Discharge frequency and discharge pattern of human motor units during voluntary contraction of muscleFrequence et pattern de decharge des unites motrices au cours de la contraction volontaire du muscle chez l'homme

https://doi.org/10.1016/0013-4694(72)90058-2Get rights and content

Abstract

M.rectus femoris motor unit potentials were picked up by a bipolar needle electrode during voluntary isometric contraction. The tension varied from 0 to 4–14 kg (17–47% of maximal strength). When the contraction was increased, not only more motoneurones were recruited but their frequency was also increased. Low threshold motoneurones reached the highest frequency (up to 18–21/sec). The majority of motoneurones discharged with frequencies exceeding 11/sec. Fluctuations of strength were accompanied by corresponding fluctuations of frequency. During a long contraction at constant strength the frequency decreased during the first 1–2 min to the level of not more than 10–13/sec. A voluntary increase of tension was accompanied by a new increase in frequency. During a long contraction at constant strength new motoneurones were gradually recruited.

Thus, the change of frequency is an important mechanism of contraction gradation, especially of its dynamic component. It is a mechanism of smooth and precise control of contraction. The frequency decrease during a long contraction is probably caused by adaptation.

The stationary segments of spike trains were analysed statistically. Two patterns of activity were found: (1) in the range of frequencies below 8–10/sec the inter-spike interval histograms were skewed to the right. The standard deviation was rather high and depended on the mean interval. No correlation between adjacent intervals was found; (2) at frequencies above 10–13/sec the histograms had a normal distribution. The standard deviation was low and independent of the mean interval. A negative correlation between adjacent intervals was found. Thus during a short contraction, usual for m.rectus femoris (this muscle being rather a fast one), the second pattern of activity was typical, while during an unusual, prolonged contraction the first pattern was found. The transition from the first pattern to the second took place when, with increased frequency, impulses began to arise during after-hyperpolarization. The hypothesis is advanced that after-hyperpolarization is the mechanism of diminution of inter-spike interval variability, the duration of after-hyperpolarization being correlated with the lower limit of motoneurone working frequency. Thus a motoneurone seems to ensure moderation of random fluctuations of synaptic input and to code the information as mean frequency; it may, therefore, be regarded not only as a summating unit but also as a “damping” one.

Résumé

Des potentiels unitaires moteurs du muscle rectus femoris sont recueillis au moyen d'une électrode-aguille bipolaire au cours de la contraction volontaire isométrique. La tension varie de 0 à 4–14 kg (17–47% de la force maximale). Quand la contraction augmente, non seulement plus de moto-neurones sont recrutés, mais leur fréquence est également accrue. Les motoneurones à seuil bas atteignent leur fréquence la plus élevée (au-dessus de 18 à 21/sec). La majorité des moto-neurones déchargent avec des fréquences qui dépassent 11/sec. Les fluctuations de la force sont accompagnées par des fluctuations correspondantes de fréquence. Au cours d'une longue contraction, à force constante, la fréquence diminue au cours des premières une à deux minutes à un niveau qui ne dépasse pas 10–13/sec. Une augmentation volontaire de la tension s'accompagne d'une nouvelle augmentation de fréquence. Au cours d'une contraction longue à force constante, de nouveaux moto-neurones sont graduellement recrutés.

Ainsi, la modification de la fréquence est un mécanisme important de la gradation de la contraction, et spécialement de ses composantes dynamiques. C'est un mécanisme de contrôle précis et souple de contraction. La diminution de fréquence au cours d'une contraction longue est probablement causée par l'adaptation.

Les segments stationnaires des trains de pointes sont analysés de façon statistique. Deux patterns d'activité sont observés: 1. Dans la gamme de fréquences au-dessous de 8 à 10/sec l'histogramme d'intervalles interpointes dévie vers la droite. La déviation standard est plutôt élevée et dépend de l'intervalle moyen.

Aucune corrélation entre les intervalles adjacents n'est observée. 2. Pour des fréquences audessus de 10 à 13/sec l'histogramme a une distribution normale. La déviation standard est faible et indépendante de l'intervalle moyen. Une corrélation négative entre les intervalles adjacents s'observe. Ainsi, au cours d'une contraction courte, ce qui est habituel pour le muscle rectus femoris (ce muscle étant plutôt un muscle rapide), le deuxième pattern d'activité est typique, tandis qu'au cours d'une contraction inhabituelle et prolongée, c'est le premier pattern qui est observé. La transition entre le premier pattern et le second prend place quand, avec une fréquence accrue, les influx commencent à apparaître au cours de la post-hyperpolarisation. Les auteurs suggèrent que la post-hyperpolarisation est le mécanisme de diminution de la variabilité d'intervalles interpointes, la durée de la post-hyperpolarisation étant contrôlée par une limite inférieure de fréquence de travail des moto-neurones. Ainsi, un moto-neurone semble assurer une modération des fluctuations de hasard de l'input synaptique et coder l'information à la fréquence moyenne; il peut ainsi être considéré non seulement comme une unité de sommation, mais également comme une unité d'“amortissement”.

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