Effects of age and fatigue on human gait

Santos, Paulo Cezar Rocha dos [UNESP]

Effects of age and fatigue on human gait

Arquivos

santos_pcr_dr_rcla_par.pdf (921.17 KB)

santos_pcr_dr_rcla_int.pdf (4.53 MB)

Data

2020-10-07

Autores

Santos, Paulo Cezar Rocha dos

Orientador

Gobbi, Lilian Teresa Bucken

Hortobágyi, Tibor

Barbieri, Fabio Augusto

Lamoth, Claudine

Zijdewind, Inge

Pós-graduação

Ciências da Motricidade - IBRC

Editor

Universidade Estadual Paulista (Unesp)

Tipo

Tese de doutorado

Direito de acesso

Acesso aberto

Resumo

Resumo (português)

O envelhecimento é um processo degenerativo que resulta em declínios funcionais, como aqueles observados na performance do andar, no controle postural e na habilidade de adaptação destas tarefas para com perturbações internas e externas. Perturbações internas surgem devido à uma redução na disponibilidade dos recursos biológicos, podendo ser atribuídas como consequência da fadiga. Uma questão intrigante é quando e como o envelhecimento afeta a capacidade de adaptação à perturbação criada pela fadiga para minimizar a perda da funcionalidade. Portanto, esta tese teve como objetivo examinar os efeitos do envelhecimento e da fadiga induzida experimentalmente no andar. No capítulo 2, nós revisamos sistematicamente estudos que examinaram o efeito da fadiga muscular e mental no andar de idosos. Nós identificamos que, embora as fadigas muscular e mental alterem o desempenho do andar, os mecanismos que explicam o porquê das alterações no andar ocorrem não estão claros. Em conclusão, fadiga muscular afeta parâmetros espaço-temporais do andar e a variabilidade da aceleração do tronco. Em contrapartida, fadiga mental parece afetar a variabilidade do andar somente em condições de tarefa dupla. Buscando entender os mecanismos que explicam como a fadiga afeta o andar, nós induzimos as fadigas muscular e mental experimentalmente e verificamos seus efeitos no andar na esteira de 12 adultos e 12 idosos. A fadiga muscular foi induzida pela repetitiva tarefa do sentar e levantar (rSTS). A fadiga mental foi induzida por tarefas de demanda mental por 30 minutos. No capítulo 3, nos verificamos que o envelhecimento, a rSTS e a tarefa de demanda mental afetaram minimamente as variáveis da passada e a dinamicidade do andar na esteira de idosos e adultos saudáveis. Nós interpretamos que a fadiga mental parece induzir efeitos somente na condição de tarefa dupla; modulações neuromusculares especificas para cada grupo podem ter compensado os efeitos da fadiga para a manutenção do desempenho do padrão do andar induzido pela esteira; e que os efeitos da rSTS talvez não foram específicos o suficiente para induzir mudanças em elementos chaves do andar. No capítulo 4, nós examinamos os efeitos do envelhecimento e da rSTS na ativação muscular durante as fases de levantar e sentar da cadeira, e no nível de força. Nós indicamos que por realizar um substancial menor número de repetições, idosos tiveram minimizados os efeitos da fadiga muscular na atividade do músculo e na produção de força máxima. Isto provavelmente explica as mínimas alterações observadas nas variáveis do passada e na dinamicidade do andar vistas no capítulo 3. No capítulo 5, nós testamos se existiam modulações específicas do envelhecimento no controle neuromuscular para compensar os efeitos da fadiga no andar em esteira. Nós indicamos que apesar de idosos tentarem minimizar os efeitos da fadiga muscular por diminuir o desempenho na rSTS, esta elicitou estratégias específicas da idade no comando neural para os músculos para manter a performance do andar em esteira. O capítulo 6 resume as principais descobertas desta tese. Discutimos os dados na perspectiva de que 1) os efeitos da idade e da fadiga podem ser mais evidentes durante as tarefas do andar quando este é avaliado próximo às condições de vida real, ou em situações de tarefa-dupla em comparação com a caminhada na esteira; 2) talvez, um modelo de indução à fadiga que envolvesse tarefas de andar e/ou que focasse em aspectos específicos da locomoção (como o andar por longa distância em superfícies planas e/ou inclinadas, e subir e descer escadas), pudesse ser mais eficaz para examinar o efeito do envelhecimento nas adaptações do andar. No entanto, mesmo com efeitos limitados, a rSTS provoca alterações específicas da idade no ‘drive’ neural para músculos sinergistas do tornozelo, que podem ser interpretadas como compensação à fadiga para que idosos mantenham o desempenho do andar.

