Name: 用分体式跑步机评价人类运动适应的泛化 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-08-23T12:30:00.000+00:00
Duration: 8 min 4 s
Description: 学习使用分体式跑步机诱导人类运动适应，评估步态协调的长期变化及其在不同行走环境中的泛化能力。该方法为中风后步态康复提供了重要的临床应用价值。

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本工作由美国心脏协会科学家发展基金（#12SDG12200001）资助，授予 E. Vasudevan。R. Hamzey 目前的所属单位为美国马萨诸塞州波士顿市波士顿大学机械工程系。E. Kirk 目前的所属单位为麻省总医院健康职业学院物理治疗系。

所有操作均已获得石溪大学机构审查委员会的批准。
1. 实验设置
注意：有关分裂带式跑步机实验中常用术语的定义，请参见补充文件1-定义。
<ol>
	<li>对所有参与者筛查其是否具有分带跑台使用经验。 
	注意：已有研究表明，人们在先前接触过分体式跑步机后，再次适应其环境的速度会更快29,30人们所经历的时间尺度 &#34;忘记&#34; 目前尚不清楚分带式跑步机的使用经验是否会产生影响；因此，若不加以控制，既往的分带式跑步机使用经验可能成为一个混杂变量。</li>
	<li>在安静的环境中进行所有测试，并尽量减少测试室内的活动。</li>
	<li>设置运动追踪系统（根据系统说明书），用于记录受试者在分体式跑步机和地面步道上的运动情况。 
	注意：例如，本方案使用了带有主动式LED标记点的运动捕捉系统。四个安装在三脚架上的传感器单元可检测主动标记点的三维空间位置，其中两个单元置于跑台左右两侧，另两个单元置于7米过道行走区域的两侧。</li>
	<li>为受试者佩戴运动追踪标记和肌电图设备， 等等.</li>
	<li>可考虑在分裂式跑步机的两条跑带之间设置隔板，以防止双腿跨越到对侧跑带上。对于神经系统功能正常的成年人，该隔板并非必需，但在测试儿童或临床人群时可能具有帮助作用。需注意，隔板的存在可能会增加步宽；然而，其对分裂式跑带适应过程的影响程度尚不明确。</li>
	<li>在跑步机上方安装安全保护装置，以防止参与者在跑步机行走过程中跌倒。 
	注意：除非研究问题需要，否则该背带不应承托身体重量。尽管在跑步机行走过程中跌倒的情况极为罕见，但许多研究伦理委员会要求使用安全背带。</li>
	<li>在整个实验范式及所有参与者之间保持手臂运动的一致性。在确定手臂运动类型时（例如，扶着扶手，自然摆动手臂），需考虑受试群体的舒适度，以及典型的手臂摆动是否会遮挡用于动作捕捉的关键标记点的可见性例如（用于放置在髋部的标记点）。
	<ol>
		<li>无论手臂是否运动，为确保安全，均应指导所有参与者在跑步机启动和停止时扶住扶手。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>在整个实验范式中保持倾斜角度的一致性。 
	注意：据我们所知，所有已发表的分体式跑台训练方案（包括本方案）在跑台及地面行走阶段均采用零坡度。</li>
</ol>
2. 基线期
注意：基线期的目的是确定每个人正常的行走协调模式。应在所有测试后效的条件下测试基线协调性。例如，在本实验方案中，后效是在不同速度（0.7 和 1.4 m/s）的跑步机行走和过地行走过程中进行测试的。因此，实验包含了在 0.7 和 1.4 m/s 速度下的过地行走和跑步机行走的基线试验。这使得可以在相同速度和情境下直接比较后效与基线行走协调性。当实验目的不包括向过地行走推广时，可省略过地行走的基线试验。
<ol>
	<li>对于地面基线测试，指导受试者在可采集运动捕捉数据的步行通道上行走。采集至少10个步态周期，以建立地面行走的基线数据。
