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Possible contributions of CPG activity to the control of rhythmic human arm movement

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Abstract:

There is extensive modulation of cutaneous and H-reflexes during rhythmic leg movement in humans. Mechanisms controlling reflex modulation (e.g., phase- and task-dependent modulation, and reflex reversal) during leg movements have been ascribed to the activity of spinal central pattern generating (CPG) networks and peripheral feedback. Our working hypothesis has been that neural mechanisms (i.e., CPGs) controlling rhythmic movement are conserved between the human lumbar and cervical spinal cord. Thus reflex modulation during rhythmic arm movement should be similar to that for rhythmic leg movement. This hypothesis has been tested by studying the regulation of reflexes in arm muscles during rhythmic arm cycling and treadmill walking. This paper reviews recent studies that have revealed that reflexes in arm muscles show modulation within the movement cycle (e.g., phase-dependency and reflex reversal) and between static and rhythmic motor tasks (e.g., task-dependency). It is concluded that reflexes are modulated similarly during rhythmic movement of the upper and lower limbs, suggesting similar motor control mechanisms. One notable exception to this pattern is a failure of contralateral arm movement to modulate reflex amplitude, which contrasts directly with observations from the leg. Overall, the data support the hypothesis that CPG activity contributes to the neural control of rhythmic arm movement.Key words: central pattern generator, locomotion, motor control, neural control.

La modulation des réflexes cutanés et des réflexes-H est considérable durant le mouvement rythmique des jambes chez les humains. Les mécanismes régulant la modulation des réflexes (p. ex. modulation dépendante de la phase, modulation dépendante de la tâche et inversion des réflexes) durant les mouvements des jambes ont été attribués à l'activité des réseaux de générateurs centraux de patrons (CPG) spinaux et à la rétroaction périphérique. Notre hypothèse de travail a été que les mécanismes neuronaux (c.-à-d. CPG) contrôlant le mouvement rythmique sont situés entre la moelle épinière lombaire et cervicale. Ainsi la modulation des réflexes durant le mouvement rythmique des bras devrait être similaire à celle du mouvement rythmique des jambes. Cette hypothèse a été vérifiée en examinant la régulation des réflexes dans les muscles des bras durant un cycle rythmique des bras et une marche sur tapis roulant. Cet article passe en revue des études récentes qui ont indiqué que les réflexes dans les muscles des bras sont modulés au cours du cycle des mouvements (p. ex. dépendance envers la phase et inversion du réflexe) et entre les tâches motrices statiques et rythmiques (p. ex. dépendance envers la tâche). On conclut que les réflexes sont modulés de façon similaire durant le mouvement rythmique des membres supérieurs et inférieurs, suggérant la présence de mécanismes de contrôle moteur similaires. Une exception notable à ce patron est une incapacité du mouvement du bras controlatéral à moduler l'amplitude des réflexes, ce qui est diamétralement opposé à ce qui a été observé pour la jambe. Ces données confortent l'hypothèse que l'activité des CPG participe au contrôle neuronal du mouvement rythmique des bras.Mots clés : générateur central de patron, locomotion, contrôle moteur, contrôle neuronal. [Traduit par la Rédaction]

Document Type: Research Article

Publication date: July 1, 2004

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