PhD: Candidate Yuri Russo, XXXIII cycle
“From static to dynamic stability: neuromechanical insights of the postural preparation toward step initiation”
English
Step initiation is a fundamental transitory task required in everyday life to reorient the body and to move within a context-dependent environment. The execution of this transitory task is preceded by a postural phase in which preparatory adjustments are produced with a two-fold aim: reducing the postural imbalance produced by the movement, and generating the biomechanical requirements needed for the execution of the movement. Since these adjustments occur prior to the execution of the intended movement they were called Anticipatory Postural Adjustments (APAs). APAs prior to step initiation involve both proximal and distal muscles of the lower limb that produce the movement of the center of pressure (CoP) beneath the feet, which, in turn, is involved in controlling the position of the body center of mass. In this task, APAs control the CoP in the transversal plane by generating a medio-lateral displacement, which has been associated with balance control, and an antero-posterior displacement, which has been associated with motor performance. In fact, impairments in postural preparation were shown to be related to increased risk of fall, poor gait execution and increased postural imbalance. Due to their dual role, however, APAs are not only specific to the movement but are also modified by a variety of biomechanical and environmental factors, as well as neurological diseases. Therefore, investigating postural preparation prior to this task is particularly relevant to deepen our understanding of APAs and to shed the light on how they are affected in pathological population. In line with that, the thesis aims to extend the previous knowledge on postural preparation in step initiation from a neuromechanical point of view from two complementary perspectives. In the first part of the work, postural preparation prior to a stepping task is examined through a neuromechanical approach to understand how environmental factors such as direction of the step and footwear influence this task. In the second part of the thesis the knowledge of APAs prior to transitory task is applied in a clinical context.
Since research suggests that APAs characteristics may be influenced by footwear and direction of the step, both representing common factor in postural preparation outside laboratory environments, the first study explores the simultaneous effects of footwear and direction, either
forward or backward, on postural preparation prior step initiation. The results show that APAs are significantly modulated according to both factors. In particular, footwear mainly induces modification along the medio-lateral axis, whereas direction of the step mainly influences the antero-posterior axis. In addition, the analysis of variability showed that APAs in the sagittal axis are more variable than in the medio-lateral one, providing further evidence for the biomechanical characterization of this task.
The second and third study examine the cortical activity associated with postural preparation prior to forward and backward step. In particular, the first lays the foundation for the second by identifying the most efficient and effective setup to investigate brain activity prior to this task. The second supports with its result the involvement of the supplementary motor area in the generation of APAs and highlights distinctive cortical patterns involved in the preparation of forward and backward steps; in the latter direction, in fact, there is a marked activation of the pre-frontal cortex, which is not observed during forward step preparation.
The fourth study, exploring the feasibility of using transitory tasks in the clinical environment: (i) investigates whether people with Parkinson’s Disease and freezing of gait have worse APAs, despite the pharmacological treatment; (ii) and test the efficacy of a customized intervention which utilizes visual cues to improve step initiation parameters. The results suggest that people who experience freezing of gait have impaired postural preparation along the medio-lateral direction, compared to both healthy controls and patients without freezing of gait. In addition, the use of visual cues in step initiation induces a reduction of postural preparation which suggests the adoption of an accuracy- oriented strategy.
The findings provided by the four studies are discussed in relation to the current literature on central and peripheral mechanisms involved in the preparatory phase prior to step initiation. The identification of distinguishable cortical correlates associated to the direction of the step, together with the different spatial and temporal parameters of APAs, emphasizes the importance of taking this factor into account. This thesis provides preliminary evidence suggesting that examining step initiation in backward direction may be relevant especially in special populations, in which case it may highlight differences in executive functions and postural control which are known to be crucial for fall prevention. Furthermore, the investigation of APAs in a clinical context allowed the identification of altered APAs in a subset of people affected by the same pathology, even when on pharmacological treatment. More work is indeed required to fully elucidate the biomechanical and clinical implications of the results herewith discussed; however, the use of this paradigm has the long-term potential to become a valuable tool for developing preventive strategies, tailored- rehabilitation and prognostic tools.
Italiano
L’inizio del passo è un compito motorio di tipo transitorio richiesto nella vita di tutti i giorni per riorientare il corpo e muoversi all’interno di un ambiente che cambia a seconda del contesto.
L’esecuzione di questo compito è preceduta da una fase detta posturale, nella quale vengono prodotti aggiustamenti che hanno un duplice scopo: ridurre lo sbilanciamento posturale prodotto dal movimento e generare le condizioni biomeccaniche necessarie all’esecuzione del compito. Alla luce del fatto che gli aggiustamenti avvengono prima dell’esecuzione del movimento, questi sono chiamati Aggiustamenti Posturali Anticipatori (APAs). Gli APAs associati all’inizio del passo coinvolgono muscoli dell’arto inferiore sia prossimali che distali, questi inducono il movimento del centro di pressione (CoP) al di sotto della base di appoggio, il quale è coinvolto a sua volta nel controllo della posizione del centro di massa del corpo. In questo compito motorio, gli APAs controllano il CoP nel piano trasversale, generando sia uno spostamento medio-laterale, associato al controllo dell’equilibrio, sia uno antero-posteriore associato invece all’esecuzione del movimento.