	<ol>
		<li>如果动作捕捉系统仅允许在有限空间内进行动作捕捉，请让受试者完成多次往返（例如在每次试验结束时，指示参与者停止移动，在原地转身，并准备根据研究人员的提示开始下一次试验。</li>
		<li>每次试验中，确保在动作捕捉区域内完成至少两个步态周期，不包括第一个和最后一个步态周期。 
		注意：这些初始和最终的步态周期将从分析中剔除，因为它们属于加速/减速步态，而非稳态行走。</li>
		<li>让受试者完成若干次（通常为10次）地面行走试验。
		<ol>
			<li>如果需要特定速度，先让受试者在跑步机（绑带式）上以该速度行走，以熟悉任务。然后返回步行道，指导受试者以与跑步机上相同的速度行走，并在每次地面行走试验过程中记录时间。若有必要，在每次试验之间给予口头反馈，提示加快或减慢速度。25.</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
	<li>在跑步机基线测试中，指导受试者在连接的跑带上行走1至5分钟。 
	注意：这构成一次单基线试验。如果受试者不熟悉跑步机行走，可延长该阶段时间，以使其适应此项任务。
	<ol>
		<li>将基线试验的速度与测试后效时采用的速度相匹配，以便在相同速度下比较适应前后的步态协调性。 
		注意：多个基线试验（即在不同固定带速下可能需要进行时长为1至5分钟的分段测试；例如，在本实验方案中，采集了带速为0.7 m/s和1.4 m/s的基线试验数据，因为这些速度被用于评估后续效应。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. 适应期
注意：无需告知受试者他们即将在分体式跑带模式下行走。在包括本实验在内的许多实验中，不会告知受试者跑带是处于同步模式还是分体式模式；仅告知受试者跑步机何时启动或停止。这使得实验者能够测量行走环境发生意外变化时所产生的影响。
<ol>
	<li>当受试者站立于静止的跑带时，启动分裂式跑台，使其中一条跑带的速度快于另一条，并让受试者行走至少7分钟（通常为10至15分钟）。
	<ol>
		<li>指导受试者直视前方，不要低头看脚部。</li>
		<li>将一个传送带的速度设置得比另一个快（例如，皮带速度之间的差异为2-3倍。 
		注意：过去曾使用过更高的速度比8,31当前方案中，2:1 的比例使用 0.7:1.4 m/s。
		<ol>
			<li>可随机选择由较慢传送带驱动的下肢，或始终选择同一下肢（优势腿或非优势腿）由较慢传送带驱动。</li>
			<li>传送带速度差可以逐步引入（快速带速在数分钟内逐步增加和/或慢速带速逐步降低），或突然引入（从静止状态开始，传送带在数秒内加速至目标速度）。 
			注意：引入分体式跑带的方式可能会影响个体的适应过程、适应后的步态模式向不同行走环境的迁移效果，以及24小时后重新适应分体式跑带的能力。27,32目前，大多数分带速行走实验方案（包括本方案）均突然引入分带速条件。</li>
			<li>如果预计需要暂停例如对于年幼儿童、老年人或行动受限的个体，应在方案中为所有参与者加入预先设定的休息间隔。确保休息时间长度一致；如出现未预期的休息，应予以记录并计时，因为这可能是在分析中需要考虑的因素。33.</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. 捕获试验
注意：捕捉试验在跑步机（固定带）上进行，用于短暂测试受试者到目前为止在实验方案中的后效，以表明其适应程度。捕捉试验是一段较短的（通常 &#60; 20 秒）固定带行走过程，用于快速评估分带适应期间后效的发展情况。
<ol>
