Research Article
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Aquí ofrecemos un protocolo que permite al usuario cambiar selectivamente las prestaciones y/o restricciones en los movimientos que son relevantes para recuperar el equilibrio después de la perturbación postural.
La evaluación del equilibrio reactivo tradicionalmente impone algún tipo de perturbación a la postura o marcha vertical seguida de la medición del comportamiento correctivo resultante. Estas medidas incluyen respuestas musculares, movimientos de las extremidades, fuerzas de reacción del suelo e incluso medidas neurofisiológicas directas como la electroencefalografía. Usando este enfoque, los investigadores y los médicos pueden inferir algunos principios básicos con respecto a cómo el sistema nervioso controla el equilibrio para evitar una caída. Una limitación con la forma en que se utilizan actualmente estas evaluaciones es que enfatizan en gran medida las acciones reflexivas sin necesidad de revisar las reacciones posturales automáticas. Un enfoque tan exclusivo en estas reacciones altamente estereotipadas no abordaría adecuadamente cómo podemos modificar estas reacciones en caso de que surja la necesidad (por ejemplo, evitar un obstáculo con un paso de recuperación). Esto parecería ser una omisión evidente cuando se tiene en cuenta la enorme complejidad de los entornos a los que nos enfrentamos a diario. En general, el status quo al evaluar el control neuronal del equilibrio no expone realmente cómo los recursos cerebrales más altos contribuyen a prevenir caídas en entornos complejos. El presente protocolo ofrece una manera de requerir la supresión de las reacciones automáticas, pero inapropiadas del equilibrio correctivo, y forzar una selección entre las opciones de acción alternativas para recuperar con éxito el equilibrio después de la perturbación postural.
A pesar de la correlación reconocida entre las caídas y el deterioro cognitivo1,2,3, una brecha importante persiste en la comprensión de lo que el cerebro realmente hace para ayudarnos a evitar una caída. En teoría, las demandas cognitivas se acentuarían a medida que aumenta la complejidad ambiental y en situaciones en las que necesitamos revisar el comportamiento instintivo. Sin embargo, la mayoría de las pruebas de equilibrio no logran gravar eficazmente la función cerebral más alta, en lugar de enfatizar las reacciones reflexivas de la derecha. Si bien factores como la velocidad de respuesta son esenciales para prevenir una caída, factores cognitivos adicionales, como el control inhibitorio y/o la capacidad de seleccionar una acción adecuada basada en un contexto determinado también pueden ser importantes en ciertas situaciones. Como resultado, una razón por la que podemos no entender el papel del cerebro en el equilibrio reactivo se debe a los protocolos de investigación actualmente en uso. Rogers y otros resumieron recientemente las diferentes formas en que se ha evaluado el control del equilibrio utilizando la perturbación externa4. Estos métodos incluyen la traducción de la plataforma, inclinaciones y / o caídas, así como el uso de sistemas automatizados que empujan, tiran o eliminan el soporte postural. A pesar de la gran variedad de técnicas utilizadas para alterar el equilibrio vertical, las reacciones correctivas subsiguientes casi siempre se realizan en un entorno sin obstáculos, minimizando así las restricciones al movimiento. Aquí, proponemos un método donde se requieren procesos cognitivos para anular la acción prepotente y seleccionar respuestas adecuadas entre las alternativas en una tarea de equilibrio reactivo.
Una forma común de probar el equilibrio reactivo es imponer perturbaciones posturales relativamente pequeñas que se pueden contrarrestar utilizando una reacción de soporte fijo (normalmente pies en el lugar)5,6,7,8,9. Comparativamente, menos estudios se han centrado en las reacciones de equilibrio de cambio de soporte en respuesta a perturbaciones a través de tiradas de cintura, traducción de plataforma y liberación de un cable de soporte Como ejemplo, véase Mansfield et al.10. La importancia de este último grupo se puede apreciar reconociendo que cuando las perturbaciones son grandes, las reacciones de cambio de soporte son la única opción para recuperar la estabilidad11. De hecho, incluso para perturbaciones más pequeñas que podrían ser manejadas usando estrategias pies en el lugar (es decir, cadera y/o tobillo), la gente frecuentemente prefiere dar un paso cuando se le da la opción11. El valor en el estudio de estas reacciones de cambio de apoyo radica no sólo en el hecho de que se debe contrarrestar una mayor magnitud de perturbación, sino también en los desafíos que surgen al reposicionar las extremidades para establecer una nueva base de apoyo. La presencia de prestaciones y/o restricciones a la acción son una parte regular de muchos entornos del mundo real. Esto obliga a un proceso de selección a establecer una nueva base de apoyo cuando se produce una pérdida de equilibrio. Para adaptar el comportamiento a entornos complejos, hay una mayor demanda de mayores recursos cerebrales. Esto es especialmente cierto cuando las extremidades deben establecer una nueva base de apoyo. Para enfatizar y exponer los roles cognitivos en equilibrio reactivo la necesidad de reintroducir el desorden y forzar una estrategia de cambio de apoyo con las extremidades parece lógico.
