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Publicação
Frequency-Dependence Analysis of the Ankle Reflex Dynamics: Narrow Bandwidth vs. Wide Bandwidth
| Nome: | Descrição: | Tamanho: | Formato: | |
|---|---|---|---|---|
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Resumo(s)
The ankle is a complex and crucial part of the body movement. It plays a key role in human mobility, impact absorption, and balance. The presence of reflexes in this limb is highly significant in terms
of responses to injuries, monitoring neuromuscular function, maintaining stability, among other factors.
The current study aims to investigate the presence or absence of reflexes with variations in the frequency
bandwidth of the stimuli applied to the system. To achieve this, perturbations of the sum of sinusoids
type are applied in open-loop conditions to the ankle for two different frequency bandwidth: narrow
band (0.12Hz - 1.80Hz) and wide band (0.12Hz - 20Hz). This study was conducted with four healthy
participants in five different trials, and they were told to stay relaxed during the experiments and to not
contradict the stimuli. All of the outcome was considered as reflex dynamics. The respective frequency
response functions were obtained, along with data from electromyography that was acquired simultaneously. Results showed a difference in the reflex dynamics for different bandwidths when it comes
to the frequency response. Electromyography results did not show a significant difference for different
bandwidths. The frequency response gain is higher for wide band results, which means that the narrow
bandwidth has a higher stiffness. This conclusion can be explained by the synchronized firing rate of
afferent muscle spindles that leads to a synchronous motor unit firing. However, when the frequency of
perturbations are augmented, the likelihood of synchronized firing decreases. Because of this relation,
the reflex gain was traduced by the impedance/stiffness during this dissertation. Because the stretch reflex is also pronounced when the stiffness is also higher, it is coherent for the narrow band to present a
lower admittance gain and, consequently, a higher stiffness.
O tornozelo, uma parte multi-funções e fundamental do corpo humano, desempenha um papel crucial na mobilidade, absorvendo impactos e contribuindo significativamente para a estabilidade. Além da sua função primária na locomoção, esta articulação é essencial para minimizar riscos de lesões em atividades diárias, destacando-se também como um componente fundamental para manter o equilíbrio, em conjunto com outros elementos do sistema musculoesquelético. No contexto abordado, os reflexos no tornozelo se destacam como elementos de interesse, exercendo impacto significativo em várias dimensões. Esses reflexos desempenham um papel crucial ao responder a lesões, agindo de forma instantânea diante de perturbações ou situações de risco para evitar ou minimizar danos físicos. Além disso, sua importância se estende à monitorização da função neuromuscular. Destaca-se, por fim, a valiosa contribuição desses reflexos para a estabilidade postural, manifestando respostas rápidas e precisas diante de mudanças nas condições ou demandas de movimento. Neste contexto, a presença de reflexos no tornozelo emerge como um elemento de destaque e de interesse. Estes reflexos têm um impacto profundo em várias dimensões. Primeiramente, desempenham um papel crucial nas respostas a lesões. Quando ocorre uma perturbação súbita ou uma situação de risco, os reflexos associados ao tornozelo agem instantaneamente para evitar e/ou minimizar danos físicos. Além disso, é importante realçar o papel primordial dos reflexos na monitorização da função neuromuscular. Por fim, destaca-se a valiosa contribuição dos reflexos no tornozelo para a estabilidade postural. Isto ocorre através de respostas rápidas e precisas às mudanças nas condições ou nas demandas do movimento. Um dos tipos principais de reflexo que ocorre no tornozelo é conhecido como o reflexo de estiramento, também chamado de reflexo miotático. Este reflexo desempenha um papel crítico na manutenção do equilíbrio e na resposta a perturbações. Quando um indivíduo está em pé e por alguma razão perde o equilíbrio, os reflexos miotáticos são rapidamente acionados para ajudar na recuperação do equilíbrio. Os mecanismos neuromusculares permitem que o corpo responda instantaneamente a alterações nas condições do músculo, contribuindo para a estabilidade e para a coordenação durante o movimento. O reflexo de estiramento do músculo é um componente essencial do sistema de controle neuromuscular que opera em níveis subconscientes