A comprehensive experimental characterization of muscle synergies in highly variable upper-limb exploration tasks

In recent years, muscle synergy analysis has become a standard methodology for extracting coordination features from electromyography (EMG), and for the evaluation of motor control in many contexts. Most previous studies have characterized upper-limb muscle synergies across a limited set of reaching movements. With the aim of future uses in motor control, rehabilitation and industrial purposes, this thesis (carried out at Consiglio Nazionale delle Ricerche, UOS Lecco, Human Motion Analysis Laboratory - Italy) provides a comprehensive characterization of upper-limb motor synergies in a variety of upper-limb tasks. As an innovative characteristic, the proposed study design includes a relevant number of spatial directionalities and considers subjective and environmental variability, rather than a very controlled set-up. 16 healthy subjects performed upper-limb hand exploration (EXP) tasks and point-to-point (PtP) movements in a comprehensive mapping of the upper-limb workspace, which was divided into several sectors (Namely: Frontal, Right, Left, Horizontal and Up). EMG from representative upper-limb muscles and kinematics were recorded to extract muscle synergies and explore the composition, repeatability and similarity of spatial synergies across subjects and directionalities, in a context of high variability of motion. The aim of the study is to characterize in detail the repertoire of muscle synergies of the upper-limb in healthy people: at first, providing an extract benchmark of upper-limb muscle synergies to be used for various purposes; secondly, evaluating the effects of the reduction of dimensionality of the dataset on the accuracy in reconstructing the original dataset of synergies; and finally, characterizing the spatial features of the sample of subjects included in the dataset. The main results indicate that in a context of high variability, a reduced set of muscle synergies may reconstruct the original EMG envelopes. Composition, repeatability and similarity of synergies are found to be shared across subjects and directionalities, but may vary depending on the data pre-processing. Extending the results of previous studies on a smaller set of conditions, a limited number of muscle synergies underlie the execution of a large variety of upper-limb tasks. However, the considered spatial domain and the variability seem to influence the number and composition of muscle synergies. Such detailed characterization of the modular organization of the muscle patterns for upper-limb control in a large variety of tasks may provide a useful reference for studies on motor control, rehabilitation, industrial applications and sports.

Negli ultimi anni, l'analisi delle sinergie muscolari è diventata una metodologia standard per estrarre caratteristiche di coordinamento dall'elettromiografia (EMG) muscolare e per la valutazione del controllo motorio in diversi contesti. La maggior parte degli studi passati hanno compiuto indagini mirate alla caratterizzazione delle sinergie muscolari relative all'arto superiore attraverso un set limitato di movimenti di raggiungimento/esplorazione. Pertanto, con l'obiettivo di utilizzi futuri negli ambiti del controllo motorio, della riabilitazione e in applicazioni industriali, questa tesi (svolta presso il Consiglio Nazionale delle Ricerche, UOS Lecco, Laboratorio di analisi del movimento) fornisce una completa caratterizzazione delle sinergie motorie dell'arto superiore in un'ampia varietà di movimenti dello stesso. Come caratteristica innovativa, lo studio proposto include un numero rilevante di direzioni nello spazio e considera la variabilità soggettiva e ambientale, piuttosto che adottare un assetto molto controllato. 16 soggetti sani hanno eseguito movimenti di “hand exploration” (EXP) e “point-to-point” (PtP) eseguendo una mappatura completa dell'area di lavoro dell'arto superiore, che è stata divisa in diversi settori (ovvero: Frontale, Destra, Sinistra, Orizzontale e Superiore). L'EMG dai muscoli più rappresentativi e la cinematica dell’arto superiore sono stati campionati per estrarre le sinergie muscolari e successivamente ne si è esplorata la composizione, la ripetibilità e la somiglianza tra soggetti e direzioni, in un contesto di elevata variabilità. Lo scopo dello studio è quello di caratterizzare in dettaglio il repertorio delle sinergie muscolari dell'arto superiore in un campione di persone sane: in primo luogo, per fornire un dataset di riferimento da utilizzare per vari scopi; in secondo luogo, per valutare gli effetti della riduzione della dimensionalità dei dati in ingresso sulla precisione di ricostruzione di quest’ultimi per mezzo delle sinergie; e infine, per caratterizzare le caratteristiche "spaziali" relative al controllo motorio del campione di soggetti inclusi nel protocollo. I risultati ottenuti indicano che in un contesto di alta variabilità, è possibile ricostruire gli inviluppi elettromiografici originali per mezzo di un numero ridotto di sinergie muscolari. È stata inoltre riscontrata una buona condivisione di composizione, ripetibilità e somiglianza delle sinergie tra soggetti e direzioni; indici che tuttavia possono variare a seconda del metodo di pre-processing dei dati. Estendendo i risultati di studi precedenti riferiti ad una serie più ridotta di condizioni, si può affermare che un numero limitato di sinergie muscolari sta alla base dell'esecuzione di una grande varietà di movimenti degli arti superiori; tuttavia, il dominio spaziale considerato e la variabilità sembrano influenzarne il numero e la composizione. Tale caratterizzazione dettagliata dell'organizzazione modulare dei muscoli per il controllo degli arti superiori in una grande varietà di movimenti può fornire un utile riferimento per svariati studi su controllo motorio, riabilitazione, applicazioni industriali e sport.