反応バランスにおける反応抑制と行動選択を強調する変更されたリーンおよびリリース技術
2020年3月19日
ここでは、姿勢摂動後のバランス回復に関連する動きに対するアフォーダンスや制約をユーザーが選択的に変更できるようにするプロトコルを提供します。
バランス評価の多い方法の1つの制限は、自動姿勢反応を修正する必要なしに反射的な行動を重視していることです。非常にステレオタイプな反応に対するこのような排他的な焦点は、必要が生じた場合にそのような反応を変更する方法に対処することができません。たとえば、復旧手順で障害を回避する場合です。
本プロトコルは、自動で不適切な補正バランス反応の抑制を要求し、後方摂動後のバランスを正常に回復するために、代替アクション選択肢の中から選択を強制する方法を提供します。現在のアプローチでユニークなのは、視覚へのアクセスは正確に制御され、被験者の周りに対応環境が変更され、さまざまなアクションの機会や制約が生まれるということです。行動のための障害とアフォーダンスの存在を操作することによって、この方法は、バランス回復に関連して意思決定や応答阻害などの認知プロセスを強調する。
テストの前に、参加者に手続きに対する書面によるインフォームド・コンセントを提供してもらいます。データ収集インターフェースと適切なソフトウェアを使用して、データとバンドパスフィルタを取得します。表面EMG電極を右手の2つの固有の手筋と両脚の足首の逆反射体に固定した後、ターゲット筋肉からEMGデータを収集する。
カスタムメイドのリーンおよびリリースケーブルシステムを使用して、前方摂動を課します。参加者は、足をほぼヒップ幅で離して前方の無駄のない位置に立たせて下さいます。視力をコントロールするには、参加者のために液晶ゴーグルを置き、姿勢摂動の直前の時間枠にビジョンを制限します。
閉じると、ゴーグルはビジュアルシーンへのアクセスを妨げるため、参加者は今後の応答条件を認識しなくなります。このリーンを維持するには、サポートケーブルをボディハーネスの背面に接続します。支線を磁石で壁に固定します。
ゴーグルを装着する際に、参加者がハンドルと脚のブロックを実際に見ることができることを確認します。各試験を開始し、参加者は快適な位置に頭を保持しながら、約3メートル前の床の固定点を直接見るように指示します。ハンドルが把握可能な範囲内になるように本体を配置します。
両足を床に接触させながら、参加者に身を乗り出してもらいます。ハンドルが発見された試験の間に、参加者の足の前に脚のブロックが提示される。脚ブロックはステップを妨げるが、堅く設定されていない。
特定の試験では、黒いタープを使用してハンドルを覆い、直接的な視覚的アクセスを防ぎ、支持的な把握を防ぎます。次に、必要に応じてステップの反応を可能にするために脚ブロックを取り外します。ゴーグルが開いたら、参加者が環境を素早く認識する必要があるように、ゴーグルを閉じている間、脚ブロックの特定の構成を変更し、各トライアルの可用性を処理します。
各試験の開始時に、コンピュータによってトリガーされたサーボモーターを介してハンドルカバーと脚ブロックを位置に移動します。テストの前に、ハンドルに到達し、傾いた位置から前進する方法を参加者に簡単に理解してもらいます。テストと練習を通して、突然のケーブルの解放によって動くように促されない限り、リラックスしたままにするように参加者に指示します。
試行間の応答設定をランダムに変更します。サポートケーブルから解放された場合、参加者は壁に取り付けられた安全ハンドルに手を伸ばすか、ステップパスが明確であれば前進することによって安定性を取り戻す必要があります。各試行の開始時に、必ずオクルージョンゴーグルを閉じてから、応答設定が変更されます。
設定を変更できるように、通常は 3 ~ 4 秒のランダム化期間にゴーグルを閉じます。ゴーグルが開いたときに、2つの可能な応答設定のいずれかを提供します。まず、脚ブロックが存在し、サポートハンドルが存在するか、または第二に、脚ブロックが存在しないし、サポートハンドルが存在しない。
摂動が起こる試験では、ゴーグルが開いた直後にケーブルを放します。各トライアルを10秒間続け、トライアルの間に短い休止を行い、必要に応じて参加者がリセットできるようにします。各テストブロックの間に参加者に短い休息期間を与え、座ることができるようにします。
バランスタスクの1つのバージョンでは、ステップ応答がより頻繁に、したがってより自動です。たとえば、トライアルの 30% はレッグ ブロックを使用します。ステップ関連の脚の活動を抑制するための連続体の反対側にあった個体の平均波形をここに示す。
散布図は、座った認知タスクに由来する尺度である停止信号反応時間によって測定される、ブロックされたステップを抑制する能力と応答阻害との間の小さいながらも有意な相関関係を示している。経頭蓋磁気刺激を用いた別の研究では、単に支持ハンドルを見るだけで、本質的な手筋が促進されたことを示している。この図は、異なる条件での電動機誘発電位の大きさを示しています。
別の別の研究は、自動ステップが突然停止されたときにモーターシステム全体に広範なシャットダウンの証拠を発見しました。この特定の研究では、ハンドルは利用できませんでした。参加者を適切に配置することは、ハンドルと脚のブロックを見ることができ、これらのアイテムが把握と蹴りの範囲内にあることを確認するために重要です。
我々が使用したもう一つの技術は、モータシステムの活性化をプローブする経頭蓋磁気刺激です。これは、反応的なバランスのコンテキストで準備脳のメカニズムへの洞察を提供します。私たちのアプローチは、落下を避けるために高次脳プロセスの必要性を強調しています。
その結果, 認知機能の低下を伴う臨床グループの脳の欠陥を公開するために使用できます。.
概要
このプロトコルは、姿勢の乱れの後の平衡回復を助けるために、動きの可能性と制約を選択的に操作することを可能にします。視覚的アクセスを制御し、反応環境を変更することで、この方法は意思決定と反応抑制に関わる認知プロセスを強調します。
主要な研究構成要素
科学の分野
- 神経科学
- 運動制御
- 平衡回復
背景
- 従来の平衡評価は反射的行動に焦点を当てています。
- 自動姿勢反応は変化する環境に適応しない可能性があります。
- 反応を修正することで、平衡回復戦略を強化できます。
- 視覚制御は平衡反応を評価する上で重要です。
研究の目的
- 動きの可能性と制約を変更するプロトコルを作成すること。
- 平衡回復における認知プロセスを調査すること。
- 運動反応に対する視覚的操作の影響を評価すること。
使用された方法
- 参加者は情報に基づく同意を提供し、EMGデータ収集を受けます。
- 液晶ゴーグルが試行中の視覚アクセスを制御します。
- 参加者は様々な障害物配置で平衡タスクを実行します。
- 反応設定は、平衡回復の適応性を評価するためにランダム化されます。
主な結果
- 参加者は自動的ステップ反応を抑制する能力に違いを示しました。
- 反応抑制と平衡回復の間に有意な相関が見られました。
- 経頭蓋磁気刺激により、運動系の活性化に関する洞察が得られました。
- 視覚アクセスは平衡回復戦略の効果に影響を与えました。
結論
- このプロトコルは、平衡回復における認知プロセスの役割を効果的に強調します。
- 結果は、認知機能低下のある臨床集団への応用可能性を示唆しています。
- さらなる研究により、リハビリテーション戦略への影響を探ることができます。
よくある質問
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.
