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Dissertação de Mestrado
DOI
10.11606/D.3.2013.tde-30072013-204749
Documento
Autor
Nome completo
Vitor Martins Chaud
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2013
Orientador
Banca examinadora
Kohn, Andrá Fábio (Presidente)
Duarte, Marcos
Mezzarane, Rinaldo André
Título em português
Modelagem do sistema neuromuscular humano para estudo de contrações isométricas.
Palavras-chave em português
Matemática (modelagem)
Neurociências (sistemas computacionais)
Neurônios motores
Sistemas dinâmicos
Resumo em português
A precisão de uma ação motora depende de vários fatores, como: 1) grau de variabilidade da força gerada por cada músculo envolvido, 2) velocidade de geração da força, 3) coordenação das ativações dos músculos. A geração e o controle da força muscular possuem mecanismos que ainda precisam ser mais bem estabelecidos, tanto para o aprimoramento das teorias de controle motor, quanto para o desenvolvimento de técnicas que permitam a prevenção ou a compensação de certas deficiências. A perda de desempenho motor pode ser decorrente de doenças que afetam o sistema neuromuscular ou de alterações associadas ao envelhecimento. Sabe-se, por exemplo, que idosos podem possuir maior variabilidade e menor velocidade de desenvolvimento da força, quando comparados com jovens. Uma das formas de se entender os mecanismos responsáveis pelos fenômenos observados em experimentos neurofisiológicos, em indivíduos saudáveis, em pacientes ou em idosos, é por meio de uma representação adequada de tais mecanismos em modelos matemáticos. Tais modelos podem, pela escolha de um conjunto de parâmetros e de sinais de entrada, ser simulados, explorando-se toda gama de cenários plausíveis para a geração de um determinado fenômeno, tendo como referência os dados obtidos experimentalmente. Resumidamente, o presente trabalho trata do estudo do sistema neuromuscular por modelagem matemática e simulação computacional, com particular interesse nos músculos do tríceps sural e no primeiro interósseo dorsal (um músculo intrínseco da mão), sendo estes músculos amplamente utilizados em estudos experimentais e de modelagem. Maior enfoque é dado em contrações isométricas (i.e., ângulo articular mantido fixo), avaliando-se a organização do núcleo motor, em termos anatômicos e fisiológicos, recebendo como entrada a atividade sináptica das vias pré-motoneuronais, e estudando como diferentes arranjos das propriedades neurais podem resultar em características encontradas experimentalmente para a força muscular. Inicialmente foi feita uma ampla expansão de um simulador existente (ReMoto), tanto em aspectos de modelagem quanto de interface. Em seguida, este modelo expandido foi empregado para um estudo da influência do grau de rigidez muscular nas respostas reflexas do tornozelo. Posteriormente, um novo modelo de pool de motoneurônios, com ampla representação de características biofísicas, foi desenvolvido e, por fim, este modelo foi utilizado, em conjunto com modelos de tratos descendentes e da geração de força muscular, para representar a geração de forças isométricas em jovens e idosos.
Título em inglês
Mathematical modeling of the neuromuscular system to study isometric contractions.
Palavras-chave em inglês
Computational neuroscience
Dynamical systems
Mathematical modeling
Motoneurons
Resumo em inglês
The precision of a motor action depends on several factors such as: 1) the level of force variability of each involved muscle, 2) the rate of force development, 3) the coordination of the activations of the muscles involved. Several mechanisms underlying the force generation in a muscle and its control by the nervous system remain to be fully comprehended. An appropriate description of these mechanisms would allow an improvement in motor control theories and could contribute to the development of techniques for the prevention or compensation of some disabilities. Losses in motor performance may be caused by diseases affecting the neuromuscular system or due to aging processes. For instance, old adults may exhibit higher force variability and lower velocity of force development than young adults. Proper representations of such mechanisms in mathematical models constitute a promising way to test hypotheses raised by neurophysiological experiments to explain an observed phenomenon. These models can be used to investigate aspects of health/disease or young/old subjects and, by varying their parameter sets, it is possible to explore a broad range of plausible scenarios under which the experimentally observed phenomena are replicated. This project deals with the study of the neuromuscular system by mathematical modeling and computer simulations, applied to the triceps surae and the first dorsal interosseus (two of the most experimentally and theoretically studied muscles). The principal focus is on isometric contractions (i.e., fixed joint angle) and the study of the organization of the motor nucleus (anatomical and physiological aspects) receiving inputs from premotoneuronal pathways. The study analyzes how different patterns of organization result in experimentally observed aspects of muscle force. Initially, an existing simulator of the neuromuscular system (ReMoto) was broadly extended to include new models and a friendly interface. The extended model was used to investigate the influence of muscle stiffness on the reflex responses in the ankle joint. Next, a new motoneuron pool mathematical model was developed based on known biophysics. Finally, this model was integrated with models of pre-motoneuronal neurons estabilishing synapses with motoneurons and of muscle force generation in order to represent isometric force generation in young and old adults.
