On the contribution of high-frequency inputs to the muscles in force control

Oscillations in the beta and gamma bands (13–30Hz; 37–70Hz) have often been observed in motor cortical outputs that reach the spinal cord, acting on motor neurons and interneurons. However, the frequencies of these oscillations are above the frequency range of muscle strength: the muscles in fact behave similar to low pass filters which are supposed to cut inputs with frequencies higher than 10 Hz. The common view was that the transformation of the motoneuron pool inputs into force is linear, for this reason possible roles for these oscillations are unclear, since if this transformation is linear, the high frequencies in the motoneuron inputs (e.g., 20 Hz from pyramidal tract neurons) would be filtered out by the muscle and have no effect on force control. Recent studies have demonstrated that a typical motor neuron pool has a non-linear behavior that enables the modulation of a high-frequency oscillatory input, suggesting a potential role in force control for cortical oscillations at frequencies at or above the beta band. In this study, a mathematical model biologically inspired by the neuromuscular system was created. The goal is to study how afferent inputs can change our interpretations regarding the controllability of muscle contractions, comparing the generation of force when high-frequency signals are input versus when signals are in the 0-5Hz band.

Oscillazioni nelle bande beta e gamma (13–30 Hz; 37–70 Hz) sono state spesso osservate nelle uscite corticali motorie che raggiungono il midollo spinale, agendo sui motoneuroni e interneuroni. Tuttavia, le frequenze di queste oscillazioni sono al di sopra della gamma di frequenza della forza muscolare: i muscoli infatti si comportano in modo simile ai filtri passa basso che dovrebbero tagliare ingressi con frequenze superiori a 10 Hz. L'opinione comune era che la trasformazione degli input del pool di motoneuroni in forza sia lineare, per questo motivo i possibili ruoli di queste oscillazioni non sono chiari, poiché se questa trasformazione è lineare, le alte frequenze negli input del motoneurone (ad esempio, 20 Hz dal tratto piramidale neuroni) sarebbero filtrati dal muscolo e non avrebbero alcun effetto sul controllo della forza. Studi recenti hanno dimostrato che un tipico pool di motoneuroni ha un comportamento non lineare che consente la modulazione di un ingresso oscillatorio ad alta frequenza, suggerendo un potenziale ruolo nel controllo della forza per le oscillazioni corticali a frequenze pari o superiori alla banda beta. In questo studio è stato creato un modello matematico biologicamente ispirato al sistema neuromuscolare. L'obiettivo è studiare come gli input afferenti possono cambiare le nostre interpretazioni riguardanti la controllabilità delle contrazioni muscolari, confrontando la generazione di forza quando vengono immessi segnali ad alta frequenza rispetto a quando i segnali sono nella banda 0-5Hz.