Perspectives on the modeling of the neuromusculoskeletal system to investigate the influence of neurodegenerative diseases on sensorimotor control

Abstract Introduction The understanding of the neurophysiological mechanisms underlying movement control can be much furthered using computational models of the neuromusculoskeletal system. Biologically based multi-scale neuromusculoskeletal models have a great potential to provide new theories and explanations related to mechanisms behind muscle force generation at the molecular, cellular, synaptic, and systems levels. Albeit some efforts have been made to investigate how neurodegenerative diseases alter the dynamics of individual elements of the neuromuscular system, such diseases have not been analyzed from a systems viewpoint using multi-scale models. Overview and Perspectives This perspective article synthesizes what has been done in terms of multi-scale neuromuscular development and points to a few directions where such models could be extended so that they can be useful in the future to discover early predictors of neurodegenerative diseases, as well as to propose new quantitative clinical neurophysiology approaches to follow the course of improvements associated with different therapies (drugs or others). Concluding Remarks Therefore, this article will present how existing biologically based multi-scale models of the neuromusculoskeletal system could be expanded and adapted for clinical applications. It will point to mechanisms operating at different levels that would be relevant to be considered during model development, along with implications for interpreting experimental results from neurological patients.

Web-based neuromuscular simulator applied to the teaching of principles of neuroscience

INTRODUCTION: The learning of core concepts in neuroscience can be reinforced by a hands-on approach, either experimental or computer-based. In this work, we present a web-based multi-scale neuromuscular simulator that is being used as a teaching aid in a campus-wide course on the Principles of Neuroscience. METHODS: The simulator has several built-in individual models based on cat and human biophysics, which are interconnected to represent part of the neuromuscular system that controls leg muscles. Examples of such elements are i) single neurons, representing either motor neurons or interneurons mediating reciprocal, recurrent and Ib inhibition; ii) afferent fibers that can be stimulated to generate spinal reflexes; iii) muscle unit models, generating force and electromyogram; and iv) stochastic inputs, representing the descending volitional motor drive. RESULTS: Several application examples are provided in the present report, ranging from studies of individual neuron responses to the collective action of many motor units controlling muscle force generation. A subset of them was included in an optional homework assignment for Neuroscience and Biomedical Engineering graduate students enrolled in the course cited above at our University. Almost all students rated the simulator as a good or an excellent learning tool, and approximately 90% declared that they would use the simulator in future projects. CONCLUSION: The results allow us to conclude that multi-scale neuromuscular simulator is an effective teaching tool. Special features of this free teaching resource are its direct usability from any browser (http://remoto.leb.usp.br/), its user-friendly graphical user interface (GUI) and the preset demonstrations.

Avaliação da inibição recíproca em humanos durante contrações isométricas dos músculos tibial anterior e sóleo / Assessment of reciprocal inhibition in humans during isometric contractions of the tibialis anterior and soleus muscles

Os objetivos do presente trabalho foram: (1) desenvolver um método para estimar o grau de inibição recíproca (IR) entre músculos antagonistas em humanos (sóleo e tibial anterior) e (2) comparar os níveis de IR no repouso, na dorsiflexão (DF) e na flexão plantar (FP). Participaram nove sujeitos saudáveis com idade entre 20 e 30 anos, quatro homens e cinco mulheres. Os sujeitos permaneceram sentados numa cadeira com o pé direito apoiado e fixo num pedal acoplado a um torquímetro. Foi aplicado um pulso elétrico na fossa poplítea, denominado estímulo “teste”, para se obter o reflexo H (RH) do músculo sóleo. Num segundo momento, foi aplicado um estímulo “condicionante” ao redor da cabeça da fíbula, que precedia o “teste” em 1 a 3ms. A onda H do músculo sóleo foi captada por eletrodos de superfície. O estudo foi realizado com o sujeito em repouso e realizando contração isométrica dos músculos dorsiflexores e flexores plantares do tornozelo. As amplitudes pico-a-pico dos RH controle e condicionado foram utilizadas para o cálculo da IR. Os valores de IR foram: 16,41% - 8,68 no repouso; 21,94% - 5,39 na DF e 3,12% - 11,84 na FP. Foi constatada menor inibição recíproca na FP quando comparada às demais condições (p<0,05), mas não houve aumento da IR detectável, pela metodologia aplicada...

