Zmodyfikowana technika Lean and Release w celu podkreślenia hamowania reakcji i wyboru działania w równowadze reaktywnej

Podsumowanie

Tutaj oferujemy protokół, który pozwala użytkownikowi na selektywną zmianę afordancji i/lub ograniczeń ruchów, które są istotne dla odzyskania równowagi po zaburzeniach postawy.

Streszczenie

Ocena równowagi reaktywnej tradycyjnie nakłada pewien rodzaj zaburzeń na wyprostowaną postawę lub chód, po którym następuje pomiar wynikowego zachowania korekcyjnego. Miary te obejmują reakcje mięśni, ruchy kończyn, siły reakcji podłoża, a nawet bezpośrednie środki neurofizjologiczne, takie jak elektroencefalografia. Korzystając z tego podejścia, naukowcy i klinicyści mogą wywnioskować kilka podstawowych zasad dotyczących tego, jak układ nerwowy kontroluje równowagę, aby uniknąć upadku. Jednym z ograniczeń w sposobie, w jaki te oceny są obecnie stosowane, jest to, że kładą one duży nacisk na działania odruchowe bez konieczności rewizji automatycznych reakcji posturalnych. Takie skupienie się wyłącznie na tych wysoce stereotypowych reakcjach nie odniosłoby się odpowiednio do tego, w jaki sposób możemy zmodyfikować te reakcje, jeśli zajdzie taka potrzeba (np. unikanie przeszkód na etapie zdrowienia). Wydaje się, że jest to rażące pominięcie, jeśli weźmie się pod uwagę ogromną złożoność środowisk, z którymi mamy do czynienia na co dzień. Ogólnie rzecz biorąc, status quo podczas oceny neuronalnej kontroli równowagi nie ujawnia naprawdę, w jaki sposób wyższe zasoby mózgu przyczyniają się do zapobiegania upadkom w złożonych warunkach. Obecny protokół oferuje sposób na wymaganie tłumienia automatycznych, ale niewłaściwych reakcji korekcyjnych równowagi i wymuszenie wyboru spośród alternatywnych opcji działania, aby skutecznie przywrócić równowagę po zaburzeniach postawy.

Wprowadzenie

Pomimo rozpoznanej korelacji między upadkami a spadkiem funkcji poznawczych^1,2,3, nadal istnieje poważna luka w zrozumieniu, co mózg faktycznie robi, aby pomóc nam uniknąć upadku. Teoretycznie wymagania poznawcze byłyby uwydatniane wraz ze wzrostem złożoności środowiska i w sytuacjach, w których musimy zrewidować instynktowne zachowanie. Jednak większość testów równowagi nie jest w stanie skutecznie obciążyć wyższych funkcji mózgu, zamiast tego kładąc nacisk na odruchowe reakcje prostujące. Podczas gdy czynniki takie jak szybkość reakcji są niezbędne, aby zapobiec upadkowi, dodatkowe czynniki poznawcze, takie jak kontrola hamująca i/lub zdolność do wyboru odpowiedniego działania w oparciu o dany kontekst, mogą być również ważne w niektórych sytuacjach. W rezultacie, jednym z powodów, dla których możemy nie rozumieć roli mózgu w równowadze reaktywnej, są obecnie stosowane protokoły badawcze. Rogers i in. niedawno podsumowali różne sposoby, w jakie kontrola równowagi została oceniona za pomocą zewnętrznych perturbacji⁴. Metody te obejmują translację platformy, pochylenia i/lub upuszczenia, a także wykorzystanie zautomatyzowanych systemów, które pchają, ciągną lub usuwają podparcie postawy. Pomimo dużej różnorodności technik stosowanych do zakłócania równowagi pionowej, wynikające z tego reakcje korekcyjne są prawie zawsze wykonywane w niezakłóconym środowisku, minimalizując w ten sposób ograniczenia ruchu. W tym miejscu proponujemy metodę, w której procesy poznawcze są wymagane do zastąpienia działania prepotentnego i wybrania odpowiednich reakcji spośród alternatyw w zadaniu równowagi reaktywnej.

