Neuromuscular adaptations and sensorimotor integration following a unilateral transfemoral amputation.

Adaptações neuromusculares e integração sensório-motora após uma amputação transfemoral unilateral.

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2019
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Abstract
Following an amputation, the human postural control system develops neuromuscular adaptations to regain an effective postural control. We investigated the compensatory mechanisms behind these adaptations and how sensorimotor integration is affected after a lower-limb transfemoral amputation.Center of pressure (CoP) data of 12 unilateral transfemoral amputees and 12 age-matched able-bodied subjects were recorded during quiet standing with eyes open (EO) and closed (EC). CoP adjustments under each leg were recorded to study their contribution to posture control. The spatial structure of the CoP displacements was characterized by measuring the mean distance, the mean velocity of the CoP adjustments, and the sway area. The Entropic Half-Life (EnHL) quantifies the temporal structure of the CoP adjustments and was used to infer disrupted sensory feedback loops in amputees. We expanded the analysis with measures of weight-bearing imbalance and asymmetry, and with two standardized balance assessments, the Berg Balance Scale (BBS) and Timed Up-and-Go (TUG).There was no difference in the EnHL values of amputees and controls when combining the contributions of both limbs (p = 0.754). However, amputees presented significant differences between the EnHL values of the intact and prosthetic limb (p <  0.001). Suppressing vision reduced the EnHL values of the intact (p = 0.001) and both legs (p = 0.028), but not in controls. Vision feedback in amputees also had a significant effect (increase) on the mean CoP distance (p <  0.001), CoP velocity (p <  0.001) and sway area (p = 0.007). Amputees presented an asymmetrical stance. The EnHL values of the intact limb in amputees were positively correlated to the BBS scores (EO: ρ = 0.43, EC: ρ = 0.44) and negatively correlated to the TUG times (EO: ρ = - 0.59, EC: ρ = - 0.69).These results suggest that besides the asymmetry in load distribution, there exist neuromuscular adaptations after an amputation, possibly related to the loss of sensory feedback and an altered sensorimotor integration. The EnHL values suggest that the somatosensory system predominates in the control of the intact leg. Further, suppressing the visual system caused instability in amputees, but had a minimal impact on the CoP dynamics of controls. These findings points toward the importance of providing somatosensory feedback in lower-limb prosthesis to reestablish a normal postural control.DRKS00015254 , registered on September 20th, 2018.
Após uma amputação, o sistema de controle postural humano desenvolve adaptações neuromusculares para recuperar um controle postural eficaz. Investigamos os mecanismos compensatórios subjacentes a essas adaptações e como a integração sensório-motora é afetada após uma amputação transfemoral de membro inferior. Dados do centro de pressão (CoP) de 12 indivíduos com amputação transfemoral unilateral e 12 indivíduos hígidos pareados por idade foram registrados durante a postura ortostática quieta com os olhos abertos (OA) e fechados (OF). Os ajustes do CoP sob cada membro foram registrados para avaliar sua contribuição no controle postural. A estrutura espacial dos deslocamentos do CoP foi caracterizada pela medição da distância média, da velocidade média dos ajustes do CoP e da área de oscilação. A Meia-Vida Entrópica (EnHL, do inglês *Entropic Half-Life*) quantifica a estrutura temporal dos ajustes do CoP e foi utilizada para inferir alterações nas alças de retroalimentação sensorial nos indivíduos amputados. Expandimos a análise com medidas de assimetria e desequilíbrio na sustentação de peso corporal, e com duas avaliações padronizadas de equilíbrio: a Escala de Equilíbrio de Berg (BBS) e o teste *Timed Up-and-Go* (TUG). Não houve diferença nos valores de EnHL entre os indivíduos amputados e os controles quando combinadas as contribuições de ambos os membros (p = 0,754). No entanto, os amputados apresentaram diferenças significativas entre os valores de EnHL do membro intacto e do protético (p < 0,001). A supressão visual reduziu os valores de EnHL do membro intacto (p = 0,001) e de ambos os membros (p = 0,028), mas não no grupo controle. O feedback visual nos amputados também teve efeito significativo (aumento) na distância média do CoP (p < 0,001), na velocidade do CoP (p < 0,001) e na área de oscilação (p = 0,007). Os indivíduos amputados apresentaram uma postura assimétrica. Os valores de EnHL do membro intacto nos amputados correlacionaram-se positivamente com as pontuações da BBS (OA: ρ = 0,43; OF: ρ = 0,44) e negativamente com os tempos do TUG (OA: ρ = -0,59; OF: ρ = -0,69). Esses resultados sugerem que, além da assimetria na distribuição de carga, existem adaptações neuromusculares após uma amputação, possivelmente relacionadas à perda de retroalimentação sensorial e a uma integração sensório-motora alterada. Os valores de EnHL sugerem que o sistema somatossensorial predomina no controle do membro intacto. Além disso, a supressão do sistema visual causou instabilidade nos indivíduos amputados, mas teve impacto mínimo na dinâmica do CoP dos controles. Esses achados apontam para a importância de fornecer retroalimentação somatossensorial em próteses de membros inferiores para restabelecer um controle postural normal. DRKS00015254, registrado em 20 de setembro de 2018.
Reference Key
claret2019neuromuscularjournal Use this key to autocite in the manuscript while using SciMatic Manuscript Manager or Thesis Manager
Authors Claret, Claudia Ramos;Herget, Georg W;Kouba, Lukas;Wiest, Daniel;Adler, Jochen;von Tscharner, Vinzenz;Stieglitz, Thomas;Pasluosta, Cristian;
Journal journal of neuroengineering and rehabilitation
Year 2019
DOI
10.1186/s12984-019-0586-9
URL
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