Abstracts of: AGE RELATED EFFECTS OF MUSCLE FATIGUE ON THE NEUROMUSCULAR PROPERTIES OF THE HUMAN SYSTEM: CONSEQUENCES ON DYNAMIC STABILITY CONTROL AFTER SUDDEN PERTURBATIONS

ABSTRACT Falls and their related injuries are among the most common and serious problems in senescence. Therefore it is important to identify mechanisms related to stability deficits in order to develop effective exercise interventions. The age related loss in muscle strength can alter the force generation rate needed for balance corrections after sudden perturbations, and lead to deficient recovery behaviours. Nevertheless little is known regarding the effect of modifications in the neuromuscular system induced by fatigue on dynamic stability control during postural perturbations. In the present study, a controlled reduction of the neuromuscular capacities was experimentally induced by using fatigue as an intervention. This way it was possible to quantify the effect of a reduced neuromuscular capacity on postural behaviour. The main purpose of the present thesis was to investigate the effect of a decline in the capacities of the neural and mechanical system induced by submaximal fatiguing contractions on the dynamic stability control after forward falls in young and old adults. As currently there is a lack of information on whether the effect of fatiguing contractions on the neural and the mechanical system is age specific, it was first necessary to examine the effects of submaximal fatiguing contractions on the neuromechanical and morphological properties of the MTUs in young and old adults. Twelve young and twelve old adults performed various fatiguing protocols at different modes and intensities. In four studies, the neuromechanical and morphological properties of the leg extensor MTUs and the dynamic stability behaviour were measured in both fatigued and unfatigued conditions. Tendon properties were determined using a dynamometer and ultrasonography as well as kinematic analysis and electromyography for corrections (inverse dynamics and consideration of antagonistic co-contraction). For studying central fatigue electro-stimulation techniques (twitch interpolation) were used. Recovery behaviour was measured by motion analysis (kinematic and kinetic). The old adults had lower maximum moment and tendon stiffness of the leg extensors. Nevertheless, both young and old adults were capable to resist mechanical loading at strain levels up to 3-5% without changing their tendon’s mechanical properties independent of age. It was further demonstrated for the first time in literature that the age related changes in the morphological properties of MTU (shorter fascicles for the old adults) explain about 50% the enhanced muscle fatigue resistance observed in old adults. On the other hand there was no age specific interaction between voluntary activation and fatigue development. We further found that the old adults demonstrated a diminished ability to exploit mechanisms responsible for maintaining dynamic stability. However, fatigue induced decline in neuromuscular capacities did not diminish recovery performance after forward falls in either group. Both young and old adults were able to counteract the decline in muscle strength induced by submaximal fatigue by generating sufficiently proper postural corrections (including mechanisms of dynamic stability) after the sudden forward fall. ZUSAMMENFASSUNG Das Fallen und seine Folgen stellt eins der häufigsten und ernstesten Probleme der älteren Bevölkerung dar. Deswegen ist es wichtig Mechanismen die Stabilitätsdefizite mitbeeinflussen zu identifizieren, um auf dieser Basis effektive Trainingsinterventionen entwickeln zu können. Der altersbedingte Kraftverlust kann die Krafterzeugunsrate, die notwendig ist um das Gleichgewicht nach einer plötzlichen Störung wieder herzustellen, beeinflussen. Trotz dieser Wichtigkeit, ist bislang wenig über die Auswirkung der Ermüdung auf Veränderungen des neuromuskulären Systems und somit auf die Kontrolle der dynamischen Stabilität während plötzlicher Haltungsstörungen bekannt. In der vorliegenden Studie wurde durch Ermüdung eine kontrollierte Reduktion der neuromuskulären Kapazitäten experimentell hervorgerufen. Auf diese Weise war es möglich die Auswirkung der Reduktion der neuromuskulären Kapazitäten auf das posturale Verhalten zu quantifizieren. Das Hauptziel der Arbeit war die Auswirkung einer durch submaximale ermüdende Kontraktionen hervorgerufene Reduktion der neuromuskulären Kapazitäten auf die Kontrolle der dynamischen Stabilität während posturaler Störungen bei jungen und älteren Probanden zu untersuchen. Da zur Zeit Informationen bezüglich der altersbedingten Auswirkung ermüdender Kontraktionen auf das neuronale und mechanische System fehlen, war es notwendig vorab die Auswirkung submaximaler Kontraktionen auf die neuromechanischen und morphologischen Eigenschaften der Muskel-Sehnen-Einheit bei Jungen und Älteren zu untersuchen. Zwölf junge und zwölf ältere Probanden führten während der Untersuchung unterschiedliche ermüdende Protokolle mit unterschiedlichen Modi und Intensitäten durch. In vier unterschiedlichen Studien wurden die neuromechanischen und morphologischen Eigenschaften der Beinextensoren und die dynamische Stabilität nach simuliertem Vorwärtsfallen sowohl in ermüdetem als auch unermüdetem Zustand bestimmt. Die Sehneneigenschaften wurden mittels Dynamometrie, Bildgebendem Ultraschall, kinematischer Analyse und Elektromyographie (für Korrekturen: inverse Dynamik und Berücksichtigung der antagonistischen Ko-kontraktion) bestimmt. Die zentrale Ermüdung wurde mittels Elektrostimulation (twitch interpolation Technik) untersucht. Das Verhalten zur Wiederherstellung des Gleichgewichts wurde mittels Bewegungsanalyse (kinematische und kinetische) erfasst. Die älteren Probanden zeigten geringere Momente und Sehnensteifigkeit in den Beinextensoren. Allerdings waren sowohl junge als auch ältere Probanden in der Lage eine mechanische Belastung bis zu 3-5% Dehnung, ohne Veränderung der mechanischen Eigenschaften ihrer Sehnen standzuhalten. Es wurde zudem zum ersten Mal gezeigt, dass die altersbedingten Veränderungen in den morphologischen Eigenschaften der Muskel-Sehnen-Einheit (kürzere Muskelfasern älterer Probanden) ca. 50% der erhöhten Ermüdungsresistenz bei älteren Menschen erklären. Es gab jedoch keine altersbedingte Interaktion zwischen willkürlicher Aktivierung und Ermüdungsentwicklung. Ferner wurde gefunden, dass die Fähigkeit älterer Menschen, die untersuchten Stabilitätsmechanismen zu benutzen, verringert war. Die durch Ermüdung hervorgerufene Reduktion der neuromuskulären Kapazitäten hat aber die Fähigkeit das Gleichgewicht nach einer Störung wiederherzustellen nicht beeinträchtigt; weder bei den jungen noch bei den älteren Probanden. Beide Gruppen waren in der Lage der durch Ermüdung hervorgerufene Reduktion der Muskelkraft entgegenzuwirken, in dem sie nach plötzlichem simulierten Vorwärtsfallen, ausreichend angepasste posturale Korrekturen (auch Mechanismen der dynamischen Stabilität) ausführten

