Acoplamento de sinais fisiológicos e cinemáticos : uma análise da fadiga em corredores a partir de teorias da complexidade

Abstract

Esta dissertação investiga o acoplamento entre sinais fisiológicos e cinemáticos durante a progressão da fadiga em corrida, a partir da teoria dos sistemas adaptativos complexos, da abordagem ecológica e da dinâmica da coordenação, tradições que compartilham os mesmos compromissos ontológicos e epistemológicos e permitem tratar a fadiga como reorganização do sistema corredor-tarefa, e não como falha de um subsistema isolado. Participaram 21 corredores recreativos válidos, de 23 coletados, num protocolo em esteira com velocidade individualizada por percepção subjetiva de esforço e cinco segmentos, o último até a exaustão. Registraram-se simultaneamente a eletromiografia do tibial anterior e do gastrocnêmio medial, a variabilidade da frequência cardíaca e a oscilação vertical do trocânter maior. A fase de cada sinal foi extraída em banda centrada na frequência da passada do próprio participante em cada segmento, e as razões entre osciladores foram fixadas pela mecânica da corrida: 1:1 entre os músculos e 2:1 entre cinemática e cada músculo. A coerência foi calculada em subjanelas de 90 segundos, e cada estimativa foi confrontada com piso de acaso por deslocamento circular. O termo de quebra de simetria do Modelo HKB Estendido foi estimado pela dinâmica temporal da fase. Os índices cardíacos entraram como descritores de estado, após ausência de acoplamento cardiolocomotor detectável em três formulações independentes. Do aquecimento ao esforço máximo, a coerência entre os dois músculos praticamente se manteve (0,97 para 0,96; d = 0,45), enquanto os pares entre músculo e movimento se degradaram: 0,82 para 0,54 (d = 1,10) e 0,95 para 0,73 (d = 0,86), caindo em 20 de 21 participantes. O termo de quebra de simetria foi estimado separadamente para cada um dos três pares, e cresceu do Aquecimento ao Esforço Máximo em 16 dos 21 participantes no par tibial-gastrocnêmio, em 17 no par cinemática-tibial e em 14 no par cinemática-gastrocnêmio, e a taxa de deriva da fase acelerou por um fator de 2,2. O padrão de ativação do tibial anterior se reorganizou: a razão entre a potência na frequência dobrada da passada e a potência na frequência da passada, que cresce quando o músculo passa a disparar duas vezes por passada, subiu de 0,82 para 1,09 em 19 de 21, e permaneceu estável no gastrocnêmio. O expoente de escala caiu em 16 de 21 e a entropia amostral em 17 de 21; o Ln rMSSD não se alterou. A projeção multivariada por análise de componentes principais com núcleo (kernel PCA) ordenou os três estados na primeira componente (ρ = 0,87), com trajetória crescente em 20 dos 21 corredores. A fadiga, neste protocolo, não se expressou como perda uniforme de acoplamento, mas como dissociação seletiva, ou seja, a sinergia entre os músculos se preserva enquanto a conversão dessa atividade em movimento se degrada. A dissertação é apresentada no formato coletânea de seis artigos, que cobrem fundamentação teórica, pipeline, acoplamento, análise multivariada, análise univariada e perspectivas.

This dissertation investigates the coupling between physiological and kinematic signals during progressive fatigue in running, drawing on Complex Adaptive Systems Theory, the ecological approach, and Coordination Dynamics. The three traditions share the same ontological and epistemological commitments, which supports reading fatigue as a reorganization of the runner-task system rather than the failure of a single subsystem. Twenty-one valid recreational runners were analyzed, from 23 recorded, each completing a treadmill protocol whose speed was individualized by rating of perceived exertion, structured in five segments of standardized duration, the last carried to exhaustion. Electromyography of the tibialis anterior and medial gastrocnemius, heart-rate variability, and vertical oscillation of the greater trochanter were recorded simultaneously. Phase was extracted in a band centred on each participant's own stride frequency within each segment, and ratios between oscillators were fixed by the mechanics of running, defining three pairs: 1:1 between the muscles and 2:1 between kinematics and each muscle. Coherence was computed over 90-second subwindows, and every estimate was tested against a circular-shift chance floor. The symmetry-breaking term of the Extended HKB Model was estimated from the temporal dynamics of phase. Cardiac indices, including the short-term scaling exponent and sample entropy, entered as state descriptors, after no cardiolocomotor coupling was detectable in three independent formulations. From warm-up to maximum effort, coherence between the two muscles was largely preserved (0.97 to 0.96; d = 0.45), whereas the muscle-to-movement pairs degraded: 0.82 to 0.54 (d = 1.10) and 0.95 to 0.73 (d = 0.86), falling in 20 of 21 participants. The symmetry-breaking term grew in 16, 17, and 14 of the 21, and the drift rate of relative phase accelerated by a factor of 2.2. The activation pattern of the tibialis anterior reorganized, with the harmonic-to-fundamental power ratio rising from 0.82 to 1.09 in 19 of 21, while remaining stable in the gastrocnemius. The scaling exponent fell in 16 of 21 and sample entropy in 17 of 21; Ln rMSSD did not change. Multivariate projection by a kernel Principle Components Analysis (kernel PCA) ordered the three states along the first component (rho = 0.87), with an increasing trajectory in 20 of the 21 runners. Fatigue, under this protocol, did not express itself as uniform loss of coupling but as selective dissociation, that is, the synergy between the muscles is preserved while the conversion of that activity into movement degrades. The dissertation is presented as a collection of six scientific articles, covering theoretical grounding, description of the computational pipeline, the main coupling analysis, multivariate analysis, comparative univariate analysis, and a perspectives essay.