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Infant stepping: a window to the behaviour of the human pattern generator for walking

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Abstract:

The aim of this paper is to provide evidence, both published and new, to support the notion that human infants are particularly good subjects for the study of the pattern generator for walking. We and others have shown that stepping can be initiated by sensory input from the legs or by general heightened excitability of the infant. New results are presented here to suggest that weight support through the feet and rapid extension of the legs are important proprioceptive inputs to initiate stepping. Our previous work has shown that infants can step at many different speeds when supported on a treadmill. The step cycle duration shortens as the speed increases, with the changes coming largely from the stance phase, just as in most other terrestrial animals. Moreover, we have shown that infants will step in all directions. Regardless of the direction of stepping, the step cycle changes in the same way with walking speed, suggesting the circuitry that controls different directions of walking share common elements. We have also shown that infant stepping is highly organized. Sensory inputs, whether proprioceptive or touch, are gated in a functional way so that only important sensory inputs generate a response. For example, touch to the lateral surface of the foot elicits a response only in sideways walking, and only in the leading limb. New data is presented here to show that the pattern generators from each limb can operate somewhat independently. On a split-belt treadmill with the 2 belts running at different speeds or in different directions, the legs showed considerable independence in behaviour. Yet, the pattern generators on each side interact to ensure that swing phase does not occur at the same time. These studies have provided insight into the organization of the pattern generator for walking in humans. It will be interesting in the future to study how maturation of the descending tracts changes walking behaviour to allow independent bipedal walking.Key words: locomotion, central pattern generator, human, infant.

Le but de cet article est de fournir des preuves, déjà publiées et nouvelles, à l'appui de l'idée selon laquelle les enfants en bas âge sont des sujets qui conviennent particulièrement bien pour l'étude du générateur de patron locomoteur. Nous avons, tout comme d'autres, montré que le pas peut être déclenché par la contribution sensorielle des jambes ou par l'excitabilité générale accrue du jeune enfant. De nouveaux résultats sont présentés ici, qui semblent indiquer que le soutien du poids par le pied et l'extension rapide des jambes sont des contributions proprioceptives importantes pour le declenchement de la marche. Nos travaux antérieurs ont montré que les jeunes enfants peuvent marcher à de nombreuses vitesses différentes lorsqu'ils sont soutenus sur un tapis roulant. La durée du cycle de la marche diminue à mesure que la vitesse augmente, les changements provenant largement de la phase d'appui, exactement comme cela se produit chez la plupart des autres animaux terrestres. Nous avons en outre montré que les enfants en bas âge marchent dans toutes les directions. Quelle que soit la direction du pas, la vitesse de la marche modifie le cycle de la même manière, ce qui semble indiquer que les circuits qui régissent les diverses directions de la marche ont des éléments en commun. Nous avons également montré que le pas du jeune enfant est hautement organisé. Les contributions sensorielles, qu'elles soient proprioceptives ou tactiles, sont organisées de façon fonctionnelle, si bien que seules les contributions sensorielles importantes génèrent une réponse. Par exemple, toucher la surface latérale du pied n'amène de réponse que dans la marche de côté, et seulement dans le membre avant. Les nouvelles données présentées ici montrent que les générateurs de patron de chacun des membres peuvent fonctionner quelque peu indépendamment. Sur un tapis roulant à deux courroies qui avancent à des vitesses différentes ou dans des directions différentes, les membres ont fait preuve d'une indépendance de comportement considérable. Pourtant, les générateurs de patron de chacun des côtés interagissent pour que la phase pendulaire ne se produise pas au même moment. Ces études nous renseignent sur l'organisation du générateur de patron de la marche chez l'être humain. Il sera intéressant dans l'avenir d'étudier comment la maturation des faisceaux descendants modifie le comportement de la marche pour permettre la marche bipède indépendante.Mots clés : locomotion, générateur de patron locomoteur, humain, jeune enfant.[Traduit par la Rédaction]

Document Type: Research Article

Publication date: July 1, 2004

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nrc/cjpp/2004/00000082/F0020008/art00017
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