The purposes of the present study were (1) to develop a method to estimate the level of reciprocal inhibition (RI) between antagonist muscles (soleus and anterior tibial) in humans, and (2) to compare RI levels during rest, dorsiflexion (DF) and plantarflexion (PF). Nine healthy subjects (four men, five women) aged between 20 and 30 years were assessed. Each subject remained seated with his/her right foot straped to a rigid foot plate coupled to a torquemeter. An electrical pulse (“test stimulus”) was applied to the popliteal fossa (tibial nerve) to generate an H reflex from the soleus muscle. After this control situation was tested, a “conditioning stimulus” was applied near the head of the peroneal bone, preceding by 1-3 ms the test stimulus to the tibial nerve. Each subject was tested in the three conditions RE, DF and PF. In the last two cases the subject pressed or pulled on the foot plate with a constant effort. The H reflex amplitudes were measured peak-to-peak and expressed in terms of the maximum M response. The values obtained for RI were 16,41% - 8,68 at RE; 21,94% - 5,39 in DF and 3,12% - 11,84 in PF. There was a statistically significant decrease of RI during PF when compared with the other conditions (Tukey, p<0.05) but no difference between DF compared to RE...

Modelos de motoneurônios tipos S, FR e FF / Models of types S, FR and FF motoneurons

Modelos matemáticos dos três principais tipos de motoneurônios, tipos S, FR e FF, foram desenvolvidos baseados em dados de motoneurônios de gatos. Os três tipos de motoneurônios foram modelados independentemente, cada um com um conjunto de parâmetros próprio. Em relação a outros modelos da literatura, houve a inclusão de novos canais iônicos no soma, visando aumentar a representatividade de comportamentos de motoneurônios reais. Incluiu-se modelagem para as correntes de potássio lentas, para as correntes de cálcio e para as correntes de potássio dependendes de cálcio. Com essas adições, hiperpolarização que segue um disparo de potencial de ação, AHP ("afterhyperpolarization"), passou a apresentar somação e adaptação, que contribuem de forma importante para o comportamento dinâmico dos motoneurônios. A árvore dendrítica foi modelada como uma estrutura passiva, apresentando uma diminuição no diâmetro do modelo do cabo equivalente no sentido distal. Um conjunto de resultados experimentais da literatura serviu de base para a validação dos modelos. Na comparação com esses resultados, notou-se que os modelos propostos apresentam uma reprodução apropriada de fenômenos como i a AHP, ii a dependência linear entre corrente injetada no soma e freqüência de disparo, iii a adaptação da freqüência de disparo a uma corrente injetadas no soma, iv a resposta a rampas de corrente injetadas no soma, exibindo sensibilidade tanto à velocidade da rampa quanto ao valor do patamar que segue a rampa, v uma relação crescente entre a freqüência da corrente senoidal injetada e a freqüência de modulação do trem de disparos. Com eeses atributos os modelos podem ser usados para estudos do comportamento motoneuronal para diferentes tipos de entradas, por exemplo, para entender codificação neuronal tanto no contexto de um único motoneurônios quanto de uma rede destes.

O cerebelo e a teoria de controle na coordenaçäo de movimentos / Cerebellum and the control theory in coodination of movement

O grande esforço no sentido de organizar em uma base teórica sólida o enorme volume de dados a respeito do funcionamento cerebelar, tem levado à elaboração de inúmeros modelos teóricos. Sob o ponto de vista da teoria de controle, o cerebelo tem sido descrito quer como um dispositivo de controle adaptativo quer como um conjunto de geradores de padrões ajustáveis na coordenação de movimentos. Aspectos importantes destas abordagens são discutidos.

Reconhecimento de padröes no cerebelo: dinâmica do sistema Golgi-célula nuclear / Recognition device in cerebellum: dynamics of the Golgi-granule cell system

O grande esforço no sentido de organizar em uma base teórica sólida o enorme volume de dados a respeito do funcionamento cerebelar, tem levado à elaboração de inúmeros modelos teóricos. Neste aspecto, a abordagem mais utilizada é provavelmente a decrição do cerebelo como um dispositivo de reconhecimento de padrões. Para isto enfatiza-se que é fundamentalmente o conhecimento da dinâmica do sistema Golgi-célula granular, que possivelmente também pode exibir propriedades de plasticidade sináptica.

Implementaçäo de um simulador de um circuito neuro-medular que atua no controle da força motora / Implememtation of a simulator of neuro-medullary circuit of acts in motor strenght

O simulador implementado permite estudar e analisar quantitativamente um circuito neuro-medular que atua entre os comandos voluntários gerados no cérebro e uma contração muscular, podendo mostrar as internações entre fibras descendentes, motoneurônios-gamma, células de Renshaw e fibras musculares.

Testes preliminares de um modelo reduzido da rede neuronal da meula envolvida em controle motor / Preliminary tests the a reduced neuronal model of spinal cord network involved in motor control

Um modelo reduzido da rede neuronal da medula espinhal foi simulado. Constatou-se que certas discrepâncias entre as simulações e dados experimentais podem ser eliminadas com modificações na proposta original do modelo.