Name: 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 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-03-19T14:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 19 s
Description: 学习改进的精益和释放技术，通过精确控制视觉通道和改变反应环境来研究姿势扰动后的平衡恢复。该方法强调决策制定和反应抑制等认知过程在运动控制中的作用，为认知衰退临床人群的康复策略提供潜在应用价值。

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本研究由美国国立卫生研究院下属的国家衰老研究所资助，资助编号为 R21AG061688。本内容仅由作者负责，不代表美国国立卫生研究院的官方观点。

所有实验程序均获得犹他州立大学机构审查委员会的批准，并依照《赫尔辛基宣言》的规定进行。
1. 受试者筛选
<ol>
	<li>在测试前，要求参与者提供书面知情同意书，同意接受相关操作。</li>
	<li>进行经颅磁刺激（TMS）测试时，应根据专家组制定的指南20，在测试前对参与者进行筛查，以评估其是否适合接受TMS。</li>
</ol>
2. 数据采集：肌电图（EMG）
<ol>
	<li>使用表面电极记录肌电图（EMG），并放大信号（增益 = 1,000；参见材料表）。</li>
	<li>使用数据采集接口和相应的软件采集数据，并进行带通滤波（10–1,000 Hz）（参见材料表）。使用该设备和软件控制各种电机、缆绳释放装置以及遮光护目镜，具体操作将在方法部分后续内容中描述。</li>
	<li>轻柔地磨擦目标肌肉区域的皮肤表面，并用酒精擦拭。使用双面胶带将表面肌电电极固定在目标肌肉上，并用预包裹绷带进一步固定，以确保电极位置稳定，特别是在手臂和腿部发生快速反应时。</li>
	<li>采集右手两个手部固有肌（第一背侧骨间肌，FDI 和拇对掌肌，OP）以及双侧腿部踝背屈肌（胫骨前肌，TA）的肌电数据。 
	注意：选择这些特定肌肉是基于其与伸手抓握动作或向前迈步动作的相关性，但可根据需要选择其他肌肉。</li>
</ol>
3. 平衡测试设备
<img alt="图1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60688/60688fig1.jpg" /> 
图1. 瘦体 &amp;#38; 带腿部固定块的释放装置。 在此示例中，一条腿的挡板处于打开位置，而另一条腿的挡板则设置为阻止踏步动作。这些挡板通过计算机控制的电机（附着在支撑柱上的灰色盒状装置）进行移动。手柄盖板也可移动，以阻断或允许抓握动作的发生。此处盖板已被拆下，以便完全露出手柄。释放磁铁位于后壁上，清晰可见。所有线路均穿过木质平台本身，并接入位于后角处的灰色电路盒。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60688/60688fig1large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<img alt="图2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60688/60688fig2.jpg" /> 
图2. 瘦体 &amp;#38; 使用测力台的释放装置。 该图展示了如何选择性地将三块测力台嵌入木质平台中。若无需使用测力台，可将木质塞块安装到位，这些塞块可见，倚靠在侧壁上。该图像还显示了受试者所穿戴的安全背带。该背带固定于天花板上，当受试者无法自行恢复平衡时，可起到安全保护作用。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60688/60688fig2large.jpg" target="_blank">请点击此处以查看此图的放大版本。</a>
<ol>
	<li>改良瘦肉型 &amp;#38; 释放系统
	<ol>
		<li>使用定制的、精简的 &amp;#38; 释放缆线系统以施加前向扰动（参见 图1 和 图2).</li>
		<li>让参与者双脚分开约与髋同宽，呈前倾姿势站立（参见 图3）。使用连接在身后的缆绳固定于身体背带，以维持此前倾姿势，背带固定点位于背部约胸椎中部水平。通过磁铁将支撑缆绳固定于墙面，实验时可短暂关闭磁铁以释放缆绳。</li>
		<li>使特定试验流程（即电缆释放的时刻以及电缆释放的起始时间）对受试者而言不可预测。通过预先设置在软件配置中的计算机指令，精确控制电缆释放的时间。该配置可实现对电缆释放时间的控制，从而在不同试验间进行随机化。 
		注意：控制所有实验设备的软件配置（例如，触发电机以定位腿部挡块）可设置特定的试验条件（例如，是否存在腿部挡块）。该配置可编程为随机化条件，或以区块形式呈现条件，以控制可预测性水平。</li>
		<li>除了连接在背带后部的释放绳外，还需将受试者固定在从天花板垂下的支撑绳上。该安全绳在非绝对必要时不会提供身体重量支撑；若受试者无法自行恢复平衡，该绳可防止其跌落地面。</li>
		<li>由于可靠的视觉信息至关重要，需确认参与者在佩戴护目镜时确实能够看到手柄和腿部挡块。每次试验开始时，指导参与者将头部保持在舒适位置，并直视前方约3米处地面上的一个固定点。调整参与者的位置，使其视线能够将手柄和障碍物的顶部区域纳入周边视野中。</li>
		<li>将身体摆放在合适位置，确保手柄处于可触及范围内。让受试者向前倾斜，同时保持双脚与地面接触。此动作需要以踝关节为轴进行旋转，而身体其余部分保持呈一条直线。</li>
		<li>确定特定的前倾位置，即当释放绳索时，受试者需要迈步以恢复平衡的最小前倾角度。该过程为迭代式，旨在确定踝关节处的临界前倾角度，即受试者无法再通过原地不动的姿势反应来防止向前跌倒的角度。一旦确定该角度，在整个测试过程中使用测角仪验证前倾角度。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>补偿性平衡反应的促进因素与限制因素
	<ol>
		<li>在参与者右侧的墙面上安装一个安全把手。使用电动盖板控制对该把手的接触。当把手暴露时，参与者在解除支撑性前倾状态后，可借助该把手恢复平衡。</li>
		<li>在手柄未被遮盖的试验中，于受试者双腿前方放置一个腿部阻隔块。该阻隔块可阻碍迈步动作，但并非 rigidly 固定，意味着其在受到踢击时可发生位移。应将腿部阻隔块设置为允许自由移动，并采用 compliant 材料制作，以避免造成伤害。 
