Latency characterization of the human postural response to unexpected hand perturbations

In activities of daily living, standing humans frequently receive unexpected perturbations to the hand while performing a focal task. In these situations, successful performance requires controlling the arm posture and maintaining balance. The objective of the thesis was two-fold: first, to characterize the onset latencies of the initial postural response in healthy individuals to unexpected hand perturbations in posterior-anterior direction; second, to investigate what sensory information evoked the activations of the distal leg muscles shortly after the perturbation. To achieve the first objective, I recorded electromyographic and kinetic postural responses of nine standing subjects while a joystick-type robot applied randomized perturbations to their hands. An algorithm was developed and tested to detect the onset latencies of these signals. The results showed that biceps brachii and the left and right medial gastrocnemius muscles had onset latencies of 79±26 ms, 93±21 ms, and 91±29 ms, respectively, which were not significantly different from each other. The onset latencies of the ankle torque, shear force, and vertical force were 143±18 ms, 148±14 ms, and 139±18 ms, respectively for the left foot. The onset latencies for the corresponding kinetic data from the right foot were 144±29 ms, 148±17 ms, and 140±24 ms, respectively. With respect to the second objective, I hypothesized that local stretch reflex was involved in triggering a response in medial gastrocnemius at such latencies after the postural perturbation. The latency comparison analyses, however, showed that the activation onsets of this muscle consistently preceded the ankle perturbation onsets, and, therefore, local stretch reflex did not elicit the initial muscle activation, i.e. the hypothesis was refuted.Dans les activités de la vie quotidienne où la personne est debout et réalise une tâche centrale, sa main est régulièrement perturbée de manière imprévue. Dans ces situations, la réussite de la tâche nécessite de contrôler la position du bras et de maintenir son équilibre. Cette thèse a deux objectifs : le premier est de caractériser la latence de la réaction posturale initiale à des perturbations imprévues de la main dans la direction postérieure-antérieure chez des individus sains; le second est d'investiguer les informations sensorielles susceptibles d'activer les muscles distaux peu de temps après la perturbation. J'ai mesuré la cinétique et l'électromyogramme des réactions posturales chez neuf sujets debout tandis qu'un robot de type joystick appliquait des perturbations aléatoires à une main. Un algorithme a été développé et validé afin de détecter les latences de ces signaux. Les résultats montrent que le biceps brachial et les gastrocnémiens médiaux gauche et droit ont eu des temps de latence respectivement de 79±26 ms, 93±21 ms et 91±29 ms, lesquels ne sont pas significativement différents entre eux. Les temps de latence pour le moment, la force de cisaillement et la force verticale appliqués sur la cheville étaient respectivement de 143±18 ms, 148±14 ms et 139±18 ms pour le pied gauche, et de 144±29 ms, 148±17 ms et 140±24 ms pour le pied droit. J'ai testé l'hypothèse que le réflexe local d'extension était impliqué dans l'activation réactionnelle du gastrocnémien aux latences mesurées. L'analyse montre cependant que l'activation de ce muscle débutait avant la perturbation de la cheville, et par conséquent que le réflexe d'extension n'a pas provoqué l'activation du muscle. L'hypothèse est donc réfutée