Una forma sencilla de ofrecer una perturbación postural inducida externamente es la técnica de lean & release, donde un individuo es liberado repentinamente de una inclinación hacia adelante apoyada. Este enfoque permite evaluar las reacciones compensatorias para evitar una caída hacia adelante y se ha utilizado con éxito en poblaciones sanas y clínicas12,,13,,14. Aunque la técnica lean & release es algo básica, ofrece información valiosa sobre la capacidad de equilibrio reactivo (por ejemplo, la rapidez con la que alguien puede iniciar un paso de recuperación o para determinar el número de pasos necesarios para recuperar la estabilidad). Para los propósitos actuales, la técnica lean & release proporciona una manera sencilla de explorar los roles cognitivos en el equilibrio reactivo porque muchas de las características de perturbación se mantienen constantes. Esto proporciona un mayor control experimental sobre las variables específicamente relevantes para la selección de acciones y la inhibición de la respuesta. Mientras que otros modos de perturbación postural normalmente se basan en la imprevisibilidad en términos de dirección de perturbación, amplitud y sincronización, el entorno circundante siempre es constante. Incluso en estudios donde los bloques de piernas se han utilizado para enfatizar las reacciones de alcance a agarre15 los bloques se fijan en su lugar sin necesidad de adaptar rápidamente los comportamientos escalonados basados en la presencia o ausencia de un bloque de piernas. Con el método actualmente propuesto, podemos cambiar el entorno de una manera que exija adaptación conductual para evitar una caída.
Más allá de los entornos de laboratorio que exponen inadecuadamente los roles cognitivos en el equilibrio reactivo, otro problema importante es una gran dependencia de medidas externas como la oncos muscular, las fuerzas de reacción en tierra y la captura de movimiento de vídeo para inferir los procesos neuronales. Si bien estas medidas son valiosas, la dependencia exclusiva de esas medidas no proporciona una visión directa de los mecanismos neuronales subyacentes que contribuyen al equilibrio. Este problema se agrava al considerar que gran parte de lo que el cerebro puede hacer para prevenir una caída en ambientes complejos probablemente ocurre antes de la caída. Los roles predictivos en la prevención de caídas se han discutido recientemente más ampliamente16. Las direcciones de la investigación incluyen predecir la inestabilidad futura17,construir mapas visuospatiales a medida que avanzamos a través de nuestro entorno18,y posiblemente formar contingencias basadas en el medio ambiente incluso sin conocimiento previo de un otoño19. Revelar tal preparación sería totalmente inaccesible sin el uso de sondas neurofisiológicas directas.
El enfoque de lean & release modificado como se propone actualmente ofrece un medio para superar algunas de las limitaciones existentes mencionadas. Esto se hace mediante el uso de un escenario de prueba donde las extremidades son necesarias para establecer una nueva base de soporte en un entorno que requiere opciones. Este enfoque se incrementa mediante la inclusión de medidas directas de la actividad cerebral (por ejemplo, estimulación magnética transcraneal, TMS) tanto antes como después de la perturbación postural, que pueden complementar las medidas externas de producción de fuerza y captura de movimiento. Esta combinación de características experimentales representa una innovación importante en el campo para exponer cómo el cerebro contribuye al equilibrio en entornos complejos donde se requiere la inhibición de la respuesta y la selección de acciones entre las opciones para evitar una caída. Aquí demostramos un método novedoso para probar el equilibrio reactivo en un entorno que hace hincapié en la necesidad de procesos cognitivos para adaptar el comportamiento con el fin de evitar una caída. La combinación de obstáculos y asequibilidades para la acción obliga a la necesidad de inhibición de la respuesta, acción específica y selección de respuesta entre las opciones. Además, demostramos un control temporal preciso sobre el acceso visual, el tiempo de las sondas neuronales, el cambio del entorno de respuesta y el inicio de la perturbación postural.
Todos los procedimientos recibieron la aprobación de la Junta de Revisión Institucional de la Universidad Estatal de Utah y se llevaron a cabo de conformidad con la Declaración de Helsinki.