		注意：腿部阻隔装置的设计高度接近30英寸（约达多数人的大腿中部），旨在强制受试者在迈步时做出“全或无”的决策。对于希望实现更精细控制恢复迈步过程的研究人员，可对装置进行改良，采用更小或更矮的障碍物，从而允许受试者通过调整步态跨越障碍。</li>
		<li>在部分试验中，使用黑色防水布覆盖把手并遮挡其可见性。把手仍将固定在同一位置，但会通过物理遮盖方式阻止被试直接看到或用手扶握。当该支撑把手被遮盖时，应移除腿部挡板，以便在必要时允许迈步反应。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>视觉控制
	<ol>
		<li>通过液晶护目镜限制受试者在姿势扰动前的时间段内的视觉（参见材料表）。护目镜关闭时可阻断视觉场景，使受试者无法察觉即将出现的反应条件。</li>
		<li>在护目镜闭合期间，改变腿部挡板和手柄的特定配置及可用性，使参与者在护目镜打开后需迅速感知环境。在每次试验开始时，通过计算机触发的伺服电机将手柄盖和腿部挡板移动至指定位置。让参与者佩戴耳塞，并在视觉遮蔽期间使电机持续运转，以避免对即将出现的实验条件提供任何预先提示。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. 实验设计
<ol>
	<li>测试前，让参与者简要熟悉如何从前倾姿势下伸手够到把手并向前迈步。
	<ol>
		<li>向参与者充分说明即将进行的练习条件，确保其没有任何疑虑。指导参与者，一旦护目镜打开，他们将看到把手已被遮盖，且迈步路径清晰可见。随后不久，支撑缆绳将被释放，他们必须迅速迈步以避免向前跌倒。</li>
		<li>关于是否可以抓握把手以避免迈步，应使用类似的指导语。</li>
		<li>在整个测试和练习过程中，指导参与者保持放松状态，除非因突然释放缆绳而被提示移动。 
		注意：通常情况下，参与者在正式测试开始前需要进行约10次练习尝试。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>在各次试验之间随机改变反应设置。当支撑缆绳释放后，参与者必须通过抓住墙上的安全把手或在迈步路径畅通时向前迈步来恢复稳定性。</li>
	<li>每次试验开始时，始终关闭遮蔽护目镜，此时将改变反应设置。关闭护目镜一段随机时间（通常约为3–4秒），以便完成设置的切换。</li>
	<li>当护目镜打开时，提供以下两种可能的反应设置之一：（1）腿部阻挡装置存在且支撑把手存在，或（2）无腿部阻挡装置且无支撑把手。 
	注意：在第一种条件下，支撑把手位于易于够到的距离，而腿部阻挡装置阻止迈步动作。该设置构成一种情境，即参与者唯一可选的动作是迅速用右臂抓握可用的支撑把手。第二种条件则允许恢复性迈步，但禁止使用支撑把手。</li>
	<li>在发生扰动的试验中，护目镜打开后不久即释放缆绳。该延迟时间根据研究需求而变化，通常在200&#173;–1,000毫秒之间。</li>
	<li>对于部分试验，不释放缆绳以作为“捕获试验”。这有助于避免仅基于视觉的预判性反应。</li>
	<li>每次试验持续10秒，试验之间留有短暂暂停，以便参与者根据需要重置状态。每个测试区块之间为参与者提供短暂休息时间，并允许其坐下。基本实验设计如图3（底部）所示。 
	注意：总试验次数根据各项研究的具体需求而调整，但通常包括约100次试验，分为三到四个测试区块。</li>
</ol>
<img alt="图3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60688/60688fig3.jpg" /> 
图3. 基于经颅磁刺激的方法研究感知环境可供性及/或环境限制对运动准备的影响 顶部 一种精简的 &amp;#38; 释放装置以不可预测的方式释放受试者（仅在扰动测试区块中）。扰动强度要求受试者迅速做出换支撑反应，通过手臂或腿部动作重新建立稳定的支撑基础，方式包括伸手抓握固定把手或向前迈步。两次试验之间，使用液晶遮蔽眼镜遮挡视觉，并随机重新布置前景中的物体。 底部 时间线展示了环境视觉信息可获取的时间，以及经颅磁刺激（TMS）探测相对于视觉信息获取和扰动事件的时间关系。TMS诱发的肌肉反应峰-峰振幅（即运动诱发电位，MEP）反映了扰动前皮质脊髓兴奋性的水平。本图展示的是理论响应数据，用以说明当存在手部动作可供性时（实线，蓝色）与手柄被遮盖时（虚线，红色）所假设的差异效应。图中将两种试验/条件叠加呈现，以示意基于特定环境情境准备运动输出、从而促进或抑制潜在动作的假设机制。改编自Bolton等人的图1。21注意，在本示例中，经颅磁刺激（TMS）被用于探测皮质脊髓兴奋性。然而，此过程仅旨在提供使用该改良倾斜范式时事件序列的基本示意图 &amp;#38; 释放。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60688/60688fig3large.jpg" target="_blank">请点击此处以查看此图的放大版本。</a>
5. TMS 方案（可选）
<ol>
	<li>在受试者保持前倾姿势时，对前臂运动皮层代表区施加单脉冲经颅磁刺激（TMS）。在护目镜打开后不久但尚未产生任何动作之前施加TMS脉冲，以研究观察环境如何影响运动准备状态。参见图3以了解试验过程中各事件的时间序列，包括TMS施加的时机。</li>
	<li>根据研究问题设定TMS施加的时间。在代表性结果中，刺激时间在视觉呈现后100 ms至200 ms之间变化。除上述反应设置外，还需在整个测试过程中随机穿插“无视觉”对照试验，即在不打开护目镜的情况下施加TMS。该条件的目的是为任何与任务相关的运动活动变化（如警觉性升高）提供基线参考。 
	注意：有关具体TMS操作的更多细节，请参见Bolton等21和Goode等22的研究。</li>
	<li>使用刺激线圈方向大致与矢状面成45°角的方式，向初级运动皮层（M1）施加磁刺激（参见材料表）。在最佳位置施加刺激，以在右手第一背侧骨间肌（FDI）中引出运动诱发电位（MEP）（即运动“热点”）。</li>
	<li>找到“热点”后，确定测试用刺激强度。就本研究目的而言，该强度应使平均MEP的峰峰值约为1–1.5 mV。将TMS线圈固定于该位置，并在头部移动时（例如电缆释放后）重新调整线圈位置。受试者保持前倾站立姿势时确定测试刺激强度，以考虑姿势状态对皮质脊髓兴奋性可能产生的影响。</li>
</ol>

