• Non ci sono risultati.

The construction of motor spaces through typical development and in cerebral palsy

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Condividi "The construction of motor spaces through typical development and in cerebral palsy"

Copied!
109
0
0

Testo completo

(1)

PhD Course in Basic and Developmental Neuroscience Head: Prof. Giovanni Cioni

The construction of motor spaces through 

typical development and in children with 

cerebral palsy

Tutor Prof. Giovanni Cioni Candidate Vittorio Belmonti CYCLE XXIV (2009-2011) SSD MED39

(2)
(3)

Contents

Acknowledgements V Abbreviations VII 1 Introduction 3 The observation of spontaneous motor activity as a diagnostic tool 3 Motor development from spontaneous variability to goal­oriented  optimisation 3 The formation of motor trajectories: a bridge between different spaces 4 From locomotion to navigation, from action to cognition 5 2 Early diagnosis and prognosis of cerebral palsy 9 from a book chapter by Giovanni Cioni, Vittorio Belmonti and Christa Einspieler published in Cerebral Palsy, ed. by Roberta Shepherd (in press) Introduction 10 Techniques for the clinical assessment of the neonatal nervous system 11 Prechtl's method on the qualitative assessment of General Movements 13 Absent Fidgety Movements at 3­5 months is the most sensitive sign for CP prediction 16 Cramped­Synchronized General Movements at preterm and term age are a very specific predictive sign for spastic CP 17 The asymmetry of selective distal movements at 3 months predicts unilateral CP 17 GM features that can predict dyskinetic CP 19 Motor optimality scores and the prediction of CP severity 19 Integrating GM assessment with traditional neurological examination and neuroimaging techniques 20 Conclusions 21 3 The typical development of anticipatory orienting strategies and  trajectory formation in goal­oriented locomotion 23 by Vittorio Belmonti, Giovanni Cioni and Alain Berthoz (submitted) Introduction 25 Materials and methods 28 Results 38 Discussion 46

(4)

4 Short­term spatial memory for reaching and for navigation: typical development and differential impairment in cerebral palsy 51 by Vittorio Belmonti, Pierre Leboucher, Paola Brovedani, Cristiana Susino, Ylenia Capuzzo, Giovanni Cioni and Alain Berthoz (in preparation) Introduction 53 Materials and methods 56 Results 67 Discussion 75 5 Conclusions and future directions 83 Personal publications and scientific communications 85 References 87

(5)

Acknowledgements This doctoral thesis has been mainly carried out at the Department of Developmental  Neuroscience of the Fondazione Stella Maris, Calambrone (Pisa), Italy, directed by  Prof. Giovanni Cioni, in close collaboration with the Laboratoire de Physiologie de la  Perception et de l'Action (LPPA) of the Collège de France, Paris, directed by Prof.  Alain Berthoz. My work as a doctoral student has been thoroughly funded by La Fondation Motrice,  Paris. La Fondation Motrice (LFM) is a nonprofit institution founded in Paris in July  2006 from the joining of three previous associations and entirely devoted to promote  research in every field connected with cerebral palsy. My first two years were funded  by the 2008 call for projects, my last year by a new project, the Perception­Action­ Cognition­Environment   pilot   project   2011,   specifically   aimed   at   understanding   the  interconnection   between   these   four   aspects   of   behaviour,   for   the   improvement   of  assessment and treatment protocols. In addition, both the Fondazione Stella Maris and  the   LPPA   have   provided   the   necessary   equipments,   technical   support,   scientific  databases, secretarial services, rooms and, most importantly, human relationships. My first thanks are for all the children and families who have participated in the studies  I had the courage to propose to them. Sometimes I had to ask for their collaboration.  More often, I was convinced to hold on by their enthusiasm. To Prof. Giovanni Cioni I give my longest due thanks. I have always worked with him  since I first entered the specialty course for Child and Adolescent Neuropsychiatry as a  medical student, and he has never stopped believing in me since then. This PhD thesis has been entirely supervised and inspired by Prof. Alain Berthoz,  whom I thank for his neverending cognitive and moral support (that was often needed),  his scientific rigour, and his demanding qualitative standard, without which I would  have had much more rest and much less satisfaction. A number of people have helped me in several ways. I hope not to forget anyone.  Michele Coluccini, kinesiologist at the Fondazione Stella Maris, was my first mentor  and taught me part of what I know on motor development. We collaborated for some  years   and   started   together   the   study   on   locomotor   trajectories.   Sergio   Scapellato,  engineer, helped us create the experimental set­up. Giovanna Macrì and Vito Monaco,  engineers of the Scuola Superiore Sant'Anna (SSSUP), Pisa, contributed for a while to  data analysis. Chiara Martelloni, also engineer from the SSSUP, was involved in the  first steps of the project. Quang­Cuong Pham, Hideki Kadone, Delphine Bernardin and  Colas Authié, postdoctoral students at the LPPA, and Laura Marazzato, PhD student at  the LPPA and SSSUP, spent some of their time sharing with me their mehods, results  and interpretations. I cannot forget my feeling so confident at each and every new  explanation, and then getting lost again after some lonely hours in front of my laptop.  Many hours, unfortunately. Pierre Leboucher, formerly engineer and researcher at the LPPA created the Magic  Carpet, installed it in Pisa, inspired my early work with it and payed me two visits I  remember with great pleasure. Mohamed Zaoui, also engineer and researcher at the  LPPA, has created the virtual version of the Magic Carpet and the new digital version, 

(6)

which promises to be a big improvement for assessment and rehabilitation protocols.  Laura Piccardi and Prof. Cecilia Guariglia, neuropsychologists at the University La  Sapienza, Rome (now Laura teaches at the University of L'Aquila) had the brilliant idea  of the Walking­Corsi test, from which the Magic Carpet was born. They also had the  kindness of sharing with me their data and thoughts, greatly favouring the Magic  Carpet   project.   Prof.   Gilles   Kemoun   and   Anaick   Perrochon,   neurologists   and  researchers, are part of the Magic Carpet network, are studying the Magic Carpet task  in elderlies and have shared with me fundamental ideas, among which their analysis of  errors.   Prof.   Jacques   Droulez,   researcher   and   now   director   of   the   LPPA,   has  enlightened my thought about sequential analysis and inspired my method of error  analysis on the Magic Carpet. Paola Brovedani and Chiara Pecini, neuropsychologists  at the Fondazione Stella Maris, and Maria Chiara Di Lieto, PhD student, have helped  me   with   the   assessment   of   children   with   CP   and   with   the   unraveling   of  neuropsychological data.

