Postural adjustments to self-triggered perturbations under conditions of changes in body orientation

We studied anticipatory and compensatory postural adjustments (APAs and CPAs) associated with self-triggered postural perturbations in conditions with changes in the initial body orientation. In particular, we were testing hypotheses on adjustments in the reciprocal and coactivation commands, role of proximal vs. distal muscles, and correlations between changes in indices of APAs and CPAs. Healthy young participants stood on a board with full support or reduced support area and held a standard load in the extended arms. They released the load in a self-paced manned with a standard small-amplitude arm movement. Electromyograms of 12 muscles were recorded and used to compute reciprocal and coactivation indices between three muscle pairs on both sides of the body. The subject's body was oriented toward one of three targets: straight ahead, 60° to the left, and 60° to the right. Body orientation has stronger effects on proximal muscle pairs compared to distal muscles. It led to more consistent changes in the reciprocal command compared to the coactivation command. Indices of APAs and CPAs showed positive correlations across conditions. We conclude that the earlier suggested hierarchical relations between the reciprocal and coactivation command could be task-specific. Predominance of negative or positive correlations between APA and CPA indices could also be task-specific

Postural Synergies and Their Development

The recent developments of a particular approach to analyzing motor synergies based on the principle of motor abundance has allowed a quantitative assessment of multieffector coordination in motor tasks involving anticipatory adjustments to self-triggered postural perturbations and in voluntary posturalsway. This approach, the uncontrolled manifold (UCM) hypothesis, is based on an assumption that the central nervous system organizes covariation of elemental variables to stabilize important performance variables in a task-specific manner. In particular, this approach has been used to demonstrate and to assess the emergence of synergies and their modification with motor practice in typical persons and persons with Down syndrome. The framework of the UCM hypothesis allows the formulation of testable hypotheses with respect to developing postural synergies in typically and atypically developing persons

Is Power Grasping Contact Continuous or Discrete?

During power grasp, the number of local force maxima reflects either the central nervous system's preferential use of particular hand regions, or anatomical constraints, or both. Previously, both bimodal and trimodal force maxima have been hypothesized for power grasp of a cylindrical handle. Here we measure the number of local force maxima, with a resolution of 4.8 degrees, when performing pushing and pulling efforts in the plane perpendicular to the cylinder's long axis. Twelve participants produced external forces to eight targets. The number of contacts was defined as the number of local maxima exceeding background variance. A minimum of four and a maximum of five discrete contacts were observed in all subjects at the distal phalanges and metacarpal heads. We thus reject previous hypotheses of bimodal or trimodal force control for cylindrical power grasping. Since we presently observed only 4-5 contacts, which is rather low considering the hand's kinematic flexibility in the flexion plane, we also reject hypotheses of continuous contact, which are inherent to current grasping taxonomy. A modification to current grasping taxonomy is proposed wherein power grasp contains separate branches for continuous and discrete contacts, and where power and precision grasps are distinguished only by grasp manipulability.ArticleJOURNAL OF APPLIED BIOMECHANICS. 29(5):554-562 (2013)journal articl