<ol><li>Mirelman, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Executive+function+and+falls+in+older+adults%3A+new+findings+from+a+five-year+prospective+study+link+fall+risk+to+cognition%5BTitle%5D)+AND+%22PloS+one%22%5BJournal%5D)">Executive function and falls in older adults: new findings from a five-year prospective study link fall risk to cognition.</a> PloS one. 7 (6), 40297(2012).</li>
<li>Herman, T., Mirelman, A., Giladi, N., Schweiger, A., Hausdorff, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Executive+control+deficits+as+a+prodrome+to+falls+in+healthy+older+adults%3A+a+prospective+study+linking+thinking%2C+walking%2C+and+falling%5BTitle%5D)+AND+%22The+Journals+of+Gerontology.+Series+A%2C+Biological+Sciences+and+Medical+Sciences%22%5BJournal%5D)">Executive control deficits as a prodrome to falls in healthy older adults: a prospective study linking thinking, walking, and falling.</a> The Journals of Gerontology. Series A, Biological Sciences and Medical Sciences. 65 (10), 1086-1092 (2010).</li>
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<li>Marlin, A., Mochizuki, G., Staines, W. R., McIlroy, W. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Localizing+evoked+cortical+activity+associated+with+balance+reactions%3A+does+the+anterior+cingulate+play+a+role%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neurophysiology%22%5BJournal%5D)">Localizing evoked cortical activity associated with balance reactions: does the anterior cingulate play a role.</a> Journal of Neurophysiology. 111 (12), 2634-2643 (2014).</li>
<li>Horak, F. B., Nashner, L. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Central+programming+of+postural+movements%3A+adaptation+to+altered+support-surface+configurations%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neurophysiology%22%5BJournal%5D)">Central programming of postural movements: adaptation to altered support-surface configurations.</a> Journal of Neurophysiology. 55 (6), 1369-1381 (1986).</li>
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<li>Varghese, J. P., Marlin, A., Beyer, K. B., Staines, W. R., Mochizuki, G., McIlroy, W. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Frequency+characteristics+of+cortical+activity+associated+with+perturbations+to+upright+stability%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroscience+Letters%22%5BJournal%5D)">Frequency characteristics of cortical activity associated with perturbations to upright stability.</a> Neuroscience Letters. 578, 33-38 (2014).</li>
<li>Mansfield, A., Maki, B. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Are+age-related+impairments+in+change-in-support+balance+reactions+dependent+on+the+method+of+balance+perturbation%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomechanics%22%5BJournal%5D)">Are age-related impairments in change-in-support balance reactions dependent on the method of balance perturbation.</a> Journal of Biomechanics. 42 (8), 1023-1031 (2009).</li>
<li>Maki, B. E., McIlroy, W. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+role+of+limb+movements+in+maintaining+upright+stance%3A+the+%22change-in-support%22+strategy%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Therapy%22%5BJournal%5D)">The role of limb movements in maintaining upright stance: the "change-in-support" strategy.</a> Physical Therapy. 77 (5), 488-507 (1997).</li>
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<li>Mansfield, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Training+rapid+stepping+responses+in+an+individual+with+stroke%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Therapy%22%5BJournal%5D)">Training rapid stepping responses in an individual with stroke.</a> Physical Therapy. 91 (6), 958-969 (2011).</li>
<li>Mansfield, A., Inness, E. L., Lakhani, B., McIlroy, W. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Determinants+of+limb+preference+for+initiating+compensatory+stepping+poststroke%5BTitle%5D)+AND+%22Archives+of+Physical+Medicine+and+Rehabilitation%22%5BJournal%5D)">Determinants of limb preference for initiating compensatory stepping poststroke.</a> Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 93 (7), 1179-1184 (2012).</li>
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<li>Maki, B. E., McIlroy, W. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cognitive+demands+and+cortical+control+of+human+balance-recovery+reactions%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neural+Transmission%22%5BJournal%5D)">Cognitive demands and cortical control of human balance-recovery reactions.</a> Journal of Neural Transmission. 114 (10), Vienna, Austria. 1279-1296 (2007).</li>
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<li>Cohen, R. G., Nutt, J. G., Horak, F. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Errors+in+postural+preparation+lead+to+increased+choice+reaction+times+for+step+initiation+in+older+adults%5BTitle%5D)+AND+%22The+Journals+of+Gerontology.+Series+A%2C+Biological+Sciences+and+Medical+Sciences%22%5BJournal%5D)">Errors in postural preparation lead to increased choice reaction times for step initiation in older adults.</a> The Journals of Gerontology. Series A, Biological Sciences and Medical Sciences. 66 (6), 705-713 (2011).</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

