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Selective motor unit recruitment via intrafascicular multielectrode stimulation

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Abstract:

Recruitment of force via independent asynchronous firing of large numbers of motor units produces the grace and endurance of physiological motion. We have investigated the possibility of reproducing this physiological recruitment strategy by determining the selectivity of access to large numbers of independent motor units through intrafascicular multielectrode stimulation (IFMS) of the peripheral nerve. A Utah Slanted Electrode Array containing 100, 0.5–1.5 mm-long penetrating electrodes was inserted into the sciatic nerve of a cat, and forces generated by the 3 heads of triceps surea in response to electrical stimulation of the nerve were monitored via force transducers attached to their tendons. We found a mean of 17.4 ± 4.9 (mean ± SEM) electrodes selectively excited maximal forces in medial gastrocnemius before exciting another muscle. Among electrodes demonstrating selectivity at threshold, a mean of 7.3 ± 2.7 electrodes were shown to recruit independent populations of motor units innervating medial gastrocnemius (overlap < 20%). Corresponding numbers of electrodes were reported for lateral gastrocnemius and soleus, as well. We used these stimulation data to emulate physiological recruitment strategies, and found that independent motor unit pool recruitment approximates physiological activation more closely than does intensity-based recruitment or frequency-based recruitment.Key words: functional neuromuscular stimulation (FNS), microelectrode array, neuroprosthesis, intrafascicular multielectrode stimulation (IFMS).

Le recrutement de la force par la décharge asynchrone indépendante d'un grand nombre d'unités motrices produit la grâce et l'endurance du mouvement physiologique. Nous avons examiné la possibilité de reproduire cette stratégie de recrutement physiologique en déterminant la sélectivité d'accès des nerfs périphériques à un grand nombres d'unités motrices indépendantes par une stimulation intrafasciculaire multiélectrodes (SIFM) des nerfs périphériques. Une matrice d'électrodes (Utah Slanted Electrode Array) contenant 100 électrodes de 0,5–1,5 mm de long ont été insérées dans le nerf sciatique de chats, et les forces produites par les trois chefs du triceps sural en réponse à une stimulation électrique du nerf ont été enregistrées à l'aide de capteurs de force fixés à leurs tendons. Une moyenne de 17,4 + 4,9 (moyenne + é.t.) électrodes ont excité de manière sélective les forces maximales dans le gastrocnémien médial avant d'exciter une autre muscle. Parmi les électrodes démontrant une sélectivité au seuil, une moyenne de 7,3 + 2,7 électrodes ont recruté des populations indépendantes d'unités motrices innervant le gastrocnémien médial (chevauchement < 20 %). Un nombre correspondant d'électrodes sont aussi signalées pour le gastrocnémien latéral et le soléaire. Nous avons utilisé ces de stimulation pour reproduire les stratégies de recrutement physiologique et nous avons constaté que le recrutement de populations d'unités motrices indépendantes s'approche plus étroitement de l'activation physiologique que le recrutement basé sur l'intensité ou la fréquence.Mots clés : stimulation neuromusculaire fonctionnelle (SNF), matrice de microélectrodes, neuroprothèse, stimulation intrafasciculaire multiélectrodes (SIFM).[Traduit par la Rédaction]

Document Type: Research Article

Publication date: 2004-07-01

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  • Published since 1929, this monthly journal reports current research in all aspects of physiology, nutrition, pharmacology, and toxicology, contributed by recognized experts and scientists. It publishes symposium reviews and award lectures and occasionally dedicates entire issues or portions of issues to subjects of special interest to its international readership.
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