改进的精益和释放技术，强调反应抑制和反应平衡中的动作选择
March 19th, 2020
在这里，我们提供一个协议，允许用户有选择地改变负担和/或限制运动，与恢复平衡后姿势扰动。
平衡评估通常的一个限制是，它们强调反身行为，无需修改自动姿势反应。这种对高度陈规定型的反应的排他性关注，将不能解决我们如何在出现需要时修改这种反应的问题。例如，通过恢复步骤避免障碍。
本协议提供了一种方法，要求抑制自动但不恰当的纠正平衡反应，并迫使在替代行动选择之间做出选择，以在姿势扰动后成功恢复平衡。目前方法的独特之处在于，在主体保持固定状态时，对视觉的访问得到精确控制，并围绕其周围改变其响应环境，以创造不同的行动机会和/或限制。通过操纵障碍的存在和行动提供，这种方法强调认知过程，如决策和响应抑制有关平衡恢复。
在测试之前，请参与者提供书面知情同意程序。使用数据采集界面和适当的软件获取数据和带通滤波器。将表面 EMG 电极固定在右手和两条腿的脚踝肌肉上的两根内在手部肌肉后，从目标肌肉收集 EMG 数据。
使用定制的精益和释放电缆系统施加前进扰动。让参与者站在一个向前倾斜的位置，他们的脚大约臀部宽度分开。为了控制视力，请为参与者戴上液晶护目镜，将视力限制在姿势扰动前的时限。
关闭时，护目镜会阻止访问视觉场景，因此参与者不知道即将进行的响应条件。要保持这种向前倾斜，请将支撑电缆固定到车身线束的背面。用磁铁将支撑电缆固定在墙上。
验证学员佩戴护目镜时是否实际可以看到手柄和腿部挡块。开始每次试验时，指示学员直接查看他们前面大约三米处的地板上的固定点，同时将头放在舒适的位置。放置主体以确保手柄在可抓住范围内。
让学员向前倾斜，同时保持双脚与地板接触。在未发现手柄的试验中，在参与者的腿前显示一条腿块。腿块阻碍步骤，但未硬设置到位。
在某些试验中，使用黑色篷布盖住手柄，以防止直接视觉访问，并防止任何支持性抓地力。然后拆下腿部块，以便必要时进行步进反应。在关闭护目镜时更改腿部块的特定配置并处理每个试用的可用性，以便参与者在护目镜打开后需要快速感知环境。
每次试验开始时，通过计算机触发的伺服电机将手柄盖和腿块移入位置。在测试之前，简要地熟悉如何到达手柄，然后从倾斜位置向前走。在整个测试和练习过程中，指示学员保持放松，除非突然释放电缆提示移动。
随机更改试验之间的响应设置。如果从支撑电缆中释放，参与者必须通过伸手去拿壁挂式安全手柄或在步进路径清晰时向前走来恢复稳定性。每次试验开始时始终关闭遮挡护目镜，此时响应设置将被更改。
关闭护目镜的随机周期通常为三到四秒，以允许更改设置。当护目镜打开时，提供两种可能的响应设置之一。首先，存在腿块，支撑手柄存在，或者第二，不存在腿块，不存在支撑手柄。
在确实发生扰动的试验中，在护目镜打开后不久松开电缆。让每个试验持续 10 秒，在试验之间短暂暂停，让参与者有机会根据需要重置。在每个测试块之间给参与者一个短暂的休息时间，让他们坐下。
在我们的平衡任务的一个版本中，步进响应更频繁，因此更加自动。例如，30% 的试验使用腿部块。此处显示了位于连续体两端的用于抑制步进相关腿部活动的个体的平均波形。
散射图描绘了抑制阻塞步长的能力与响应抑制能力之间的小而显著的相关性，这些反应抑制是由停止信号反应时间测量的，停止信号反应时间是从坐式认知任务派生的。在另一项使用颅磁刺激的研究中，结果表明，仅仅查看支撑手柄即可促进内在的手部肌肉。此图描绘了电机在不同条件下激发电位的大小。
另一项独立的研究发现，当自动步进突然停止时，电机系统会普遍停机。在此特定研究中，句柄不可用。正确定位参与者对于确保他们能看到手柄和腿部挡块以及这些项目在抓握和踢中至关重要。
我们使用的另一种技术是颅磁刺激来探测电机系统的激活。这提供了对反应性平衡背景下的预备大脑机制的洞察。我们的方法强调需要更高的大脑过程，以避免跌倒。
因此，这可以用来暴露大脑缺陷的临床组与认知衰退。
概览
该协议允许选择性地操纵运动条件和限制，以帮助姿势干扰后恢复平衡。通过控制视觉接触并改变响应环境，该方法强调了决策和响应抑制中涉及的认知过程。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 运动控制
- 平衡恢复
背景
- 传统的平衡评估侧重于反射性动作。
- 自动姿势反应可能无法适应不断变化的环境。
- 修改反应可以增强平衡恢复策略。
- 视觉控制在评估平衡反应中至关重要。
研究目的
- 开发一种改变运动条件和限制的协议。
- 调查平衡恢复中的认知过程。
- 评估视觉操纵对运动反应的影响。
使用的方法
- 参与者提供知情同意并接受EMG数据收集。
- 液晶护目镜控制试验期间的视觉接触。
- 参与者在不同的障碍配置下执行平衡任务。
- 响应设置被随机化以评估平衡恢复的适应性。
主要结果
- 参与者展示了不同的抑制自动跨步反应的能力。
- 响应抑制和平衡恢复之间发现显著相关性。
- 经颅磁刺激揭示了运动系统激活的见解。
- 视觉接触影响了平衡恢复策略的有效性。
结论
- 该协议有效地强调了认知过程在平衡恢复中的作用。
- 研究结果表明在认知能力下降的临床人群中有潜在应用。
- 进一步的研究可以探索康复策略的影响。
常见问题
Executive Industry Relevance
Integrating cognitive control into reactive balance assessment addresses a critical gap in understanding how higher brain functions contribute to fall prevention in complex environments. This protocol enables biopharma R&D teams to interrogate neural mechanisms underlying response inhibition and action selection, supporting predictive confidence in translational neuroscience and neurotherapeutic development. The approach enhances mechanistic de-risking at the interface of motor control and cognitive function, informing early-stage target validation and biomarker strategies.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables interrogation of neural circuits responsible for response inhibition during balance recovery.