这种改良的低脂配方 &amp;#38; 释放系统为评估认知在反应性平衡中的作用提供了一种新方法。与标准的前倾测试 &amp;#38; 释放程序中，姿势扰动的方向和幅度对受试者而言是可预测的，而缆绳释放的时间则不可预测。本方法的独特之处在于，在受试者身体位置保持固定的同时，通过精确控制视觉输入，并改变其周围环境以创造不同的行动机会和/或限制条件。通过调节障碍物的存在与否以及环境可供性的变化，该方法强调了与平衡恢复相关的认知过程，例如决策（即动作选择）和反应抑制。

所提出的方法有望为揭示平衡的神经控制机制提供独特视角，但也存在一定的局限性。例如，在使用倾斜 &amp;#38; 释放方法中，缆绳释放始于前倾姿势，与其他外部姿势扰动方法相比，需要更明显的平衡恢复步态10此外，该扰动的方向和强度具有可预测性，可能导致肌肉产生预期性激活，而这些肌肉在更接近真实的跌倒情境中通常不会被调动。最后，在缆绳释放前，受试者的视觉会被暂时遮挡，这一点也不同于个体日常生活中的实际体验。这些特点使得我们的平衡评估具有一定程度的人为性，并可能限制了其在不同扰动模式间的推广性。需要认识到，当通过任何一种特定评估方法推断平衡控制机制时，能否推广至真实世界中的跌倒情况始终是一个值得关注的问题。事实上，目前尚不存在被广泛认可的、用于评估平衡能力的综合性测试方法。4就目前而言，采用向前跌倒的设定可以在操控传统平衡评估中常被忽视或难以触及的特定认知需求的同时，保持扰动特征和响应设置的恒定。这种实验控制虽具优势，但在解释结果时应予以充分考虑。

作为第二个局限性，测试设备的构建以及所需工程技能可能为该方法的实施带来挑战。来自犹他州立大学的三名电气工程专业学生搭建了该平台，安装了电子元件，并对微控制器进行编程，以驱动手柄盖和腿部挡块的伺服电机。建造成本较为低廉（即 &#60;15,000美元（不包括安装在平台上的测力台）。然而，这可能会根据可用资源情况带来一定挑战。

通过该方法获得了关于平衡神经控制的具体见解。这些实例表明，无创性脑刺激可用于捕捉基于在姿势背景下观察物体所产生的运动设定，并提供一种利用肌肉反应来评估反应抑制的技术。值得注意的是，改进的倾斜与释放（lean &amp;#38; release）技术可轻松扩展，以整合其他神经生理学检测手段，如脑电图和功能性近红外光谱技术。即使不引入直接的神经活动测量，仅关注外力、肌肉激活和运动学的研究设计也能为认知功能缺陷的行为标志物提供重要信息。例如，Cohen 等人已证明，使用测力台捕捉反应性迈步任务中预期性姿势转移的应用具有重要意义26。在他们的研究中，老年人反应抑制功能的缺陷表现为不适当的重心转移，进而导致选择反应迈步时间的延迟。此类方法可应用于当前范式，以获得对重心转移和迈步错误的敏感测量指标。

