Coordination of Movement

28-10-2007 BW5

Coordination of Movement

28-10-2007 BW5

Aims

• Insight in coordination of movement– joints– muscles – motor units

• Redundancy (“abundancy”)– joints– muscles– motor units

28-10-2007 BW5

Muscle architecture

28-10-2007 BW5

Active and passive muscle force varies as a function of muscle length

28-10-2007 BW5

The motor unit consists of the motoneuron, its axon and all the muscle

fibers it innervates

28-10-2007 BW5

A single motoneuron innervates many muscle fibers

• PN16040.JPG

28-10-2007 BW5

Quantitative relationships between motor neurons and muscle

• Each muscle fiber innervated by a single motor neuron

• Each motor neuron innervates 10 to 500 muscle fibers

• All muscle fibers in a given motor unit contract together- not independently

28-10-2007 BW5

Increasing activation frequency elevates force of contraction

28-10-2007 BW5

Three types of motor units: Type S; Type FR; Type FF

S=Slow, FR = Fatigue Resistant, FF = Fast Fatiguable

28-10-2007 BW5

Motor unit physiology• Twitch and tetanic contraction• Slow and fast twitch motor units: Type S and Type F• Weak and strong motor units• Fatigue resistant (Type FR, Type S) and fatigable

motor units (Type FF)• Type S are weak and slow but fatigue resistant• Type FF are strong and fast but fatigable• Type FR are of intermediate strength, fast and fatigue

resistant

28-10-2007 BW5

Tetanic tension is an inverse function of contraction time

28-10-2007 BW5

Motor unit activatie

28-10-2007 BW5

Types of motor units

• recruitment threshold low-high

• Twitch amplitude: small-large

• Twitch duration: long - short

• no/yes fatigable• red/white muscle

fibers

28-10-2007 BW5

Recruitment order occurs in order of contraction strength: the Size Principle

28-10-2007 BW5

Recruitment of Motor Neurons in the Cat Medial Gastocnemius Muscle Under Different

Behavioral Conditions

28-10-2007 BW5

Summary

• Each muscle contains different types of motor units, that differ in– recruitment threshold– fatigable– twitch duration and amplitude

28-10-2007 BW5

Coordination of movement

Redundancy (“abundancy”)

• joints

• muscles

• motor units

28-10-2007 BW5

Redundantie van spieren

•Over elk gewricht werken meerdere spieren

•spieren werken over meerdere gewrichten of dragen bij aan meerdere bewegings vrijheidsgraden.

28-10-2007 BW5

Motor unit activatie

28-10-2007 BW5

Recruitment van motor units

28-10-2007 BW5

Recruitment van motor units in biceps

28-10-2007 BW5

Recruitment in biceps

28-10-2007 BW5

Meerdere groepen motor unit gedrag in

Biceps

Biceps draagt bij aan flexie en supinatie en bezit aparte motor unit populaties, die bij die taken actief zijn.

28-10-2007 BW5

Motor units met verschillend gedrag liggen in verschillende

delen van de Biceps

FS

28-10-2007 BW5

Innervatie biceps

28-10-2007 BW5

Conclusions

• Motor units in 1 spier can reveal a different recruitment pattern due to a different activation.

• The different activation of motor units in a muscle reflect a neuronal component, not differences in mechanical effects.

• Motor units with the same recruitment behaviour are localized in the same muscle part : compartimentalisation.

• Within each group of motor units there are motor units with a low and high recruitment threshold.

• Not muscles, but groups of motor units are the basic elements of motor activation patterns.

28-10-2007 BW5

Motor units in m. brachialis

Minder activatie bij supinatie, omdat biceps meer doet bij supinatie !

28-10-2007 BW5

Motor Unit gedrag in Triceps

Hoewel triceps een pure extensor spier is, is triceps actief bij supinatie en pronatie om te compenseren voor activiteit van biceps en pronator teres.

28-10-2007 BW5

Conclusies

• Motor units in 1 spier can reveal a different recruitment pattern due to a different activation.

• The different activation of motor units in a muscle reflect a neuronal component, not differences in mechanical effects.

• Motor units with the same recruitment behaviour are localized in the same muscle part : compartimentalisation.