 
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Data de Publicação
2013-08-01
 
AVISO: O material descrito abaixo refere-se a trabalhos decorrentes desta tese ou dissertação. O conteúdo desses trabalhos é de inteira responsabilidade do autor da tese ou dissertação.
  • Elias, L.A., Chaud, V.M., and KOHN, A. F. Models of passive and active dendrite motoneuron pools and their differences in muscle force control [doi:10.1007/s10827-012-0398-4]. Journal of Computational Neuroscience [online], 2012, p. 1-17.
  • WATANABE, R. N., et al. Influences of pre-motoneuronal command statistics on the scaling of motor output variability during isometric plantarflexion. Journal of Neurophysiology, 2013.
  • Chaud, V.M., et al. A simulation study of the effects of activation-dependent muscle stiffness on proprioceptive feedback and short-latency reflex. In IEEE BioRobotics, Roma, 2012. CD Annals of BioRob.NY : IEEE, 2012.
  • Chaud, V.M., e KOHN, A. F. Desenvolvimento de simulador em ambiente Web para modelo matemático de fuso neuromuscular. In 22o. Congresso Brasileiro de Engenharia Biomédica, Tiradentes, 2010. Anais do CBEB 2010.Rio de Janeiro : SBEB, 2010. Resumo.
  • Chaud, V.M., e KOHN, A. F. Estudo da aceleração da frequência de disparos em modelo de motoneurônios com dendrito ativo. In 22o. Congresso Brasileiro de Engenharia Biomédica, Tiradentes, 2010. Anais do CBEB 2010.Rio de Janeiro : SBEB, 2010.
  • Elias, L.A., et al. A web-based neuromuscular simulator applied to the teaching of the basics of neuroscience. In Meeting of the Society for Neuroscience, New Orleans, 2012. CD Annals.Washington : Society for Neuroscience, 2012. Abstract.
  • Elias, L.A., et al. Application of a web-based simulator to a study of neuromuscular training in humans. In 2011 Biomedical Engineering Society Annual Meeting, Hartford, 2011. Annals of the 2011 Biomedical Engineering Society Annual Meeting. : BMES, 2011. Abstract.
  • Elias, L.A., et al. Geração de reflexos medulares por meio de um modelo multi-escala do sistema neuromuscular. In Congresso Brasileiro de Engenharia Biomédica, Porto de Galinhas, 2012. Anais do XXIII CBEB., 2012.
  • Elias, L.A., et al. H and T reflexes evaluated by a biologically-realistic neuromuscular model. In Society for Neuroscience annual meeting, New Orleans, 2012. Annals of the http://www.sfn.org/am2012/., 2012. Abstract. Available from: http://www.sfn.org/am2012/.
  • Elias, L.A., Chaud, V.M., e KOHN, A. F. Estudo do controle da força muscular por meio de um modelog biologicamente plausível do sistema neuromuscular sujeito a entradas neuromodulatórias. In Congresso Brasileiro de Engenharia Biomédica, Porto de Galinhas, 2012. Anais do XXIII CBEB., 2012.
  • MEZZARANE, R. A., et al. Responsiveness of H- and T-reflexes of soleus muscle to presynaptic inhibition induced by a low frequency train of stimuli. In Meeting of the Society for Neuroscience, New Orleasns, 2012. CD Annals of the SfN Meeting.Washington : Society for Neuroscience, 2012. Abstract.
  • WATANABE, R. N., et al. Influences of motoneuron pool common drive statistics on plantar flexion torque variability. In Meeting of the Society for Neuroscience, New Orleans, 2012. CD Annals.Washington : Society for Neuroscience, 2012. Abstract.
  • WATANABE, R. N., et al. Influência dos processos de entrada dos motoneurônios na variabilidade do torque da flexão plantar. In Congresso Brasileiro de Engenharia Biomédica, Porto de Galinhas, 2012. Anais do XXIII CBEB., 2012.
  • MEZZARANE, R. A., et al. Experimental and Simulated EMG Responses in the Study of the Human Spinal Cord. In Hande Turker. Electromyography [online]. Organizador. Rijeka : InTech Open Access Publisher, 2013{Volume}. chap. 1, p. 1-32.http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3142/tde-30072013-204749/
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