Human PhysiologyHuman PhysiologyФизиология человека0131-16463034-6150The Russian Academy of Sciences66406410.31857/S0131164624040053BTMRXZArticlesСтатьиResearch ArticleCharacteristics of Human Postactivation Effect of Skeletal Muscles Using Spectral and Non-Linear Parameters of the Surface ElectromyogramХарактеристика постактивационного эффекта скелетных мышц человека при помощи спектральных и нелинейных параметров интерференционной электромиограммыMeigalA. Yu.МейгалА. Ю.
Russian Federation
meigal@petrsu.ruPeskovaA. E.ПесковаА. Е.
Russian Federation
meigal@petrsu.ruSklyarovaA. S.СкляроваА. С.
Russian Federation
meigal@petrsu.ruGerasimova-MeigalL. I.Герасимова-МейгалЛ. И.
Russian Federation
meigal@petrsu.ruPetrozavodsk State UniversityФГБОУ ВО Петрозаводский государственный университет31102024504596725022025Copyright ©; 2024, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2024, Российская академия наук2024Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://journals.eco-vector.com/0131-1646/article/view/664064

Postactivation effect (PAE, postactivation phenomenon) is a specific type of involuntary muscle tone (tonic automatism) which is generated in the “tonogenic” structures of the brain, presumably without the “sensory copy” and “motor command” mechanisms. In this regard, the electromyogram (EMG) signal of PAE may have a simpler temporal signal structure compared to PAE-inducing voluntary activity. The purpose of this work is to characterize the temporal structure and complexity of surface EMG (sEMG) of the human deltoid and biceps brachii muscles using fractal (D) and correlation dimensions (Dc). It was found that in deltoid muscles the value of D was 1.78–1.81 both during PAE and voluntary effort (p > 0.05). Dc (approximately 4.0–4.2) also did not differ between PAE and voluntary effort, although the average frequency of the sEMG spectrum during PAE was 15–16 Hz (p < 0.05) higher compared to voluntary effort. In biceps brachii muscles, the D value was 1.8 during PAE and 1.62 during voluntary effort (p < 0.05). Dc values did not differ between PAE and voluntary contraction (4–4.8). Thus, despite the supposed difference in the central organization of PAE and voluntary effort, the temporal structure of their sEMG did not differ, indicating that isometric voluntary effort and involuntary tone in the form of PAE share a common principle of sEMG signal generation. At the same time, the differences in the frequency of the sEMG spectrum indicate that the organization of sEMG signal during PAE is specific on the level of the motoneuron pool.

Постактивационный эффект (ПАЭ) представляет собой особый вид непроизвольного мышечного тонуса (тонический автоматизм), который генерируется в "тоногенных" структурах мозга, предположительно, без задействования механизмов "сенсорной копии" и "моторной команды". В связи с этим, сигнал электромиограммы (ЭМГ) ПАЭ может иметь более простую временную структуру по сравнению с индуцирующей ПАЭ произвольной активностью. Цель данной работы – охарактеризовать временную структуру и сложность интерференционной ЭМГ (иЭМГ) дельтовидной и двуглавой мышцы плеча человека при помощи фрактальной (D) и корреляционной размерности (Dc). Установлено, что в дельтовидных мышцах величина D составила 1.78–1.81 как во время ПАЭ, так и произвольного усилия (p > 0.05). Dc варьировала в пределах 4.0–4.2 и также не различалась между ПАЭ и произвольным усилием, хотя средняя частота спектра иЭМГ во время ПАЭ была на 15–16 Гц (p < 0.05) выше по сравнению с произвольным усилием. В двуглавых мышцах плеча величина D составила 1.8 во время ПАЭ и 1.68 во время произвольного усилия (p < 0.05), а Dc не различалась (4–4.8). Таким образом, несмотря на предполагаемое различие в центральной организации ПАЭ и произвольного усилия, временная структура их иЭМГ не различалась, что указывает на то, что изометрическое произвольное усилие и непроизвольный тонус в виде ПАЭ имеют общий принцип генерации сигнала иЭМГ. Вместе с тем различие в частоте спектра иЭМГ свидетельствует об особенностях организации ПАЭ и произвольного сокращения на уровне мотонейронного пула.