I want to express my gratitude and friendship to Prof. Heinz Prechtl and all the tutors of  the GM Trust (in addition to Giovanni Cioni): Prof. Christa Einspieler, Prof. Fabrizio  Ferrari,   Prof.   Arend   Bos,   Maria   Federica   Roversi,   Paola   Bruna   Paolicelli,   Andrea  Guzzetta and Natascia Bertoncelli. We collaborated in many courses and discussions,  they taught me GM assessment (and much more) and made me the honour of accepting  me as official tutor of the Trust. I am deeply thankful to all the students of Child and Adolescent Neuro­psychomotricity  (there is no English word to express it correctly, Physical Therapy and Occupational  Therapy being far from its meaning) who worked at their theses under my supervision:  Ilaria Felici, Elisa Pucciarelli, Ylenia Capuzzo, Simone Giannotti and Cristiana Susino.  Ilaria also provided part of her family for enrollment to the study on trajectories, and  Ylenia spent three months with me administering tests and the Magic Carpet at school. Many thanks to Michela La Marca, the teachers and pupils of the Scuola Elementare G.  Viviani, Marina di Pisa, who enthusiastically participated in the Magic Carpet study. Many of  my  colleagues  and co­workers  at   the  Fondazione Stella Maris deserve  a  particular gratitude. I expressly refuse to cite all of them here, firstly because the list  would fill several pages, and secondly because their help was only loosely linked to the  present thesis. It had more to do with friendship and sentiments I cannot express in a  doctoral thesis (I have been told that tears are not accepted here). However, I want to  mention   Giuseppina   Sgandurra,   who   shared   with   me   her   own   PhD   work,   Andrea  Guzzetta, Roberta Battini, Paola Bruna Paolicelli and Silvia Perazza, who tutored me  for a long time and accorded me access to their patients. I would like to mention the three secretaries with whom I have worked the most:  Monica Casacci and Patrizia Neri at the Fondazione Stella Maris, and Emilie Gaillard,  at La Fondation Motrice. Samuele Lupi and Maria for the coffees and the beautiful rests they provided. I have always thought that my family should not enter this list, because I tend to  separate work from love and personal affairs. However, Silvia, my wife, has played a  joke on me by creating the beautiful cover of this thesis. I take this opportunity to thank  her for supporting my research efforts, and not loving me for the sake of their results.

(7)

Abbreviations AKD Average Kinematic Deviation ATD Average Trajectory Deviation CBT Corsi block­tapping test CI Curvature Index CP Cerebral Palsy CS Cramped­Synchronized FM Fidgety Movement GM General Movement GMFCS Gross Motor Function Classification System HHD Head­Heading Deviation LPPA Laboratoire de Physiologie de la Perception et de l'Action MC Magic Carpet MRI Magnetic Resonance Imaging MTD Maximal Trajectory Deviation PR Poor Repertoire SD Standard Deviation WM Writhing Movement

(8)
(9)

«Reason, by whose aspiring influence, We take a flight beyond material sense, Dive into mysteries, then soaring pierce, The flaming limits of the universe.» [...] And 'tis this very reason I despise. This supernatural gift, that makes a mite, Think he is the image of the infinite: Comparing his short life, void of all rest, To the eternal, and the ever blessed. This busy, puzzling, stirrer up of doubt, That frames deep mysteries, then finds 'em out. John Wilmot, Count of Rochester, A Satyr against Mankind You must not find symbols in everything you see. It makes life impossible. Oscar Wilde, Salomé

(10)
(11)

1

Introduction

This doctoral thesis has a wide scope, resulting from a research effort made in  three directions: to understand innate motor behaviour, to observe the shaping  of   voluntary   motor   actions   through   development,   and   to   trace   back   the  entanglement between movement and cognition in locomotor navigation. As it  usually   occurs   in   scientific   investigation,   the   result   was   by   no   means  comparable with the effort, but nonetheless all worth it.

The observation of spontaneous motor activity as a diagnostic tool

In  the   first  place,   I   have   been   involved   as  a   child   neurologist  in   the   early  diagnosis and prognosis of motor disorders. A deep change of paradigm has  taken place in neonatal and infant neurology in the last thirty years, from adult­ derived, analytical examination protocols to a more age­specific, global and  qualitative approach: Prechtl's method on the qualitative assessment of general  movements (GMs) (Cioni, Ferrari & Prechtl 1989; Einspieler et al. 2005a). This  has become a clinical gold standard, in particular for the early diagnosis of  cerebral palsy, thanks to its high reliability and non­invasiveness (Prechtl et al.  1997). Chapter 2 in this thesis is an account of the state of the art of the  methodology, its clinical application and functional meaning (Cioni et al., in  press). Motor development from spontaneous variability to goal­oriented  optimisation The speculative interest of GM assessment is of no less momentum than its  clinical power, for at least two reasons. Firstly, on the examiner's side, it provides a crystal­clear instance of how the  global and qualitative judgement can outperform the analytical and quantitative  one, when properly trained. This is an intensely pursued and beloved result of  GM history, whose expectation dates back to when Heinz Prechtl was taught the  power of Gestalt perception by his mentor, Konrad Lorenz (1959). Secondly, on the infant's side, it definitely points out the richness of innate  motor repertoire, its strict correlation with brain well­being and with the quality 

(12)

of later development. It must be stressed, and it will be never enough, that the  power of GM assessment, and in general of Gestalt perception, relies on the  global, phenomenological appreciation of movement quality, not on the analysis  of particular items and much the less on movement quantity. What contributes  the most to a positive judgement is the variability of motor patterns, i.e. their  neverending   variation   in   shape,   speed,   force,   anatomical   distribution   and  sequential organisation. In other words, normal GMs can be regarded as a sort  of motor babbling, featuring the widest possible range of variation in almost all  kinesiological features. On the opposite side, severely abnormal GMs feature a  complete lack of variation. In this perspective, GM assessment is in perfect agreement with the theory of  neuronal group selection (Edelman 1977; Sporns & Edelman 1993): voluntary,  goal­oriented   motor   actions   would   emerge   from   the   selection   of   successful  spontaneous   motor   patterns,   by   means   of   an   on­going   trial­and­error  sensorimotor   loop.   Variability   in   innate   motor   behaviour   (or,   maybe   better,  "variation", as proposed by Hadders­Algra in a recent review, 2010) should be  then considered the foundation of the later flexibility and optimisation of motor  solutions. As explained in the next paragraph and more in detail in Chapter 3,  one   of   the   key   signs   of   optimal   motor   coordination   in   adults   is   kinematic  stereotypy, which, in a sense, is the opposite of variation. Stereotypy is however  only one side of the coin, whereas the other is flexibility: only their integration  allows to select the best solution to attain a goal (optimisation).

In conclusion, the best imaginable motor repertoire in a mature individual is  made   up   of   accurately   selected,   and   therefore   stereotyped,   motor   patterns,  integrated   in   a   vast   repertoire   of   coping   solutions.   On   the   other   hand,   an  "optimality   concept"   was   coined   by   Prechtl   in   1980,   to   indicate   the   best  imaginable neurological condition at birth, which can be now identified with  the best possible quality of GMs, i.e. the maximal amount of variation. The  "optimal" motor development is then a journey from "optimal" variation to  "optimal" selection.

The formation of motor trajectories: a bridge between different spaces

Edelman's   theory   of   neuronal   group   selection   is   a   possible   answer   to   the  question   raised   by  Nikolaj   Bernstein   in   1935  (Bernstein   1967,   first  English  translation):  how  does  the  brain  cope  with  the  huge number  of  degrees  of  freedom offered by a multi­articulated body (Sporns & Edelman, 1993)? The  degrees of freedom problem is still central in modern movement science. Two  simple observations are at its basis: 1) more than one motor signal can lead to  the same spatial trajectory of a given end­effector, e.g. a hand (redundancy); 2) 

(13)

different end­effectors, e.g. a hand, a foot or the whole body, can easily produce  topologically   identical   trajectories,   even   those   body   parts   that   were   not  associated with that action during training (motor equivalence). In other words,  it is not the biomechanical chain to be encoded at the highest level of control,  but the Gestalt of the motor action (Bernstein, 1967).