Hijerarhije sinergija u ljudskim pokretima

This brief review addresses the problem of motor redundancy, which exists at many levels of the neuro-motor hierarchies involved in the production of voluntary movements. An approach to this problem is described based on the principle of abundance. This approach offers an operational definition for motor synergies using the framework of the uncontrolled manifold hypothesis. It is shown that hierarchical systems have inherent trade-offs between synergies at different control levels. These trade-offs have been demonstrated in experimental studies of human multi-finger pressing and prehension. They are likely to be present in other hierarchical systems, for example, those involved in the control of large groups of muscles. The framework of the equilibrium-point hypothesis offers a physiologically based mechanism, which may form the basis for hierarchies of synergies.Ovaj se pregledni rad bavi problemom motoričke redundancije (zalihosti) koja postoji na više razina neuromotoričkih hijerarhija uključenih u realizaciju voljnih pokreta. Opisan je pristup utemeljen na principu obilja (brojnosti). Pristup nudi operativnu definiciju za motoričke sinergije korištenjem okvira što ga pruža hipoteza neupravljanih slojeva (ljusaka). Pokazuje se da hijerarhijski sustavi posjeduju inherentne kompromise između sinergija na različitim razinama upravljanja. Ti se kompromisi mogu pokazati pomoću eksperimentalnih studija pritiska prstima ljudske šake. Vjerojatno je da su isti prisutni i u drugim hijerarhijskim sustavima, npr. onima uključenima u upravljanje velikim skupinama mišića. Okvir hipoteze ravnotežne točke nudi fiziološki utemeljen mehanizam koji može predstavljati osnovu za hijerarhije sinergija. Problem motoričke redundancije Svi neuromotorički procesi unutar ljudskoga ti-jela povezani s izvođenjem prirodnih voljnih pokreta uključuju nekoliko preslikavanja (mapiranja) tipa “od nekoliko na više”, kakva se uobičajeno smatraju problemom redundancije. Drugim riječima, ograničenja definirana ulazom (npr. zadatkom) ne definiraju jednoznačno uzorak izlaza (npr. uzorci rotacije zglobova, mišićne sile, aktivacije motoričkih neurona itd.) na način da postoji više (beskonačan broj, uobičajeno) rješenja. Problem je uočio Bernstein (1935, 1967), smatrajući ga središnjim problemom motoričkog upravljanja: “Na koji način središnji živčani sustav (SŽS) odabire jednoznačna rješenja iz brojnih, naizgled jednakih mogućnosti?” Tradicionalni način shvaćanja problema motoričke redundancije pretpostavljao je da SŽS rabi skup kriterija da bi pronašao jednoznačna rješenja takvih problema. Konkretno, mnoštvo optimizacijskih tehnika uporabljeno je za pristup tim problemima uključujući optimizaciju funkcija troškovi-korist, temeljenu na mehaničkim, psihologijskim i neuropsihologijskim varijablama (vidjeti pregled u Prilutsky, 2000; Osenbaum i sur., 1993; Latash, 1993). Princip obilja Gelfand i Tselin (1966) su usporedili mnoge ele-mente uključene na bilo kojem koraku generiranja pokreta s razredom studenata koji žele sa što manje rada izvršiti zadatak. Uveli su princip minimalnog međudjelovanja da bi opisali takve oblike velikih skupina elemenata. Prema tom načelu svaki element nastoji minimizirati svoje međudjelovanje s ostalima, s upravljačkim dijelom te s okolinom. Drugim riječima, svaki element nastoji minimizirati ulaz koji prima iz svih spomenutih izvora. Taj je princip u novije vrijeme razvijen u princip obilja (Gelfand i Latash, 1998). Prema njemu su problemi motoričke redundancije pogrešno formulirani. Preslikavanja tipa “od nekoliko na više”, tipična za takve probleme, ne bi trebalo gledati kao problem računalne naravi za upravljački sustav, nego pak više kao svojevrsni luksuz koji dozvoljava kombiniranje stabilnog funkcioniranja zadatka uz obavljanje ostalih zadataka i reagiranje na moguće ometajuće utjecaje okoline. Rješavanje problema motoričke redundancije ne uključuje izbor jednoznačnog, optimalnog rješenja, nego prije olakša-vanje čitave obitelji rješenja koje mogu biti jedna-ko uspješne u rješavanju problema. Broj tih obitelji rješenja puno je manji od ukupnog broja mogućih rješenja, što znači da se ipak događa neka vrsta selekcije. Taj pomak od traženja jedinstvenog rješenja prema definiranju pravila kojima se organiziraju obitelji rješenja rezultirao je novim pogledom na motoričke sinergije, paradigmatskim pomakom koji je doveo do izvedbene definicije sinergija i do stvaranja novog računalnog pristupa identifikaciji i kvantifikaciji sinergija. Sinergija - radna definicija Riječ “sinergija” rabila se u studijima ljudskog kretanja, kao i za opis motoričkih poremećaja više od stotinu godina. Općenito, definicija je bila sukladna s grčkim prijevodom “raditi zajedno”. U posljednje vrijeme, međutim, ta je riječ poprimila određenije značenje ukorijenjeno u principu obilja (detalj-no vidjeti u Latash, 2008). Postoje, naime, tri vrste sinergija. Prvo, kada je u zadatak uključen privi-dno redundantni skup elemenata, odabire se srednji uzorak raspodjele koji će karakterizirati prosječni doprinos svakog elementa. Drugo, kada se analizira nekoliko pokušaja izvedbe zadatka, izlazi elemenata mogu kovarirati, što je za zadatak korisno, tj. smanjuje se varijabilnost važne varijable u usporedbi sa situacijom koja bi se mogla očekivati kada kovarijacije ne bi bilo. To se svojstvo ponekad naziva kompenzacijom pogreške ili stabilnošću. Treće, isti skup elemenata može se rabiti za formiranje različitih sinergija, tj. različitih uzoraka kovarijacije koji su povoljni za različite varijable cjelokupnog sustava. To se svojstvo može nazvati stabilnošću. Samo sustavi koji mogu pokazati sva tri svojstva nazivat će se sinergijama. Nema apstraktnih sinergija – one uvijek nešto čine. Sinergija se, prema tomu, definira kao neuralna organizacija skupa elementarnih varijabla s ciljem osiguranja svojevrsnih svojstava stabilnosti (stabilizirati ili destabilizirati) varijable koja je izlaz sustava kao cjeline. Hipoteza neupravljanih ljusaka (UCM – uncontrolled manifold hypothesis) i hijerarhijsko upravljanje Uvedena definicija sinergije zahtijeva kvantitativnu metodu koja bi mogla razlikovati sinergiju od nesinergije, kao i kvantificirati sinergije. Takva je metoda razvijena u sklopu nekontroliranih višeslojnih hipoteza. Ona pretpostavlja da neuralni kontroler djeluje u prostoru elementarnih varijabla i u tom prostoru izabire potprostore koji odgovaraju željenoj vrijednosti uspješno izvedene varijable. Nadalje, kontroler organizira interakcije među elementima tako da je varijanca među elementarnim varijablama uglavnom ograničena UCM-om. Bilo je nekoliko pokušaja da se ponude mehanizmi koji mogu organizirati takvu vrstu kontrole – feedback perifernih senzora, feedback koji koristi uparivanje centralnih i povratnih neuralnih petlji, kontrolni anticipacijski program. Pojam referentne konfiguracije pruža privlačan okvir za analizu motoričkih sinergija. Taj okvir pretpostavlja hijerarhijski kontrolni sustav u kojemu je , na svakom stupnju hijerarhije, taj sustav redundantan, tj. proizvodi puno više izlaznih varijabli od broja ograničenja specificiranih ulaznim varijablama (kao na slici 3). Ostale karakteristike akcije mogu varirati na temelju sekundarnih zakonitosti, koje vjerojatno odražavaju optimizaciju nekih osobina izvedbe. Zato što je sustav redundantan, referentna konfiguracija na višem hijerarhijskom stupnju ne specificira sasvim nedvojbeno sve referentne konfiguracije na nižim stupnjevima. Izranjanje određenih nižerazinskih referentnih trajektorija može se temeljiti na mehanizmu povratne sprege ili na mehanizmu anticipacije (feed-forward). Stoga se hijerarhija kontrolnih razina, gdje svaka razina funkcionira na na-čelu kontrole ravnotežne točke, čini vrlo vjerojatnom strukturom koja podržava motoričke sinergije