这一新方法基于已有的反应性平衡测试，即受试者从受支撑的前倾姿势中被突然释放，现在进一步加入了需要行为灵活性的情景。适合揭示反应抑制和动作选择的实验设计，为我们提供了一种将认知心理学概念应用于平衡控制领域的方法。这种方法对于深化以下认识至关重要：认知功能衰退与跌倒发生率之间存在相关性，并有助于从机制上理解认知资源如何防止跌倒。这种实验装置不仅可用作研究工具，还可能用于训练个体在维持平衡过程中所需的认知功能。我们实验室当前工作的主要目标之一，是探究大脑如何利用情境信息来动态调整最适宜的防跌倒动作。诸如稳定扶手是否可用或是否存在潜在的跨越障碍等线索，可在必要时引导个体选择适当的应对反应，并可能隐性地塑造大脑的预测性加工过程16。值得注意的是，如果个体需要依赖抑制性干扰控制或视觉空间记忆等心理能力，则其恰当利用此类信息的能力可能随年龄增长而下降。鉴于认知衰退与跌倒之间的密切关联1–3，采用强调整合情境相关信息的研究设计，有望为理解多种脆弱人群中的平衡功能缺陷提供重要见解。

尽管跌倒与认知功能下降之间的关联已被广泛认知1,2,3，但我们对大脑在防止跌倒过程中实际发挥的作用仍存在重大认知空白。理论上，当环境复杂性增加，或需要修正本能行为的情境下，认知负荷会相应增强。然而，大多数平衡测试未能有效挑战大脑的高级功能，而是侧重于评估反射性的姿势纠正反应。虽然反应速度等因素对预防跌倒至关重要，但在某些情境下，其他认知因素，如抑制控制能力，或根据特定情境选择适当行为的能力，也可能发挥重要作用。因此，目前难以理解大脑在反应性平衡中所起作用的原因之一，可能在于现有研究方案的局限性。Rogers 等人近期总结了通过外部扰动评估平衡控制的多种方法4，包括平台平移、倾斜和/或下落，以及使用自动化系统进行推、拉或移除姿势支撑。尽管已有多种技术用于破坏直立平衡状态，但随后产生的纠正反应几乎总是在无障碍环境中完成，从而最大限度地减少了运动限制。在此，我们提出一种方法，要求在反应性平衡任务中，必须依赖认知过程来抑制优势反应，并在多种可选行为中选择合适的应对策略。
测试反应性平衡的一种常见方法是施加相对较小的姿势扰动，受试者可通过固定支撑（通常是原地踏步）的反应来对抗这些扰动5,6,7,8,9。相比之下，较少研究关注通过腰部牵拉、平台平移或从支撑缆绳释放等方式引发的、需改变支撑方式的平衡反应。例如，参见 Mansfield 等人的研究10。后一类反应的重要性在于，当扰动较大时，改变支撑是恢复稳定性的唯一选择11。事实上，即使对于可通过原地踏步（即髋部和/或踝部策略）应对的较小扰动，人们在有选择的情况下也常常倾向于迈步11。研究此类改变支撑的反应不仅因其需要应对更大强度的扰动，还在于肢体重新定位以建立新支撑基础时所面临的挑战。行动的可能性（affordances）和/或限制在许多真实环境中普遍存在，这迫使个体在失去平衡时必须选择如何建立新的支撑基础。为了适应复杂环境，对高级脑功能资源的需求显著增加，尤其在肢体需要建立新支撑基础时更为明显。因此，为了突出并揭示认知在反应性平衡中的作用，重新引入环境干扰并迫使采用肢体改变支撑策略似乎是合乎逻辑的。
一种简单的施加外部诱发姿势扰动的方法是倾斜 &amp;#38; 释放技术，即个体从受支持的前倾姿势中突然被释放。该方法可用于评估为防止向前跌倒而产生的代偿性反应，并已成功应用于健康人群和临床人群。12,13,14. 尽管体型偏瘦 &amp;#38; 释放技术虽然较为基础，但能提供有关反应性平衡能力的重要信息（例如，个体启动恢复步态的速度，或确定恢复稳定所需步数）。就当前目的而言，倾斜 &amp;#38; 释放技术为研究反应性平衡中的认知作用提供了一种简便方法，因为该技术使多数扰动特征保持恒定，从而对与动作选择和反应抑制密切相关的变量实现更严格的实验控制。尽管其他形式的姿势扰动通常依赖于扰动方向、幅度和时序的不可预测性，但周围环境始终保持不变。即使在使用腿部限制装置以突出抓握反应的研究中亦是如此。15 通过目前提出的方法，我们能够以需要行为适应以避免跌倒的方式改变环境，而无需根据腿部阻断的存在与否快速调整步态行为，因为这些阻断块是固定不动的。
除了实验室环境无法充分揭示认知在反应性平衡中的作用外，另一个主要问题是过度依赖外部测量指标，如肌肉激活时序、地面反作用力和视频动作捕捉，以推断神经过程。尽管这些测量方法具有重要价值，但仅依赖这些指标无法直接揭示参与平衡调控的潜在神经机制。当考虑到大脑在复杂环境中为防止跌倒所进行的许多活动很可能发生在跌倒之前时，这一问题变得更加突出。近年来，关于预防跌倒中的预测性作用已有更广泛的讨论16。相关研究方向包括预测未来的失稳状态17、在我们移动过程中构建视觉空间地图18，以及可能在无跌倒先兆的情况下根据环境形成应对预案19。若不采用直接的神经生理学探测手段，这类准备性活动将完全无法被察觉。
目前提出的改良版“趋近与释放”（lean & release）方法提供了一种克服上述部分现有局限性的途径。该方法采用一种需要肢体在具有选择要求的环境中建立新的支撑基础的测试场景。通过在姿势扰动前后直接测量大脑活动（例如经颅磁刺激，TMS），进一步增强了该方法的能力，从而补充了对外部力量输出和运动捕捉的测量。这种实验特征的结合代表了该领域的一项重要创新，有助于揭示在复杂情境中大脑如何通过抑制反应并从多个选项中选择适当动作来维持平衡，以防止跌倒。本文展示了一种新颖的测试反应性平衡的方法，其测试环境强调认知过程在调整行为以避免跌倒中的关键作用。环境中设置的障碍物与可利用的行为线索共同迫使受试者必须进行反应抑制、目标导向动作以及在多个可能反应中进行选择。此外，我们实现了对视觉信息获取时间、神经探测时机、反应环境变化以及姿势扰动起始时间的精确时序控制。