	<li>当受试者充分适应分带速度（至少进行 7 分钟的分带行走）后，短暂停止跑带，然后重新启动跑步机，使两条跑带以相同速度运行。通过将跑步机启动速度设置为分带适应期间较慢跑带的速度来进行捕获试验，因为在此条件下后效最为显著28。
	<ol>
		<li>为了在 0.7:1.4 m/s 的分带适应后最大化后效幅度，应以 0.7 m/s 的速度进行捕获试验。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>为减少去适应效应，在受试者以目标捕获试验速度行走约五步后（约 10–15 秒），即结束捕获试验（即，停止跑步机）。</li>
	<li>若需评估在多种不同行走速度下（或其他行走情境变化，例如，向前与向后行走24）进行的捕获试验中的后效，请在每次捕获试验之间让受试者在分带上重新适应至少 2 分钟。 
	注意：捕获试验的顺序应随机化25，和/或应在适应期接近结束时重新测试第一次捕获试验，以确定在绑带状态（捕获试验）与分带状态（再适应）反复切换过程中，后效大小是否存在系统性减小的趋势28。</li>
	<li>最后一次捕获试验结束后，停止跑步机，然后以分带模式（与适应阶段相同的配置——见步骤 3.1.2）重新启动，持续 2–5 分钟，使受试者得以再次适应。</li>
</ol>
5. 适应后阶段——在地面行走期间测试后效
注意：此步骤为可选步骤，取决于实验的目标。在本方案中，目标包括评估向地面行走的泛化能力，因此包含了适应后地面行走测试阶段。
<ol>
	<li>停止跑步机运行，并使用轮椅将受试者转移至地面行走通道，以防止受试者在到达记录区域前产生未被记录的步行步数。</li>
	<li>指导受试者沿地面行走通道行走，操作同步骤 2.1。
	<ol>
		<li>若需要特定行走速度，应指导受试者复制基线行走速度25。</li>
		<li>为彻底消除地面行走后的残留效应，使受试者恢复至基线协调状态，应让受试者在 6 米长的地面行走通道上完成 10–15 次行走通过。 
		注意：已有研究证明该过程已足够充分26,27，相当于约 30 步27。若未对地面行走进行连续记录（例如，仅在记录区域内进行数次通过），则每次地面行走试验之间会存在若干未被分析的步数，因为受试者在减速、原地转身并开始向相反方向行走时的步态未被记录。除非实验设置允许对地面行走进行连续记录，否则应对地面适应后试验（OG PA）中的去适应速率谨慎解释。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
6. 适应后阶段——在跑步机行走期间测试后效
注意：与步骤5相同，此步骤为可选，取决于研究目标。如果包含了过地面前适应（OG PA）阶段，则随后的跑台后适应阶段可用于检测在过地面适应效应已消除后，跑台上是否仍存在后效应23,26,27。如果没有过地面前适应阶段，则跑台后适应阶段可用于评估跑台后效应（后适应阶段的最初1-5步）和/或跑台去适应速率22,29,34。
<ol>
	<li>如果没有进行过地面行走训练（OG PA），在适应期结束后，暂时停止跑步机，然后以双侧同步模式重新启动。如果包含地面行走阶段，则使用轮椅将受试者送回固定式跑步机，并以双侧同步模式重新开始行走；使用轮椅至关重要，可最大限度减少未被记录的步数。
	<ol>
		<li>若仅需测量后效大小，可记录一段较短时间的双侧同步行走（例如，30 秒）。若需评估去适应速率，则应持续记录双侧同步行走至少 10 分钟，以确保后效应完全消失。</li>
		<li>根据所提出的研究假设设定适应后阶段双侧同步模式的跑步机速度，因为当双侧同步速度与分带适应阶段较慢侧跑带速度相同时，跑步机后效应最为显著25,28。例如，若分带适应阶段的跑带速度分别为 0.7 和 1.4 m/s，则应将双侧同步速度设为 0.7 m/s，以观察最大的后效应。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

