Physiological and biomechanical parameters affecting proprioception

Abstract

Proprioception is a fundamental ability of the sensorimotor system, essential for maintaining dynamic joint stability and coordinating precise motor tasks through the integration of afferent signals from muscle spindles, intra-articular receptors and other sensory input. In this thesis we examined physiological and biomechanical parameters that could influence knee proprioception, such as: a) the effect of localized muscle fatigue (study 1 and study 2), b) the possible role of hormonal fluctuations, when young women are studied (study 1), c) the role of ankle weight and pressure application, in women and men (study 2), d) the influence of precceding muscular activation (i.e. actively targeting the predetermined angle before joint repositioning), in women and men (study 3). Three different study cohorts were evaluated: 1st study, twenty physically active females aged 19–30 years, with normal menses, involved in team sports and/or contemporary dance; 2nd study, 22 active participants, eumenorrheic women (n=15) and men (n=7) involved in team sports and/or contemporary dance, aged 21-34 years; 3rd study, 20 active participants, eumenorrheic women (n=13) and men (n=7) aged 19–33 years, involved in gym fitness programs and/or contemporary dance teams. In studies 2 and 3 women participants were accesed in their follicuular phase. An isokinetic dynamometer was used to evaluate proprioception (in all studies) and to perform the muscle fatigue protocol (study 1 and study 2). Knee proprioception at rest (all studies) and after fatigue (study 1 and study 2) at three knee target angles (30◦, 45◦, 60◦) was measured. A three-way ANOVA analysis with repeated measures was performed for 1st and 2nd study and a two-way ANOVA analysis with repeated measures with one independent variable (gender) was performed for the 3rd study. The results of the 1st study showed that the main effect of fatigue was significant, but no main effect of the menstrual cycle phase was found. Additionally, a main effect was found for the target angle (more flexed target knee joint angles were associated with larger angular error deviations). The results of the 2nd study showed that the ankle weight application (3Kg) appeared to have a positive effect on knee joint proprioception as there was an overall reduction in angular error. The ankle pressure (120mmHg) application had beneficial effects on knee joint repositioning in men, for both the rest and fatigue states (with a benefit reaching 5 % in fatigue) but did not influence too much the knee proprioceptive ability in women (ns tendency). The results of the 3rd study showed that performance was worse in the more acute (45ο,60ο) knee joint angles when the protocol was performed with the standard procedure (passive – active). The interaction between variables muscle “condition” and knee joint “angle” was statistically significant with overall worse performance under condition 2 (relaxed muscle during ‘targeting’), for target angles of 45 o and 60 o as compared to 30o and in comparison to condition 1 (pre-activation during targeting of intended knee joint angle). In conclusion, localized muscle fatigue can significantly reduce the accuracy of active knee joint repositioning in both the luteal and the follicular menstrual phases in young, physically active healthy women (Study 1). Moreover, localized muscle fatigue significantly reduced proprioceptive acuity in men (Study 2). The application of a small weight at the ankle’s level significantly improved knee joint’s proprioceptive acuite in both women and men with the greatest improvements at 45° and 60° where the proprioceptive deficit was already largest. Pressure application (of 120 mmHg, equivalent to providing a sense of tight taping) at just above the ankle joint, showed statistically significant benefits in knee proprioception for participants which demonstrated the larger errors and a tendency for improvement in those who from the start demonstrated lesser errors. Isometric pre-activation in preparation for an intended movement, can meaningfully support joint position sense at precisely the angles where proprioceptive errors are mostly observed. These findings overall provide an evidence-based foundation for more individualized approaches to proprioceptive training, warm-up design and rehabilitation programming in physically active populations.