This raises a yet unsettled question: is there a role for spatial cognition in motor  coordination,   or   are   movements   produced   by   a   direct   stimulus­response  coupling? The former hypothesis has been adopted by Alain Berthoz and his co­ workers at the Collège de France, with whom I have collaborated in the second  and third parts of my thesis. Their description of the close analogies between  hand­ and locomotor trajectories, from both a geometric and a kinematic point  of   view,   unveils   a   common   computational   module   for   movements   of   such  different biomechanical implementations (Vieilledent et al. 2005; Hicheur et al.  2005b).   Two   fundamental   principles   govern   the   formation   of   locomotor  trajectories in adults: 1) the walking direction is always anticipated by head­ and  eye­orientation (Grasso et al. 1998b; Bernardin et al. 2012), and 2) trajectory  geometry   and   kinematics   are   highly   stereotyped   in   a   world­centred   spatial  reference frame (Hicheur et al. 2007). Both findings point to the existence of a  top­down,   feed­forward   control   loop   for   locomotor   optimisation,   strongly  related to the cognitive representation of the external space (Pham et al. 2007;  Pham & Hicheur 2011). In Chapter 3, the first systematic investigation into the  typical   development   of   head   anticipation   and   trajectory   formation   in   goal­ oriented locomotion is presented (Belmonti et al., submitted). Our major finding  is that both behaviours are consolidated as late as in early adolescence, i.e. well  after the maturation of gait biomecanichal patterns and in a period when spatial  cognition definitely shifts to a preferential allocentric strategy (Bullens et al.  2010). From locomotion to navigation, from action to cognition Finally, having realized the strong entanglement between action, perception and  cognition, we have investigated the development of locomotor navigation in  healthy children and in children with cerebral palsy. Navigation is the process  or activity of accurately ascertaining one's position and planning and following   a   route  (OED).   It   is   a   complex   function,   requiring   several   basic   motor, 

perceptual and cognitive skills, and relying on different, sometimes concurrent  cognitive strategies (Berthoz et al. 1995; Berthoz 1997; Maguire et al. 1998;  O'Keefe et al. 1998; Chapter 4 in this thesis, for a review). To this respect, the  comparison between hand movements and locomotion has taught us another  lesson: encoding locations in the locomotor space is by no means the same as 

(14)

encoding locations in the reaching space. Inspired by previous work by Laura  Piccardi, Cecilia Guariglia and their co­workers at the University La Sapienza  in Rome (Piccardi et al. 2008; 2011; 2012), a new computerized tool for the  presentation and recording of spatial sequences in the locomotor space has been  devised: the Magic Carpet. The Magic Carpet employs the same spatial layout  of the classical Corsi Block­tapping Test for visual­spatial memory, but enlarged  to room size and with tiles to walk on instead of blocks to tap. It is equipped  with pressure sensors and LEDs under tiles, to record and cue the subject's  displacement.   In   Chapter   4,   the   results   of   its   first   application   in   typical  development   and   in   cerebral   palsy   are   presented   (Belmonti   et   al.,   in  preparation). On the basis of previous reports and of our findings on trajectory  formation,   we   hypothesized   that  navigational   strategies   would   show   major  changes during school age. The comparison of memory performance on the  table Corsi and on the Magic Carpet, however, did not reveal a major transition  between 6 and 12 years, but only a slow trend towards a relative advantage in  navigation   with   increasing   age   and   intellectual   level.   In   cerebral   palsy,  navigational skills were more often preserved than visual­spatial memory in the  reaching space. Only children with temporal brain lesions were less favoured in  navigation.   In   summary,   navigation   seems   more   an   opportunity   than   a  complication for most children with cerebral palsy, which is probably due to its  multi­sensory and multi­strategy nature, at least when all sources of spatial  information are available. To gain more insight into the cognitive strategies employed on the Magic Carpet  task, an automated routine for the analysis of incorrect responses has been lately  devised. Three global error measures are computed (topographic, topokinetic  and   length   errors),   yielding   a   classification   of   five   strategies:   1)   simple  omissions or insertions, 2) topokinetic encoding, 3) strict topographic encoding,  4) approximate topographic encoding, and 5) undetermined. Preliminary results  from healthy controls indicate that topographic encoding is greatly favoured at  all ages, except for short sequences of 3 or 4 tiles. We propose two possible  explanations:   1)   topokinetic   encoding   allows   for   a   more   synthetic  representation,   embedding   place   and   order   information   in   a   single  representation, but becomes impracticable when too many locations are to be  stored;   2)   topokinetic   encoding   is   closer   to   motor   programming,   being  accomplished in a completely egocentric reference frame, whereas topographic  encoding,   not   necessarily   but   preferably   accomplished   in   an   allocentric  reference frame, is closer to the structure of the external space: as stimulus  complexity increases, a topographic strategy becomes more efficient.

In summary, spatial cognition can be regarded as the top level of sensorimotor  control.   The   on­going   exploration   of   the   physical   world   leads   the   nervous  system to try and select the best available motor patterns. Initially, they are too 

(15)

variable (un­optimised) and, at the same time, too rigidly tied to the context in  which they have been learned. Some innate patterns are so rigid that they are  called "reflexes". Gradually, these patterns are optimised (by selection) and  integrated in an increasingly complex hierarchy of control levels. At the bottom  levels, neuronal groups still encode strictly body­related and highly automated  sensorimotor signals, but at the top levels, neuronal firing patterns become more  and more independent from body structure, and more and more coherent with  the world's structure (or, better, with the body­in­world structure). This leads to  increasing optimisation and flexibility in motor control, as well as in thought  (Kelly 1955; Guidano 1991). As soon as a new problem is faced, available  solutions are first tried, decomposed, and then further integrated in a novel,  more optimised and world­coherent coping solution. Finally, the most advanced  strategies stand out as examples of utmost elegance and embodied simplicity,  what Berthoz calls "simplexity" (Berthoz, 2009)

(16)
(17)

from a book chapter by Giovanni Cioni, Vittorio Belmonti and Christa  Einspieler, published in Cerebral Palsy, ed. by Roberta Shepherd (in press)

(18)

2

Early diagnosis and prognosis of cerebral palsy

Introduction 

The quality of care for the infants born with an extremely low birth weight, or  with   other   conditions   of   high   neurological   risk,   has   achieved   extraordinary  progress  in the last decades. Survival and quality of life have considerably  increased   for   these   children,   but   they   still   remain   at   risk   for   neurological  damage,   caused   by   perinatal   infections,   hypoxic­ischaemic   damage,  haemorrhagic insult, or by a combination of these factors. Negative outcome  includes   cerebral   palsy   (CP),   intellectual   disability,   perceptual   and   sensory  disorders, behavioural disorders and other. 

The incidence of CP in particular has been considered the marker of the quality  of neonatal care and utilized as outcome measure in many studies, although  cognitive   and   behavioural   problems   are   by  far   more   common.   Those   more  subtle disorders, but important for participation and quality of life as well, are  difficult to diagnose in the first weeks or months of life. Conversely, it is largely  agreed that an early diagnosis of CP should be possible, or better should be  necessary even in the neonatal period, for a number of reasons. 

Although   all   infants   discharged   by   a   NICU   and   potentially   at   risk   for   a  neurodevelopmental   disorder   should   enter   a   follow­up   programme,   children  diagnosed as carrying a CP require medical and social resources that are limited  in several countries. Furthermore, an early diagnosis of CP is necessary in order  to start early intervention, to tailor it according to the infant’s needs, to modify  positively the natural history of her/his condition, and to evaluate the results of  the intervention. Randomization of the subjects for early interventional trials,  based on neuroprotective drugs, environmental changes etc., requires detailed  prognostic data. Finally, another major reason for all the efforts made on early diagnosis of CP  deals with the information due to the parents, who obviously ask about the  neurodevelopmental outcome of their infants. Their questions are: “will he/she  be able to walk?” or “to take and use an object?”