大量研究现已表明，人们在分体式跑台上行走时会调整步态协调性，以恢复肢体间协调参数（如步长和双支撑时长）的对称性。当分体式跑台行走结束后恢复自然行走条件时，受试者仍会持续采用已适应的步态模式，从而产生后效，必须通过消退学习才能恢复正常的行走协调。研究人员主要利用适应速率和后效幅度来量化个体学习这种新行走模式的能力，并评估该学习向其他行走环境和任务的泛化程度。正确解读适应速率和后效幅度的变化，需要严格遵循实验设计中的关键步骤，并考虑可能影响这些指标的其他因素。在接下来的章节中，我们将重点阐述这些注意事项，讨论如何针对不同身高的受试者调整跑台速度，并探讨该技术在更广泛的运动学习领域中的应用。
方案中的关键步骤
代表性结果中描述的研究25,28强调了在为神经系统健全个体设计分体式跑带适应方案时，考虑行走速度的重要性。如图1所示，当在适应阶段较慢跑带速度相匹配的同步跑带条件下测试时，跑台后效最...

一台分体式跑台具有两条跑带，可使双腿以不同速度或不同方向运动。该设备最早在45年多前被用作研究双腿间协调性的工具（即行走过程中的左右肢体协调1这一点以及其他早期研究主要将猫作为实验模型1,2,3，但昆虫也被研究过4人类婴儿和成人分带行走运动的首次研究分别发表于1987年和1994年5,6。这些在人类和非人类动物中开展的初步研究主要探讨了短期（即，当下肢以不同速度被驱动时，会立即调整肢体间的协调性，以维持稳定性并保持向前运动。1995年的一项研究指出，较长时间（数分钟）的分带速行走会削弱成年人准确感知跑步机跑带速度的能力，并影响其对两侧速度进行均衡调节的能力。这表明行走的感知运动映射已发生重新校准。7然而，直到2005年，才首次发表了关于人类在分带跑台行走10分钟过程中运动适应的详细运动学报告8.
运动适应是指在已有运动技能的感知运动映射关系因应对新的、可预测的需求而发生调整的、由误差驱动的过程9。这是一种运动学习形式，发生在较长时间的练习过程中（数分钟至数小时），并在需求消除和/或条件恢复正常后产生后效，即运动模式发生改变。例如，最初在分体式跑台（split-belts）上行走会导致个体出现肢体间协调不对称的情况，类似于跛行。经过数分钟的分体跑台行走后，个体逐渐适应，使步态趋于对称。当两个跑台随后恢复至相同速度（i.e. 同步跑台）从而恢复正常的行走条件时，个体仍会表现出后效，即继续以不对称的协调方式行走。这些后效必须通过数分钟的同步跑台行走进行主动的去适应或消退学习，才能恢复正常的行走协调模式8。
继2005年Reisman et al.8 对人类分带行走进行运动学分析以来，分带跑台在已发表研究中的使用量相比前一个十年大约增加了十倍。为什么分带跑台作为实验工具正变得越来越受欢迎？分带步行显然是一种实验室任务——最接近的现实类比是转弯或绕小圈行走，但分带跑台所诱发的转向状态要极端得多，其中一条腿的移动速度比另一条腿快两到四倍。这种分带跑台作为一种极为特殊的步行任务，为研究运动学习提供了若干优势。首先，它对几乎所有年龄段的受试者而言都是新颖的，且不受日常行走经验的影响；因此很容易对实验参与者是否具有分带行走经验进行筛选。其次，分带跑台会引发显著的肢体间协调性改变，而这些改变不会迅速消退；相对缓慢的适应与去适应速率使我们能够研究不同训练干预如何影响这些速率，而不会接近学习上限。第三，分带跑台适应过程中出现的运动学8,10、动力学11,12,13,14、肌电图6,15,16以及感知觉7,17,18,19变化已被广泛研究，该任务的神经控制机制也已有深入探讨20,21,22。换句话说，多个不同研究团队已记录并重复验证了分带跑台适应的相关现象，使其成为一个特征明确的运动学习范式。
在过去的十年中，多项研究已证实分带适应具有任务特异性和情境特异性。若在与训练条件不同的情况下测试分带适应后的后效，其幅度会显著降低。例如，当受试者转换至不同环境（如，在地面上行走23）、执行不同的运动任务（如，倒走或跑步13,24），甚至以与适应阶段较慢跑带速度不同的速度行走时，其后效均会减小25。目前，有关运动适应泛化规律的参数研究仍在持续进行中。
本文的目的是描述一种利用分体式跑台研究人类运动适应性以及适应模式向其他行走情境迁移的实验方案。即，不同的行走速度和环境）。尽管此处描述的方案主要直接来源于 Hamzey 所采用的方法 等25 (图1a），需要注意的是，本方案的制定参考了此前的多项研究8,23,24,26,27,28该方法最初旨在验证这一假设：在跑步机和过地行走环境中保持行走速度的一致性，将有助于提升分带行走能力在不同环境间的泛化效果。25在下面的实验方案部分，我们将介绍如何重复本版本的分带跑台方法，并附有说明，指出某些实验步骤可根据不同研究目的进行调整。