1. Examen de participantes
2. Adquisición de datos: electromiografía (EMG)
3. Equipo de prueba de equilibrio
Figura 1. Configuración ajustada y de liberación con bloques de patas. En este ejemplo, un bloque de pierna se establece en la posición abierta, mientras que el otro se establece para evitar un paso. Estos bloques se mueven a través de motores controlados por ordenador (cajas grises conectadas a los postes de soporte). Las cubiertas de las manijas también se mueven a bloque o permiten una respuesta de alcance a agarre. Aquí, las cubiertas se separan para permitir la vista completa del mango. El imán de liberación es visible en la pared posterior. Todo el cableado se alimenta a través de la plataforma de madera en sí y entra en la caja de circuito gris situada en la esquina posterior. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2. Ajuste de inclinación y liberación con placas de fuerza. Esta figura muestra cómo tres placas de fuerza se pueden incrustar opcionalmente en la plataforma de madera. Si no se requieren placas de fuerza, se pueden colocar tapones de madera en su lugar. Estos tapones son visibles, apoyados en la pared lateral. Esta imagen también muestra el arnés de seguridad usado por los participantes. Este arnés se fija al techo para actuar como un mecanismo de seguridad en caso de que el participante no recupere su equilibrio por sí mismo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
4. Diseño experimental
Figura 3. Método basado en TMS para investigar el impacto de percibir las prestaciones ambientales y/o las restricciones en la preparación del motor. ARRIBA. Un aparato de liberación y liberación liberó a los participantes de una manera impredecible (solo bloques de prueba de perturbación). La magnitud de la perturbación requirió una reacción rápida de cambio de apoyo, utilizando el brazo o la pierna para restablecer una base estable de apoyo, ya sea llegando a un punto de mano seguro, o dando un paso adelante. Entre ensayos, la visión se ocluyó utilizando gafas de oclusión de cristal líquido y los objetos en primer plano se reorganizaron al azar. ABAJO. La línea de tiempo representa cuando el acceso visual al entorno estuvo disponible y el tiempo de las sondas TMS en relación con el acceso visual y la perturbación. La amplitud de pico a pico de la respuesta muscular a TMS (es decir, potencial evocado motor, MEP) proporcionó un índice de excitabilidad corticoespinal en el período de tiempo antes de la perturbación. Esta figura presenta datos de respuesta teóricos para demostrar el impacto hipotética de una asequibilidad para la acción manual (sólido, línea azul) frente a un ensayo donde el mango está cubierto (punto, línea roja). En esta figura, ambos ensayos/condiciones se superponen para ilustrar el hipotética efecto de preparar la producción del motor para facilitar o suprimir la acción potencial basada en un contexto ambiental particular. Adaptado de la Figura 1 en Bolton et al.21. Tenga en cuenta que TMS se utilizó para sondear la excitabilidad corticoespinal en este ejemplo. Sin embargo, esto sólo está pensado para proporcionar una representación básica de la secuencia de eventos mediante esta versión lean y de configuración modificada. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
5. Protocolo TMS (opcional)
Todos los estudios ejemplares presentados se llevaron a cabo con mujeres y hombres jóvenes de entre 18 y 30 años de edad. El tamaño total de la muestra para cada estudio fue el siguiente: El ejemplo 1 (Rydalch et al.23) incluía 12 participantes, el ejemplo 2 (Bolton et al.21)incluía 63 participantes, y el ejemplo 3 (Goode et al.22)incluía 19 participantes. El lector debe consultar los estudios completos para obtener más información sobre los métodos y análisis.
