Perspectives on the modeling of the neuromusculoskeletal system to investigate the influence of neurodegenerative diseases on sensorimotor control

The understanding of the neurophysiological mechanisms underlying movement control can be much furthered using computational models of the neuromusculoskeletal system. Biologically based multi-scale neuromusculoskeletal models have a great potential to provide new theories and explanations related to mechanisms behind muscle force generation at the molecular, cellular, synaptic, and systems levels. Albeit some efforts have been made to investigate how neurodegenerative diseases alter the dynamics of individual elements of the neuromuscular system, such diseases have not been analyzed from a systems viewpoint using multi-scale models. This perspective article synthesizes what has been done in terms of multi-scale neuromuscular development and points to a few directions where such models could be extended so that they can be useful in the future to discover early predictors of neurodegenerative diseases, as well as to propose new quantitative clinical neurophysiology approaches to follow the course of improvements associated with different therapies (drugs or others). Therefore, this article will present how existing biologically based multi-scale models of the neuromusculoskeletal system could be expanded and adapted for clinical applications. It will point to mechanisms operating at different levels that would be relevant to be considered during model development, along with implications for interpreting experimental results from neurological patients342176186CONSELHO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO CIENTÍFICO E TECNOLÓGICO - CNPQCOORDENAÇÃO DE APERFEIÇOAMENTO DE PESSOAL DE NÍVEL SUPERIOR - CAPESFUNDAÇÃO DE AMPARO À PESQUISA DO ESTADO DE SÃO PAULO - FAPESP409302/2016-3; 312442/2017-3; 303809/2016-72015/21819-32015/14917-9; 2017/11464-

Avaliação dos efeitos da estimulação vibrotátil senoidal no controle neurofisiológico da força muscular

Orientador: Leonardo Abdala EliasTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoResumo: A realimentação das vias sensoriais periféricas é de suma importância, não apenas para a percepção sensorial, mas também para o controle neural dos movimentos voluntários. As aferentes cutâneas são responsáveis por uma ampla gama de sensações de toque e têm um papel crucial na modulação do comportamento motor. Um interessante efeito induzido pela estimulação dos mecanorreceptores cutâneos é a melhora do desempenho sensório-motor. O efeito benéfico da estimulação vibrotátil é atribuído à ocorrência de ressonância estocástica no sistema nervoso. A hipótese principal é que uma intensidade específica do estímulo vibrotátil aumentaria o influxo das aferentes, melhorando assim a integração sensório-motora no sistema nervoso central. Neste trabalho, pretendemos avaliar os efeitos de uma estimulação vibrotátil senoidal no controle neurofisiológico da força muscular. Primeiramente, exploramos os efeitos da estimulação vibrotátil senoidal na variabilidade da força muscular durante tarefas visuomotoras isométricas. Ademais, avaliamos a influência da intensidade de contração e lateralidade na melhora motora causada pela estimulação vibrotátil. Por fim, avaliamos as propriedades de disparos de uma população de unidades motoras registradas durante uma tarefa motora aprimorada pela estimulação vibrotátil. No final deste material, forneceremos novas interpretações dos mecanismos neurofisiológicos por trás da influência das aferentes sensoriais cutâneas no controle da força muscularAbstract: Peripheral feedback is of paramount importance not only for sensory perception but also for the neural control of voluntary movements. Cutaneous afferents are responsible for a wide range of touch sensation and have a crucial role in modulating motor behavior. An exciting effect induced by the stimulation of mechanoreceptors at the skin is the improvement of sensorimotor performance. The beneficial effect of vibrotactile stimulation is attributed to the occurrence of stochastic resonance in the nervous system. The central hypothesis is that a specific intensity of vibrotactile stimulus would increase the afferent inflow, thereby improving the sensorimotor integration in the central nervous system. In this work, we aim at evaluating the effects of a sinusoidal vibrotactile stimulation on the neurophysiological control of muscle force. We first explored the effects of sinusoidal vibrotactile stimulation on force steadiness during isometric visuomotor tasks. We further evaluated the influence of contraction intensity and handedness on the motor improvement caused by vibrotactile stimulation. Finally, we evaluated the firing properties of a population of motor units recorded during a motor-enhanced task. At the end of this material, we will provide novel interpretations on the neurophysiological mechanisms behind the influence of cutaneous sensory inputs on muscle force controlDoutoradoEngenharia BiomédicaDoutora em Engenharia Elétrica88881.134842/2016-01CAPE