<table><tbody><tr><td>分带式跑步机</td><td>Woodway</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Codamotion CX1</td><td>Charmwood Dynamics, Ltd, Leicestershire, UK</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

使用分体式跑台评估人类运动适应的泛化能力

Using a Split-belt Treadmill to Evaluate Generalization of Human Locomotor Adaptation

理解运动学习的潜在机制有助于研究人员和临床医生优化运动康复中的步态再训练。然而，研究人类运动学习可能具有挑战性。在婴儿期和儿童期，神经肌肉系统尚不成熟，因此发育早期的运动学习机制很可能与成年期不同。当人类达到成熟阶段时，行走能力已非常熟练，难以设计出足够新颖的任务来研究从头开始的运动学习（de novo locomotor learning）。分裂跑带跑台（split-belt treadmill）具有两个可独立驱动双腿以不同速度运动的跑带，能够用于研究个体对行走环境新变化所做出的短期（i.e.，即时）和长期（i.e.，持续数分钟至数天；一种运动学习形式）的步态调整。研究人员可轻松筛查受试者是否曾接触过分裂跑带跑台，从而确保所有实验参与者均无（或具有同等程度）先前经验。本文描述了一种典型的分裂跑带跑台适应性实验方案，包含用于量化运动学习及其在其他行走情境中泛化能力的测试方法。随后讨论了设计分裂跑带跑台实验时需考虑的重要因素，包括跑带速度、休息间隔和干扰任务等。此外，还探讨了一些潜在但尚未充分研究的混杂变量（e.g.，手臂运动、先前经验）。

在分带式跑步机上行走最初会导致肢体间协调性的显著不对称。经过10至15分钟，这些指标中的许多对称性会逐渐恢复。有关分带式跑步机适应过程中运动学行走参数变化的详细描述已在其他文献中发表8,10本文重点讨论两种肢体协调性的测量指标：步长和双支撑时长。步长定义为两足之间前后方向的距离（即，放置在腓骨外踝上的运动追踪标记点在首次触地时的距离）即，脚跟触地）。慢速步长在较慢跑带侧下肢触地时计算；快速步长在快速侧下肢脚跟触地时计算。步长主要被视为衡量肢体间协调性的空间参数，尽管其也可能受到步态时序变化的影响。10双支撑时长是衡量肢体间协调性的时间参数，定义为双脚均与地面接触的时间段；慢速腿站立期末出现慢速双支撑，快速腿站立期末出现快速双支撑。双支撑时长以步态周期总时长的百分比表示。对于...

我们描述了一种利用分带式跑步机研究人类运动适应的实验方案，该跑步机具有两个可分别以不同速度驱动每条腿的跑带。我们特别关注一种实验范式，旨在检验已适应的运动模式在不同行走情境下的泛化能力（例如，步态速度、行走环境）。

