Muscle synergies during rectilinear and curvilinear walking in chronic post-stroke patients and age-matched healthy adults

Stroke is one of the main causes of disability and death in developed countries. The theory of muscular synergies describes and study how the Central Nervous System manages the complexity of the musculoskeletal system by adopting a modular organization of the muscles. Muscle synergy analysis has been used to describe a number of motor behaviors and to assess motor dysfunction in neurological patients. Here, muscle synergy analysis is leveraged to carry out a detailed study of muscle synergies during locomotion in chronic post-stroke patients. The gait of 12 post-stroke patients was assessed in different walking conditions (rectilinear and curvilinear), at different time sessions (before and after rehabilitation), and compared to the gait of 11 age-matched healthy controls. As there is not a standard method regarding the selection of the number of synergies, we implemented three different approaches and we found that the method based on the variability accounted for is the most sensible in detecting between-group differences. Comparison between patients and age-matched healthy subjects during locomotion showed that overall patients are characterized by a lower number of synergies, a higher level of muscles co-activation and that synergies are recruited for longer periods of time. Finally, we observed that a higher level of impairment in patients can be associated to a lower number of synergies, and that patients who increase the number of synergies after the rehabilitation treatment, show a lower muscles co- activation level and a higher gait speed compared to those registered before the treatment.

L’ictus è una delle principali cause di disabilità e morte nei paesi sviluppati. La teoria delle sinergie muscolare descrive e studia come il Sistema Nervoso Centrale, adottando una organizzazione modulare dei muscoli, gestisce la complessità del sistema muscoloscheletrico. In particolare, l’analisi delle sinergie è stata usata per descrivere un insieme di attività motorie e per stabilire il livello di disfunzione motoria in pazienti neurologici. In questo studio, l’analisi delle sinergie è stata utilizzata per studiare approfonditamente le sinergie muscolari durante la locomozione in pazienti cronici post-ictus. È stata analizzata la camminata di 12 pazienti in diverse condizioni di cammino (rettilineo e curvilineo), in due sessioni diverse (prima e dopo la riabilitazione), ed è stata paragonata a quella di 11 soggetti sani di analoga età. Poiché non esiste un metodo standardizzato per la selezione del numero di sinergie, abbiamo implementato tre diversi approcci trovando che, il più sensibile a rilevare differenze tra i gruppi è quello che si basa sulla variabilità ricostruita. Il confronto tra pazienti e soggetti sani durante la camminata ha dimostrato che i pazienti sono generalmente caratterizzati da un numero inferiore di sinergie, da un maggiore livello di co-attivazione muscolare e da un tempo maggiore di reclutamento delle sinergie. Infine, abbiamo osservato che un più alto livello di disabilità è caratterizzato da un numero inferiore di sinergie, e che i pazienti che riscontrano un incremento nel numero di sinergie dopo la riabilitazione, hanno livelli di co-attivazione muscolare più bassi e velocità di cammino più alte rispetto a quelle registrate prima del trattamento.