Dynamic stability control and human energetics

Abstract

Motor control strategies are chosen in a context dependent manner, based on different criteria. On the one hand stability in dynamic conditions such as locomotion, is crucial to uninterrupted task execution and requires effective regulation by the central nervous system. On the other, minimization of the energetic cost of transport is instrumental in choosing the locomotion strategy by the central nervous system. Both these concepts, (i.e. maintaining stability and optimization of energetic cost of locomotion) have a fundamental role on how and why humans move in the way they do. However, how the human central nervous system prioritizes between the different goals is unknown. In the last 20 years, ideas from scientific paradigms such as chaos theory and complex systems have given us novel tools to approach these questions. The current thesis examines the dynamic stability during human locomotion under such an approach using the concept of Lyapunov analysis. At first a methodological examination of the reliability of the maximum Lyapunov exponent in walking and running has been conducted (chapter 2). Afterwards, an examination between the habitual running condition and after removal of footwear was conducted, exhibiting a decrease in stability following the acute transition to the new condition (chapter 3). In the last study, a training intervention aiming at improvements in running energetics was performed using a short-term and a long-term intervention group (chapter 4). The results evidence that motor control errors can have a role in the energy cost of running and thus, a flexible prioritization of the motor control output.

Οι στρατηγικές κινητικού ελέγχου επιλέγονται με τρόπο που εξαρτάται από το πλαίσιο, βασισμένες σε διαφορετικά κριτήρια. Από τη μία πλευρά, η σταθερότητα σε δυναμικές συνθήκες όπως η μετακίνηση, είναι κρίσιμη για την απρόσκοπτη εκτέλεση της δραστηριότητας και απαιτεί αποτελεσματική ρύθμιση από το κεντρικό νευρικό σύστημα. Από την άλλη, η ελαχιστοποίηση του ενεργειακού κόστους μεταφοράς είναι καθοριστική στην επιλογή της στρατηγικής μετακίνησης από το κεντρικό νευρικό σύστημα. Και οι δύο αυτές έννοιες (δηλαδή η διατήρηση της σταθερότητας και η βελτιστοποίηση του ενεργειακού κόστους μετακίνησης) έχουν θεμελιώδη ρόλο στο πώς και γιατί οι άνθρωποι κινούνται με τον τρόπο που το κάνουν. Ωστόσο, το πώς το ανθρώπινο κεντρικό νευρικό σύστημα θέτει προτεραιότητες μεταξύ των διαφορετικών στόχων παραμένει άγνωστο.Τα τελευταία 20 χρόνια, ιδέες από επιστημονικά παραδείγματα όπως η θεωρία του χάους και τα πολύπλοκα συστήματα μας έχουν δώσει νέα εργαλεία για την προσέγγιση αυτών των ερωτημάτων. Η παρούσα διατριβή εξετάζει τη δυναμική σταθερότητα κατά την ανθρώπινη μετακίνηση υπό μια τέτοια προσέγγιση χρησιμοποιώντας την έννοια της ανάλυσης Lyapunov. Αρχικά, πραγματοποιήθηκε μια μεθοδολογική εξέταση της αξιοπιστίας του μέγιστου εκθέτη Lyapunov στο βάδισμα και το τρέξιμο (κεφάλαιο 2). Στη συνέχεια, διεξήχθη μια εξέταση μεταξύ της συνήθους κατάστασης τρεξίματος και μετά την αφαίρεση των υποδημάτων, που έδειξε μείωση της σταθερότητας μετά την οξεία μετάβαση στη νέα κατάσταση (κεφάλαιο 3). Στην τελευταία μελέτη, πραγματοποιήθηκε μια προπονητική παρέμβαση με στόχο τη βελτίωση των ενεργειακών παραμέτρων του τρεξίματος, χρησιμοποιώντας μια ομάδα βραχυπρόθεσμης και μια ομάδα μακροπρόθεσμης παρέμβασης (κεφάλαιο 4). Τα αποτελέσματα αποδεικνύουν ότι τα σφάλματα κινητικού ελέγχου μπορούν να έχουν ρόλο στο ενεργειακό κόστος του τρεξίματος και επομένως, σε μια ευέλικτη ιεράρχηση της εξόδου του κινητικού ελέγχου.