Pesquisa

Resumo: A modelagem matemática e a simulação computacional têm sido utilizadas para estudar o funcionamento do sistema neuromuscular humano, possibilitando um maior entendimento dos mecanismos neurofisiológicos e biomecânicos responsáveis pelo controle do movimento. A vantagem desta abordagem é que, por meio de modelos matemáticos multi-escala, pode-se estudar como mecanismos que operam em um nível celular e/ou molecular podem influenciar os comportamentos motores observados em escalas macroscópicas, como por exemplo, a geração da força muscular e do eletromiograma. Poucos estudos têm utilizado esta abordagem (baseada em neurociência computacional) para investigar como o funcionamento do sistema neuromuscular é alterado quando este está sujeito a patologias neurodegenerativas. Especificamente, no caso da esclerose lateral amiotrófica (ELA) existem modelos matemáticos que representam as características dinâmicas de neurônios motores individuais obtidos de modelos animais da ELA. No entanto, não é de nosso conhecimento um modelo que seja capaz de investigar como as características de neurônios motores individuais, com dinâmicas tipicamente encontradas em modelos animais da ELA, influenciam o controle da força de um dado músculo ou grupo muscular. Neste sentido, este projeto tem por objetivo desenvolver um modelo matemático multi-escala e biologicamente plausível do sistema neuromuscular que permita avaliar como alterações neuromotoras típicas da ELA irão influenciar a geração da força e do eletromiograma. Com isso pretende-se entender de um ponto de vista teórico/conceitual quais mecanismos desta patologia neurodegenerativa têm maior influência no controle de tarefas motoras desempenhadas por pacientes acometidos por ELA. O modelo será desenvolvido em plataformas de software livre e ficará disponível gratuitamente na Internet para que outros grupos possam simulá-lo e aperfeiçoá-lo, tornando-se assim a primeira plataforma de simulação do sistema neuromuscular para estudo da influência de uma patologia neurodegenerativa no controle motor humano.
 

Equipe: Ali Salim Faraj Silva, Débora Elisa da Costa Matoso, Heitor Sanchez Fernandes, Marcelo Zoccoler, Ricardo Gonçalves Molinari e Leonardo Abdala Elias
Instituição: Universidade Estadual de Campinas - UNICAMP
Financiamento: CNPq (Universal 2016, proc. no. 409302/2016-3), FAPESP (proc. nos. 2015/14917-9 e 2017/11464-9) e CAPES

Resumo: A performance de uma dada tarefa motora é influenciada pelo comando neural enviado aos músculos pelos motoneurônios (MNs) medulares. Portanto, a forma como estes MNs integram o enorme conjunto de sinais neurais de diferentes fontes é determinante para moldar a saída motora. Um fator que influencia o controle da força é o grau de sincronismo (ou correlação) entre as unidades motoras de um dado músculo. Esta atividade síncrona é gerada pelas entradas comuns que chegam a um subconjunto (ou toda a população) de MNs. Resultados experimentais têm mostrado quais entradas comuns podem estar comandando as unidades motoras de um músculo específico durante uma determinada tarefa. Porém, em várias tarefas motoras, por exemplo, durante o controle postural e contrações isométricas de flexão plantar, existem vários músculos sinergistas (e.g., Sóleo, Gastrocnêmio Medial e Lateral) responsáveis pela geração e controle da força (ou torque). Neste projeto o objetivo é investigar o grau de correlação (sincronismo) entre pares de unidades motoras dos músculos Sóleo e Gastrocnêmio (partes Lateral e Medial) ativas durante a realização de contrações isométricas de flexão plantar e também durante o controle da postura ereta. Eletromiografia de alta-densidade será usada para adquirir sinais destes músculos e um método automático de decomposição será usado para obter os trens de disparo de potenciais de ação de várias unidades motoras. Estes trens de potenciais de ação serão utilizados para realizar análises no domínio do tempo e no domínio da frequência com o objetivo de investigar quais entradas comuns comandam as unidades motoras dos diferentes músculos. Diferentes níveis de força e diferentes posições articulares serão avaliadas para investigar em qual grau os comandos voluntários e as entradas proprioceptivas influenciam a correlação observada no comando neural enviado aos músculos sinergistas.
 

Equipe: Dario Farina, Francesco Negro, Leonardo Abdala Elias e Margherita Castronovo
Instituições: Universidade Estadual de Campinas - UNICAMP; Georg-August University, Göttingen (Alemanha)
Financiamento: FAPESP (Projeto no. 2014/24385-1)

Resumo: Neste projeto o objetivo é investigar qual o papel das vias descendentes, da realimentação sensorial e dos circuitos neuronais medulares na geração de oscilações no torque produzido na articulação do tornozelo pelos músculos Tríceps Sural e Tibial Anterior, bem como no eletromiograma (EMG) destes músculos. Informações importantes sobre as modulações comuns (common drive) que agem sobre o pool de MNs podem ser obtidas a partir da análise da atividade das unidades motoras (MUs, do inglês Motor Units). Portanto, um dos focos principais deste trabalho será o de monitorar a atividade individual de múltiplas MUs durante a realização de diferentes tarefas de modulação senoidal do torque ou da posição angular da articulação do tornozelo. Serão utilizadas análises nos domínios do tempo e da frequência para verificar o que muda nos padrões de disparo e nos índices de sincronismo das MUs quando o torque e/ou a posição angular são modulados voluntariamente pelo sujeito ou de forma passiva. Para permitir um grau de interpretação potencialmente mais poderoso, o problema também será abordado do ponto de vista teórico, por meio do uso de modelos matemáticos do sistema neuromúsculo-esquelético, possibilitando que as diferentes vias supracitadas sejam exploradas individualmente e fornecendo importantes indícios dos mecanismos neurofisiológicos e biomecânicos por trás do controle das tarefas motoras realizadas. Para esta finalidade, neste projeto será usado um modelo neuro-músculo-esquelético previamente desenvolvido em nosso laboratório para simular as condições experimentais e, assim, trazer subsídios teóricos para os achados experimentais. Os resultados deste projeto permitirão um avanço importante no entendimento dos mecanismos neurofisiológicos do controle do movimento tanto do ponto de vista experimental quanto teórico/computacional.
 

Equipe: André Fabio Kohn, Cristiano Rocha da Silva, Diana Rezende de Toledo, Felipe Fava de Lima e Leonardo Abdala Elias
Instituição: Universidade de São Paulo - USP
Financiamento: FAPESP (Projeto no. 2013/10433-1)