研究人体姿势控制的实验方法
September 11th, 2019
本文提出了研究人类姿势控制的实验/分析框架。该协议提供了执行站立实验、测量身体运动学和动力学信号以及分析结果的分步程序，以深入了解人类姿势控制背后的机制。
这些实验和分析方法提供了指南，旨在了解中枢神经和肌肉骨骼系统的许多组成部分在人体姿势控制中的作用。具有有意义的物理参数的姿势控制模型可用于研究感觉系统的作用和相互作用，以及它们因疾病和衰老而引起的变化。这些方法可用于评估患者平衡问题，揭示损伤的意识形态，并协助设计干预措施，以改善姿势控制。
这些方法还可用于研究感觉运动病理学和平衡控制之间的相互作用。例如，在老年人中预防秋季。该协议提供了一个手段，以调查感官模式的相对贡献，包括自得和视觉系统及其相互作用，以及肌肉被动贡献的姿势控制。
要准备测量脚踝肌肉的肌电图的科目，请使用一个距离为一厘米的单差分电极。将中侧胃骨在肌肉最突出的凸起位置，在腓骨头部和脚跟之间三分之一的线的侧侧胃肠，在股骨和中侧马勒耳之间三分之二的线的侧侧胃肠，以及腓骨尖和中侧马勒耳尖之间三分之一线的头骨。当所有点都标记后，使用剃须刀剃光每个区域，用酒精清洁皮肤。
当皮肤干燥时，使用双面胶带将一个电极连接到每个区域，注意每个电极都牢固地固定在皮肤上。要为运动测量做好准备，请先使用表带将反射标记尽可能高地贴在主体的刀柄上，然后将主体放在身体线束上。使用表带将反射标记连接到主体的腰部，让主体爬到站立的仪器上。
调整主体的脚部位置，将每条腿的侧向和中侧马勒利与旋转的踏板轴对齐，并使用标记勾勒出脚部位置。指示主体在实验过程中将脚放在相同位置，并调整激光测光器的垂直位置以指向反射标记的中心。然后，调整激光测距离器与反射标记之间的水平距离，使测光器在中距离工作，在站立实验中不饱和。
在开始实验之前，告知主体每个试验条件会发生什么。指示主体安静地站在一边，同时期待在面对现实世界的扰动时保持平衡。对于一个安静的站立审判，让主题静止两分钟，没有扰动。
对于扰动的实验，如果目标是调查躯体感觉系统或脚踝僵硬在站立中的作用，则在记录数据时应用踏板扰动两到三分钟。如果目标是检查视觉在姿势控制中的作用，则在记录数据时使用虚拟现实耳机旋转视场两到三分钟来应用视觉扰动。如果目标是检查姿势控制中两个系统的相互作用，则同时应用视觉和踏板扰动。
在将视觉扰动试验数据加载到合适的分析软件程序中后，对身体角度与视觉扰动的动态关系进行非参数化识别，使用指示的命令来抽取原始身体角度和视觉扰动信号，并从被抽取的信号中去除这些手段。确定抽取的采样频率，然后选择兴趣的最低频率以确定窗口长度，并选择功率光谱估计的重叠程度。定义要估计频率响应的频率矢量。
使用 TF 估计函数查找系统的频率响应，并查找所演示的估计频率响应的增益和相位。然后，使用指示命令计算相干函数，并绘制增益、相位和相干作为频率函数。在具有视觉扰动的典型站立试验示例中，可以观察到虚拟现实耳机应用的梯形信号，其中视野在下垂平面中从零旋转到正负 0.087 rad。
脚踝和身体的角度是非常相似的，在这个分析，因为脚角为零，刀柄和上半身一起移动。脚踝扭矩也与刀柄和车身角度相关。来自脚踝肌肉的肌电图显示，鞋底和侧胃肠持续活跃，但中侧胃肠周期性地产生与身体摇摆的大量活动爆发，并且前侧胃是无声的。
此处显示了传输函数的频率响应，该函数将视觉输入与站立试验数据的身体角度相关。在这个实验中，低频的相干性在1赫兹左右，在较高频率下显著下降，这意味着频率响应在1赫兹以下有意义。增益最初从 0.1 赫兹增加到 0.2 赫兹，然后减至 1 赫兹，表明由于身体的高惯性，预期的低通率。
相位也从零开始，并且几乎线性下降，频率指示输出因输入而延迟。注意将旋转的脚踝轴与执行器的轴轴对齐。确保主体不会产生额外的运动，并确保使用适当的机械和视觉扰动。
首次使用的用户可能难以建立一致的可重复实验范式，以及使用适当的识别方法，这些方法在姿势控制中考虑到闭环、非线性和时间变化的影响。这些方法已用于调查健康的姿势控制及其适应，以及量化各种实验和临床条件下的平衡控制变化。
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概述
本文提出了一个研究人类姿势控制的实验和分析框架。这些方法旨在理解中枢神经和肌肉骨骼系统在保持平衡中的作用。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 生物力学
- 姿势控制
背景
- 姿势控制涉及感官信息的整合。
- 它受中枢神经系统和肌肉骨骼系统的影响。
- 理解姿势控制对于评估平衡问题至关重要。
- 年龄相关的变化可能影响平衡并增加跌倒风险。
研究目的
- 调查人类姿势控制的潜在机制。
- 评估患者的平衡问题及其观点。
- 帮助设计改善姿势控制的干预措施。
所用方法
- 站立实验以测量身体运动学和动力学。
- 分析包括本体感觉和视觉系统在内的感官模式。
- 评估肌肉对姿势控制的贡献。
- 应用模型研究感官系统之间的相互作用。
主要结果
- 对感官系统与平衡控制的相互作用的见解。
- 识别导致平衡障碍的因素。
- 评估老年人群体跌倒风险的框架。
- 增强姿势稳定性的未来干预指南。
结论
- 该研究为理解姿势控制提供了全面的方法。
- 它强调了感官整合在维持平衡中的重要性。
- 这些方法可以为平衡评估和干预的临床实践提供信息。
常见问题
Executive Industry Relevance
Understanding human postural control provides a mechanistic foundation for evaluating neuromuscular function in preclinical models of balance disorders. These methods enable quantitative assessment of sensory-motor integration, supporting target validation in neurotherapeutic development. The approach aids in de-risking translational pathways by linking physiological readouts to functional outcomes in aging and disease models.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of somatosensory and visual system contributions to motor control pathways.