- Clarifies the role of cognitive processes in modifying stereotypical motor responses to perturbation.
- Supports functional target validation for interventions aimed at cognitive-motor integration.
- Facilitates predictive confidence in selecting neural pathways for further study.
Screening & Assay Development
- Provides a validated paradigm for quantifying both automatic and volitional motor outputs.
- Standardizes measurement of EMG and neurophysiological responses under controlled sensory conditions.
- Enables reproducible assessment of action selection and inhibition across trials and subjects.
- Prepares a robust platform for screening compounds or interventions affecting cognitive-motor function.
Translational & Preclinical Research
- Aligns with disease-relevant models of cognitive decline impacting balance and fall risk.
- Supports continuity from mechanistic discovery to preclinical validation of neurotherapeutics.
- Enables risk-adjusted advancement decisions based on quantitative inhibition and action selection metrics.
- Facilitates translational biomarker development for cognitive-motor integration deficits.
Pipeline & Workflow Integration
This protocol bridges early discovery and preclinical research by enabling hypothesis-driven testing of neural control mechanisms in balance recovery. It supports workflows from target validation through lead identification in neurotherapeutic pipelines.
- Discovery Biology: Illuminates how neural circuits mediate suppression of automatic responses and selection of context-appropriate actions.
- Screening: Delivers quantitative EMG and behavioral readouts for comparing intervention effects on response inhibition.
- Analytics: Provides statistical outputs correlating inhibition capacity with motor performance under varying constraints.
- Translational Research: Connects laboratory findings to clinical populations with cognitive-motor deficits.
- Enterprise Reuse: Offers a reusable, modular assay for diverse neurocognitive and motor control investigations.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in neural target engagement and mechanistic de-risking.
- Operational Value: Enhances standardization, reproducibility, and scalability of cognitive-motor assays.
- Strategic Value: Informs go/no-go decisions for neurotherapeutic candidates targeting cognitive-motor integration.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of assets addressing fall risk and cognitive decline.
Implementation Considerations
- Requires expertise in neurophysiology, EMG acquisition, and cognitive-motor assessment.
- Needs instrumentation for precise visual control, EMG recording, and programmable perturbation delivery.
- Demands cross-team standardization of trial protocols and data analysis pipelines.
- Adaptable to various model systems but dependent on subject compliance and safety monitoring.
- Limitations include the need for specialized equipment and potential variability in participant cognitive status.
