Fractal dynamics during human running: speed influence and cognitive overload in a dual-task condition

Running is often perceived as an automatic gesture that requires a minimum intervention from high-levels cognitive areas. However, to move at constant speed without losing balance, visual, vestibular, somatosensorial and muscle-tendon inputs must be integrated to generate an energy affordable motor pattern, while spending much of the time on one foot only. The interplay, between this manifold of multiple sensory actuators and consecutive steps adjustments, generates not-stationary gait variables time series, which fluctuations exploit fractal dynamics influenced by biological and cognitive stressors (Hausdorff J.M., et al., 1996). This thesis interpreted the magnitude and the structure in time of those fluctuations as an expression of humans equifinality and as an index of the control enacted on the running. At the Motion Analysis Laboratory of the Victoria University of Melbourne (Victoria, Australia), thirty-two long-distance runners were asked to run on a motorized instrumented treadmill at nine different speeds under two conditions: (1) running without any specific task, (2) running while performing a cognitive test (dual-task condition). Three-dimensional motions of thirty-three retro-reflective and ten digitalized markers were recorded using a 14-NIR optic cameras Vicon system. The study aimed to challenge participants both cognitively and physically, attempting to elicit interference between the attentional demand requested by the cognitive and motor performances. The latter was fully described by computing, from a biomechanical model created on Vicon Nexus, step time and step length time series along with their distributional variability and statistical persistence. Detrended Fluctuation Analysis (DFA) was exploited to quantify subsequent steps’ temporal correlation, to yield insights about the underneath control. On an average basis, the running rhythmicity resulted not being influenced by the cognitive task, and all the participants reacted to the increase in speed by making longer steps but shorter in time. Whereas relative variability and step-by-step fluctuations’ persistence were significantly affected by the cognitive task. Hence, it was concluded that during the dual-task condition, steps are more attentionally controlled, exploiting a less persistent and less varied pattern. This change of strategy might be the result of a “safety first” approach inherited into the control system. That is, when overloaded by the cognitive task, to reduce the range of possible solutions and to not allow fluctuations to go uncorrected.

La corsa ѐ un gesto sportivo complesso, espressione di un duplice controllo sia automatico che volontario. Al fine di muoversi a velocità costante senza perdite di equilibrio, un sofisticato network integra per ogni passo stimoli visivi, vestibolari, somatosensoriali e muscolo-tendinei, generando uno schema motorio ripetitivo, ma con fluttuazioni di natura frattale (Hausdorff J.M., et al., 1996) . Queste fluttuazioni espresse dalle variabili cinematiche tra passi successivi, attorno ai propri valori medi, sono suscettibili sia a stress biologici che cognitivi . Trentadue corridori fondisti sono stati reclutati in uno studio condotto nel laboratorio di analisi del movimento della Victoria University di Melbourne (Victoria, Australia). Ai partecipanti ѐ stato chiesto di correre su di un treadmill motorizzato a nove diverse velocità, in due condizioni: (1) correre senza alcun compito specifico (condizione di “single-task”), (2) correre svolgendo un test cognitivo (condizione di “dual-task”). Traiettorie tridimensionali di trentatré marker retroriflettenti e dieci digitalizzati sono state registrate da 14 camere ottiche NIR. Da un modello biomeccanico creato in Vicon Nexus, sono state ricavate per ciascuna condizione le serie temporali di lunghezza e durata del passo da cui misure di variabilità relativa e di persistenza del segnale sono state estratte. Applicando i principi del “Dual-task Paradigm” lo studio si ѐ posto l’obiettivo di generare un’interferenza tra il controllo del gesto motorio e del compito cognitivo. Differenze significative in ampiezza e sequenza temporale delle fluttuazioni delle variabili cinematiche, sono state interpretate sia come un cambio dell’adattabilità del sistema che un cambio del livello di controllo nella corsa. Suddetta valutazione ѐ stata coadiuvata dall’analisi della persistenza delle serie temporali, attuata con la Detrended Fluctuation Analysis (DFA). Quantificando i valori medi ottenuti dalle variabili spazio-temporali ѐ stato concluso che la ritmicità della corsa non risulta influenzata dallo sforzo attenzionale richiesto dal test cognitivo. Infatti, tutti i partecipanti hanno reagito all’aumento della velocità accorciando i tempi tra passi successivi ed aumentandone la lunghezza. Al contrario, la variabilità relativa e la persistenza delle fluttuazioni sono risultate significativamente diminuite nella condizione di “dual-task”. Alla luce dei risultati ottenuti, ѐ stato possibile concludere che il test cognitivo ha indotto un aumento del controllo attivo e dell’aggiustamento tra passi successivi. Quest’ultimo ѐ stato interpretato dalla struttura meno varia e meno persistente delle fluttuazioni descritte nei tempi intra-passo. Il suddetto cambio di strategia potrebbe essere stato indotto da un meccanismo di prioritizzazione del controllo dell’atto motorio a favore della sua sicurezza. Ovvero, quando sovraccaricato da un compito cognitivo, l’adattabilità (intesa come possibili accoppiamenti tra variabili cinematiche) diminuisce e, al contempo, il controllo attivo impedisce alle fluttuazioni di persistere senza essere corrette.