Caratterizzazione delle sinergie muscolari bilaterali degli arti inferiori durante il cammino in soggetti sani

Movement is one of the most important functions for the human being as it allows him to get in touch and interact with the surrounding world around him. Performing even the easiest movement involves the activation of very complex mechanisms. The central nervous system is the one responsible for motor control. It controls all the processes through which the stimuli are generated. The stimuli which reach the threshold at the neuromuscular junction, allow the muscles to contract neatly in time and space and thus generate movement same. The high number of degrees of freedom and the complexity that are present in the execution of each voluntary movement have led scholars to seek a mechanism that would simplify this process and they have founded in the muscular synergies. Thanks to the presence of muscle synergies, the central nervous system can, through a single impulse, simultaneously activate a group of muscles with a specific degree of activation and temporal trend. To extract muscle synergies we start from the electromyograms of the muscles taken into consideration. After they are filtered, rectified and normalized, it is possible to apply different factorization methods, all equivalent to each other. Among these, the most widely is the Non Negative Matrix Factorization (NMF), which allows factorizing a starting matrix (containing electromyograms) into two smaller matrices (containing synergies modules and primitives respectively) so that the product of these two matrices results into a matrix which is as similar as possible to the starting matrix. It is an iterative process that ends when the variation of the correlation coefficient between the starting matrix and the reconstructed one in the last 20 iterations is less than 0.01%. At the end of the iterative process, the number of columns of the matrix containing the modules, which corresponds to the number of rows of the matrix containing the primitives, represents the minimum number of synergies necessary to reconstruct the original signal. The goal of this work is to analyze bilateral synergies, compare their validity with the monolateral ones, and explore the additional information that can be obtained through this approach. To do this, the electromyograms of 8 lower limb muscles (4 for each limb) have been recorded: right and left rectus femoris, right and left biceps femoris, right and left anterior tibialis and right and left lateral gastrocnemius. After placing 22 markers and 8 bipolar electrodes following the configuration described by the Davis protocol, each of the 13 subjects (6 females and 7 males; age: 24.8 ± 3.5 years) has been asked to walk 5 times on a platform about 10 m long. The electromyograms recorded during their walks have been divided into steps, linked over time, filtered with a high-pass filter (F_C=50 Hz), rectified, filtered with a low-pass filter (F_C=20 Hz), normalized in amplitude and resampled on the gait cycles analyzed. By applying NMF to the data thus obtained, it has been found that four synergies are sufficient to describe the gait cycle in healthy subjects. The four extracted synergies represent four different phases of the gait cycle: loading response, propulsion, the stance terminal phase and the swing terminal phase. Analyzing the four synergies more carefully, it has been noted that they are symmetrical two by two: the synergy having a peak in the terminal stance phase of the right leg, also represents the loading response of the left leg. The synergy having its peak in the terminal phase of the oscillation of the lower right limb, also represents the propulsion of the lower left limb. This symmetry is noted not only by the activation of these synergies in specific phases of the gait cycle, but also by the activation/deactivation of the homologous muscles of the lower right and left limbs. Another aspect that has been observed is that in all four cases, the synergies follow the temporal trend of the activation of the muscle which are involved in the synergy itself. By comparing the bilateral muscle synergies with the unilateral ones found in the literature and extracted by applying the same algorithm, it has been noted that the temporal trend of the former is quite similar to the latter. As regards the modules, instead, there is correspondence when the muscles of the right leg are mainly active in the bilateral synergies (the first two synergies) whereas the activation of these muscles is less visible because of a greater activation of the muscles of the left lower limb in the last two synergies. Differently from most the studies about unilateral synergies present in the literature, the study of synergies obtained starting from bilateral EMG allows us not only to analyze the synergy itself but also to have information from both lower limbs and, therefore, to evaluate the coordination of the right limb and left limb, an aspect that we hypothesize can lead to a more complete analysis of neuromuscular coordination from the clinical point of view.