Although  prognostic hints for a CP  are  needed  in  the neonatal period, many  textbooks and manuals still postpone the possibility of a diagnosis of CP to the  end of a so called “silent period”, lasting some weeks or even, for mild forms of  CP, some months after term age.

(19)

The   possibility  that  neonatal   neuroimaging  can   enable   recognition   of   brain  pathology  that may lead to CP  is today largely  accepted in terms of type and  timing of the brain lesions typical of the different forms of CP (Krägeloh­Mann  2004), although it is questioned by some authors (O’Shea et al. 1998). A recent  paper by De Vries et al. (2011) has unraveled the “myth” that CP cannot be  predicted by neonatal neuroimaging, when this technique is correctly applied.  The   authors   show   evidence   from   a   number   of   papers   that   a   severe,   non­ ambulatory CP can be predicted in the majority of cases by a combination of  sequential brain US and by MRI carried out at term age. Additional useful  indices  can be obtained by assessing the myelination of the PLIC (Posterior  Limb   of   the   Internal   Capsule)   and   DWI  (Diffusion­Weighted   Imaging)  techniques. Moreover, there are interesting research directions that may further  improve, by sophisticated MRI techniques, the prognostic value of neonatal  neuroimaging in the less severe forms of CP.  However, in most centres brain MRI requires the transfer of the infant from the  NICU. In addition, the equipment is   extremely expensive and therefore not  affordable for all centres and countries. It has also to be remarked that even the most advanced neuroimaging techniques  can only show structural changes of the brain and do not provide information on  the functional status of the nervous system. For this and other reasons, a clinical  assessment is always necessary. Techniques for the clinical assessment of the neonatal nervous system  Neonatal neurological examination is generally carried out through traditional  neurological   methods,   largely   based   on   muscle   tone   and   neonatal   reflexes.  However,   it   is   now   widely   recognized   that   the   human   nervous   system   can  express many complex and rapidly changing functions from as early as the first  weeks of gestation. Foetuses and newborns are complex organisms producing a  great deal of endogenously generated behaviours.  Some of the standard neurological examination methods, though standing as  milestones of modern infant neurology, are still influenced by considerations  drawn from adult neurology and experiments on animal models. For instance,  Saint­Anne   Dargassies   (1977)   developed   a   pioneering   examination   protocol  based on the evaluation of active and passive tone. Other methods were then  proposed in the following decades, including items for muscle tone, postural­ motor milestones and, in some cases, behavioural aspects.

The neurological examination protocol proposed in the same period by Prechtl  (Prechtl   1977)   (not   to   be   confused   with   the   method   the   same   author   later  proposed), has been standardized and validated only for the examination of 

(20)

infants  at   term.   It   includes   the   extremely  important   concept   of   behavioural  states,  but   many  of  its  items  are   still   based  on  muscle   tone  and   responses  integrated at a low­level in the CNS. Moreover, it is rather time­consuming and  cannot be applied to pre­term infants. 

The Neonatal Behavioural Assessment Scale (NBAS) is a technique developed  by Brazelton (Brazelton and Nugent 1973) for examining the behaviour of term  infants during the first couple of months of age. Its conceptual basis is founded  on   the   assumption   that   the   newborn   has   active   and   specific   responses   to  environmental stimulations, rather than passive behaviour. On the basis of the  NBAS, Als et al. (1982) standardized a behavioural scale for preterm infants,  the Assessment of Preterm Infant Behaviour (APIB), thought to be employed in  neonatal intensive care units also for providing and monitoring individualized  intervention programmes. These techniques are time­consuming and not easily  applicable   in   clinical   settings.   Moreover,   for   the   same   test   a   high   intra­ individual day­to­day variability in the responses has been shown (Sameroff,  1978). Their main applications are in research and early intervention protocols.  Currently, the most recently updated and extensively validated method for the  neurological   examination   of   pre­term   and   full­term   newborn   infants   is   the  Hammersmith Neonatal Neurological Examination (HNNE), firstly published  by Dubowitz  and Dubowitz  (1981) and updated by Dubowitz et al. (1999).  These authors adapted tests drawn from the previous works of Prechtl, Saint­ Anne Dargassies, and Brazelton, in a simplified and user­friendly proforma,  also   including   items   based   on   the   concepts   of   Prechtl   and   co­workers   on  spontaneous motor activity (see below). The items are organized in six sections:  posture   and   tone,   tone   patterns,   reflexes,   movements,   abnormal   signs,  behaviour. Typical normal and abnormal patterns are extensively described in  the manual (Dubowitz et al. 1999) and have proven easily recognizable and  clinically   useful   for   diagnosis   and   prognosis.   For   research   purposes,   an  optimality   score   for   full­term   and   preterm   newborn   infants   has   also   been  calculated (Mercuri et al. 2003). On the basis of the neonatal examination, the same authors also developed a  protocol for use after the neonatal period in infants up to 24 months of age: the  Hammersmith Infant Neurological Examination (HINE) (Dubowitz et al. 1999),  divided into three sections, one non­age­dependent neurological items, a second  providing a summary of motor milestones and a third made of three simple  behavioural items. Its prognostic value as to motor outcome has been found  high both in pre­term infants born before 31 weeks of gestation (Frisone et al.  2002) and in term infants with hypoxic­ischaemic encephalopathy (Haataja et  al. 2001).

Although   both   HNNE   and   HINE   have   been   tested   in   several   clinical   and  research   settings,   they   also   present   some   limitations.   Most   items   are   still 

(21)

correlated with muscle tone and reflexes and the distinction between normal  and abnormal patterns may turn out, to some extent, rigid and schematic, hardly  comprising the whole complexity of the infant's repertoire. Moreover, while  several   studies   have   reported   statistically   significant   correlations   between  clinical findings, and mid­ and long­term outcome, some others have reported a  relevant number of false positive and false negative results, especially among  preterm infants (see Volpe 2008, for a review of follow­up studies).

Prechtl's method on the qualitative assessment of General Movements The  basic   requirements   for  an  ideal   method   of  neurological  assessment  for  newborn infants were outlined by Heinz Prechtl as follows: it had to be non­ invasive, non­time­consuming, and highly sensitive to variations of the age­ specific functional repertoire (Prechtl, 1990). None of the traditional protocols  of  neonatal  neurological  assessment  matched  completely  these   criteria.  The  observation   and   categorization   of   all   spontaneous   movements   in   the   first  months of life led Prechtl and his co­workers to the identification of several  normal and abnormal  motor patterns. Among others, the so­called "general  movements" (GMs) were identified as on­going global movements involving all  body parts and appeared particularly suitable for assessment (Prechtl, 1990;  2001). This gave birth to Prechtl’s Method on the Qualitative Assessment of  General Movements in Preterm, Term and Young Infants (see the published  handbook: Einspieler et al. 2005a). Though based on global and qualitative judgment, GM assessment has proven a  very sound method. Its validity and reliability have been extensively evaluated  in a number of studies, mainly dealing with the prediction of CP (Prechtl et al.  1997;   Ferrari   et   al.   2002;   Cioni   et   al.   2000),   but   also   with   that   of   minor  neurological disorders (Bruggink et al. 2008; Einspieler et al. 2007; Groen et al.  2005), Rett Syndrome (Einspieler et al. 2005b and c), cognitive development  (Bruggink et al. 2010) and autistic spectrum disorders (Phagava et al. 2008). Normal GMs involve the whole body in a complex sequence of arm, leg, neck  and trunk movements. They wax and wane in intensity, force and speed, have a  gradual beginning and end. Rotations along the axis of the limbs and slight  changes in the direction of movement make them fluent and elegant and create  the impression of complexity and variability. GMs appear as early  as 9 to  12  weeks post­menstrual age (PMA) and continue after birth without substantially  changing their form until 46­49 weeks PMA, irrespective of when birth occurs.  At 46­49 weeks PMA a major change in form sets in, being fulfilled around 3  months post­term, when the so­called "fidgety movements" (FMs) appear. From 

(22)

5 to 6 months post­term, GMs fade out, while new, voluntary motor patterns  emerge.