Center of Pressure Feedback Modulates the Entrainment of Voluntary Sway to the Motion of a Visual Target

Visually guided weight shifting is widely employed in balance rehabilitation, but the underlying visuo-motor integration process leading to balance improvement is still unclear. In this study, we investigated the role of center of pressure (CoP) feedback on the entrainment of active voluntary sway to a moving visual target and on sway’s dynamic stability as a function of target predictability. Fifteen young and healthy adult volunteers (height 175 ± 7 cm, body mass 69 ± 12 kg, age 32 ± 5 years) tracked a vertically moving visual target by shifting their body weight antero-posteriorly under two target motion and feedback conditions, namely, predictable and less predictable target motion, with or without visual CoP feedback. Results revealed lower coherence, less gain, and longer phase lag when tracking the less predictable compared to the predictable target motion. Feedback did not affect CoP-target coherence, but feedback removal resulted in greater target overshooting and a shorter phase lag when tracking the less predictable target. These adaptations did not affect the dynamic stability of voluntary sway. It was concluded that CoP feedback improves spatial perception at the cost of time delays, particularly when tracking a less predictable moving target.Peer Reviewe

Standing on unstable surface challenges postural control of tracking tasks and modulates neuromuscular adjustments specific to task complexity

Understanding the modulations of motor control in the presence of perturbations in task conditions of varying complexity is a key element towards the design of effective perturbation-based balance exercise programs. In this study we investigated the effect of mechanical perturbations, induced by an unstable surface, on muscle activation and visuo-postural coupling, when actively tracking target motion cues of different complexity. Four postural tasks following a visual oscillating target of varying target complexity (periodic-sinusoidal vs. chaotic-Lorenz) and surface (stable-floor vs. unstable-foam) were performed. The electromyographic activity of the main plantarflexor and dorsiflexor muscles was captured. The coupling between sway and target was assessed through spectral analysis and the system’s local dynamic stability through the short-term maximum Lyapunov exponent. We found that external perturbations increased local instability and deteriorated visuo-motor coupling. Visuo-motor deterioration was greater for the chaotic target, implying that the effect of the induced perturbations depends on target complexity. There was a modulation of the neuromotor system towards amplification of muscle activity and coactivation to compensate surface-related perturbations and to ensure robust motor control. Our findings provide evidence that, in the presence of perturbations, target complexity induces specific modulations in the neuromotor system while controlling balance and posture.Peer Reviewe

Inferring tendon mechanical properties using ultrasound imaging

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