of this part
of the project was the assessment of control strategies around the knee joint during vertical jump, and the
influence of specific task-related training. From amplitude of sEMG a coactivation index was calculated.
Results showed that elite athletes provide knee joint stabilization with different strategies and that their
strategy is more effective than the one used by healthy controls.
The third phase of the project was focused on the assessment of motor control on several muscles during
a free walking task. It has been hypothesized that the central nervous system can accomplish the control
of the immense number of degrees of freedom of the body by means of a small amount of control signals
and an alphabet of muscular activation sets also called muscle synergies. The approach of muscle
synergies has been used to assess differences in walking muscular pattern in healthy subjects and recently
affected stroke patients.
Muscle synergies analyses depicted different movement modules for stroke patients, but similar activation
coefficients.
In the last phase of the project, two populations of elite athletes (runners and swimmers) were compared
during an arm cranking exercise. A series of randomized power/revolution speed trial were performed,
followed by an incremental test at constant revolution rate until exhaustion. Muscle synergies and MFCV
were extracted from sEMG, while respiratory gas and muscular near infrared spectroscopy analyses
provided metabolic parameters assessment.
Still the results are merely preliminary, but a difference emerged in motor control of Latissimus Dorsi
muscle in the two populations during the incremental test, with results comparable with those obtained
from cyclist population.
