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Título: The feedforward control of posture and movement
Autores: Leonard, Julia Anne
Fecha: 2013
Publicador: McGill University - MCGILL
Fuente:
Tipo: Electronic Thesis or Dissertation
Tema: Biology - Neuroscience
Descripción: Goal-directed arm movements performed in the standing position potentially disturb the body's equilibrium as a result of the multi-linked structure of the musculoskeletal system. To compensate for these disturbances and ensure that stability is maintained, the central nervous system (CNS) organizes postural adjustments preceding and accompanying the voluntary movement in a feedforward manner (Massion 1992) using knowledge of the dynamics of the body (Bouisset and Zattara 1981). To date, most studies investigating the control of posture during voluntary movements in humans have focused on either the role of the postural activity preceding the movement or on the temporal structure of these anticipatory postural adjustments (APAs) with respect to the focal movement. As such, detailed knowledge about the spatial organization of postural activity is lacking. Furthermore, it is not clear how posture is coordinated when the goal of a voluntary movement changes online. Therefore, the studies in this thesis were aimed at addressing these questions to develop a greater understanding of the organization of feedforward postural control during voluntary movements. Muscle activity, kinetics and kinematics were recorded as subjects performed unperturbed and perturbed reaching movements to targets located in multiple directions while standing. Feedforward postural control strategies preceding and accompanying the reaching movements were quantified. Characterization of the spatial and temporal patterns of muscle activity and ground reaction forces of postural adjustments preceding reach movements revealed that muscle activity was directionally-tuned to reach direction and forces that were constrained to two principal directions. Also, muscle synergies were able to explain the spatial and temporal variability in postural muscle activity in the period preceding the reaching movements, suggesting that a modular organization of muscle recruitment is adopted for this task. Overall, these strategies are similar to those observed for feedback postural responses, suggesting that the CNS relies on shared neural structures for controlling posture in both modes of control. Lastly, the nature of postural control was examined when reaching movements were perturbed with a shift of the visual target after the reaching movement was initiated. Here, muscle activity in the legs was consistently modulated prior to changes in the muscle activity related to the online correction of the arm trajectory.Taken together, the findings of this thesis provide important insights into how the brain coordinates the control of posture and movement. This work provides a measure of feedforward postural control strategies in healthy, young adults as a first step to understanding how and why deficits in balance control may occur during the execution of voluntary movements in fall-prone individuals.
Les mouvements volontaires effectués dans la position debout peuvent engendrer des perturbations de l'équilibre en raison de la structure complexe du système musculo-squelettique. Pour amorcer ces perturbations et s'assurer que l'équilibre est maintenu, le système nerveux central (SNC) amorce le déplacement du centre de masse (CM) par la mise en jeu d'ajustements posturaux avant et accompagnant les mouvements programmés en mode proactif (Massion 1992) en utilisant des représentations internes du corps et de l'environnement. À ce jour, la majorité des études portant sur le contrôle de la posture lors des mouvements volontaires chez l'homme ont comme but soit l'identification du rôle ou la caractérisation de la structure temporelle de ces ajustements posturaux anticipateurs. Cependant, une connaissance approfondie concernant l'organisation spatiale de l'activité posturale est manquante. De plus, ce n'est pas évident comment la posture est coordonnée lorsque le but du mouvement change après le commencement du mouvement. Ainsi, les études présentées ici ont comme but de répondre à ces questions pour développer une meilleure compréhension de l'organisation centrale de la posture et le mouvement. Les signaux électromyographiques, les forces de réaction au sol et la cinématique tridimensionnelle ont été enregistrés pendant que les sujets effectuaient des mouvements de pointage vers des cibles distinctes dans la position debout. Les stratégies posturales organisées en mode proactif ont été quantifiées sans pertubations et avect des pertubations visuomotrices des movements d'atteinte. La caractérisation de l'organisation spatiale et temporelle de l'éléctromyographie et des forces appliquées au sol ont révélé que l'activité des muscles était biaisée vers la direction de pointage ('directionally-tuned') mais que les forces au sol étaient appliquées dans un nombre de directions limitées ('force constraint strategy'). De plus, la variabilité spatiale et temporelle de l'activité des muscles posturaux était expliquée par les synergies musculaires. Ceci suggère qu'une organisation modulaire est utilisée par le SNC pour faciliter la tâche de contrôle de la posture. Ces stratégies sont similaires à celles observées pour les ajustements posturaux compensatoires (à base de 'feedback' ou rétroaction), ce qui suggère que le SNC dépend des mêmes structures neuronales pour contrôler la posture dans la mode proactif et rétroactif. Par la suite, la nature du signal pour le contrôle de la posture a été examinée lors des mouvements de pointage qui ont été perturbés avec un déplacement de la cible visuelle après que le mouvement ait été commencé. Ici, l'activité musculaire dans les jambes était modulée avant la modulation de l'activité musculaire liée à la correction de la trajectoire du bras. Ensemble, les conclusions de cette thèse fournissent un aperçu important sur la façon dont le cerveau coordonne le contrôle de la posture et du mouvement. Les résultats présentés supportent la conclusion que les commandes centrales pour la posture et le mouvement interagissent dans le SNC, et que les structures neuronales sont partagées pour la posture organisée de façon anticipatoire, ou proactif, et compensatoire. Les stratégies posturales typiques dans les jeunes adultes en santé sont quantifiées et forment une base de données pour la comparaison avec des gens sujets au déséquilibre lors de la performance des mouvements volontaires.
Idioma: en