Ejemplo 1
El bloqueo de un paso de recuperación rápida, especialmente cuando el paso se hizo automático por repetición frecuente, permitió evaluar la inhibición de la respuesta en un contexto postural. Aquí, comparamos la respuesta muscular de la pierna cuando se permitió u obstruyó un paso hacia adelante23. La respuesta muscular de la pierna escalonada se comparó entre los ensayos donde el participante debe llegar frente a los ensayos donde deben paso . Esto se logró comparando la magnitud de respuesta de los dorsiflexores de tobillo (tibialis anterior) durante los ensayos de alcance a manejar frente a los pasos. Específicamente, el EMG integrado en una ventana de 200 ms (es decir, 100 ms a 300 ms después de la perturbación) se utilizó para calcular una relación de respuesta muscular. Un valor más pequeño indicaba una mayor capacidad para abstenerse de pisar, como se describe en detalle en Rydalch et al.23. Mediante el uso de la magnitud de la respuesta muscular, nuestra intención era proporcionar un medidor sensible para una tendencia a responder con la pierna. En este ejemplo, el objetivo de nuestro estudio era determinar si la inhibición de la respuesta se midió con una prueba cognitiva sentada (es decir, la tarea de stop signal, SST) se correlacionó con el rendimiento en una tarea de equilibrio reactivo donde se requería la supresión de un paso de recuperación de equilibrio. En la tarea de equilibrio, se recogieron un total de 256 ensayos, de los cuales el 30% utilizó un bloque de piernas. En la Figura 4A,resaltamos las formas de onda promediadas de los individuos que estaban en extremos opuestos del continuo para suprimir la actividad de las piernas relacionadas con los pasos. La gráfica de dispersión en la Figura 4B representa una correlación pequeña, pero significativa entre la capacidad de suprimir un paso bloqueado y la inhibición de la respuesta medida por el tiempo de reacción de la señal de parada.
Al interpretar estos resultados, es importante reconocer que el SST (descrito en el Apéndice), y de hecho la mayoría de las pruebas cognitivas, se basan en respuestas simplistas (a menudo movimientos de dedos) hechas por los participantes sentados en respuesta a las señales imperativas que se muestran en la pantalla de una computadora. Este estudio de Rydalch y otros abordó si la capacidad de detener una respuesta prepotente se conservó a través de una prueba de inhibición de la respuesta sentada estándar en comparación con una prueba de equilibrio reactivo en la que las medidas compensatorias deben suprimirse ocasionalmente23. Los resultados mostraron una correlación entre el resultado de la prueba cognitiva (tiempo de reacción de la señal de parada) y el paso compensatorio, lo que sugiere que la capacidad de parada de un individuo generaliza a través de diversas tareas.
Figura 4. Respuesta media. de la pierna de paso . (A) Se muestran formas de onda medias para los tibialis anteriores en la pata escalonada. Las pruebas escalonadas se muestran en rojo y alcanzan las pruebas en negro. Datos de respuesta muscular ejemplares mostrados para dos participantes con un tiempo de reacción de señal de parada rápida (arriba) o de parada lenta (abajo). Este tiempo de reacción de la señal de parada ofrece una medida de milisegundos de la capacidad de detención. La respuesta muscular temprana (EMG integrada) se midió de 100 a 300 ms (región sombreada de color amarillo claro). (B) Gráfico de dispersión que muestra la correlación entre la relación de respuesta muscular y el tiempo de reacción de la señal de parada (SSRT) en el retardo visual de 400 ms, r a 0,561; p a 0,029. Adaptado de las Figuras 3 y 5, Rydalch et al.23. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Ejemplo 2
Este estudio ejemplifica cómo nuestra configuración de lean & release modificada cuando se combina con TMS se puede utilizar para estudiar la preparación motora basada en la visión. El concepto de asequibilidades (originalmente propuesto por Gibson24)fue probado en un contexto postural de pie, para determinar si la excitabilidad corticoespinal de un músculo de la mano (utilizado para agarrar) se facilitó al ver un mango de apoyo. La clave de este enfoque fue evaluar cómo el estado excitatorio del sistema motor se vio afectado por la visión por sí solo. Específicamente, los pulsos TMS fueron entregados poco después de que las gafas se abrieran, pero antes de cualquier cue para el movimiento (es decir, la liberación del cable). De esta manera sólo se analizó la actividad motora relacionada con la escena visual mientras la respuesta conductual a la perturbación era secundaria. A diferencia del estudio anterior, que hizo hincapié en la necesidad de inhibición de la respuesta presentando la respuesta de paso con más frecuencia, este estudio utilizó una probabilidad igual de mango (alcance) frente a no-manicomial (paso) para centrarse en el cebado visual de la acción de la mano. Los resultados indicaron que la visualización del mango dio lugar a la facilitación de un músculo de mano intrínseca (es decir, agarre) pero sólo en la condición de observación pura (Figura 5)21. NOTA: Para obtener datos ejemplares, adquisición y código de software de análisis, junto con notas de orientación, consulte el marco de ciencia abierta (https://osf.io/9z3nw/). Los ejemplos 1 y 3 utilizaban código y procedimientos similares, con modificaciones en estados específicos.