理解运动学习背后的机制有助于研究人员和临床医生在运动康复过程中优化步态再训练。

本实验的总体目标是利用双速跑台诱导行走协调性的运动适应或长期改变，该跑台具有两条可分别以不同速度驱动双腿的传送带。该方法有助于解决运动学习领域中的关键问题，例如人们如何学会以不同方式行走，以及如何适应不同环境条件。该技术的主要优势在于，大多数人此前从未接触过双速跑台，因此该技术可揭示人们如何适应一种全新的扰动。该技术的应用前景可拓展至中风后的步态康复，因为我们可以通过分体式跑台训练中风患者，使其行走时的步态协调性更加对称。本视频部分将简要介绍实验设置。所有测试均应在安静、周围干扰活动最少的环境中进行，并为受试者准备好所需的全部材料。例如，运动追踪标记物和肌电图传感器。基线步态测量对于评估正常行走协调性至关重要。在进行地面基线测试时，指导受试者在可采集运动捕捉数据的步行道上行走。至少采集 10 个步态周期以建立基线数据。如果动作捕捉系统仅允许在有限空间内进行采集，则让受试者多次通过该空间；每次通过后，受试者应暂停、转身，并等待研究人员的指令再次开始。在有限空间内，每次通过必须包含至少两个步态周期，不包括因加速度变化而受影响的第一个和最后一个步态周期。通常情况下，地面基线测试的速度由受试者自行选择；但如果需要特定速度，可先让受试者在跑步机上以目标速度行走一到两分钟，以熟悉该速度。随后，在地面行走过程中，于每次测试之间给予其关于步速的口头反馈，例如“很好，请保持相同速度再走一次”。出于安全考虑，应使用安全带防止受试者跌倒；在跑步机启动和停止时，应始终握住扶手。由于握持扶手的影响尚不明确，因此在实验过程中对所有受试者保持操作一致性和动作稳定非常重要。您的实验方案可能要求受试者在实验期间始终握住扶手。进行跑步机基线测试时，使用较紧的跑带，并让受试者有一定时间适应在跑步机上行走。随后，在每个适应后将要测试的跑步机速度下，采集一到五分钟的数据。当受试者站在静止的跑带上时，应指导其目视前方，不要低头看脚部。不要向参与者提示双跑带速度差异。跑带之间的速度差取决于具体实验，通常使用两到四个单位的完全速度差。启动分体式跑带跑步机，使其中一条跑带运行速度大于另一条，并让参与者行走 10 至 15 分钟。目标是采集参与者适应意外地形时的数据。当参与者完全适应分体式跑带后，短暂停止跑台，然后以两个跑带相同的速度短暂重新启动。这一阶段称为捕获试验（catch trial），目的是测量适应过程中逐渐形成的后效。 当捕捉试验中两条跑带的速度与适应阶段较慢跑带的速度相同时，产生的后效最大。在五步之后停止该次试验，然后让受试者重新适应分带速度至少两分钟，必要时重复捕捉试验。在本方案中，第二次捕捉试验采用与第一次不同的速度进行，以评估后效的速度依赖性。最后一次捕捉试验结束后，停止跑步机，然后以分体式跑带重新启动跑步机，持续五分钟，使受试者能够重新适应。为了测试在地面上行走的后续效应，使用轮椅将受试者转移至过道行走区域，以便记录其在地面上迈出的第一步。随后，如有需要，沿行走通道重复步态评估，并指导受试者尽量复现其基线行走速度，且在各次试验之间给予反馈。接下来，将受试者推回跑步机进行第二次后效测试。跑步机后效测试可显示地面行走消除了多少学习效果。以较慢速度重新启动皮带紧绷的跑步机，让受试者行走约30秒。为了评估去适应的速率，需记录至少10分钟的连续窄带行走，以确保完全消除残留效应。两名年龄在40岁以下、无神经或骨科疾病的成年人接受了所述实验范式。实验首先在地面行走状态下进行基线测量，随后在分带跑步机的两种速度下进行窄带跑步机测量。随后进行分带测试，接着以随机顺序分别在慢速和快速条件下进行两次窄带捕捉试验。然后，在重新适应分带条件后，测量在快速或慢速条件下的地面行走后适应效应。数据按步数绘制，步态对称性以零线表示，表明两侧的步长或双支撑持续时间相等。在这些基线试验中，两名参与者均表现出接近对称的肢体间空间和时间协调性。分体式跑台打乱了正常的行走协调模式，但人们能够在行走一到两分钟内或大约100步后适应并恢复对称性。适应性的表现为：在跑台捕获试验以及适应后地面行走试验中，出现了后效现象或不对称的协调模式。需要注意的是，跑步机捕捉试验期间的行走速度可以调节后续效应量的大小。在适应后阶段进行的地面行走试验中的后续效应，比跑步机上的后续效应更小，且受行走速度的影响较小。在实施该实验程序时，重要的是要控制潜在混杂变量的影响，例如手臂运动、休息间隔的时长与持续时间，以及跑步机上地面行走的速度。根据所检验的假设，该实验步骤的多个方面均可进行调整。例如，可以改变加速度的速率以及分体式跑带速度的变化性。请注意，使用门控扰动可能会影响受试者的稳定性，因此务必采取适当预防措施，防止受试者跌倒。感谢观看，祝您的实验顺利。

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