Il movimento è una delle più importanti funzioni per l’essere umano in quanto gli permette di entrare in contatto e interagire con il mondo che lo circonda. Eseguire un movimento, anche il più banale, prevede però l’attivazione di meccanismi molto complessi. Il sistema nervoso centrale è il sistema deputato al controllo motorio. Controlla infatti tutti i processi attraverso i quali vengono generati gli stimoli che, arrivando a soglia alla giunzione neuromuscolare, permettono ai muscoli di contrarsi ordinatamente nel tempo e nello spazio e generare così il movimento stesso. L’elevato numero di gradi di libertà e la complessità che sono presenti nell’esecuzione di ogni movimento volontario hanno portato gli studiosi a ricercare un meccanismo che permettesse di semplificare questo procedimento e l’hanno trovato nelle sinergie muscolari. Grazie alla presenza delle sinergie muscolari, tramite un singolo impulso, il sistema nervoso centrale può attivare contemporaneamente un gruppo di muscoli con uno specifico grado di attivazione e uno specifico andamento temporale. Per estrarre le sinergie muscolari si parte dagli elettromiogrammi dei muscoli presi in considerazione. Dopo averli filtrati, rettificati e normalizzati, è possibile applicare diversi metodi di fattorizzazione, tutti equivalenti tra loro. Tra questi il più utilizzato è la Non Negative Matrix Factorization (NMF) che permette di fattorizzare una matrice di partenza (contenente gli elettromiogrammi) in due matrici più piccole (contenenti rispettivamente moduli e primitive delle sinergie) tali per cui il prodotto di queste due matrici dia come risultato una matrice il più possibile simile alla matrice di partenza. È un processo iterativo che termina quando la variazione del coefficiente di correlazione tra la matrice di partenza e quella ricostruita, nelle ultime 20 iterazioni, è minore dello 0,01%. Alla fine del processo iterativo, il numero di colonne della matrice contenente i moduli, che corrisponde al numero di righe della matrice contenente le primitive, rappresenta il numero minimo di sinergie necessarie per ricostruire il segnale originale. Obiettivo di questo lavoro è analizzare le sinergie bilaterali, confrontarne la validità con quelle monolaterali ed esplorare le informazioni aggiuntive che è possibile ottenere mediante questo approccio. Per fare questo sono stati registrati gli elettromiogrammi di 8 muscoli degli arti inferiori (4 per ogni arto): retto femorale destro e sinistro, bicipite femorale destro e sinistro, tibiale anteriore destro e sinistro e gastrocnemio laterale destro e sinistro. Dopo aver posizionato 22 marker e 8 elettrodi bipolari seguendo la configurazione descritta dal protocollo di Davis, è stato chiesto a ognuno dei 13 soggetti (6 femmine e 7 maschi; età: 24,8 ± 3,5 anni) di camminare per 5 volte su una pedana lunga circa 10 m. Gli elettromiogrammi registrati durante le camminate sono stati suddivisi in passi, concatenati nel tempo, filtrati con un filtro passa-alto (F_C=50 Hz), rettificati, filtrati con un filtro passabasso (F_C=20 Hz), normalizzati in ampiezza e ricampionati sui cicli del passo analizzati. Applicando la NMF ai dati così ottenuti, è stato possibile capire che sono sufficienti quattro sinergie per descrivere il ciclo del passo in soggetti sani. Le quattro sinergie estratte rappresentano quattro fasi diverse del ciclo del passo: loading response, propulsion, la fase terminale di appoggio e la fase terminale di oscillazione. Analizzando più attentamente le quattro sinergie, è stato notato come queste siano simmetriche a due a due: la sinergia che ha il picco nella fase terminale di appoggio della gamba destra in realtà rappresenta anche il loading response della gamba sinistra così come la sinergia avente il picco nella fase terminale dell’oscillazione dell’arto inferiore destro rappresenta anche la propulsion dell’arto inferiore sinistro. Questa simmetria si nota non solo dall’attivazione di queste sinergie in specifiche fasi del ciclo del passo, ma anche dall’attivazione/disattivazione dei muscoli omologhi dell’arto inferiore destro e sinistro. Altro aspetto che è emerso durante l’analisi è che in tutti e quattro i casi, le sinergie seguono l’andamento temporale dell’attivazione del muscolo che prende maggiormente parte alla sinergia stessa. Confrontando le sinergie muscolari bilaterali con quelle monolaterali trovate in letteratura ed estratte applicando lo stesso algoritmo, si è notato come l’andamento temporale delle prime sia molto simile a quello delle seconde. Per quanto riguarda i moduli, invece, c’è corrispondenza quando ad essere attivi nelle sinergie bilaterali sono soprattutto i muscoli della gamba destra (prime due sinergie) mentre l’attivazione di questi viene nascosta da una maggior attivazione dei muscoli dell’arto inferiore sinistro nelle ultime due sinergie. Rispetto alla maggior parte degli studi presenti in letteratura che considerano le sinergie monolaterali, lo studio delle sinergie ottenute partendo da EMG bilaterali ci permette non solo di analizzare la sinergia in sé ma anche di avere informazioni da entrambi gli arti inferiori e quindi di valutare la coordinazione di arto destro e arto sinistro. Questo aspetto si ipotizza possa portare ad un’analisi più completa della coordinazione neuromuscolare dal punto vista clinico.