Figura 5. Datos que muestran la diferencia en la excitabilidad corticoespinal para los ensayos REACH (es decir, mango) frente a STEP (es decir, sin mango) en un músculo de mano intrínseco mientras los participantes estaban en una magra apoyada. Esto mostró una mayor actividad en la mano cuando el mango estaba presente y los participantes simplemente vieron el mango (OBS) pero este efecto estaba ausente durante un balance separado (BAL) bloques de pruebas donde el cable fue liberado periódicamente. Las barras de error muestran el error estándar de la media. Medidas repetidas bidireccionales ANOVA reveló una interacción entre la condición y #la asequibilidad, F1, 62 a 5,69,p a 0,020. Para abordar nuestras hipótesis específicas, utilizamos comparaciones planificadas previas para determinar si la amplitud del MEP en la IED era mayor cuando el mango estaba presente dentro de cada condición por separado. Para la hipótesis 1, se utilizaron comparaciones planificadas para comparar los niveles de asequibilidad (STEP, REACH) dentro de la condición OBS y revelaron un aumento significativo en la amplitud cuando el mango era visible, t121 a 2,62, *p a 0,010. Para la hipótesis 2, originalmente habíamos predicho una interacción, pero en la dirección opuesta a lo que se encontró. La comparación planificada de la asequibilidad dentro de la condición balonado no mostró ninguna diferencia significativa relacionada con la presencia de un mango, t121 a -0,46, p a 0,644. Adaptado de la Figura 5, Bolton et al.21. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Ejemplo 3
Este último ejemplo enfatiza cómo adaptamos este dispositivo para estudiar una vez más la preparación motora de un músculo de la mano basado en la visión, pero centrado en la necesidad de suprimir rápidamente la acción de las piernas. En esta versión, la cubierta del mango estaba cubierta permanentemente, mientras que sólo el bloque de la pierna se movía. Al igual que en el ejemplo 1, se manipuló la probabilidad de detener frente a las condiciones de paso para fomentar un paso automático. Dado que el mango ya no era una opción en este estudio, el grado de inclinación hacia adelante medido en el tobillo se redujo ligeramente (6o frente a 10o como en los dos estudios anteriores) para permitir una reacción de soporte fija. El uso específico de esta versión de la tarea fue investigar el concepto de supresión global, que previamente se ha explorado en tareas sentadas donde se utilizaron pulsaciones de botón focal en respuesta a los estímulos visuales presentados en una pantalla de ordenador25. Al igual que en el ejemplo 2, TMS se entregó para evaluar la excitabilidad corticoespinal en un músculo de la mano intrínseca inmediatamente después del acceso al entorno de respuesta (es decir, bloque o sin bloque), pero antes de cualquier señal para moverse (es decir, liberación del cable). La razón para probar un músculo de la mano intrínseca en una tarea que sólo utilizaba respuestas de las piernas era ver si una tarea irrelevante músculo mostraría evidencia de una supresión general en todo el sistema motor. Los resultados que se describen a continuación en la Figura 6 muestran evidencia de un apagado generalizado a través del sistema de motor cuando un paso automático se detiene abruptamente22.
Figura 6. Tarea ajustada y de liberación modificada solo con bloque de pierna (es decir, no hay opción para agarrar un asa de soporte). (A) Esta figura representa la supresión de la amplitud del MEP en un músculo de la mano intrínseca cuando se presentó un bloque de piernas (es decir, condición NO-STEP). (B) A partir de las medidas repetidas ANOVA, la condición de paso x interacción de latencia, F1,18 a 4,47, p a 0,049, fue significativa. La inspección visual del gráfico de líneas 2 revela la disminución de la amplitud meP con el tiempo solo para la condición NO-STEP y esto se confirmó con comparaciones de seguimiento. Específicamente, estas comparaciones revelaron una disminución significativa en 200 ms en comparación con 100 ms t18 a 2,595, *p a 0,009 para la condición NO-STEP. Por el contrario, una comparación similar entre 200 ms y 100 ms para la condición STEP no revela ninguna diferencia t18 a 0,346, p a 0,367. Adaptado de las Figuras 1 y 2, Goode et al.22. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Los autores no tienen nada que revelar.
Aquí ofrecemos un protocolo que permite al usuario cambiar selectivamente las prestaciones y/o restricciones en los movimientos que son relevantes para recuperar el equilibrio después de la perturbación postural.
La investigación reportada en esta publicación fue apoyada por el Instituto Nacional sobre el Envejecimiento de los Institutos Nacionales de Salud bajo el Número de Premio R21AG061688. El contenido es responsabilidad exclusiva de los autores y no representa necesariamente los puntos de vista oficiales de los Institutos Nacionales de Salud.
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