<table><tbody><tr><td>CED Power1401</td><td>Cambridge Electronic Design</td><td></td><td>数据采集接口</td></tr><tr><td>Delsys Bagnoli-4 放大器</td><td>Delsys</td><td></td><td>肌电图设备</td></tr><tr><td>Figure-eight D70&lt;sup&gt;2&lt;/sup&gt; 线圈</td><td>Magstim Company Ltd</td><td></td><td>经颅磁刺激线圈</td></tr><tr><td>Kistler 测力台</td><td>Kistler Instrument Corp.</td><td>多分量测力台型号 9260AA</td><td>测力台</td></tr><tr><td>Magstim 200 刺激器</td><td>Magstim Company Ltd</td><td></td><td>经颅磁刺激刺激装置</td></tr><tr><td>PLATO 遮蔽眼镜</td><td>Translucent Technologies Inc</td><td></td><td>视觉遮蔽设备</td></tr><tr><td>Signal 软件</td><td>Cambridge Electronic Design</td><td>版本 7</td><td></td></tr></tbody></table>

一种改进的前倾-释放技术以强调反应性平衡中的反应抑制与动作选择

A Modified Lean and Release Technique to Emphasize Response Inhibition and Action Selection in Reactive Balance

传统上，对反应性平衡的评估通常是在直立姿势或步态中施加某种扰动，随后测量由此产生的纠正行为。这些测量指标包括肌肉反应、肢体运动、地面反作用力，甚至直接的神经生理学指标，如脑电图。通过这种方法，研究人员和临床医生可以推断出神经系统如何控制平衡以防止跌倒的一些基本原理。目前使用这些评估方法的一个局限性在于，它们过分强调无需调整自动姿势反应的反射性动作。如果仅局限于这些高度刻板的反应，将无法充分揭示我们在必要时如何修改这些反应（例如，通过恢复性步伐避开障碍物）。考虑到我们日常所面对环境的巨大复杂性，这种明显的缺失显得尤为突出。总体而言，当前在评价平衡神经控制方面的现状未能真正揭示高级脑功能资源如何在复杂环境中贡献于防止跌倒。本实验方案提供了一种方法，要求抑制自动但不适当的纠正性平衡反应，并迫使个体在多种可选动作中进行选择，以在姿势扰动后成功恢复平衡。