Though   complex   and   variable   by   definition,   GMs   can   be   classified   into   a  limited number of recognizable patterns, related to PMA (post­menstrual age)  and either normal or abnormal. Normal GMs are described in Table 2.1.

Table 2.1 Typical time course of the normal patterns of General Movements

Pattern Age (wks. PMA) Description

Writhing Movements 

(WMs) Range: 9 to 49Peak: 40 (term) Variable amplitude, slow to moderate speed, typically ellipsoid  limb trajectories lying close to the  sagittal plane with superimposed  rotations.

Fidgety Movements 

(FMs) Range: 46 to 64Peak: 52 Smaller than WMs, moderate average speed with variable  acceleration in all directions,  migrating through all body parts as  an on­going flow of movement.  Continual in the awake infant,  except during fussing, crying and  focused attention. Legend: PMA=Post­menstrual age. As already stated, in the FM period various other motor patterns gradually  emerge and mingle with GMs, thus building up the so­called "associated motor  repertoire",   whose   richness   and   age­adequacy   have   been   related   to   the  optimality of later motor coordination (Bruggink et al. 2008) and cognitive  functioning (Bruggink et al. 2010).

GMs   of   infants   with   cerebral   impairment   lack   complexity,   fluency   and/or  variability. Abnormal GM patterns can be sorted into two groups depending on  whether   they   are   observed   before   or   after   the   onset   of   FMs,   i.e.   in   the  preterm/Writhing Movement  period or in the FM period. The description of  these patterns is reported in Table 2.2.

(23)

Table 2.2. Main abnormal patterns of GMs A) WM period Pattern Description Poor Repertoire (PR) Monotonous sequences, few movement  components, repetitive and not so complex as in  normal WMs. Fluency may be reduced too (but  usually more spared than complexity and  variability). Cramped­Synchronized  (CS) No complexity, fluency and variability: all limb and trunk muscles contract and relax almost  simultaneously. Chaotic (Ch) Large amplitude, high jerk and chaotic order  without any fluency or smoothness. Rare, often  evolving into CS. B) FM period Pattern Description Absent FMs (F­) FMs are never observed in the whole period. Abnormal FMs (AF) Fidgety­like movements, but amplitude, average  speed and jerkiness are exaggerated.

The   global   visual   perception   of   movement   quality   (Gestalt   perception)   has  proven a powerful and reliable instrument to recognize normal and abnormal  GMs, but only if scorers are properly trained and the technique is carefully  applied. A thorough description of the standardized assessment procedure can  be found in the GMs handbook (Einspieler et al. 2005a). Notably, the standard  GM assessment is performed off­line on selected video recordings, but it has  also proven reliable (especially in the FM period) when performed live, as part  of the routine neurological examination.

The   methodology   of   Prechtl's   GM   assessment   has   evolved   to   today's  standardized and highly reliable form through several years. Concerns about its  possible biases (e.g. because of poor validation in non­European countries) may  still arise (Darsaklis et al. 2011), but they are easily over­estimated if earlier  studies   are   considered   together   with   newer   ones,   or   if   results   obtained   in  different clinical populations (e.g. high­risk and low­risk babies) are mixed­up.  Recently, the most predictive features of GMs have been definitely pointed out 

(24)

and their clinical role extensively reviewed, as summarized in the following  paragraphs, especially in relation to the prediction of CP. Absent Fidgety Movements at 3­5 months is the most sensitive sign for CP  prediction In 1997, Heinz Prechtl and associates carried out the to­date most important  study on the predictive value of GM assessment, indicating it to be a reliable  and valid tool for distinguishing between infants who are at significant risk of  developing CP and infants who are not (Precthl et al. 1997a). The findings were  based   on   a   longitudinal   study   on   130   infants   who   represented   the   whole  spectrum of perinatal brain ultrasound findings. Central to the study were the  age­specific FMs, i.e. normal FMs observed at least once between 3 and 5  months post­term age. Ninety­six percent of the infants with normal FMs (N =  70) had a normal neurological outcome. Abnormal quality or total absence of  FMs were followed by neurological abnormalities (most of them CP) in 95% of  the 60 infants. Specificity and sensitivity of the assessment of FMs (96% and  95%, respectively) were higher than those of cranial ultrasound (83% and 80%,  respectively). Since then, various groups have emphasized the significance of  FMs   for   the   early   prediction   of   CP.  Burger   and   Louw   (2009)   reviewed   15  studies on the predictive value of FMs and reported a sensitivity > 91% and a  specificity > 81%. So far, the largest sample recruited in a longitudinal study  has been of 903 children, which yielded a sensitivity of 98% and a specificity of  94% (Romeo et al. 2008).

As   already   mentioned,   GM   assessment   is   based   on   global   and   qualitative  judgment, but has proven highly reliable and consistent, both inter­ and intra­ subjectively, especially in the FMs period. Its high level of objectivity has been  documented by an inter­scorer agreement ranging from 89% to 93%, and by an  average Kappa of 0.88, both obtained in a total of 15 studies (Einspieler et al.  2005a; Fjørtoft et al. 2009). Such high values can be achieved after a some days  of extensive training (Valentin et al. 2005). A high intra­individual consistency  of GM quality was demonstrated by Kappa values from 0.90 to 0.96 (Mutlu et  al. 2008). Notwithstanding that, because of the utmost importance of FMs for  prognosis, recent research has struggled to provide automated and objective  methods for their identification. A computer­based video analysis technique has  been   recently   developed   by   Adde   and  coworkers  (Adde  et  al.   2009;   2010),  yielding a sensitivity of 85% and a specificity of 88% for CP prediction.

The   mere  absence   of   FMs,   however,   has   never  been   found   specific   for   a  particular CP subtype, nor it can predict CP severity. This fact indicates that  several neural structures, at least the corticospinal fibres, the basal ganglia and 

(25)

the cerebellum, need be intact to generate normal FMs. The latter are thought to  be a necessary step for an optimal calibration of the sensory­motor system  (Prechtl, 1997b).  Interestingly enough, normal FMs are also absent in infants  with genetic disorders. FMs are thus very sensitive for prognosis, while other  motor   features,   combined   with   the   absence   of   FMs,   have   proven   useful   to  predict CP type and severity (see next paragraphs).

