Development of an Infant’s Peripheral Motor System Within the First 3 Years of Life as Studied Using Surface Electromyography

The clinical assessment of the motor system’s condition of a growing infant is often complicated due to the volatility of neurological symptoms.

Aim. The study was aimed to follow the ontogenesis of the motor function from the 33rd week of postconceptual life to the 36th week of postnatal life using linear and nonlinear parameters of the surface electromyography (sEMG).

Methods. The study was longitudinal by its design, selective, stratified and randomized. Premature (31/32 week of gestation) and term (38/39 weeks of gestation) infants were studied. Stratified by gestational and postnatal age, sex and neurological status.

Results. In the premature infants the sEMG had an appearance of that of the first day term newborn seen as «simplified pattern», low amplitude and spectral frequency. The temporal dynamics of sEMG parameters were slower in premature infants. In contrast, a fast increase of nonlinear sEMG parameters in term newborns within the first year of life may be an evidence for a complication of the sEMG signal. The linear sEMG parameters increased monotonously across the first life year. Maximal values of both linear and nonlinear parameters were characteristic for the 6th month of life. That might reflect the critical period of formation of the cortico-spinal pathways and manipulative motion.

Conclusion. The findings suggest the importance of the first two weeks of life in the development of musculoskeletal term infants, which is formed during the «adult» type of the motoneuron pool organization. At the same time, quantitative changes in sEMG (increase of amplitude) continued during all 36 months of the study, which indicates a continuing growth of skeletal muscles. sEMG in preterm infants features a more simple temporal organization. This suggests the continuing «intrauterine» pattern of the motor neuron pool work.

1. Аршавский И. А. Принцип доминанты в индивидуальном развитии организма. Журнал. высш. нервн. деят. 1993; 43 (4): 785–794.

2. Пальчик А. Б., Фёдорова Л. А., Понятишин А. Е. Неврология недоношенных детей. М.: МЕДПРЕСС-информ. 2010. 352 с.

3. Prechtl H. F. R. The optimality concept. Early Human Development. 1980; 4 (3): 201–205.

4. Мейгал А. Ю., Ворошилов А. С. Перинатальная модель перехода человека от гипогравитации к земной гравитации на основе нелинейных характеристик электромиограммы. Авиакосм. и экол. мед. 2009; 43 (6): 14–19.

5. Пальчик А. Б. Эволюционная неврология. С.-Пб.: Питер. 2002. 384 с.

6. Корниенко И. А. Возрастные изменения энергетического обмена и терморегуляции. М.: Наука. 1979. 160 с.

7. Мак-Комас А.Дж. Скелетные мышцы (строение и функции). Киев: Олимпийская литература. 2001. 406 с.

8. Бурсиан А. В. Ранний онтогенез моторного аппарата теплокровных. Л.: Наука. 1983. 165 с.

9. De Luca C. J., Ramen G. Motor unit firing behavior in older adults. Rehabil Res Dev. 1991; 28: 232.

10. Jones S. P., Ridge R. V. Motor unit in a skeletal muscle of neonatal rat: mechanical properties and weak neuromuscular transmission. J Physiol. (Gr Brit). 1987; 38: 355–375.

11. Sturman M. M., Vaillancourt D. E., Corcos D. M. Effects of aging on theregularity of physiological tremor. J Neurophysiol. 2005; 93: 3064–3074.

12. Ворошилов А. С., Мейгал А. Ю. Нелинейные параметры интерференционной электромиограммы у детей первых двух суток жизни. Физиология человека. 2011; 37 (3): 283–290.

13. Зарипова Ю. Р., Мейгал А. Ю. Электромиография как метод диагностики двигательных расстройств у детей раннего возраста. Детская больница. 2005; 21 (3): 13–19.

14. Безруких М. М., Киселев М. Ф. Возрастные особенности организации двигательной активности у детей 6–16 лет. Физиология человека. 2000; 26 (3): 100–107.

15. Пальчик А. Б., Шабалов Н. П. Гипоксически-ишемическая энцефалопатия новорожденных. М.: МЕДПРЕСС-информ. 2009. 253 с.

16. Bruggink J. L., Einspieler C., Butcher P. R., Stremmelaar E. F., Prechtl H. F. R., Bos A. F. Quantitative aspects of the early motor repertoire in preterm infants: do they predict minor neurological dysfunction at school age? Early Hum Dev. 2009; 85: 25–36.

17. Meigal A., Rissanen S., Tarvainen M. Linear and nonlinear tremor acceleration characteristics in patients with Parkinson’s disease. Physiol Measur. 2012; 33: 395–412.

18. Федер Е. Фракталы. Пер. с англ. М.: Мир. 1991. 254 с.

19. Шабалов Н. П. Неонатология: учеб. пособие в 2-х томах. М.: МЕДПРЕСС-информ. 2009. Т. 1. 607 с.

20. Мейгал А. Ю., Воронова Н. В., Елаева Л. Е., Кузьмина Г. И. Харак теристика электромиограммы женщин в разные фазы менструального цикла в зависимости от сезона и типа вегетативной регуляции. Физиология человека. 2014; 40 (1): 113–121.

21. Farina D., Merletti R., Enoka R. M. The extraction of neural strategies from the surface EMG. J Appl Physiol. 2003; 96: 1486–1495.

22. Meigal A., Rissanen S., Kankaanpaa M., Tarvainen M., Nuutinen J., Tarkka I., Airaksinen O., Kajalainen P. A. Novel parameters of surface EMG in patients with Parkinson’s disease and healthy young and old controls. J Electromyogr Kinesiol. 2009; 19 (3): 206–213.

23. Sung P. S., Zurcher U., Kaufman M. Comparison of spectral and entropic measures for surface electromyography time series: a pilot study. J Rehabil Res and Dev. 2007; 44: 599–610.

24. Goldberger A. L., Amaral L. A., Hausdorff J. M., Ivanov P.Ch., Peng C. K., Stanley H. E. Fractal dynamics in physiology: alterations with disease and aging. Proc Natl Acad Sci. 2002; 99 (Suppl. 1): 2466–2472.

25. Мейгал А. Ю. Онтогенетическая модель гравитации и невесомости: теоретические и практические аспекты. Физиология человека. 2011; 37 (6): 130–138.

26. Meigal A. Y. Synergistic action of gravity and temperature on the motor system within the lifespan: a «Baby Astronaut» hypothesis. Med Hypotheses. 2013; 80: 275–83.

27. Del Santo F., Gelli F., Mazzocchio R., Rossi A. Recurrence quantification analysis of surface EMG detects changes in motor unit synchronization induced by recurrent inhibition. Exp Brain Res. 2007; 178: 308–315.

28. Semmler J. G., Nordstrom M. A. Motor unit discharge and force tremor in skill- and strength-trained individuals. Exp Brain Res. 1998; 119: 27–38.