para manter a funcionalidade e a segurança do corpo. Este reflexo desempenha um papel fundamental no controlo neuromuscular e na manutenção do equilíbrio do corpo. Ele entra em ação quando ocorre um rápido estiramento de um músculo e envolve mecanismos neurológicos complexos. Os principais órgãos sensoriais envolvidos neste reflexo são os órgãos tendinosos de Golgi e os fusos musculares, com destaque para estes últimos. Os fusos musculares têm fibras intrafusais que estão conectadas aos neurónios sensoriais aferentes. Quando os fusos musculares detectam um estiramento no músculo, eles geram potenciais de ação. Estes sinais são então transmitidos pelos neurónios sensoriais aferentes até à medula espinal. Na medula espinal, os neurónios sensoriais aferentes estabelecem sinapses diretas com os neurónios motores α, que são responsáveis por inervar as fibras musculares extrafusais. Estas fibras musculares extrafusais são aquelas que efetivamente produzem a contração muscular. O processamento do reflexo de estiramento ocorre inteiramente na medula espinal, sem a necessidade de envolvimento direto do cérebro, tornando-o um reflexo monossináptico. Quando os neurónios motores α são ativados, eles enviam sinais para as fibras musculares extrafusais do músculo que está a ser estirado. Este processo desencadeia uma resposta rápida de contração muscular reflexa e involuntária no músculo estirado. O objetivo deste reflexo é restaurar o comprimento original do músculo, prevenindo assim a sobrecarga ou o estiramento excessivo que poderiam levar a lesões musculares. Estudos anteriores descobriram que entradas de alta frequência inibem os reflexos de estiramento, enquanto que entradas de baixa frequência os realçam devido à ressonância do fuso muscular e à consequente ativação síncrona das unidades motoras. Kearney et al. investigaram o impacto dos reflexos de estiramento na mecânica da articulação do tornozelo, concluindo que os mecanismos reflexos influenciam significativamente o comportamento da articulação, especialmente em condições de frequência específicas. Van der Helm et al. e Schouten et al. estenderam essa pesquisa para o braço humano, confirmando que os ganhos dos reflexos são mais proeminentes em baixas frequências. Estes enfatizaram a importância da eletromiografia (EMG) na avaliação da contração muscular durante tarefas de manutenção da postura. Estas descobertas destacam coletivamente a natureza dependente da frequência dos mecanismos reflexos. Nesta dissertação de mestrado em questão, o objetivo primordial é explorar minuciosamente de que forma os reflexos do tornozelo se manifestam em resposta a estímulos caracterizados por diferentes bandas de frequência. Para alcançar com sucesso este propósito, procedeu-se à aplicação de perturbações sob a forma de sinais sinusoidais diretamente no tornozelo, sob rigorosas condições que asseguraram um sistema em anel aberto. Estas perturbações foram habilmente administradas em duas faixas de banda de frequência distintas: uma com banda estreita, abrangendo frequências que variam entre 0,12 Hz e 1,80 Hz, e outra com banda larga, compreendendo frequências no intervalo de 0,12 Hz a 20 Hz. O binário (ou torque, τ) foi adotado como o sinal de entrada no sistema experimental, enquanto que o ângulo de deslocamento (α) assumiu a função de sinal de saída. Esta meticulosa abordagem permitiu uma análise detalhada e abrangente das respostas reflexas no contexto dos diferentes regimes de frequência aplicados. Além dos dados de resposta em frequência, em simultâneo, foram adquiridos dados de electromiografia. Um elétrodo foi posicionado no músculo gastrocnêmio e o outro elétrodo no músculo tibial anterior. Os resultados obtidos foram normalizados. Esta padronização foi feita a partir do máximo obtido através de um ensaio de contração máxima voluntária para cada um dos elétrodos, e teve como objetivo facilitar a comparação de resultados entre sujeitos e entre bandas de largura. Este estudo envolveu a participação de quatro indivíduos saudáveis, que receberam instruções claras para permanecerem relaxados e para não contrariarem os estímulos recebidos durante as experiências. Dadas as instruções, foi assumido que todas as respostas obtidas a partir destes participantes são indicativas da dinâmica dos reflexos no tornozelo. Os dados obtidos poderão eventualmente ter dinâmicas não-relacionadas com o reflexo, sendo esta uma restrição deste estudo. Ao longo desta dissertação, as respectivas funções de resposta em frequência também foram obtidas. Os resultados obtidos revelaram diferenças notáveis na dinâmica dos reflexos em relação às diferentes larguras de banda