Powszechnym sposobem testowania równowagi reaktywnej jest nałożenie stosunkowo małych zaburzeń postawy, którym można przeciwdziałać za pomocą stałej reakcji podparcia (zazwyczaj stopy w miejscu)5^,6,7,8,9. Stosunkowo mniej badań skupiało się na reakcjach równowagi zmiany podparcia w odpowiedzi na zaburzenia poprzez pociągnięcia w talii, translację platformy i uwolnienie z nośnego Jako przykład, zobacz Mansfield et al.¹⁰. Znaczenie tej drugiej grupy można docenić poprzez uznanie, że gdy perturbacje są duże, reakcje zmiany podpory są jedyną opcją przywrócenia stabilności¹¹. W rzeczywistości, nawet w przypadku mniejszych perturbacji, które można opanować za pomocą strategii stóp w miejscu (tj. biodra i/lub kostki), ludzie często wolą stawiać kroki, gdy mają wybór¹¹. Wartość badania takich reakcji zmiany podparcia polega nie tylko na tym, że należy przeciwdziałać większej skali perturbacji, ale także na wyzwaniach, które pojawiają się podczas zmiany położenia kończyn w celu ustanowienia nowej podstawy podparcia. Obecność afordancji i/lub ograniczeń w działaniu jest stałym elementem wielu ustawień w świecie rzeczywistym. Zmusza to proces selekcji do ustanowienia nowej bazy wsparcia, gdy dochodzi do utraty równowagi. Aby dostosować zachowanie do złożonych środowisk, istnieje zwiększone zapotrzebowanie na wyższe zasoby mózgu. Jest to szczególnie ważne, gdy kończyny muszą ustanowić nową podstawę podparcia. Aby podkreślić i wyeksponować role poznawcze w równowadze reaktywnej, potrzeba ponownego wprowadzenia bałaganu i wymuszenia strategii zmiany wsparcia w odniesieniu do kończyn wydaje się logiczna

.

Jednym prostym sposobem na wywołanie zewnętrznie wywołanych zaburzeń postawy jest technika lean & release, gdzie osoba jest nagle uwalniana z podpartego pochylenia do przodu. Takie podejście pozwala na ocenę reakcji kompensacyjnych w celu uniknięcia upadku do przodu i jest z powodzeniem stosowane zarówno w populacjach zdrowych, jak i klinicznych^12,13,14. Chociaż technika Lean & Release jest nieco podstawowa, oferuje cenny wgląd w zdolność do reaktywnej równowagi (np. jak szybko ktoś może zainicjować etap rekonwalescencji lub określić liczbę kroków wymaganych do odzyskania stabilności). Dla obecnych celów, technika lean & release zapewnia prosty sposób na badanie ról poznawczych w równowadze reaktywnej, ponieważ wiele cech perturbacji jest utrzymywanych na stałym poziomie. Zapewnia to większą kontrolę eksperymentalną nad zmiennymi szczególnie istotnymi dla wyboru działania i hamowania odpowiedzi. Podczas gdy inne tryby perturbacji postawy zazwyczaj opierają się na nieprzewidywalności pod względem kierunku perturbacji, amplitudy i czasu, otaczające środowisko jest zawsze stałe. Nawet w badaniach, w których bloki nóg zostały użyte do podkreślenia reakcji sięgania do chwytania¹⁵, bloki są mocowane na miejscu bez potrzeby szybkiego dostosowywania zachowań krokowych w oparciu o obecność lub brak bloku nogi. Dzięki obecnie proponowanej metodzie możemy zmienić środowisko w sposób, który wymaga adaptacji behawioralnej, aby uniknąć upadku.