Resumo (inglês)

Natural aging is a degenerative process accompanied by decline, among others, in motor function, including gait and postural control, and the ability to make adjustments in these tasks when challenged by external and internal perturbations. Fatigability is a form of internal perturbation, resulting in reductions of objective measures of physical and/or mental performance and motivation over a discrete period. An intriguing question is whether and how age affects the ability to adapt gait to the state created by muscle and mental fatigability, in order to minimize a loss of daily function. Therefore, this thesis aimed to examine the effects of age and experimentally induced fatigability on human gait. In Chapter 2, we systematically reviewed studies that examined the effects of experimentally induced mental and muscle fatigability on older adults’ gait. We observed that muscle performance fatigability affects spatial and temporal features of gait and inter-stride trunk acceleration variability. In contrast, sustained mental activity tends only to affect step variability during dual-tasking. Although muscle and mental fatigability alter older adults’ gait performance, the mechanisms that explain why walking changes occur are unclear. Seeking to understand the mechanisms that explain how age and fatigability would affect gait, we experimentally induced muscle and mental fatigability and examined these fatigue effects on treadmill walking in 12 older and 12 younger adults. Muscle fatigability was induced by participants repeatedly performing the sit-to-stand task (rSTS). Mental fatigability was induced by participants performing demanding mental tasks for 30 minutes. In chapter 3, we verified that the rSTS and demanding mental tasks minimally affected the stride variables and the dynamics of walking on the treadmill in the two age groups. Regarding the mental fatigability, we interpreted that demanding mental tasks indicate to induce adaptation on gait only in dual-task conditions. We also speculated that age-specific modulations on neuromuscular control due to fatigability might have compensated for the effects of fatigue to maintain the gait performance. In addition, the effects of rSTS were perhaps not specific enough to induce changes in key elements of gait. In chapter 4, we examined the effects of age and exhaustive rSTS on muscle activation during ascent and descent phases of the STS task. We found that by performing remarkably fewer STS trials, older adults had minimized fatigability effects on muscle activation, voluntary force, and motor function, producing minimal changes in stride outcomes and gait dynamics after rSTS, as seen in Chapter 3. In chapter 5, we examined if there was an age-specific modulation in the common neural drive to muscles to compensate for muscle fatigability and spare gait function. We found that rSTS produced an age-specific compensatory strategy in the neural control of muscles to maintain the gait performance. Chapter 6 summarizes the main findings. We discussed the data from the perspective that: 1) the effects of age and fatigability may be more evident during real-life, overground walking situations involving cognitive and motor dual-tasking compared to walking on a treadmill and 2) perhaps, a fatigue-induction model that involved walking tasks and/or focused on specific aspects of the task (such as fatigue induced by long distances walking over level and/or inclined surfaces, or stairs ascent protocols) could be more effective in examining the effect of aging on gait adaptability. However, even with limited effects, rSTS produced age-specific changes in the neural drive for synergistic ankle muscles, which can be interpreted as compensation for fatigue that healthy older adults develop to maintain walking performance.

Resumo (neerlandês)