Cramped­Synchronized General Movements at preterm and term age are a  very specific predictive sign for spastic CP

As   mentioned,   fetal,   preterm   and   writhing   GMs   display   three   patterns   of  abnormality, among them the so­called ‘cramped­synchronized GMs’ (CS). CS  GMs   appear   very   rigid   and   abrupt,   all   limb   and   trunk   muscles   appear   to  contract almost simultaneously and relax almost simultaneously (Ferrari et al.  1990). If normal GMs are characterized by fluency, complexity and variability,  CS GMs lack all these three main features. Observing this pattern consistently  over several weeks is highly predictive (98%) for the eventual development of  spastic CP (Table 2.3) (Prechtl et al. 1997a). The sooner CS GMs evolve and the  longer they last, the more severe the future motor impairment will be (Ferrari et  al. 2002). Conversely, transient  CS feature  (i.e. observed on one of several  longitudinal   observation   of   the   same   infant),   usually   does   not   predict   CP.  Moreover, CS GMs are not very sensitive (may lack or be inconsistent in CP)  and do not usually occur in children with non­spastic CP.

The   asymmetry   of   selective   distal   movements   at   3   months   predicts  unilateral CP As already stated, children with spastic CP show abnormal GMs during their  first weeks of life and have no FMs at 3 to 5 months postterm age, which is also  true for unilateral forms. By the way, this finding denies the presence of a 'silent  period' in children with unilateral CP (Cioni et al. 2000; Guzzetta et al. 2001).  At about 2 to 4 months post­term, the first asymmetries can also be observed  (Table 2): the  so­called ‘segmental movements’ (i.e. isolated finger and toe  movements which are part of the spontaneous motor repertoire) are reduced or  even absent in the side  contralateral to the lesion, regardless of head position  (Cioni   et   al.   2000;   Guzzetta   et   al.   2001;   2009).   Noteworthy,  at   this   age  neurological examination may still yield normal results (see below).

(26)

Table 2.3 Developmental trajectories with a high predictive power for normal  development and the development of CP.

GMs during

preterm age Writhing GMs(at term) Fidgety GMs(3-5 months) Neurological outcome Reference

Poor repertoire

or normal GMs Poor repertoire or normal GMs Normal fidgety movements Normal Prechtl (1990; 1997; 2001), Ferrari et al. (1990), Prechtl et al. (1997), Cioni et al. (1997a; b), Hadders-Algra (2004), Einspieler et al. (2004; 2005a) Poor repertoire or cramped-synchronized GMs

Cramped-synchronized GMs Absence of fidgety movements; abnormal findings in neurological examination

Bilateral spastic CP Prechtl (1990), Prechtl et al. (1997; 2001), Ferrari et al. (1990; 2002; 2011), Cioni et al. (1997a; b), Einspieler et al. (2004; 2005), Hadders-Algra (2004), Snider et al. (2008), Romeo et al. (2008), Bruggink et al. (2009), Spittle et al. (2009), Spittle et al. (2010), Adde et al. (2010), Hamer et al. (2011), Burger & Louw (2011) Poor repertoire or cramped-synchronized GMs Poor repertoire or cramped-synchronized GMs Absence of fidgety movements and asymmetrical segmental movements; normal or abnormal findings in neurological examination Unilateral spastic CP Cioni et al. (2000), Guzzetta et al. (2003; 2010), Einspieler et al. (2004), Romeo et al. (2008), Einspieler (2008) Poor repertoire GMs Poor repertoire GMs, circular arm movements and finger spreading Absence of fidgety movements, absence of foot-to-foot contact, circular arm movements and finger spreading

Dyskinetic CP Einspieler et al. (2002; 2004)

(27)

GM features that can predict dyskinetic CP

Until the second month post­term, infants who will later become dyskinetic  show a so­called ‘poor repertoire' (PR) pattern of GMs (Einspieler et al. 2002).  A monotonous sequence of movement components and a lack of complexity  characterize PR GMs (Ferrari et al. 1990). Apart from the PR pattern, which is  by   no   means   specific,   these   infants   have   been   found   to   move   their   arms  repeatedly   and   stereotypically   in   circle   and   to   spread   their   fingers   in   an  exaggerated manner (Einspieler et al. 2002). Characteristically, these abnormal  circular arm movements are present at least until the age of 5 months post­term.  They are uni­ or bilateral, monotonous, slow forward rotations originating in the  shoulder. From 3 to 5 months, FMs and limb movements towards the mid­line  (particularly foot­to­foot contact) are absent (Table 2.3). Motor optimality scores and the prediction of CP severity A semi­quantitative assessment of GM quality can be achieved by applying  Prechtl's optimality concept (Prechtl 1980). A score for optimal or non­optimal  performance is given to every movement criterion, such as amplitude, speed,  movement character, sequence, range in space, onset and offset of GMs. Two  different optimality scoring lists have been reported: the first one for preterm  and term age (Ferrari et al. 1990); and the second one covering the whole motor  behaviour, not only GMs, of 3­ to 5­month­old infants (Bos et al. 2003). In fact,  as previously mentioned, the motor repertoire of infants aged 3 to 5 months  consists not only of FMs but also of other motor patterns, e.g. kicking, swiping  and wiggling­oscillating arm movements, movements towards the midline, leg  lifts, arching and axial rolling (Einspieler et al. 2008). The motor optimality  score at 3­5 months is thus the sum of five components: 1) the presence and  quality of FMs, 2) the presence and normality of other movement patterns, 3)  the presence and normality of postural patterns, 4) the age­adequacy of the  concurrent motor repertoire, 5) the quality of the concurrent motor repertoire.  The presence and quality of FMs is always the most important feature and is  weighted more than the other components.  GM optimality scores can be used for statistical calculations and comparisons  with other measures, especially in research settings. Optimality scoring should  never be carried out prior to or together with the global assessment of GMs by  means   of   Gestalt   observation,  as  the   latter  is  easily   disrupted   by   detailed  analysis.

A recent study by Bruggink et al. (2009) investigated into the predictive value of  the motor optimality score at 3­5 months, in relation to the level of self­mobility 

(28)

of   CP   children   at   school   age.   In   this   study,   the   abnormal   quality   of   the  concurrent   motor   repertoire   was   separately   classified   as   monotonous,   jerky  and/or cramped. Of the 347 prospectively enrolled participants, 37 developed  CP and were classified according to the GMFCS (Palisano et al. 1997). The  higher the motor optimality score, the better was the GMFCS level. The positive  and the negative predictive values of the optimality score (cutoff = 9) for the  outcome (either levels I­II or levels III­V) were both around 70%. Among the  various   single   features   of   the   motor   repertoire,  (a)   a   cramped   movement  character; (b) a reduced age­adequate motor repertoire; (c) monotonous kicking;  and, obviously (d) the absence of FMs, were all associated with lower levels of  self­mobility. Integrating GM assessment with traditional neurological examination and  neuroimaging techniques GM assessment may be carried out as an isolated means of observation (for  research   purposes,   serial   checks,   or   when   the   infant   cannot   be   otherwise  evaluated), but is more often part of a comprehensive assessment protocol. As  indicated in the introduction of this chapter, irrespectively of their clinimetric  properties, the traditional neurological examination and the assessment of GMs  have different conceptual backgrounds. The previous one invariably consists of  a   list   of   individual   items,   each   of   which   is   separately   scored   and   aims   to  evaluate a particular 'function' or structure of the nervous system. Most of the  items   are   usually  based   on  muscle   tone,   reflex   reactions,   postural   patterns,  single 'bad signs', and motor milestones. On the contrary, GM assessment is a  global, simultaneous appreciation of movement quality, which cannot be further  distinguished into any individual 'components', at least not during the same  session (detailed analysis and the assessment of isolated distal movements must  take place after the GM pattern has been determined). GMs are more related to  the   general   well­being   of   the   central   nervous  system   than   any   other   single  behavioural   feature,   and   have   been   recognized   as   the   most   prominent   and  consistent age­specific motor behaviour shown by young infants (Prechtl, 1990;  1997b). On the other hand, they still provide little information on the anatomical  structures  involved  in   pathological   processes.   In  summary,  while   traditional  neurological items can be seen in tighter relationship with brain  impairment  (what the child cannot do), GMs are more sensitive to the age­specific brain  function (Palmer et al. 2004). The integration of GM assessment with traditional neurological examination is  particularly useful for distinguishing unilateral from bilateral CP. In an Italy­ wide  multi­centre study (Romeo et al. 2009), 13 children out of 903 preterm 

