Control of trunk muscle force in individuals with low back pain: new insights revealed by high-density surface electromyography

Abstract

Low back pain (LBP) is a leading cause of disability worldwide, with chronic non-specific LBP (CLBP) accounting for most cases. It is well-recognised that individuals with LBP exhibit different movement patterns compared to those without pain. Extensive research has examined motor adaptations in individuals with CLBP, highlighting alterations in trunk muscle strength, muscle activity, movement patterns, and proprioceptive acuity. Recent studies have also shown that musculoskeletal pain, including CLBP, can impair muscle force control. However, the concept of force or torque steadiness as a motor adaptation in people with CLBP has been relatively understudied and therefore requires further investigation. This thesis presents research that focuses on enhancing our understanding of motor adaptations in people with CLBP, specifically in relation to changes in the control of trunk muscle force/torque steadiness and the potential underlying neuromuscular mechanisms. To achieve this, it examines the relationship between trunk high-density electromyography (HDsEMG) signals and torque using cross-correlation and coherence analyses, and principal component analysis (PCA) to improve these estimations. The first study examined the control of trunk muscle force and EMG-torque relationships during isometric trunk extension contractions, revealing that individuals with CLBP have poorer control compared to pain-free individuals. People with CLBP performed the contractions with altered recruitment strategies, including a higher contribution of more cranial regions of the lumbar erector spinae (ES) to the resultant torque and a failure to increase the contribution of the lumbar ES to the resultant torque with an increase in load. The second study extended these findings to dynamic trunk flexion/extension concentric and eccentric contractions, showing that the control of trunk muscle force is also impaired during these movements alongside altered recruitment patterns. These involved a higher contribution of the thoracolumbar ES to torque, as observed in the first study during trunk extension contractions, and increased abdominal muscle activity, with the centre of activation being more cranial and a higher contribution of this musculature to the resultant torque (particularly the external oblique muscle) during trunk flexion. In contrast, the third study, which investigated the effects of acute low-back soreness induced by delayed onset of muscle soreness (DOMS) on trunk muscle function, recruitment behaviour, movement patterns, and underlying neuromuscular mechanisms, showed that DOMS did not impair trunk force control. However, EMG-torque relationships and kinematics were altered in a contraction-dependent manner. During eccentric contractions, a decrease in the thoracolumbar ES contribution to the resultant torque was observed, and individuals showed increased lumbar flexion during the more demanding contractions. During concentric contractions, a reduction in thoracolumbar range of motion in the sagittal plane was observed, suggesting the maintenance of a more neutral lumbar spine posture, but no alterations in HDsEMG-torque relationships were observed in the presence of DOMS. These findings suggest that pain-free individuals could adapt their motor strategies and maintain muscle performance despite DOMS. The fourth study was a systematic review and meta-analysis that explored the influence of clinical and experimental musculoskeletal pain on the control of muscle force. The findings of this review suggested that the persistent, multidimensional nature of clinical musculoskeletal pain is related to more pronounced impairments in force control compared to the temporary nature of experimental pain, particularly for the trunk. The results of this thesis underscore the importance of evaluating torque steadiness in individuals with CLBP. The findings indicate that people with CLBP exhibit impaired force control and altered trunk muscle recruitment strategies. Future research should explore the value of torque steadiness training and HDsEMG-based biofeedback for enhancing torque steadiness performance in this patient population. These interventions could lead to better-targeted therapies that address the specific neuromuscular deficits associated with CLBP.

