Abstract Objective Regulating the impedance of our joints is essential for the effective control of posture and movement. The impedance of a joint is governed mainly by the mechanical properties of the muscle-tendon units spanning it. Many studies have quantified the net impedance of joints but not the specific contributions from the muscles and tendons. The inability to quantify both muscle and tendon impedance limits the ability to determine the causes underlying altered movement control associated with aging, neuromuscular injury, and other conditions that have different effects on muscle and tendon properties. Therefore, we developed a technique to quantify joint, muscle, and tendon impedance simultaneously and evaluated this technique at the human ankle. Methods We used a single degree of freedom actuator to deliver pseudorandom rotations to the ankle while measuring the corresponding torques. We simultaneously measured the displacement of the medial gastrocnemius muscle-tendon junction with B-mode ultrasound. From these experimental measurements, we were able to estimate ankle, muscle, and tendon impedance using non-parametric system identification. Results We validated our estimates by comparing them to previously reported muscle and tendon stiffness, the position-dependent component of impedance, to demonstrate that our technique generates reliable estimates of these properties. Conclusion Our approach can be used to clarify the respective contributions from the muscle and tendon to the net mechanics of a joint. Significance This is a critical step forward in the ultimate goal of understanding how muscles and tendons govern ankle impedance during posture and movement.

ABSTRACT Older adults have difficulty maintaining balance when faced with postural disturbances, a task that is influenced by the stiffness of the triceps surae and Achilles tendon. Age-related changes in Achilles tendon stiffness have been reported at matched levels of effort, but measures typically have not been made at matched loads, which is important due to age-dependent changes in strength. Moreover, age-dependent changes in muscle stiffness have yet to be tested. Here, we investigate how age alters muscle and tendon stiffness and their influence on ankle stiffness. We hypothesized that age-related changes in muscle and tendon contribute to reduced ankle stiffness in older adults and evaluated this hypothesis when either load or effort were matched. We used B-mode ultrasound with joint-level perturbations to quantify ankle, muscle, and tendon stiffness across a range of loads and efforts in seventeen healthy younger and older adults. At matched loads, there was no significant difference in ankle, muscle, or tendon stiffness between groups (all p>0.13). However, at matched effort, older adults exhibited a significant decrease in ankle (27%; p=0.008), muscle (37%; p=0.02), and tendon stiffness (22%; p=0.03) at 30% of maximum effort. This is consistent with our finding that older adults were 36% weaker than younger adults in plantarflexion (p=0.004). Together these results indicate that, at the loads tested in this study, there are no age-dependent changes in the mechanical properties of muscle or tendon, only differences in strength that result in altered ankle, muscle, and tendon stiffness at matched levels of effort. N ew and N oteworthy We provide the first simultaneous estimates of ankle, muscle, and tendon stiffness in younger and older adults. In contrast to earlier conclusions, we found that muscle and tendon mechanical properties are unaffected by age when compared at matched loads. However, due to age-related decreases in strength, mechanical properties do differ at matched efforts. As such, it is important to assess the relevance of the comparisons being made relative to the functional tasks under consideration.

ABSTRACT Successful reactive balance control requires coordinated modulation of hip, knee, and ankle torques. Stabilizing joint torques arise from feedforward neural signals that modulate the musculoskeletal system’s intrinsic mechanical properties, namely muscle short-range stiffness, and neural feedback pathways that activate muscles in response to sensory input. Although feedforward and feedback pathways are known to modulate the torque at each joint, the role of each pathway to the balance-correcting response across joints is poorly understood. Since the feedforward and feedback torque responses act at different delays following perturbations to balance, we modified the sensorimotor response model (SRM), previously used to analyze the muscle activation response to perturbations, to consist of parallel feedback loops with different delays. Each loop within the model is driven by the same information, center of mass (CoM) kinematics, but each loop has an independent delay. We evaluated if a parallel loop SRM could decompose the reactive torques into the feedforward and feedback contributions during balance-correcting responses to backward support surface translations at four magnitudes. The SRM accurately reconstructed reactive joint torques at the hip, knee, and ankle, across all perturbation magnitudes (R 2 >0.84 & VAF>0.83). Moreover, the hip and knee exhibited feedforward and feedback components, while the ankle only exhibited feedback components. The lack of a feedforward component at the ankle may occur because the compliance of the Achilles tendon attenuates muscle short-range stiffness. Our model may provide a framework for evaluating changes in the feedforward and feedback contributions to balance that occur due to aging, injury, or disease. NEWS AND NOTEWORTHY Reactive balance control requires coordination of neurally-mediated feedforward and feedback pathways to generate stabilizing joint torques at the hip, knee, and ankle. Using a sensorimotor response model, we decomposed reactive joint torques into feedforward and feedback contributions based on delays relative to center of mass kinematics. Responses across joints were driven by the same signals, but contributions from feedforward versus feedback pathways differed, likely due to differences in musculotendon properties between proximal and distal muscles.

ABSTRACT Regulating ankle impedance is essential for controlled interactions with the environment and rejecting unexpected disturbances. Ankle impedance in the sagittal plane depends strongly on the triceps surae and Achilles tendon, but their relative contributions remain unknown. It is commonly assumed that ankle impedance is controlled by changing muscle activation and, thereby, muscle impedance, but this ignores the fact that tendon impedance also changes with loading caused by increases in muscle activation. Thus, we sought to determine the relative contributions from the triceps surae and Achilles tendon during conditions relevant to postural control. We used a novel technique that combines B-mode ultrasound imaging with joint-level perturbations to quantify ankle, muscle, and tendon impedance simultaneously across activation levels from 0 – 30% of maximum voluntary contraction. We found that muscle and tendon stiffness, the static component of impedance, increased with voluntary plantarflexion contractions, but that muscle stiffness exceeded tendon stiffness at very low loads (21 ± 7 N). Above these loads, corresponding to 1.3% of maximal strength for an average participant in our study, ankle stiffness was determined predominately by Achilles tendon stiffness. Hence, the nervous system leverages the non-linear properties of the Achilles tendon to increase ankle stiffness during postural conditions.