(29)

infants were eventually diagnosed with unilateral CP. Eleven of them had shown  no FMs, which is remarkable, since nine of them had had only a persistent flare  on the brain ultrasound with no signs of unilateral damage. Surprisingly, the  HINE   scores   of   all   but   one   infant   were   within   the   normal   range.   On   the  contrary, most of the infants who later developed bilateral CP had abnormal  HINE scores. These results also lead to the important conclusion that a 3­ to 4­ month­old infant with a normal neurological score but an absence of fidgety  movements   and   asymmetric   segmental   movements   is   at   a   high   risk   of  developing unilateral CP (Einspieler et al. 2008).

Another important tool for the early diagnosis of brain impairment is neonatal  Magnetic Resonance Imaging (MRI). So far, only few studies have addressed  the   relationship   between   specific   MRI   findings   and   GM   patterns.   In   very  preterm infants, both white matter lesions (Spittle et al. 2009) and a reduced  cerebellar diameter, but not grey matter abnormalities, were associated with  absent FMs (Spittle et al. 2010). In infants born at term, however, the severity of  the injury to the central grey matter and basal ganglia correlated with a lack of  FMs (Ferrari et al. 2011). In the latter study, CS GMs were highly specific for  CP (100%), while MRI was by far more sensitive (100%). This high sensitivity  of MRI abnormalities may sometimes be misleading for diagnosis, for instance  in the case of tiny focal lesions: about half of neonatal cerebral infarctions are  known not to develop  into  CP (Wu et al. 2005). Definite GM abnormalities  (especially absent FMs and CS GMs), have on the contrary a very high positive  predictive value, as seen, which means that CP will very likely follow. Again,  the integration of different approaches, born with different purposes and from  distant   professional   areas,   is   the   best   way   of   obtaining   comprehensive  information on the child's actual well­being and future development.

Conclusions

The   methodological   breakthrough   of   the   GM   assessment,   which   is   non­ intrusive, easy to acquire and cost­effective, lies in its predictive value for the  development of neurological deficits, in particular CP, at a much earlier age  than before. Recognition of abnormal GMs can help to improve earlier detection  of   CP   if   this   technique   can   be   successfully   incorporated   into   follow­up  programs and developmental surveillance (Palmer, 2004), combining it with  neuroimaging   (especially   MRI)   and   neurological   assessment.   The   great  advantage of detecting an increased risk of CP at such an early stage consists in  the possibility of intervention long before the emergence of pathological and  adaptive features. The consistent presence of cramped­synchronized GMs, and  even more so the absence of fidgety movements, puts an infant at such a high 

(30)

risk of CP that early physiotherapeutic intervention is justified. It is no less  important   to  identify   infants   who,  despite   an  increased   risk   based   on  their  clinical history, have normal GMs and can thus be expected to have a normal  neurological outcome. In addition, the design of randomized control studies to  test the effectiveness of early physical or other interventions for those infants  who   had   neonatal   adverse   events   and   are   at   risk   for   neurodevelopmental  disorders, require precise criteria for case selection and group allocation. The  evaluation of GMs can be an important tool for these studies.

(31)

and trajectory formation in goal­oriented locomotion

by Vittorio Belmonti, Giovanni Cioni and Alain Berthoz (submitted)

(32)

Abstract Background In goal oriented locomotion, healthy adults generate highly stereotyped‐   trajectories (Hicheur et al. 2007) and a consistent anticipatory head  orienting‐   behaviour (Grasso et al. 1998), both evidence of a top­down, open­loop control  (Pham & Hicheur, 2011). Aim To describe the typical development of anticipatory orienting strategies and  trajectory formation. Our hypothesis is that full­blown anticipatory control  requires advanced navigational skills. Methods 26 healthy subjects (14 children: 4­11 yrs; 6 adolescents: 13­17 yrs; 6 adults).  Task: to freely walk towards one out of three visual targets, in a randomised  order. Optoelectronic motion capture (SMART®, BTS) with 15 body markers.  Signals extracted (yaw plane): whole body displacement, orientation of head,‐   trunk and pelvis, heading direction, foot placements. Parameters: maximal head­ heading deviation, head­heading anticipation time, trajectory curvature, indexes  of variability of the trajectories, foot placements and kinematic profiles. Results Mean head­heading anticipation and trajectory curvature did not significantly  differ between age­groups. In children, however, head anticipation was more  often lacking ( ²=9.08, p<0.01χ ) and there were huge intra­ and inter­subject  variations. Trajectory curvature could be very high in children, while it settled  on consistent lower values in adolescence (χ²=77.17, p<0.0001). The indexes of  spatial and kinematic variability all followed a decreasing developmental trend  (R²>0.5, p<0.0001). Conclusions Children under 11 do not plan locomotor trajectories as adolescents and adults  do.   Anticipatory   head   orientation   and   trajectory   formation   develop   in   late  childhood, well after gait maturation (Vaughan et al. 2003). Navigational skills,  such as path planning and shifting from ego­ to allocentric spatial reference  frames, are thought necessary for mature locomotor control.

(33)

3

The typical development of anticipatory orienting 

strategies and trajectory formation in goal­oriented 

locomotion

Introduction Locomotion is a complex action in space, of which gait (here meant in a strict  sense as the cyclic motor pattern allowing locomotion) is but a means to achieve  whole­body displacement. To attain a goal, the latter also requires control on  walking direction and the ability to orient it in space, i.e. steering (Grillner et al.  2008), by which  locomotor trajectories  on the horizontal plane are generated  (Vieilledent   et   al.   2005).   To   our   knowledge,   this   is   the   first   study   to  systematically  describe   body­orienting  strategies  and   trajectory  formation  in  goal­oriented  locomotion  in typically developing  subjects from a  wide age­ range, from pre­schoolers to adulthood.

Several   investigations   have   addressed   the   typical   development   of  gait  in  humans.   Early   works   (Sutherland   et   al.   1980;   Beck   et   al.   1981)   set   the  maturation of gait kinematic and kinetic patterns in the first three and five years  of   life,   respectively.   Later   studies,   normalising   temporal   and   distance  parameters by anthropometric measures, moved the acquisition of mature gait to  7­8 years (Vaughan et al. 2003). From a neural point of view, gait control seems  to develop through locomotor experience from a very stereotyped, innate and  phylogenetically   preserved   stepping   template,   as   revealed   by   EMG   and  kinematic   patterns    (Forssberg   1985;   Ivanenko   et   al.   2005;  Dominici   et  al.  2011). In particular, the emergence of planar covariation of lower limb elevation  angles (a sign of central neural control on gait) takes place in the first year of  independent  walking  (Ivanenko et al.  2005;  2008), but  it  takes much  more  locomotor experience to select adult­like coordination patterns (Dominici et al.  2011).