para o estudo da resposta em frequência. No entanto, os resultados da eletromiografia não evidenciaram variações significativas em resposta às diferentes larguras de banda. Especificamente, foi observado que o ganho da resposta em frequência foi mais acentuado nos resultados de banda larga, sugerindo que a banda estreita exibe uma maior rigidez. Primeiramente, é importante realçar que a rigidez está altamente conectada com o reflexo de estiramento. Como já foi provado por vários estudos, quanto maior a rigidez, mais proeminente também será a dinâmica dos reflexos. Por causa desta relação, o ganho do reflexo foi traduzido como a impedância/rigidez durante esta tese. A rigidez é um componente da impedância. A elevação da rigidez observada nos ensaios com banda estreita pode ser adequadamente elucidada ao considerar a taxa de sincronização dos fusos musculares. Ao introduzir perturbações, verifica-se um aumento na sincronização da atividade dos fusos musculares aferentes, resultando na ativação simultânea das unidades motoras. No entanto, à medida que a frequência das perturbações aumenta, observa-se uma redução na probabilidade de ocorrência desse fenômeno de sincronização. Este fenômeno ressalta a complexidade das interações dinâmicas entre os estímulos aplicados e as respostas neuromusculares. Assim sendo, a conclusão provenient desta pesquisa reforça de maneira contundente a hipótese inicial que postula uma variação significativa na dinâmica dos reflexos no tornozelo, influenciada de modo preponderante pela amplitude da banda de frequência dos estímulos aplicados. No entanto, é crucial observar que tal constatação foi ratificada exclusivamente mediante a minuciosa análise dos resultados obtidos por meio da resposta em frequência. Nesta análise, tornou-se manifesta a proeminência dos reflexos na faixa de frequência estreita, denotando a peculiar sensibilidade e responsividade do sistema do reflexo do tornozelo frente a variações na largura de banda dos estímulos a que é submetido. Esta constatação, portanto, não apenas valida a conjectura inicial, mas também proporciona uma visão aprofundada sobre a complexidade da interação entre os estímulos aplicados e as respostas reflexas, delineando a relevância de considerações mais pormenorizadas ao abordar a compreensão dos mecanismos subjacentes a tais fenômenos no âmbito experimental. Em relação aos dados extraídos da electromiografia, é imperativo salientar que as conclusões alcançadas não coincidiram com aquelas derivadas da análise da resposta em frequência. Este desvio de resultados é traduzido através da ausência de variações substanciais nas amplitudes das respostas observadas entre os estímulos caracterizados pela banda larga de frequência e aqueles associados à banda estreita. Esta discrepância entre os desfechos evidencia novamente a intricada natureza das respostas fisiológicas manifestadas pelo tornozelo diante de estímulos distintos, destacando, assim, a premente necessidade de aprofundamento nas investigações neste domínio específico. Este cenário ressalta a complexidade intrínseca dos fenômenos neuromusculares, indicando a viabilidade e relevância de pesquisas mais detalhadas para elucidar as nuances subjacentes a tais respostas e aprimorar a compreensão dos mecanismos envolvidos.
O tornozelo, uma parte multi-funções e fundamental do corpo humano, desempenha um papel crucial na mobilidade, absorvendo impactos e contribuindo significativamente para a estabilidade. Além da sua função primária na locomoção, esta articulação é essencial para minimizar riscos de lesões em atividades diárias, destacando-se também como um componente fundamental para manter o equilíbrio, em conjunto com outros elementos do sistema musculoesquelético. No contexto abordado, os reflexos no tornozelo se destacam como elementos de interesse, exercendo impacto significativo em várias dimensões. Esses reflexos desempenham um papel crucial ao responder a lesões, agindo de forma instantânea diante de perturbações ou situações de risco para evitar ou minimizar danos físicos. Além disso, sua importância se estende à monitorização da função neuromuscular. Destaca-se, por fim, a valiosa contribuição desses reflexos para a estabilidade postural, manifestando respostas rápidas e precisas diante de mudanças nas condições ou demandas de movimento. Neste contexto, a presença de reflexos no tornozelo emerge como um elemento de destaque e de interesse. Estes reflexos têm um impacto profundo em várias dimensões. Primeiramente, desempenham um papel crucial nas respostas a lesões. Quando ocorre uma perturbação súbita ou uma situação de risco, os reflexos associados ao