Development of innovative experimental protocols and computational tools for assessing neural connectivity in arm and shoulder muscles

The neuromuscular system is hierarchical, with components closely interconnected and operating in a coordinated, synergistic manner. Movement generation originates from signals within the central nervous system, which are transmitted to the muscles via spinal motoneurons. The motor unit, consisting of an alpha motoneuron and the fibres it innervates, acts as a transducer by converting the neural input into an electrical signal (action potential) that is delivered to the muscle. This electrical activity ultimately produces a mechanical response, expressed as force output. The force generated by the muscle is strictly related to the discharge of action potentials in motoneurons and reflects their intrinsic and synaptic properties. Therefore, by analysing muscle electrical activity, it is possible to gain indirect insight into the neural mechanisms underlying motor control. Non-invasive techniques such as high-density surface electromyography (HD-sEMG) allow investigation of these neural signals at the motor unit level, providing a powerful tool for studying the organization and modulation of neural drive in humans. This first part of the thesis introduces the research objectives and outlines how the studies conducted during the PhD program are conceptually connected. In the second part (chapters 2-4), the current state of the art is revised, providing the main theoretical framework underlying the experimental work. The third part of the thesis presents the experimental studies, which collectively aim to investigate how neural control of muscles is organized and modulated across different contexts. Specifically, these studies investigate the neural drive to muscle with motor unit analysis under different conditions, including motor learning, task context (isolated versus synergistic actions), and force gradation. These studies were conducted and presented progressively, allowing the characterization of neural control and connectivity starting from muscles that are well described in the literature and moving toward those that are less characterized and methodologically more complex. The analysis includes the assessment of discharge rate (rate coding), variability in force and motor unit discharge, motor unit spatial distribution (territory), and common input analysis, all derived from HD-sEMG decomposition. The thesis concludes by integrating the main findings and discussing their implications.

Il sistema neuromuscolare è gerarchico, con componenti strettamente interconnesse che operano in modo coordinato e sinergico. La generazione del movimento ha origine da segnali provenienti dal sistema nervoso centrale, che vengono trasmessi ai muscoli attraverso i motoneuroni spinali. L’unità motoria, costituita da un motoneurone alfa e dalle fibre che esso innerva, agisce come un trasduttore convertendo l’input neurale in un segnale elettrico (potenziale d’azione) che raggiunge il muscolo. Questa attività elettrica produce una risposta meccanica, espressa come forza. La forza generata dal muscolo è strettamente legata alla scarica dei potenziali d’azione e riflette le proprietà intrinseche e sinaptiche dei motoneuroni. Pertanto, analizzando l’attività elettrica muscolare è possibile ottenere informazioni indirette sui meccanismi neurali alla base del controllo motorio. Tecniche non invasive come l’elettromiografia di superficie ad alta densità (HD‑sEMG) consentono di investigare questi segnali neurali a livello di unità motoria, offrendo uno strumento per studiare l’organizzazione e la modulazione del drive neurale nell’uomo. La prima parte della tesi introduce gli obiettivi della ricerca e illustra come gli studi condotti durante il dottorato siano concettualmente collegati tra loro. Nella seconda parte (capitoli 2‑4) viene rivisto lo stato dell’arte, fornendo il quadro teorico di riferimento per il lavoro sperimentale. La terza parte della tesi presenta gli studi sperimentali, che nel loro insieme mirano a investigare come il controllo neurale dei muscoli sia organizzato e modulato in diversi contesti. In particolare, questi studi analizzano il drive neurale al muscolo attraverso l’analisi delle unità motorie in differenti condizioni, tra cui apprendimento motorio, contesto (azioni isolate vs sinergiche) e livelli di forza. Gli studi sono stati condotti e presentati in modo progressivo, permettendo di caratterizzare il controllo neurale e la connettività a partire da muscoli ben descritti in letteratura fino ad arrivare a muscoli meno caratterizzati e metodologicamente più complessi. L’analisi comprende la valutazione della frequenza di scarica (rate coding), della variabilità della forza e della scarica delle unità motorie, della distribuzione spaziale delle unità motorie (territorio) e dell’analisi dell’input comune, tutti parametri derivati dalla decomposizione HD‑sEMG. La tesi si conclude integrando i principali risultati e discutendone le implicazioni.