In addition to limb movements, gait includes axial postural synergies aimed at  maintaining   balance   and   orienting   the   body   in   space   (Massion   1998).   The  typical development of dynamic postural control has been shown to consist of  two basic achievements, both fulfilled by the age of 7: moving upward the  postural   reference   frame   from   the   pelvis   to   the   head,   and   shifting   from   a 

(34)

simplified, en bloc postural organisation to a flexible, articulated one (Assaiante  1998; Assaiante et al. 2005).

So   far,   however,   only   few   investigators   have   addressed   the   development   of  locomotor control  in steering. Grasso et al. (1998a) were the first to describe  anticipatory head orientation in children as young as 3.5 years performing a  corner­turning task. Vallis & McFadyen (2005) studied obstacle cirvumvention  and   found   that   10­years­olds   change   direction   differently   than   adults,   i.e.  partitioning the task into a first head­ and trunk­reorienting phase and a second  CoM­deviation phase. While so little is known about steering development, some basic principles  underlying curvilinear locomotion emerge from adult studies and are reviewed  in the next paragraphs. Head and gaze anticipation The direction of walking is consistently anticipated by the yaw orientations of  head (Grasso et al. 1998a,b; Prévost et al. 2002; Patla et al. 1999; Courtine &  Schieppati 2003; Sreenivasa et al. 2008) and gaze (Grasso et al. 1998b; Prévost  et   al.   1998;   Hollands   et   al.   2002;   Bernardin   et   al.   2012).   Head   and   gaze  anticipation   is   a   universal   locomotor   behaviour,   though   not   indispensable  (Cinelli & Warren 2012). It does not strictly depend on the availability of visual  cues, being reported even in darkness (Grasso et al. 1998b), when walking  blind­folded  (Pham  et al.  2011;  Prévost  et  al.  2002;  Courtine  &  Schieppati  2003),   and   in  locomotor  imagery   (Wagner   et  al.   2008).   If  head   rotation   is  prevented, the whole turning behaviour is affected (Hollands et al. 2001). In  more complex tasks, as for instance in challenging ground conditions, head and  gaze behaviours are more varied, but  still  aiming at  anticipating the  future  walking   trajectory   (Marigold   &   Patla   2007;   2008).   In   children,   head  anticipation has been reported as early as at 3.5 years of age (Grasso et al.  1998a),   but   no   extensive   study   has   ever   been   performed   throughout  development.

Head stabilisation

Head orientation is stabilised on the pitch and roll planes with respect to gravity  in a wide range of gross­motor activities, including locomotion (Pozzo et al.  1998b).   While   in   straight   walking   the   head   compensates   for   step­related  oscillations of the gravito­inertial acceleration vector (GIA), in steering, when  the GIA is tilted by centripetal acceleration, there is a substantial alignment 

(35)

between head and GIA (Imai et al. 2001). On the yaw plane, this results in  stabilising the head with respect to the walking direction (Hicheur et al. 2005a). The formation of locomotor trajectories Locomotor and hand trajectories share important analogies, in agreement with  the principle of 'motor equivalence' (Bernstein 1967). A prominent kinematic  invariant of hand movements is for instance the power law relating tangential  velocity and curvature (Viviani & Terzuolo 1982; Richardson & Flash 2002)  and a similar relationship has been found for locomotion (Hicheur et al. 2005;  Vieilledent et al. 2005). The latter studies employed pre­determined geometrical  trajectories.   More   recently,   the   spontaneous   formation   of   goal­oriented  trajectories   has   been   investigated.   As   a   major   finding,   the   variability   of  trajectory geometry and kinematics (temporal profiles of tangential velocity,  head, trunk and pelvis orientation) proved strikingly low in adults (Hicheur et al.  2007). This 'stereotypy' in trajectory formation has been confirmed across trials  of different speed and in the absence of vision (Pham et al. 2011). According to  the   Authors,   this   is   consistent   with   an   open­loop   (i.e.   anticipatory)   control  model for the optimisation of locomotor trajectories (Pham et al. 2007; Pham &  Hicheur 2011; Arechavaleta et al. 2008). In addition, the adult brain is capable  of   using   several   geometries,   including   non­Euclidean   ones,   to   generate  trajectories   in   different   walking   conditions   (Bennequin   et   al.   2009),   which  opens further questions on how internal models for motor control are built  through ontogenesis.

Aims of the study

Our first aim is to describe the typical development of anticipatory orienting  strategies,   global   trajectory   geometry   and   kinematics   in   goal­oriented  locomotion, across a wide age­range. More specifically, we are interested in  measuring  head   anticipation   and  the   variability   of  locomotor  trajectories   in  children, adolescents and adults. Our hypothesis is that full­blown anticipatory  orienting strategies and stereotyped trajectories, as hallmarks of a top­down,  open­loop   control   on   locomotion   (Pham   &   Hicheur   2011),   can   only   be  consolidated   through   locomotor   experience   in   late   childhood,   i.e.   after   the  acquisition of mature navigational skills (Bullens et al. 2010) and in any case  well after the fulfillment of gait maturation at 7­8 years.

In addition, we are collecting reference data for future studies on children with  locomotor disorders. In particular, children with cerebral palsy have never been 

Figura

Table 2.3 Developmental trajectories with a high predictive power for normal  development and the development of CP.
Figure   3.3  Heading­referenced   orientation   angles   and   maximal   head­heading  deviation.  Head  (black   bold   line),   trunk  (dotted   line)   and  pelvis  (dot­dashed  line)  orientation signals in the heading reference frame are represented 
Figure 3.4 Example of cross­correlation and time­shifting. Head (dashed line), original  heading   and   time­shifted   heading   (continuous   lines)   orientation   signals   in   the   lab  reference frame. τ indicates the time shift applied to the head
Figure 3.4 shows the trajectories, foot­placements and head orientation across  all the trials of eight representative subjects.
+7

Riferimenti

Documenti correlati

In another 25-year longitudinal study of Italian patients with chronic hepatitis B at enrollment, 18 of the 40 patients who became inactive carriers with sustained disease

For instance, the ability to have a high volumetric flow rate must be maintained (it might be reduced by changing of inlet and/or outlet geometry, worsening the instrument ability

Nei trattamenti “b” e “c” la crescita di batteri acetici e lattici è au- mentata in modo statisticamente signifi- cativo rispetto al controllo; infine nelle tesi “d”

High Diagnostic Performance of Short Magnetic Resonance Imaging Protocols for Prostate Cancer Detection in Biopsy-naïve Men: The Next Step in Magnetic Resonance

The mass flow rate and power consumption experimental data are shown together with the simulated data (the model results will be discussed in the next paragraphs): Figure 6 shows

Great care was put into limiting the offset and the flicker noise since our circuit presents such a narrow bandwidth and the input analog signal is supposed to have much of its

Nell’ideare una razionalizzazione di luoghi e tempi, si è tenuto di conto dell’impegno lavorativo o di studio dei residenti con disabilità 4 , della possibilità da parte di

Tra questi ` e stato sorprendentemente molto menzionato il 53, sulla progressivit` a del sistema fiscale (“la costituzione dice che le tasse devono essere distribuite a seconda