Η οσφυαλγία αποτελεί κύρια αιτία αναπηρίας παγκοσμίως, με τη χρόνια μη ειδική οσφυαλγία να ευθύνεται για τις περισσότερες περιπτώσεις. Είναι ευρέως αναγνωρισμένο ότι τα άτομα με οσφυαλγία εμφανίζουν διαφορετικά κινητικά πρότυπα σε σύγκριση με εκείνα χωρίς πόνο. Εκτεταμένη έρευνα έχει εξετάσει τις κινητικές προσαρμογές σε άτομα με χρόνια μη ειδική οσφυαλγία, αναδεικνύοντας μεταβολές στη μυϊκή δύναμη του κορμού, τη μυϊκή δραστηριότητα, τα κινητικά πρότυπα και την ακρίβεια των ιδιοδεκτικών πληροφοριών. Πρόσφατες μελέτες έχουν επίσης δείξει ότι ο μυοσκελετικός πόνος, συμπεριλαμβανομένης της χρόνιας μη ειδικής οσφυαλγίας, μπορεί να επηρεάσει αρνητικά τον έλεγχο της μυϊκής δύναμης. Ωστόσο, η έννοια της σταθερότητας της δύναμης ή της ροπής (force or torque steadiness) ως κινητική προσαρμογή σε άτομα με χρόνια μη ειδική οσφυαλγία έχει μελετηθεί σχετικά λίγο και επομένως απαιτεί περαιτέρω διερεύνηση. Αυτή η διατριβή παρουσιάζει έρευνα που εστιάζει στην ενίσχυση της κατανόησής μας για τις κινητικές προσαρμογές σε άτομα με χρόνια μη ειδική οσφυαλγία, ειδικότερα σε σχέση με τις αλλαγές στον έλεγχο της σταθερότητας της δύναμης/ροπής των μυών του κορμού και τους πιθανούς υποκείμενους νευρομυϊκούς μηχανισμούς. Για να το επιτύχει αυτό, εξετάζει τη σχέση μεταξύ των σημάτων ηλεκτρομυογραφίας υψηλής πυκνότητας του κορμού (HDsEMG) και της ροπής, χρησιμοποιώντας αναλύσεις διασταυρούμενης συσχέτισης και συνοχής (cross-correlation & coherence analyses), καθώς και ανάλυση κύριων συνιστωσών (PCA) για τη βελτίωση αυτών των εκτιμήσεων. Η πρώτη μελέτη εξέτασε τον έλεγχο της μυϊκής δύναμης του κορμού και τις σχέσεις ηλεκτρομυογραφίας-ροπής κατά τη διάρκεια ισομετρικών συστολών έκτασης του κορμού, αποκαλύπτοντας ότι τα άτομα με χρόνια μη ειδική οσφυαλγία παρουσιάζουν μειωμένη ικανότητα ελέγχου σε σύγκριση με άτομα χωρίς πόνο. Τα άτομα με χρόνια μη ειδική οσφυαλγία εκτέλεσαν τις συστολές με τροποποιημένες στρατηγικές επιστράτευσης, συμπεριλαμβανομένης της μεγαλύτερης συνεισφοράς των πιο κρανιακών περιοχών του οσφυϊκού ορθωτήρα του κορμού στην παραγόμενη ροπή και της αδυναμίας αύξησης της συνεισφοράς του οσφυϊκού ορθωτήρα του κορμού στην παραγόμενη ροπή με την αύξηση του φορτίου. Η δεύτερη μελέτη επέκτεινε αυτά τα ευρήματα σε δυναμικές σύγκεντρες και έκκεντρες συστολές κάμψης/έκτασης του κορμού, δείχνοντας ότι η ικανότητα ελέγχου της μυϊκής δύναμης του κορμού είναι επίσης μειωμένη κατά τη διάρκεια αυτών των κινήσεων, παράλληλα με τροποποιημένα πρότυπα επιστράτευσης. Τα πρότυπα αυτά περιλάμβαναν μεγαλύτερη συνεισφορά του θωρακοοσφυϊκού ορθωτήρα του κορμού στην παραγόμενη ροπή, όπως παρατηρήθηκε και στην πρώτη μελέτη κατά τις συστολές έκτασης του κορμού, καθώς και αυξημένη δραστηριότητα