Gezond ouder worden gaat samen met functionele achteruitgang, waaronder die van het lopen, balans en het vermogen om deze aan te passen aan allerei interne en externe verstoringen. Vermoeidheid kan beschouwd worden als een interne verstoring welke resulteert in een afname van fysieke en /of mentale prestaties en een afname in de motivatie om fysieke taken uit te voren. Een belangrijke vraag is, of en hoe leeftijd het vermogen beindvloed om het lopen aan te passen aan spier en mentale vermoeidheid en op wat voor wijze dit effect heeft op dagelijkse activiteiten. Hoofdstuk 2 presenteert een systematisch literatuuronderzoek waarbij studies zijn geanalyseerd die de effecten van experimenteel veroorzaakte spier- en mentale vermoeidheid op het lopen van ouderen onderzochten. Uit het review komt naar voren dat spatiële en temporele kenmerken van het lopen en de en de variabiliteit van de rompversnellingen beinvloed worden door spiervermoeidheid. Daarentegen heeft aanhoudende mentale activiteit alleen invloed op de stapvariabiliteit van het lopen als er tegelijkertijd een cognitieve taak wordt uitgevoerd, zgn. dubbeltaken. Ondanks dat het review heeft aangetoond dat spier- en mentale vermoeidheid de loopprestaties veranderen, blijven de mechanismen die ten grondlag liggen aan de gerapporteerde loopveranderingen onduidelijk. Om meer inzicht te krijgen op welke wijze leeftijd en vermoeidheid het lopen beïnvloeden, hebben we een experiment ontworpen om spiervermoeidheid en mentale vermoeidheid te veroorzaken, en de effecten ervan op het lopen op een loopband te onderzoeken bij 12 ouderen en 12 jongvolwassenen. Spiervermoeidheid werd veroorzaakt door de deelnemers herhaaldelijk een zit-staan taak te laten uitvoeren (repetitive sit-to-stand, rSTS) en mentale vermoeidheid werd veroorzaakt door de deelnemers 30 minuten lang veeleisende mentale taken op een computer te laten uitvoeren. In hoofdstuk 3 laten we zien dat zowel bij ouderen als jongvolwassenen, de rSTS taak en mentale taken, schrede variabelen en de dynamica van het lopen nauwelijks beïnvloedden. Wat betreft de mentale vermoeidheid, kan het zijn dat, aanpassingen in het looppatroon alleen optreden wanneer tegelijkertijd complexere, dubbeltaken worden uitgevoerd. Daarnaast kan het zijn dat leeftijdsspecifieke aanpassingen in de neuromusculaire controle, als gevolg van vermoeidheid, mogelijk de effecten van vermoeidheid hebben gecompenseerd om de loopprestaties te behouden. Bovendien waren de 7 Samenvatting effecten van rSTS taak mogelijk te algemeen om veranderingen in de belangrijkste elementen van het lopen teweeg te brengen. In hoofdstuk 4 onderzochten we de effecten van leeftijd en rSTS taak op spieractivatie tijdens specifieke fases van STS-taak (fasen opstaan en zitten). We vonden dat ouderen in vergelijking met jongevolwassenen opmerkelijk minder STS-herhalingen uitvoerden. Door minder STS-herhalingen uit te voeren, bleven vermoeidheidseffecten op spieractivatie, kracht en de uitvoering van de taak vrijwillige kracht en motoriek tot een minimum beperkt bij oudere volwassenen. Daarom werden minimale veranderingen gevonde loopvariabelen. In hoofdstuk 5 hebben we onderzocht of er een leeftijdsspecifieke aanpassing was in de gemeenschappelijke neurale aansturing van spieren om de spiervermoeidheid tijdens het lopen te compenseren. We vonden dat rSTS een leeftijdsspecifieke compensatiestrategie veroorzaakte in de neurale aansturing van spieren met als doel de loopprestaties te behouden. Hoofdstuk 6 vat de belangrijkste bevindingen samen. De resultaten worden besproken vanuit het perspectief dat: 1) de effecten van leeftijd en vermoeidheid waarschijnlijk meer optreden tijdens looptaken die lijken op het lopen in het dagelijks leven, loopsituaties met cognitieve en motorische dubbeltaken. 2) een vermoeidheid inducerend model dat looptaken omvat en/ of gericht is op specifieke aspecten van het lopen (zoals, vermoeidheid veroorzaakt door lange afstanden te lopen op vlakke en / of hellende oppervlakken, of protocollen voor het ) wellicht duidelijker verschillend tussen jong en oud laten zien in het aanpassingsvermogen van het looppatroon. Echter, al zijn de algemene effecten klein, rSTS taak geeft leeftijdsspecifieke veranderingen in de neurale aansturing van synergetische enkelspieren, wat kan worden geïnterpreteerd als een compensatie voor vermoeidheid die gezonde oudere volwassenen ontwikkelen.