postactivation effectvoluntary isometric contractioninterference electromyogramfractal dimensioncorrelation dimensionspectral mean frequencyпостактивационный эффектпроизвольное изометрическое сокращениеинтерференционная электромиограммафрактальная размерностькорреляционная размерностьсредняя частота спектраРНФRSF25-24-00301Kohnstamm O. Demonstration einer katatoneartigen Erscheinung beim Gesunden (Katatonusuersuch) // Neurol. Central. 1915. V. 34. P. 290.De Havas J., Ghosh A., Gomi H., Haggard P. Sensorimotor organization of a sustained involuntary movement // Front. Behav. Neurosci. 2015. V. 9. P. 185.De Havas J., Gomi H., Haggard P. Experimental investigations of control principles of involuntary movement: a comprehensive review of the Kohnstamm phenomenon // Exp. Brain Res. 2017. V. 235. № 7. P. 1953.Gurfinkel V.S., Levik Y.S., Lebedev M.A. [Immediate and remote postactivation effects in the human motor system] // Neurophysiology. 1989. V. 21. № 3. P. 343.Гурфинкель В.С., Левик Ю.С., Лебедев М.А. Ближние и отдаленные постактивационные эффекты в двигательной системе человека // Нейрофизиология. 1989. Т. 21. № 3. С. 343.Ukhtomskii A.A. [A special type of tonic reactions in human limbs]. Collection of works. Leningrad: Publishing House of LSU, 1962. V. 6. P. 43.Ухтомский А.А. Особый вид тонических реакций в конечностях человека. Собрание сочинений. Л.: Изд-во Ленингр. гос. ордена Ленина ун-та, 1962. Т. 6. С. 43.Meigal A.Yu., Pis’mennyi K.N. The influence of whole body heating and cooling on the aftercontraction effect in the upper limb muscles // Human Physiology. 2009. V. 35. № 1. P. 51.Мейгал А.Ю., Письменный К.Н. Влияние общего согревания и охлаждения организма на постактивационный эффект в мышцах верхних конечностей // Физиология человека. 2009. Т. 35. № 1. С. 60.Duclos C., Roll R., Kavounoudias A., Roll J.P. Cerebral correlates of the “Kohnstamm phenomenon”: an fMRI study // Neuroimage. 2007. V. 34. № 2. P. 774.Craske B., Craske J.D. Oscillator mechanisms in the human motor system: investigating their properties using the aftercontraction effect // J. Mot. Behav. 1986. V. 18. № 2. P. 117.Gilhodes J.C., Gurfinkel V.S., Roll J.P. Role of Ia muscle spindle afferents in post-contraction and post-vibration motor effect genesis // Neurosci. Lett. 1992. V. 135. № 2. P. 247.Boon M.Y., Henry B.I., Suttle C.M., Dain S.J. The correlation dimension: a useful objective measure of the transient visual evoked potential? // J. Vis. 2008. V. 8. № 1. doi: 10.1167/8.1.6Boon M.Y., Henry B.I., Suttle C.M., Dain S.J. The correlation dimension: a useful objective measure of the transient visual evoked potential? // J. Vis. 2008. V. 8. № 1. doi 10.1167/8.1.6Gitter J.A., Czemiecki M.J. Fractal analysis of the electromyographic interference pattern // J. Neurosci. Methods. 1995. V. 58. № 1–2. P. 103.Cui X., Gu S.-J., Cao J. et al. Correlation entropy and the Kosterlitz–Thouless transition // J. Phys. A: Math. Theor. 2007. V. 40. № 45. P. 13523.Kozhina G.V., Person R.S., Popov K.E. et al. Motor unit discharge during muscular after-contraction // J. Electromyogr. Kinesiol. 1996. V. 6. № 3. P. 169.Farina D., Merletti R., Enoka R.M. The extraction of neural strategies from the surface EMG: An update // J. Appl. Physiol. 2014. V. 117. № 11. P. 1215.Meigal A.Yu., Gerasimova-Meigal L.I., Peskova A.E. Postactivation effect in the deltoid muscle of healthy young subjects after a short-term “dry” immersion // Human Physiology. 2021. V. 47. № 3. P. 289.Мейгал А.Ю., Герасимова-Мейгал Л.И., Пескова А.Е. Постактивационный эффект дельтовидной мышцы здорового молодого человека после краткосрочной "сухой" иммерсии // Физиология человека. 2021. Т. 47. № 3. C. 52.Brice T., McDonagh M. Abduction of the humerus by postural aftercontractions in man: effects of force and duration of previous voluntary contractions // J. Physiol. (London). 2001. V. 536. P. 214.Meigal A.Yu., Zaripova Yu.R. Influence of postconceptual age on the electromyographic characteristics in newborns // Human Physiology. 2013. V. 39. № 3. P. 278.Мейгал А.Ю., Зарипова Ю.Р. Влияние возраста после зачатия на характеристики интерференционной электромиограммы у новорожденных детей // Физиология человека. 2013. Т. 39. № 3. С. 61.Gandevia S.C. Spinal and supraspinal factors in human muscle fatigue // Physiol. Rev. 2001. V. 81. № 4. P. 1725.Ikegawa S., Shinohara M., Fukunaga T. et al. Nonlinear time-course of lumbar muscle fatigue using recurrence quantifications // Biol. Cybern. 2000. V. 82. № 5. P. 373.Del Santo F., Gelli F., Mazzocchio R., Rossi A. Recurrence quantification analysis of surface EMG detects changes in motor unit synchronization induced by recurrent inhibition // Exp. Brain Res. 2007. V. 178. № 3. P. 308.Fuglsang-Frederiksen A. The utility of interference pattern analysis // Muscle Nerve. 2000. V. 23. № 1. P. 18.Fuglsang-Frederiksen A., Dahl K., Lo Monaco M. Electrical muscle activity during a gradual increase in force in patients with neuromuscular diseases // Electroencephalogr. Clin. Neurophysiol. 1984. V. 57. № 4. P. 320.Mochizuki G., Ivanova T.D., Garland S.J. Synchronization of motor units in human soleus muscle during standing postural tasks // J. Neurophysiol. 2005. V. 94. № 1. P. 62.Mesin L., Cescon C., Gazzoni M. et al. A bi-dimensional index for the selective assessment of myoelectric manifestations of peripheral and central muscle fatigue // J. Electromyogr. Kinesiol. 2009. V. 19. № 5. P. 851.Beretta-Piccoli M., D’Antona G., Barbero M. et al. Evaluation of central and peripheral fatigue in the quadriceps using fractal dimension and conduction velocity in young females // PLoS One. 2015. V. 10. № 4. P. e0123921.Beretta-Piccoli M., Boccia G., Ponti T. et al. Relationship between isometric muscle force and fractal dimension of surface electromyogram // Biomed Res. Int. 2018. V. 2018. P. 5373846.