МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ АСПЕКТЫ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ОБШИРНЫХ МЫШЕЧНЫХ СИНЕРГИЙ ПРИ ЛОКОМОЦИЯХ УМЕРЕННОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ
PDF

Ключевые слова

мышечные синергии
локомоции
факторный анализ
метод главных компонент
беговой шаг

Как цитировать

Моисеев, С. А., Пухов, А. М., Михайлова, Е. А., & Городничев, Р. М. (2021). МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ АСПЕКТЫ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ОБШИРНЫХ МЫШЕЧНЫХ СИНЕРГИЙ ПРИ ЛОКОМОЦИЯХ УМЕРЕННОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ. Российский физиологический журнал им. И. М. Сеченова, 108(1), 24–35. https://doi.org/10.31857/S0869813922010101

Аннотация

Современные подходы к изучению двигательных синергий, как правило, включают рассмотрение синергетических эффектов на одном, реже двух уровнях организации нервной системы, и их взаимодействие в контексте решения разнообразных двигательных задач, в том числе локомоций. Однако даже при рассмотрении схожих по биомеханической структуре движений наблюдаются расхождения в некоторых аспектах изучения мышечных синергий, что объясняют применением разных методологических и вычислительных подходов, не учитывающих специфику рассматриваемых двигательных актов. Цель исследования заключалась в поиске оптимальных параметров предварительной обработки электромиографических сигналов и оценке их влияния на результаты извлечения обширных мышечных синергий в процессе локомоций умеренной интенсивности. Исследования выполнены на 10-ти спринтерах мужского пола, которые выполняли бег с умеренной интенсивностью на тредбане. Регистрировали электромиограммы 16-ти поверхностных скелетных мышц туловища, верхних и нижних конечностей. Мышечные синергии извлекали с помощью методов матричной факторизации с применением различных процедур предобработки исходных сигналов. Установлено, что лучшие результаты по извлечению синергий дает применение полосового фильтра в диапазоне 20 - 450 Гц с использованием после выпрямления дополнительной фильтрации 20 Гц. Количество извлекаемых синергий из разных периодов цикла бегового шага оказалось больше при использовании метода главных компонент и меньше при факторном анализе, а по показателю объясняемой дисперсии оба метода давали лучшие результаты, чем при рассмотрении целого цикла бегового шага. Количество синергий пропорционально снижалось по мере уменьшения количества исходных данных, а качество извлечения синергий снижалось при уменьшении количества анализируемых мышц. Результаты реконструкции исходных электромиографических сигналов методами факторизации данных оказываются более эффективными при рассмотрении различных периодов в сравнении с целым циклом бегового шага. Показатели извлечения мышечных синергий чувствительны к исходному набору электромиограмм, включенных в анализ.

https://doi.org/10.31857/S0869813922010101
PDF

Литература

Tresch M, Cheung V, d'Avella A (2006) Matrix factorization algorithms for the identification of muscle synergies: evaluation on simulated and experimental data sets. J Neurophysiol l95 (4): 2199-212. s://doi.org/10.1152/jn.00222.2005

Escalona M, Bourbonnais D, Goyette M, Le Flem D, Duclos C, Gagnon D (2021) Effects of varying overground walking speeds on lower-extremity muscle synergies in healthy individuals. Motor Control 25(2):234-251. s://doi.org/10.1123/mc.2020-0008

Kerkman J, Bekius A, Boonstra T (2020) Muscle Synergies and Coherence Networks Reflect Different Modes of Coordination During Walking. Front Physiol 11:751. https://doi.org/10.3389/fphys.2020.00751

Mileti I, Serra A, Wolf N, Munoz-Martel V, Ekizos A, Palermo E, Arampatzis A, Santuz A (2020) Muscle activation patterns are more constrained and regular in treadmill than in overground human locomotion. Front Bioeng Biotechnol 8:581619. https://doi.org/10.3389/fbioe.2020.581619

Rabbi M, Pizzolato C, Lloyd D, Carty C, Devaprakash D, Diamond L (2020) Non-negative matrix factorization is the most appropriate method for extraction of muscle synergies in walking and running. Sci Rep 10(1): 8266. s://doi.org/10.1038/s41598-020-65257-w

Turpin N, Uriac S, Dalleau G (2021) How to improve the muscle synergy analysis methodology? Eur J Appl Physiol 121(4):1009-1025. s://doi.org/10.1007/s00421-021-04604-9

Altenburger K, Bumke O, Foerster O (1937) Allgemeine Neurologie. Handbuch der Neurologie. Berlin.

Cheung V, Cheung B, Zhang J, Chan Z, Ha S, Chen C, Cheung R (2020) Plasticity of muscle synergies through fractionation and merging during development and training of human runners. Nat Commun 11(1):4356. s://doi.org/10.1038/s41467-020-18210-4

Lambert-Shirzad N, Van der Loos N (2017) On identifying kinematic and muscle synergies: a comparison of matrix factorization methods using experimental data from the healthy population. J Neurophysiol 117(1):290-302. s://doi.org/10.1152/jn.00435.2016

Gui K, Zhang D (2016) Influence of locomotion speed on biomechanical subtask and muscle synergy. J Electromyogr Kinesiol 30:209-215. https://doi.org/10.1016/j.jelekin.2016.07.010

Hajiloo B, Anbarian M, Esmaeili H, Mirzapour M (2020) The effects of fatigue on synergy of selected lower limb muscles during running. J Biomech 16:103-109. https://doi.org/10.1016/j.jbiomech.2020.109692

Santuz A, Brüll L, Ekizos A (2020) Neuromotor Dynamics of Human Locomotion in Challenging Settings. Science 23(1):100796. s://doi.org/10.1016/j.isci.2019.100796

Chia Bejarano N, Pedrocchi A, Nardone A, Schieppati M, Baccinelli W, Monticone M, Ferrigno G, Ferrante S (2017) Tuning of muscle synergies during walking along rectilinear and curvilinear trajectories in humans. Ann Biomed Eng 45:1204-1218. https://doi.org/10.1007/s10439-017-1802-z

Santuz A, Ekizos A, Kunimasa Y (2020) Lower complexity of motor primitives ensures robust control of high-speed human locomotion. Heliyon 6(10):e05377. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2020.e05377

Amundsen HS, Van Acker G, Luchies C, Cheney P (2018) Muscle synergies obtained from comprehensive mapping of the cortical forelimb representation using stimulus triggered averaging of EMG activity. J Neurosci 38(41):8759-8771. https://doi:10.1523/JNEUROSCI.2519-17.2018

Nishida K, Hagio S, Kibushi B, Moritani T, Kouzaki M (2017) Comparison of muscle synergies for running between different foot strike patterns. PLoS One 12(2):e0171535. https://doi:10.1371/journal.pone.0171535

Saito A, Tomita A, Ando R (2018) Muscle synergies are consistent across level and uphill treadmill running. Sci Rep 8:5979. s://doi.org/10.1038/s41598-018-24332-z

Barroso F, Torricelli D, Moreno J, Taylor J, Gomez-Soriano J, Bravo-Esteban E, Piazza S, Santos C, Pons J (2014) Shared muscle synergies in human walking and cycling. J Neurophysiol 112(8):1984-1998. s://doi:10.1152/jn.00220.2014

Madarshahian S, Letizi J, Latash ML (2021) Synergic control of a single muscle: The example of flexor digitorum superficialis. J Physiol 599(4):1261-1279. doi: 10.1113/JP280555