Η ιδιοδεκτικότητα αποτελεί θεμελιώδη ικανότητα του αισθητικοκινητικού συστήματος, απαραίτητη για τη διατήρηση της δυναμικής σταθερότητας των αρθρώσεων και τον συντονισμό ακριβών κινητικών έργων, μέσω της ενσωμάτωσης προσαγωγών σημάτων από τις μυϊκές ατράκτους, τους ενδοαρθρικούς υποδοχείς και άλλες αισθητηριακές εισροές. Στην παρούσα διατριβή εξετάζουμε φυσιολογικές και εμβιομηχανικές παραμέτρους που θα μπορούσαν να επηρεάσουν την ιδιοδεκτικότητα του γονάτου, όπως: α) την επίδραση της τοπικής μυϊκής κόπωσης, β) τον πιθανό ρόλο των ορμονικών διακυμάνσεων σε νεαρές γυναίκες, γ) τον ρόλο της εφαρμογής βάρους και πίεσης στον αστράγαλο σε γυναίκες και άνδρες, δ) την επίδραση της μυϊκής ενεργοποίησης (δηλ. την ενεργητική στόχευση της προκαθορισμένης γωνίας πριν από την επανατοποθέτηση της άρθρωσης) σε γυναίκες και άνδρες. Διεξήχθησαν τρεις διαφορετικές μελέτες: 1η μελέτη με είκοσι σωματικά δραστήριες γυναίκες ηλικίας 19–30 ετών με φυσιολογική έμμηνο ρύση, 2η μελέτη με 22 δραστήριες γυναίκες (n=15) και άνδρες (n=7) που συμμετείχαν σε ομαδικά αθλήματα ή/και σύγχρονο χορό ηλικίας 21-34 ετών, και 3η μελέτη με 20 δραστήριους συμμετέχοντες (γυμναστήριο ή/και ομάδες σύγχρονου χορού), γυναίκες με φυσιολογικό κύκλο (n=13) και άνδρες (n=7) ηλικίας 19–33 ετών (ύψος 148-182 cm, βάρος 43-86 kg). Χρησιμοποιήθηκε ισοκινητικό δυναμόμετρο για την αξιολόγηση της ιδιοδεκτικότητας (όλες οι μελέτες) και την εφαρμογή πρωτοκόλλου κόπωσης (1η-2η μελέτη). Μετρήθηκε η ιδιοδεκτικότητα του γονάτου σε κατάσταση ηρεμίας (όλες οι μελέτες) και μετά από κόπωση (1η-2η μελέτη) σε τρεις γωνίες-στόχους (30°, 45°, 60°). Πραγματοποιήθηκε ανάλυση ANOVA τριών παραγόντων με επαναλαμβανόμενες μετρήσεις για την 1η και 2η μελέτη, και ANOVA δύο παραγόντων με επαναλαμβανόμενες μετρήσεις και μία ανεξάρτητη μεταβλητή (φύλο) για την 3η μελέτη.Τα αποτελέσματα της 1ης μελέτης έδειξαν ότι η κύρια επίδραση της κόπωσης ήταν σημαντική, αλλά δεν βρέθηκε κύρια επίδραση της φάσης του εμμηνορροϊκού κύκλου. Επιπλέον, βρέθηκε κύρια επίδραση της γωνίας-στόχου (οι θέσεις μεγαλύτερης κάμψης σχετίζονταν με μεγαλύτερες αποκλίσεις γωνιακού σφάλματος). Τα αποτελέσματα της 2ης μελέτης έδειξαν ότι το βάρος (3kg) φάνηκε να έχει θετική επίδραση στην ιδιοδεκτικότητα, καθώς υπήρξε συνολική μείωση του γωνιακού σφάλματος και για τα δυο φύλα. Η πίεση (120mmHg) είχε ευεργετικά αποτελέσματα στην επανατοποθέτηση του γονάτου στους άνδρες, τόσο σε κατάσταση ηρεμίας όσο και σε κόπωση (όφελος έως 5% στην κόπωση), αλλά δεν επηρέασε σημαντικά την ιδιοδεκτική ικανότητα στις γυναίκες (μη σημαντική τάση). Τα αποτελέσματα της 3ης μελέτης έδειξαν ότι η απόδοση ήταν χειρότερη στις πιο οξείες γωνίες (45°, 60°) όταν το πρωτόκολλο εκτελέστηκε με την τυπική διαδικασία (χωρίς ισομετρική μυϊκη ενεργοποίηση κατά την στόχευση). Η αλληλεπίδραση μεταξύ των μεταβλητών μυϊκή «κατάσταση» ενεργοποίησης και «γωνία» γονάτου ήταν στατιστικά σημαντική, με συνολικά χειρότερη απόδοση υπό τη συνθήκη 2 (χαλαρός μυς κατά τη στόχευση) για τις γωνίες 45° και 60° σε σύγκριση με τις 30° και σε σύγκριση με τη συνθήκη 1 (προ-ενεργοποίηση). Συμπερασματικά, η τοπική μυϊκή κόπωση μπορεί να μειώσει σημαντικά την ακρίβεια της ενεργητικής επανατοποθέτησης του γονάτου τόσο στην ωχρινική όσο και στην ωοθυλακική φάση σε νεαρές, υγιείς γυναίκες. Επιπλεόν, η μυϊκή κόπωση μειώνει σημαντικά την ιδιοδεκτική ακρίβεια και στους άνδρες. Η εφαρμογή μικρού βάρους στο επίπεδο του αστραγάλου βελτίωσε σημαντικά την ιδιοδεκτική οξύτητα και στα δύο φύλα, με τις μεγαλύτερες βελτιώσεις στις 45° και 60°, όπου το έλλειμμα ήταν ήδη μεγαλύτερο. Η εφαρμογή πίεσης (120 mmHg, ισοδύναμη με την αίσθηση σφιχτής περίδεσης) ακριβώς πάνω από την άρθρωση του αστραγάλου, έδειξε στατιστικά σημαντικά οφέλη για τους συμμετέχοντες που παρουσίαζαν τα μεγαλύτερα σφάλματα. Η ισομετρική προ-ενεργοποίηση κατά την προετοιμασία μιας κίνησης μπορεί να υποστηρίξει ουσιαστικά την αίσθηση θέσης της άρθρωσης ακριβώς στις γωνίες όπου παρατηρούνται τα περισσότερα σφάλματα. Αυτά τα ευρήματα παρέχουν μια τεκμηριωμένη βάση για πιο εξατομικευμένες προσεγγίσεις στην ιδιοδεκτική προπόνηση, τον σχεδιασμό της προθέρμανσης και τον προγραμματισμό της αποκατάστασης σε σωματικά δραστήριους πληθυσμούς.