Anticipatory postural adjustement of gait initiation in subjects with degenerative diseases: experimental study and dynamic model simulations

Anticipatory postural adjustments (APAs) represent a feedforward organization of a coherent set of motor commands (synergistic muscular activity) that are seen prior to an action producing a mechanical postural perturbation. Accordingly, APAs are fundamental in facilitating the set-up of the necessary condition of the forthcoming movement. This is clearly the case of gait initiation, during which the propulsive forces for the intended gait speed are generated. The study of APAs at gait initiation can therefore help understanding postural stability problems related to neurodegenerative diseases. In particular, in patients with great impairments due to disease severity, gait initiation is one of the few tasks available to investigate their locomotor behavior. This thesis collects computational simulations and experimental analyses of gait initiation patterns in adults with neurodegenerative diseases (i.e. Parkinson’s disease, Progressive Supranuclear Palsy). We have also investigated in healthy subjects the parameters of gait initiation that are influenced by anthropometrical measurements (e.g. distance between the feet) to better match patients and controls for comparisons. Patients showed several abnormalities in APAs production and execution and lead to relevant advances in our understanding of motor control towards new patient-tailored rehabilitation and pharmacological strategies. Particularly helpful to the interpretation of data was the evaluation of the synergic activity of distal postural muscles (i.e. tibialis anterior and soleus muscles) that resulted variably desynchronized, segmented and delayed in most of the patients. Finally, the development of a dynamic musculoskeletal model provided further information on the cause-effect relationships between the entity and the timing of the dorsiflexion of the ankle and the related displacement of the body mass. The simulation of pathological patterns of muscular activation further contributed to the interpretations of the results of the experimental section.

I movimenti anticipatori posturali (APA) rappresentano una organizzazione di tipo feed-forward di un insieme di comandi motori, visibili nelle sinergie muscolari, che si osservano prima di una perturbazione posturale. Pertanto, le APA hanno un ruolo chiave nel predisporre l’intero sistema all’esecuzione del successivo movimento. Questo è chiaramente il caso dell’inizio del cammino, durante il quale vengono generate le forze propulsive necessarie ad ottenere la velocità e la lunghezza del passo previsto. Lo studio delle APA nell’inizio del cammino può dunque aiutare a comprendere i problemi di stabilità posturale caratteristici delle malattie neurodegenerative. In particolare, nei pazienti con grandi compromissioni dovute alla gravità e allo stato avanzato della malattia, l’inizio del cammino è una delle poche attività attraverso le quali si può studiare il comportamento motorio in questi pazienti. Il presente lavoro raccoglie simulazioni computazionali e analisi sperimentali di modelli di inizio del cammino in pazienti adulti con malattie neurodegenerative (morbo di Parkinson e paralisi sopranucleare progressiva). Abbiamo, inoltre, esaminato i parametri dell’inizio del cammino in soggetti sani con l’intento di analizzare quali di essi sono influenzati da misure antropometriche (in particolare, dalla distanza tra i piedi prima dell’esecuzione del primo passo) per meglio confrontare i pazienti e i soggetti sani di controllo. I pazienti hanno mostrato diverse anomalie nella produzione e nell’esecuzione delle APA. Lo studio di tali variazioni rispetto ai soggetti sani ha portato ad un rilevante approfondimento della comprensione del controllo motorio in questi pazienti utile al suggerimento di nuove strategie riabilitative e farmacologiche su misura del paziente. Di particolare importanza per l'interpretazione dei dati è stata la valutazione dell'attività sinergica dei muscoli posturali distali (tibiale anteriore e soleo) che hanno motrato una desincronizzazione differente nei diversi gruppi di pazienti, con un’attività segmentata e ritardata nella maggior parte di essi. Infine, lo sviluppo di un modello dinamico muscoloscheletrico ha fornito ulteriori informazioni sulle relazioni causa-effetto tra l'entità e la tempistica della flessione dorsale della caviglia e il relativo spostamento della massa corporea. La simulazione di modelli di attivazione muscolare patologici ha ulteriormente contribuito alle interpretazioni dei risultati ottenuti nella sezione sperimentale.