所展示的所有示例研究均在18至30岁的年轻女性和男性中进行。每项研究的总样本量如下：示例1（Rydalch等23）包括12名参与者，示例2（Bolton等21）包括63名参与者，示例3（Goode等22）包括19名参与者。读者可参考完整的研究文献以获取有关方法和分析的详细信息。
示例 1 
阻断快速恢复步骤，尤其是在通过频繁重复使迈步动作自动化的情况下，可实现对姿势背景下反应抑制能力的评估。在此，我们比较了向前迈步被允许或受阻时腿部肌肉的反应23. 对参与者的踏步腿肌肉反应在不同试验间进行了比较 应该 达到 与他们参与的试验相比 应该 步骤通过比较踝背屈肌（胫骨前肌）在抓握手柄任务与迈步试验中的反应幅度来实现。具体而言，采用扰动后200 ms时间窗内（即扰动后100 ms至300 ms）的积分肌电（EMG）计算肌肉反应比值。该比值越小，表明抑制迈步反应的能力越强，具体方法详见Rydalch等人的研究。23通过测量肌肉反应的幅度，我们的目的是为腿部反应倾向提供一个敏感的指标。在本研究中，我们的目标是确定：在坐姿认知测试（即停止信号任务，SST）中测得的反应抑制能力，是否与需要抑制平衡恢复步态的反应性平衡任务中的表现相关。在平衡任务中，共收集了256次试验，其中30%的试验采用了腿部阻断。 图 4A，我们展示了在抑制步态相关腿部活动能力上处于连续谱两端的个体的平均波形。图中的散点图 图4B 显示了抑制阻断步态的能力与通过停止信号反应时测量的反应抑制之间存在微弱但显著的相关性。
在解释这些结果时，重要的是要认识到，SST（见附录)以及实际上大多数认知测试，都依赖于静坐参与者根据计算机屏幕上显示的指令性提示做出的简单反应（通常是手指运动）。Rydalch 等人的这项研究探讨了在标准的静坐反应抑制测试与需要偶尔抑制补偿性迈步的反应性平衡测试之间，个体抑制优势反应的能力是否保持一致23。结果显示，认知测试结果（停止信号反应时间）与补偿性迈步之间存在相关性，这表明个体的抑制能力可在不同任务间泛化。
<img alt="图4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60688/60688fig4.jpg" /> 
图4. 迈步腿的平均肌肉反应. （A）显示了迈步腿胫骨前肌的平均波形。红色表示迈步试验，黑色表示伸手试验。图中展示了两名参与者在停止信号反应时间较快（上图）或较慢（下图）时的典型肌肉反应数据。该停止信号反应时间可提供对停止能力的毫秒级测量。早期肌肉反应（积分肌电）的测量时间为100–300 ms（浅黄色阴影区域）。（B）散点图显示在400 ms视觉延迟条件下，肌肉反应比值与停止信号反应时间&#160;（SSRT）之间的相关性，r = 0.561；p = 0.029。改编自Rydalch等人的图3和图523。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60688/60688fig4large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
示例 2 
本研究展示了我们改进后的精简方法 &amp;#38; 当与TMS结合使用时，可用于研究基于视觉的运动准备。可供性（affordances）概念（最初由Gibson提出）24在站立姿势背景下测试了手部肌肉（用于抓握）的皮质脊髓兴奋性在观察支撑把手时是否得到增强。该方法的关键在于评估仅由视觉引起的运动系统兴奋状态的变化。具体而言，在护目镜打开后不久但任何运动提示（即缆绳释放）出现之前给予经颅磁刺激（TMS）脉冲。通过这种方式，仅分析与视觉场景相关的运动活动，而对扰动的行为反应则处于次要地位。与前述研究不同，后者通过更频繁地呈现迈步反应来强调反应抑制的必要性，而本研究采用把手（伸手）与无把手（迈步）两种条件的出现概率相等，以聚焦于视觉对抓握动作的启动效应。结果表明，仅在纯粹观察条件下，观察把手可导致内在手部（即抓握）肌肉的兴奋性增强图5)21注意：示例数据、采集和分析软件代码以及指导说明，请参见开放科学框架（https://osf.io/9z3nw/）。示例1和示例3使用了相似的代码和流程，仅对特定状态进行了修改。
<img alt="图5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60688/60688fig5.jpg" /> 
图5. 数据显示，在受试者保持支撑性前倾站立姿势时，手部固有肌在有把手（REACH）与无把手（STEP）任务中皮质脊髓兴奋性的差异。结果显示，当把手存在且受试者仅观察把手（OBS）时，手部活动增强；但在独立的平衡任务（BAL）区块中，当缆绳被周期性释放时，该效应消失。误差线表示均值的标准误。双因素重复测量方差分析显示条件与可操作性之间存在交互作用，F1, 62 = 5.69, #p = 0.020。为检验我们的特定假设，我们采用预先设定的计划比较法，分别在各条件下判断第一背侧骨间肌（FDI）的运动诱发电位（MEP）幅度在把手存在时是否更高。针对假设1，计划比较用于分析OBS条件下不同可操作性水平（STEP、REACH）之间的差异，结果显示当把手可见时MEP幅度显著增加，t121 = 2.62, *p = 0.010。针对假设2，我们最初预测会存在交互作用，但方向与实际结果相反；在BAL条件下对可操作性的计划比较显示，把手是否存在并无显著差异，t121 = -0.46, p = 0.644。改编自Bolton等人的图521。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60688/60688fig5large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
示例3 
本最后一个示例重点说明了我们如何再次调整该装置，以基于视觉研究手部肌肉的运动准备，但此次关注的是快速抑制腿部动作的需求。在此版本中，手柄盖被永久覆盖，仅腿部挡板可移动。与示例1类似，通过操控“停止”与“迈步”条件的概率，以促使受试者产生自动迈步反应。由于本研究中不再提供手柄操作选项，因此踝关节处测得的前倾角度略有减小（约6°，而前两项研究中约为10°），以允许产生固定的支撑反应。该任务版本的具体用途是探究“全局抑制”这一概念，此前该概念已在坐姿任务中被研究过，其中受试者需针对计算机屏幕上呈现的视觉刺激执行局部按键反应25。与示例2类似，经颅磁刺激（TMS）被用于评估在进入反应环境（即有挡板或无挡板）后、但在任何运动提示（即缆线释放）出现之前，手部固有肌的皮质脊髓兴奋性。在仅涉及腿部反应的任务中检测手部固有肌的目的是，观察与任务无关的肌肉是否会在整个运动系统中表现出普遍抑制的迹象。如下图图6所示的结果表明，当自动迈步被突然中止时，运动系统内存在广泛的抑制现象22。
<img alt="图6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/60688/60688fig6.jpg" /> 
图6. 改良瘦素 &amp;仅使用腿部进行释放任务（即，无抓握支撑把手的选项）。 (A该图显示当呈现腿部阻断刺激（即无步进条件）时，手部固有肌的运动诱发电位（MEP）振幅受到抑制。B) 通过重复测量方差分析，步态条件与潜伏期的交互作用，F1,18 = 4.47, p = 0.049，具有显著性。对折线图2的目视检查显示，仅在NO-STEP条件下，运动诱发电位（MEP）振幅随时间呈下降趋势，后续比较分析证实了这一结果。具体而言，这些比较表明，在200 ms时相较于100 ms时，MEP振幅显著降低，t18&#160;= 2.595, *p = 0.009，表示NO-STEP条件下的差异具有统计学意义。相比之下，STEP条件下200 ms与100 ms之间的类似比较显示无显著差异，t18 = 0.346, p = 0.367。改编自 Goode 等人的图 1 和图 2。22. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/60688/60688fig6large.jpg" target="_blank">请点击此处以查看此图的放大版本。</a>

