Please use this identifier to cite or link to this item: https://hdl.handle.net/10216/169610
Author(s): Klaus Magno Becker
Title: Motor units activation pattern during acute muscle pain and fatigue
Issue Date: 2025-09-24
Abstract: Musculoskeletal pain profoundly alters motor control, yet the underlying neural adaptations, particularly at the motor unit level, remain incompletely understood. Furthermore, the similarities and differences between motor adaptations to pain and fatigue require clarification. This thesis aimed to characterize the motor strategy to produce force during pain, using machine learning techniques and surface electromyography decomposition. Together with a novel motor unit clustering and segmentation analysis method, we investigated the motor unit's recruitment and firing strategies during experimentally induced muscle pain and muscle fatigue in humans to determine how the muscle can produce force during those conditions and to distinguish neural mechanisms underlying these adaptations. We investigated muscle activation on biceps brachii during repeated contractions, and the motor unit's behaviour in the vastus lateralis and rectus femoris muscles during isometric and isokinetic knee extension contractions. Key findings include: (1) A machine learning model successfully identified an EMG-based "pain signature," distinguishing painful from non-painful contractions with high sensitivity, highlighting central influence, despite placebo effects mimicked some aspects; (2) The developed clustering/segmentation method effectively differentiated motor unit groups and revealed significant differences in firing rates based on motor unit group, contraction type (concentric vs. eccentric), and specific joint angle (60°); (3) Experimentally induced pain triggered a consistent reorganization of motor units' activity, characterized by increased recruitment thresholds, decreased firing rates (in lower-threshold units), and altered motor units' action potential amplitudes, suggesting a shift towards recruiting higher-threshold motor units. This reorganization allowed for the maintenance of isokinetic torque; (4) Pain and fatigue elicited distinct patterns of motor units' adaptation and selectively impaired torque during different phases of dynamic contraction (pain: eccentric; fatigue: concentric), confirming that separate neural strategies are employed despite shared effects on maximal isometric force. Collectively, these findings demonstrate that the motor system utilizes complex, muscle-specific, and task-dependent strategies, primarily involving the reorganization of motor units' recruitment, to manage pain and fatigue. Pain induces adaptations distinct from those observed during fatigue. Understanding these adaptations at the motor unit level is crucial for elucidating the mechanisms of pain-related motor dysfunction and developing more targeted rehabilitation strategies. Palavras-chave: Eletromiografia, dor experimental, decomposição eletromiográfica, unidades motoras, fadiga, aprendizado de máquina.
Description: A dor musculoesquelética altera profundamente o controlo motor, no entanto, as adaptações neurais subjacentes, particularmente ao nível da unidade motora, permanecem incompletamente compreendidas. Adicionalmente, as semelhanças e diferenças entre as adaptações motoras à dor e à fadiga requerem clarificação. Esta tese teve como objetivo caracterizar a estratégia motora para produzir força durante a dor, utilizando técnicas de aprendizagem automática e de decomposição da eletromiografia de superfície. Juntamente com um novo método de análise por clusterização e segmentação de unidades motoras, investigámos as estratégias de recrutamento e frequência de disparo das unidades motoras durante dor muscular e fadiga muscular induzidas experimentalmente em humanos, para determinar como o músculo consegue produzir força nessas condições e para distinguir os mecanismos neurais subjacentes a estas adaptações. Investigámos a ativação muscular no bíceps braquial durante contrações repetidas, e o comportamento das unidades motoras nos músculos vasto lateral e reto femoral durante contrações isométricas e isocinéticas de extensão do joelho. As principais conclusões incluem: (1) Um modelo de aprendizagem automática identificou com sucesso uma "assinatura de dor" baseada em EMG, distinguindo contrações dolorosas de não dolorosas com alta sensibilidade, destacando a influência central, embora os efeitos placebo tenham mimetizado alguns aspetos; (2) O método de clusterização/segmentação desenvolvido diferenciou eficazmente grupos de unidades motoras e revelou diferenças significativas nas frequências de disparo com base no grupo de unidades motoras, tipo de contração (concêntrica vs. excêntrica) e ângulo articular específico (60°); (3) A dor induzida experimentalmente desencadeou uma reorganização consistente da atividade das unidades motoras, caracterizada por aumento dos limiares de recrutamento, diminuição das frequências de disparo (em unidades de baixo limiar) e alteração das amplitudes do potencial de ação das unidades motoras, sugerindo um desvio no sentido do recrutamento de UMs de alto limiar; (4) Esta reorganização permitiu a manutenção do torque isocinético; adicionalmente, a dor e a fadiga provocaram padrões distintos de adaptação das unidades motoras e prejudicaram seletivamente o torque durante diferentes fases da contração dinâmica (dor: excêntrica; fadiga: concêntrica), confirmando que estratégias neurais distintas são empregadas, apesar dos efeitos comuns na força isométrica máxima. Coletivamente, estes achados demonstram que o sistema motor utiliza estratégias complexas, específicas do músculo e dependentes da tarefa, envolvendo primariamente a reorganização do recrutamento das unidades motoras, para gerir a dor e a fadiga. A dor induz uma assinatura reconhecível e distinta das adaptações observadas durante a fadiga. Compreender estas adaptações ao nível da unidade motora é crucial para elucidar os mecanismos da disfunção motora relacionada com a dor e desenvolver estratégias de reabilitação mais direcionadas.
Subject: Ciências da saúde
Health sciences
Scientific areas: Ciências médicas e da saúde::Ciências da saúde
Medical and Health sciences::Health sciences
TID identifier: 101750013
URI: https://hdl.handle.net/10216/169610
Document Type: Tese
Rights: openAccess
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