- Operational Value: Provides standardized protocols for assessing neuromuscular function in disease-relevant systems.
- Predictive Value: Supports mechanistic de-risking by quantifying sensorimotor feedback loops relevant to target engagement.
Screening & Assay Development
- Assay Readiness: Generates quantitative kinematic and electromyographic outputs for screening neuromodulatory compounds.
- Reproducibility: Standardized perturbation protocols ensure consistent data collection across experimental conditions.
- Scalability: Methods support longitudinal tracking of motor function in preclinical and clinical cohorts.
Translational & Preclinical Research
- Disease Relevance: Directly applicable to studying balance impairments in neurodegenerative and aging models.
- Translational Continuity: Bridges discovery-phase mechanistic insights with preclinical efficacy evaluation.
- Risk-Adjusted Advancement: Informs go/no-go decisions by quantifying functional recovery in motor control endpoints.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within the discovery-to-translational continuum, supporting hypothesis testing in early discovery and functional validation in preclinical stages.
- Discovery Biology: Facilitates pathway clarification by isolating contributions of sensory systems to motor output.
- Screening: Enables assay standardization through repeatable perturbation protocols and quantifiable biomechanical readouts.
- Analytics: Provides frequency-domain analysis (gain, phase, coherence) to quantify system dynamics and sensory weighting.
- Translational Research: Supports biomarker alignment by correlating physiological responses with functional balance outcomes.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable platform for evaluating neuromuscular targets across multiple therapeutic areas.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Reduces mechanistic ambiguity in sensorimotor integration pathways.
- Operational Value: Ensures reproducibility through standardized electrode placement, perturbation protocols, and signal processing.
- Strategic Value: Improves target confidence by linking molecular interventions to quantifiable motor control improvements.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of neuromuscular programs based on functional rescue data.
Implementation Considerations
- Requires expertise in electrophysiology, motion capture, and system identification techniques.
- Dependent on instrumentation for kinematic tracking (laser range finders, reflective markers) and EMG acquisition.
- Necessitates cross-team standardization for consistent subject preparation and perturbation application.
- Adaptation considerations include scaling to different model systems while preserving single-link inverted pendulum assumptions.
- Practical limitations include sensitivity to subject movement artifacts and closed-loop nonlinearities in postural control.
