Human motor unit discharge patterns reveal differences in neuromodulatory and inhibitory drive to motoneurons across contraction levels
Notice bibliographique
Résumé
ABSTRACT All motor commands converge onto motor units (MUs), which transduce the signals into mechanical actions of muscle fibres. This process is highly non-linear due to combinations of ionotropic (excitatory/inhibitory) and metabotropic (neuromodulatory) inputs. Neuromodulatory inputs facilitate dendritic persistent inward currents, which introduce non-linearities in MU discharge patterns and provide insights into the structure of motor commands. Here, we investigated the relative contribution of neuromodulation and the pattern of inhibition to modulate human MU discharge patterns with contraction forces up to 70% maximum. Leveraging MU discharge patterns identified from three human muscles (tibialis anterior – TA, and vastus lateralis and medialis), we show that with increased contraction force, the onset-offset discharge rate hysteresis (ΔF) increased whilst ascending MU discharge patterns become more linear, with lower slopes. In a follow-up experiment, we demonstrated that the observations of increased ΔF and more linear ascending MU discharge patterns with greater contraction force are maintained even when accounting for contraction duration and rate of force increase. We then reverse-engineered TA MU discharge patterns using highly realistic in silico motoneuron pools to substantiate the inferred physiological mechanisms from human recordings. We demonstrate a sharply restricted solution space, whereby the contraction force-induced changes in experimentally obtained MU discharge patterns can only be recreated with increased neuromodulation and a more reciprocal (i.e. push-pull) inhibitory pattern. In summary, our experimental and computational data suggest that neuromodulation and inhibitory patterns are uniquely shaped to generate discharge patterns that support force increases across a large proportion of the motor pool’s recruitment range. Significance statement How the structure of motor commands is modified to scale motor output is largely speculative despite its critical role in the neural control of movement. Here, we demonstrate that human motor unit discharge patterns become more linear and exhibit greater discharge rate hysteresis with greater contraction force. These experimentally observed patterns can only be replicated in silico with biophysical models of spinal motoneurons by increasing neuromodulation and shifting inhibitory commands to be more reciprocal to excitation (i.e., push-pull excitation-inhibition synaptic control). Collectively, these results suggest that the structure of motor commands is uniquely orchestrated to support increases in contraction force.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,000 | 0,000 |
| Science ouverte | 0,000 | 0,000 |
| Intégrité de la recherche | 0,000 | 0,000 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,001 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».