Infatti, è stato dimostrato che deficit nella preparazione posturale sono associati con rischio di cadute, perdita dell’equilibrio e problemi di deambulazione. Per via del loro duplice ruolo, gli APAs non solo sono specifici per un dato movimento, ma sono anche modificati molteplici fattori sia ambientali che biomeccanici, così come da patologie neurologiche. Pertanto, lo studio della preparazione posturale che precede l’inizio del passo è particolarmente rilevante per approfondire la comprensione di questo fenomeno e per far luce su come questo sia alterato in popolazioni patologiche. In quest’ottica, la tesi mira ad estendere la conoscenza esistente sugli aggiustamenti posturali che precedono l’inizio del passo da un punto di vista neuro-meccanico, perseguendo quest’obiettivo da due prospettive complementari. Nella prima parte del lavoro, infatti, la preparazione posturale è esaminata caratterizzando il fenomeno per comprendere come alcuni fattori ambientali, come la direzione del passo e la calzatura, possono influenzare gli APAs. Nella seconda parte del lavoro invece, la conoscenza degli APAs precedente un compito transitorio, è applicata ad un contesto clinico.
La letteratura suggerisce che le caratteristiche degli APAs possono essere influenzate sia dalla calzatura che dalla direzione del passo, entrambi fattori ambientali comunemente presenti al di fuori di un contesto di laboratorio. Il primo studio esamina l’effetto contestuale di calzatura e direzione del passo, eseguito in avanti o indietro, sulla preparazione posturale associata a questo compito motorio. I risultati dimostrano che gli APAs vengono modulati come conseguenza di entrambi i fattori: in particolare, la calzatura produce modificazioni lungo l’asse medio-laterale, mentre la direzione influenza principalmente l’asse antero-posteriore. In aggiunta, l’analisi della variabilità mostra come gli APAs siano più variabili in direzione sagittale che in direzione medio- laterale, contribuendo alla caratterizzazione di questo compito in condizioni di vita quotidiana.
Il secondo e il terzo studio esaminano l’attività corticale associata alla preparazione posturale che precede l’inizio del passo in avanti e indietro. In particolare, il primo studio pone le basi per il secondo, tramite l’identificazione di un setup sperimentale efficiente ed efficace atto a isolare l’attività cerebrale associata a questo compito motorio. Con i suoi risultati, il secondo studio supporta la letteratura esistente che mostra il coinvolgimento dell’area motoria supplementare nella generazione degli APAs ed evidenzia differenti pattern corticali coinvolti nella preparazione del passo avanti e del passo indietro; in quest’ultimo, infatti, si osserva una marcata attivazione delle aree prefrontali, che invece non è visibile durante la preparazione del passo in avanti.
Il quarto studio, infine, ha un duplice obiettivo: (i) da un lato studia se pazienti affetti dal morbo di Parkinson e da “freezing of gait”, siano caratterizzati da un deficit degli APAs nonostante il trattamento farmacologico; (ii) dall’altro testa l’efficacia di un intervento fisioterapico personalizzato che utilizza cueing visivi per migliorare i parametri dell’inizio del passo. I risultati suggeriscono che i pazienti con freezing of gait, rispetto al gruppo di controllo e ai pazienti senza freezing, mostrano alterazioni nella preparazione posturale lungo l’asse medio-laterale. Inoltre, l’utilizzo dei cueing visivi produce una riduzione della preparazione posturale che suggerisce l’adozione di una strategia orientata maggiormente alla precisione del primo passo.
I risultati prodotti dai quattro studi vengono interpretati in relazione alla letteratura sui meccanismi centrali e periferici coinvolti nella fase preparatoria che precede l’inizio del passo. L’identificazione di correlati neurali distinti per il passo avanti ed il passo indietro, insieme ai differenti parametri spaziali e temporali degli APAs che li caratterizzano, enfatizzano l’importanza di considerare la direzione del passo quando si studia la preparazione posturale. Così facendo la tesi fornisce evidenze preliminari che suggeriscono come lo studio della preparazione del passo indietro possa essere rilevante soprattutto in popolazioni speciali, nelle quali analizzare questo compito può far emergere differenze sia nelle funzioni esecutive sia nella preparazione posturale, notoriamente importanti per la prevenzione delle cadute. Inoltre, l’investigazione degli APAs nel contesto clinico ha permesso l’identificazione di alterazioni posturali in un sottogruppo di pazienti affetti da morbo di Parkinson, nonostante la copertura farmacologica. Studi futuri sono indubbiamente necessari per chiarire le implicazioni biomeccaniche e cliniche dei risultati che vengono discussi in questa tesi; l’uso di questo paradigma sperimentale ha il potenziale a lungo termine di divenire un valido strumento per lo sviluppo di strategie di prevenzione, di riabilitazione personalizzata, nonché di scale prognostiche.