tornozelo agem instantaneamente para evitar e/ou minimizar danos físicos. Além disso, é importante realçar o papel primordial dos reflexos na monitorização da função neuromuscular. Por fim, destaca-se a valiosa contribuição dos reflexos no tornozelo para a estabilidade postural. Isto ocorre através de respostas rápidas e precisas às mudanças nas condições ou nas demandas do movimento. Um dos tipos principais de reflexo que ocorre no tornozelo é conhecido como o reflexo de estiramento, também chamado de reflexo miotático. Este reflexo desempenha um papel crítico na manutenção do equilíbrio e na resposta a perturbações. Quando um indivíduo está em pé e por alguma razão perde o equilíbrio, os reflexos miotáticos são rapidamente acionados para ajudar na recuperação do equilíbrio. Os mecanismos neuromusculares permitem que o corpo responda instantaneamente a alterações nas condições do músculo, contribuindo para a estabilidade e para a coordenação durante o movimento. O reflexo de estiramento do músculo é um componente essencial do sistema de controle neuromuscular que opera em níveis subconscientes para manter a funcionalidade e a segurança do corpo. Este reflexo desempenha um papel fundamental no controlo neuromuscular e na manutenção do equilíbrio do corpo. Ele entra em ação quando ocorre um rápido estiramento de um músculo e envolve mecanismos neurológicos complexos. Os principais órgãos sensoriais envolvidos neste reflexo são os órgãos tendinosos de Golgi e os fusos musculares, com destaque para estes últimos. Os fusos musculares têm fibras intrafusais que estão conectadas aos neurónios sensoriais aferentes. Quando os fusos musculares detectam um estiramento no músculo, eles geram potenciais de ação. Estes sinais são então transmitidos pelos neurónios sensoriais aferentes até à medula espinal. Na medula espinal, os neurónios sensoriais aferentes estabelecem sinapses diretas com os neurónios motores α, que são responsáveis por inervar as fibras musculares extrafusais. Estas fibras musculares extrafusais são aquelas que efetivamente produzem a contração muscular. O processamento do reflexo de estiramento ocorre inteiramente na medula espinal, sem a necessidade de envolvimento direto do cérebro, tornando-o um reflexo monossináptico. Quando os neurónios motores α são ativados, eles enviam sinais para as fibras musculares extrafusais do músculo que está a ser estirado. Este processo desencadeia uma resposta rápida de contração muscular reflexa e involuntária no músculo estirado. O objetivo deste reflexo é restaurar o comprimento original do músculo, prevenindo assim a sobrecarga ou o estiramento excessivo que poderiam levar a lesões musculares. Estudos anteriores descobriram que entradas de alta frequência inibem os reflexos de estiramento, enquanto que entradas de baixa frequência os realçam devido à ressonância do fuso muscular e à consequente ativação síncrona das unidades motoras. Kearney et al. investigaram o impacto dos reflexos de estiramento na mecânica da articulação do tornozelo, concluindo que os mecanismos reflexos influenciam significativamente o comportamento da articulação, especialmente em condições de frequência específicas. Van der Helm et al. e Schouten et al. estenderam essa pesquisa para o braço humano, confirmando que os ganhos dos reflexos são mais proeminentes em baixas frequências. Estes enfatizaram a importância da eletromiografia (EMG) na avaliação da contração muscular durante tarefas de manutenção da postura. Estas descobertas destacam coletivamente a natureza dependente da frequência dos mecanismos reflexos. Nesta dissertação de mestrado em questão, o objetivo primordial é explorar minuciosamente de que forma os reflexos do tornozelo se manifestam em resposta a estímulos caracterizados por diferentes bandas de frequência. Para alcançar com sucesso este propósito, procedeu-se à aplicação de perturbações sob a forma de sinais sinusoidais diretamente no tornozelo, sob rigorosas condições que asseguraram um sistema em anel aberto. Estas perturbações foram habilmente administradas em duas faixas de banda de frequência distintas: uma com banda estreita, abrangendo frequências que variam entre 0,12 Hz e 1,80 Hz, e outra com banda larga, compreendendo frequências no intervalo de 0,12 Hz a 20 Hz. O binário (ou torque, τ) foi adotado como o sinal de entrada no sistema experimental, enquanto que o ângulo de deslocamento (α) assumiu a função de sinal de saída. Esta meticulosa abordagem permitiu uma análise detalhada e abrangente das respostas reflexas no contexto dos diferentes regimes de frequência aplicados. Além dos dados de resposta em frequência, em simultâneo, foram