των κοιλιακών μυών κατά την κάμψη του κορμού. Ειδικότερα, κατά την κάμψη, το κέντρο ενεργοποίησης των κοιλιακών μυών εντοπιζόταν πιο κρανιακά, ενώ παρατηρήθηκε και μεγαλύτερη συνεισφορά αυτού του μυϊκού συστήματος στην παραγόμενη ροπή, ιδιαίτερα του έξω λοξού κοιλιακού μυός. Αντίθετα, η τρίτη μελέτη, η οποία διερεύνησε τις επιδράσεις του οξέος οσφυϊκού πόνου που προκαλείται από καθυστερημένο μυϊκό πόνο στη μυϊκή λειτουργία του κορμού, στη συμπεριφορά επιστράτευσης, στα κινητικά πρότυπα και στους υποκείμενους νευρομυϊκούς μηχανισμούς, έδειξε ότι ο καθυστερημένος μυϊκός πόνος δεν επηρέασε αρνητικά τον έλεγχο της δύναμης του κορμού. Ωστόσο, οι σχέσεις ηλεκτρομυογραφίας-ροπής και η κινηματική μεταβλήθηκαν με τρόπο που εξαρτιόταν από το είδος της συστολής. Κατά τις έκκεντρες συστολές, παρατηρήθηκε μειωμένη συνεισφορά του θωρακοοσφυϊκού ορθωτήρα του κορμού στην παραγόμενη ροπή, ενώ τα άτομα παρουσίασαν αυξημένη οσφυϊκή κάμψη κατά τις πιο απαιτητικές συστολές. Κατά τις σύγκεντρες συστολές, παρατηρήθηκε μειωμένο θωρακοοσφυϊκό εύρος κίνησης στο οβελιαίο επίπεδο, γεγονός που υποδηλώνει τη διατήρηση μιας πιο ουδέτερης στάσης της οσφυϊκής μοίρας της σπονδυλικής στήλης, χωρίς όμως να παρατηρούνται μεταβολές στις σχέσεις υψηλής πυκνότητας ηλεκτρομυογραφίας-ροπής παρουσία καθυστερημένου μυϊκού πόνου. Τα ευρήματα αυτά υποδηλώνουν ότι τα άτομα χωρίς πόνο μπόρεσαν να προσαρμόσουν τις κινητικές τους στρατηγικές και να διατηρήσουν τη μυϊκή τους απόδοση παρά την παρουσία καθυστερημένου μυϊκού πόνου. Η τέταρτη μελέτη ήταν μια συστηματική ανασκόπηση και μετα-ανάλυση που διερεύνησε την επίδραση του κλινικού και πειραματικού μυοσκελετικού πόνου στον έλεγχο της μυϊκής δύναμης. Τα ευρήματα της ανασκόπησης έδειξαν ότι η επίμονη και πολυδιάστατη φύση του κλινικού μυοσκελετικού πόνου σχετίζεται με πιο έντονες διαταραχές στον έλεγχο της δύναμης σε σύγκριση με την προσωρινή φύση του πειραματικού πόνου, ιδιαίτερα στον κορμό. Τα αποτελέσματα αυτής της διατριβής υπογραμμίζουν τη σημασία της αξιολόγησης της σταθερότητας της ροπής σε άτομα με χρόνια μη ειδική οσφυαλγία. Τα ευρήματα δείχνουν ότι τα άτομα με χρόνια μη ειδική οσφυαλγία παρουσιάζουν μειωμένο έλεγχο της δύναμης και τροποποιημένες στρατηγικές επιστράτευσης των μυών του κορμού. Η μελλοντική έρευνα θα πρέπει να διερευνήσει την αξία της εκπαίδευσης στη σταθερότητα της ροπής, καθώς και της βιοανάδρασης που βασίζεται στην ηλεκτρομυογραφία υψηλής πυκνότητας, για τη βελτίωση της σταθερότητας της ροπής σε αυτόν τον πληθυσμό ασθενών. Οι παρεμβάσεις αυτές θα μπορούσαν να συμβάλουν στην ανάπτυξη πιο στοχευμένων θεραπευτικών προσεγγίσεων, οι οποίες θα αντιμετωπίζουν τα ειδικά νευρομυϊκά ελλείμματα που σχετίζονται με τη χρόνια μη ειδική οσφυαλγία.