• Within each group of motor units there are motor units with a low and high recruitment threshold.

• Not muscles, but groups of motor units are the basic elements of motor activation patterns.

• The activation of a muscle cannot be understood from the anatomy of that single muscle. The anatomy of the complete motor system acting across a joint should be considered.

28-10-2007 BW5

Motor-unit gedrag bij reflexen

Reflexen zijn gecoordineerde responsies. Van groot belang bij

• lopen in mul zand

• lopen op ongelijk terrein

• bewegen van objecten met onbekend gewicht.

• “sherry-glass reflex”

Reflex componenten

• short-latency reflex of mono-synaptische reflex.

• Long-loop reflex

• Triggered reactions

28-10-2007 BW5

Reflexen Motor Cortex

Reflex latency:

•mono-synaptisch: 25 ms (armspieren), 45 ms (beenspieren)

•long-loop: 55 ms (armspieren), 90 ms (beenspieren).

28-10-2007 BW5

Reflex activiteit (triceps)Mono-synaptisch

Long-Loop reflex

28-10-2007 BW5

Motor-unit activiteit bij reflexen in triceps

28-10-2007 BW5

Conclusies tav reflexen:

• De monosynaptische reflex treedt alleen op bij spierverlengingen

• De “long-latency reflex” treedt ook op bij spieren, die niet in lengte veranderen, maar waarvan de activatie nodig is om een compensatiekracht in de juiste richting te kunnen genereren.

• Mono-synaptische reflex compenseert voor wegvallen van kracht tgv breken van “actine-myosine” filamenten.

• Long-loop reflex zorgt voor gecoordineerde reactie.

28-10-2007 BW5

Samenvatting motor-unit gedrag

• Verschillende typen motor units in een spier– lage/hoge drempel.

– verschillende groepen motor units met verschillende activatie.

• Een goed inzicht in de activatie van een spier kan alleen worden verkregen door meten van motor-unit activiteit. Oppervlakte EMG is niet voldoende.

• Inzicht in de rol van motor units bij coordinatie vergt kennis over de anatomie van alle spieren die over een gewricht werken.

28-10-2007 BW5

Coordinatie van bewegingen

Redundantie (“abundancy”)

• gewrichten

• spieren

• motor units

28-10-2007 BW5

Spieractiviteit voor kracht in verschillende richtingen

28-10-2007 BW5

Relatie recruitment drempel-EMG

Opp.EMGMotor unit gedrag

28-10-2007 BW5

Recruitment-EMG

Motor Unit gedrag Opp. EMG

28-10-2007 BW5

Relatie recruitment-EMG voor arm spieren

28-10-2007 BW5

Activatie brachialis bij bewegingen tegen een kracht

28-10-2007 BW5

Activatie brachialis bij bewegingen en krachten in verschillende richtingen

28-10-2007 BW5

Activatie biceps bij bewegingen en krachten in verschillende richtingen

28-10-2007 BW5

Activatie triceps bij bewegingen en krachten in verschillende richtingen

28-10-2007 BW5

Mono- en bi-articulaire spieren.

• Mono-articulaire spieren hebben een voorkeursrichting, die niet afhangt van de externe kracht en bewegingsrichting.

• Bi-articulaire spieren hebben geen voorkeursrichting. De activiteit hangt alleen af van externe kracht.

28-10-2007 BW5

Verkortingssnelheid is relevant !

Brachialis

(mono-articulair)

Biceps

(bi-articulair)

28-10-2007 BW5

Samenvatting

• Mono-articulaire spieren zijn vooral actief in bewegingsrichtingen waarbij de spier maximaal verkort.

• Bi-articulaire spieren hebben geen duidelijke voorkeursrichting.

28-10-2007 BW5

Arbeid, geleverd door de arm

r2

r1

T1

T2

F

3

28-10-2007 BW5

Voorbeelden van negatieve arbeid

28-10-2007 BW5

Voorbeelden van negatieve arbeid

28-10-2007 BW5

Voorbeelden van negatieve arbeid

28-10-2007 BW5

Man-made voertuig

28-10-2007 BW5

28-10-2007 BW5

Muscle force depends on velocity of lengthening and contraction