Synergy as a new and sensitive marker of basal ganglia dysfunction: A study of asymptomatic welders

Multi-digit synergies, a recently developed, theory-based method to quantify stability of motor action, are shown to reflect basal ganglia dysfunction associated with parkinsonian syndromes. In this study, we tested the hypothesis that multi-digit synergies may capture early and subclinical basal ganglia dysfunction. We chose asymptomatic welders to test the hypothesis because the basal ganglia are known to be most susceptible to neurotoxicity caused by welding-related metal accumulation (such as manganese and iron)

Unconstrained three-dimensional reaching in Rhesus monkeys

To better understand normative behavior for quantitative evaluation of motor recovery after injury, we studied arm movements by non-injured Rhesus monkeys during a food-retrieval task. While seated, monkeys reached, grasped, and retrieved food items. We recorded three-dimensional kinematics and muscle activity, and used inverse dynamics to calculate joint moments due to gravity, segmental interactions, and to the muscles and tissues of the arm. Endpoint paths showed curvature in three dimensions, suggesting that maintaining straight paths was not an important constraint. Joint moments were dominated by gravity. Generalized muscle and interaction moments were less than half of the gravitational moments. The relationships between shoulder and elbow resultant moments were linear during both reach and retrieval. Although both reach and retrieval required elbow flexor moments, an elbow extensor (triceps brachii) was active during both phases. Antagonistic muscles of both the elbow and hand were co-activated during reach and retrieval. Joint behavior could be described by lumped-parameter models analogous to torsional springs at the joints. Minor alterations to joint quasi-stiffness properties, aided by interaction moments, result in reciprocal movements that evolve under the influence of gravity. The strategies identified in monkeys to reach, grasp, and retrieve items will allow the quantification of prehension during recovery after a spinal cord injury and the effectiveness of therapeutic interventions