adquiridos dados de electromiografia. Um elétrodo foi posicionado no músculo gastrocnêmio e o outro elétrodo no músculo tibial anterior. Os resultados obtidos foram normalizados. Esta padronização foi feita a partir do máximo obtido através de um ensaio de contração máxima voluntária para cada um dos elétrodos, e teve como objetivo facilitar a comparação de resultados entre sujeitos e entre bandas de largura. Este estudo envolveu a participação de quatro indivíduos saudáveis, que receberam instruções claras para permanecerem relaxados e para não contrariarem os estímulos recebidos durante as experiências. Dadas as instruções, foi assumido que todas as respostas obtidas a partir destes participantes são indicativas da dinâmica dos reflexos no tornozelo. Os dados obtidos poderão eventualmente ter dinâmicas não-relacionadas com o reflexo, sendo esta uma restrição deste estudo. Ao longo desta dissertação, as respectivas funções de resposta em frequência também foram obtidas. Os resultados obtidos revelaram diferenças notáveis na dinâmica dos reflexos em relação às diferentes larguras de banda para o estudo da resposta em frequência. No entanto, os resultados da eletromiografia não evidenciaram variações significativas em resposta às diferentes larguras de banda. Especificamente, foi observado que o ganho da resposta em frequência foi mais acentuado nos resultados de banda larga, sugerindo que a banda estreita exibe uma maior rigidez. Primeiramente, é importante realçar que a rigidez está altamente conectada com o reflexo de estiramento. Como já foi provado por vários estudos, quanto maior a rigidez, mais proeminente também será a dinâmica dos reflexos. Por causa desta relação, o ganho do reflexo foi traduzido como a impedância/rigidez durante esta tese. A rigidez é um componente da impedância. A elevação da rigidez observada nos ensaios com banda estreita pode ser adequadamente elucidada ao considerar a taxa de sincronização dos fusos musculares. Ao introduzir perturbações, verifica-se um aumento na sincronização da atividade dos fusos musculares aferentes, resultando na ativação simultânea das unidades motoras. No entanto, à medida que a frequência das perturbações aumenta, observa-se uma redução na probabilidade de ocorrência desse fenômeno de sincronização. Este fenômeno ressalta a complexidade das interações dinâmicas entre os estímulos aplicados e as respostas neuromusculares. Assim sendo, a conclusão provenient desta pesquisa reforça de maneira contundente a hipótese inicial que postula uma variação significativa na dinâmica dos reflexos no tornozelo, influenciada de modo preponderante pela amplitude da banda de frequência dos estímulos aplicados. No entanto, é crucial observar que tal constatação foi ratificada exclusivamente mediante a minuciosa análise dos resultados obtidos por meio da resposta em frequência. Nesta análise, tornou-se manifesta a proeminência dos reflexos na faixa de frequência estreita, denotando a peculiar sensibilidade e responsividade do sistema do reflexo do tornozelo frente a variações na largura de banda dos estímulos a que é submetido. Esta constatação, portanto, não apenas valida a conjectura inicial, mas também proporciona uma visão aprofundada sobre a complexidade da interação entre os estímulos aplicados e as respostas reflexas, delineando a relevância de considerações mais pormenorizadas ao abordar a compreensão dos mecanismos subjacentes a tais fenômenos no âmbito experimental. Em relação aos dados extraídos da electromiografia, é imperativo salientar que as conclusões alcançadas não coincidiram com aquelas derivadas da análise da resposta em frequência. Este desvio de resultados é traduzido através da ausência de variações substanciais nas amplitudes das respostas observadas entre os estímulos caracterizados pela banda larga de frequência e aqueles associados à banda estreita. Esta discrepância entre os desfechos evidencia novamente a intricada natureza das respostas fisiológicas manifestadas pelo tornozelo diante de estímulos distintos, destacando, assim, a premente necessidade de aprofundamento nas investigações neste domínio específico. Este cenário ressalta a complexidade intrínseca dos fenômenos neuromusculares, indicando a viabilidade e relevância de pesquisas mais detalhadas para elucidar as nuances subjacentes a tais respostas e aprimorar a compreensão dos mecanismos envolvidos.
Descrição
Tese de mestrado, Engenharia Biomédica e Biofísica , 2023, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências
Palavras-chave
Reflexo de estiramento Articulação do tornozelo Bandas de frequência Fusos musculares Electromiografia Teses de mestrado - 2024