本文提供了一种实验方案，可让用户选择性地改变与姿势扰动后恢复平衡相关的运动的可操作性及/或运动约束。

反应性平衡评估传统上通过施加某种扰动于直立姿势或步态，随后测量由此产生的……

目前平衡评估方法的一个局限性在于，通常过于强调无需调整自动姿势反应的反射性动作。这种对高度刻板反应的单一关注，无法反映我们在必要时如何修改此类反应的能力。例如，在恢复行走时避开障碍物的情况。本方案提供了一种抑制自动但不适当的身体平衡矫正反应的方法，并强制个体在多种可选动作中进行选择，以在姿势扰动后成功恢复平衡。当前方法的独特之处在于，在受试者位置固定的同时，通过精确控制视觉信息的获取，并在其周围改变反应环境，从而创造出不同的动作机会和/或限制条件。通过操控环境中动作障碍物和可利用线索的存在与否，该方法强调了决策和反应抑制等认知过程在平衡恢复中的作用。测试前，需让受试者签署书面知情同意书，同意参与相关操作。使用数据采集接口和相应软件获取数据并进行带通滤波。将表面肌电电极固定于右手的两个手部固有肌以及双侧下肢的踝背屈肌后，采集目标肌肉的肌电信号数据。使用定制的前倾与释放缆线系统施加前向扰动。让受试者站立于前倾姿势，双脚间距约与髋部同宽。为控制视觉输入，为受试者佩戴液晶护目镜，并将视觉限制在姿势扰动发生前的特定时间段内。当护目镜闭合时，可遮挡视觉场景，使受试者无法察觉即将出现的反应条件。为维持这种前倾姿势，需将支撑缆绳固定在身体背带的后部，并通过磁铁将支撑缆绳固定在墙上。验证参与者佩戴护目镜时是否确实能看到手柄和腿部挡块。每次试验开始时，指导参与者将头部保持在舒适位置，并直视前方约三米处地面上的一个固定点。调整身体位置，确保手柄处于可触及范围内。让受试者身体前倾，同时保持双脚与地面接触。在手柄未被遮盖的试验过程中，于受试者腿部前方放置一个腿部阻隔装置。该装置可阻碍迈步动作，但并非刚性固定。 在某些试验中，使用黑色防水布覆盖手柄，以阻止直接视觉接触并防止任何辅助性抓握。然后移除腿部挡板，以便在需要时允许产生迈步反应。每次试验中，在受试者闭眼时改变腿部挡板和手柄的特定配置，使其在护目镜打开后需迅速感知周围环境。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部挡块移动到指定位置。测试前，简要向受试者演示如何够到手柄，并从前倾姿势向前迈步。在整个测试和练习过程中，指导受试者保持放松状态，除非受到突然的缆线释放信号提示才进行动作。在每次试验之间随机更改反应设置。如果参与者从支撑缆绳上释放，则必须通过抓住墙壁上的安全把手或在前方路径无障碍时向前迈步来恢复稳定。每次试验开始时，必须始终闭合遮蔽护目镜，此时将更改反应设置。关闭护目镜，随机持续一段时间，通常为三到四秒，以允许设置发生变化。当护目镜打开时，提供两种可能的响应设置之一：第一种是腿部挡板存在且支撑手柄存在，第二种是腿部挡板不存在且支撑手柄不存在。在发生扰动的试验中，当护目镜打开后不久即松开缆绳。每次试验持续10秒，试验之间设置短暂暂停，以便受试者根据需要重置状态。每个测试区块之间为受试者提供短暂的休息时间，并允许其坐下休息。在我们平衡任务的一种版本中，迈步反应更为频繁，因此也更加自动化。例如，30% 的试验中使用腿部阻断。此处展示了在抑制与迈步相关的腿部活动方面处于连续谱两端的个体的平均波形。散点图显示，在抑制被阻断的步态动作的能力与通过停止信号反应时间所测量的反应抑制能力之间，存在虽小但具有显著性的相关性，其中停止信号反应时间源自一项坐姿认知任务的测量指标。在另一项使用经颅磁刺激的研究中，结果表明，仅观察一个支撑把手即可促进内在手部肌肉的活动。该图展示了在不同条件下运动诱发电位的大小。另一项独立研究发现，当一个自动步态动作被突然停止时，运动系统会出现广泛的关闭现象。在这项特定研究中，手柄并不可用。正确放置受试者的位置至关重要，以确保他们能够看到手柄和腿部挡板，并且这些物品处于可抓握和可踢到的范围之内。我们采用的另一种技术是经颅磁刺激，用于探究运动系统的激活情况。该技术有助于了解在反应性平衡情境下大脑的预备性机制。我们的研究方法强调了高级脑功能在防止跌倒中的必要性。因此，该方法可用于揭示认知功能下降临床群体中的脑功能缺陷。

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Research

科研

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Behavior

行为

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