Poza ustawieniami laboratoryjnymi, które nieodpowiednio eksponują role poznawcze w równowadze reaktywnej, innym poważnym problemem jest silne poleganie na zewnętrznych wskaźnikach, takich jak początki mięśni, siły reakcji podłoża i przechwytywanie ruchu wideo w celu wnioskowania o procesach neuronowych. Chociaż te miary są cenne, wyłączne poleganie na takich miarach nie zapewnia bezpośredniego wglądu w podstawowe mechanizmy neuronalne, które przyczyniają się do równowagi. Problem ten komplikuje się, gdy weźmie się pod uwagę, że wiele z tego, co mózg może zrobić, aby zapobiec upadkowi w złożonych środowiskach, prawdopodobnie dzieje się przed upadkiem. Rola predykcyjna w zapobieganiu upadkom została ostatnio szerzej omówiona¹⁶. Kierunki badań obejmują przewidywanie przyszłej niestabilności¹⁷, budowanie map wzrokowo-przestrzennych w miarę poruszania się w naszym środowisku¹⁸ i ewentualne tworzenie sytuacji awaryjnych w oparciu o środowisko, nawet bez uprzedniego zaistnienia upadku¹⁹. Ujawnienie takiego preparatu byłoby całkowicie nieosiągalne bez użycia bezpośrednich sond neurofizjologicznych.

Zmodyfikowane podejście lean & release, tak jak jest obecnie proponowane, oferuje sposób na przezwyciężenie niektórych z istniejących ograniczeń, o których była mowa. Odbywa się to za pomocą scenariusza testowego, w którym kończyny są zobowiązane do ustanowienia nowej bazy podparcia w środowisku wymagającym wyboru. Podejście to jest rozszerzone o bezpośrednie pomiary aktywności mózgu (np. przezczaszkową stymulację magnetyczną, TMS) zarówno przed, jak i po zaburzeniach postawy, które mogą uzupełniać zewnętrzne pomiary wytwarzania siły i przechwytywania ruchu. Ta kombinacja cech eksperymentalnych stanowi ważną innowację w tej dziedzinie, aby pokazać, w jaki sposób mózg przyczynia się do równowagi w złożonych warunkach, w których wymagane jest hamowanie reakcji i wybór działań spośród opcji, aby zapobiec upadkowi. W tym miejscu demonstrujemy nowatorską metodę testowania równowagi reaktywnej w warunkach, które podkreślają potrzebę dostosowania zachowania przez procesy poznawcze w celu uniknięcia upadku. Kombinacja przeszkód i afordancji do działania wymusza potrzebę hamowania reakcji, ukierunkowanych działań i wyboru odpowiedzi spośród opcji. Ponadto demonstrujemy precyzyjną kontrolę czasową nad dostępem wzrokowym, czasem sond neuronowych, zmianą środowiska odpowiedzi i początkiem zaburzeń postawy.

Protokół

Wszystkie procedury zostały zatwierdzone przez Komisję Bioetyczną (Institutional Review Board) na Utah State University i przeprowadzono je zgodnie z Deklaracją Helsińską.

1. Przesiewanie uczestników

1. Przed rozpoczęciem badań należy uzyskać od uczestników pisemną świadomą zgodę na przeprowadzenie procedur.
2. W przypadku badań z wykorzystaniem TMS, należy poddać uczestników wstępnej ocenie przed testami w celu ustalenia ich kwalifikowalności do TMS, stosując wytyczne opracowane przez grupę ekspertów²⁰.

2. Pozyskiwanie danych: elektromiografia (EMG)

1. Rejestruj EMG za pomocą elektrod powierzchniowych i wzmacniaj sygnały (wzmocnienie = 1 000; patrz Tabela materiałów).
2. Należy pozyskać dane i zastosować filtr pasmowy (10–1 000 Hz), wykorzystując interfejs akwizycji danych oraz odpowiednie oprogramowanie (patrz Tabela materiałów). Należy użyć tego urządzenia i oprogramowania do sterowania poszczególnymi silnikami, wyzwalaczem kablowym oraz goglami do okluzji, zgodnie z opisem zawartym w dalszej części sekcji metod.
3. Delikatnie zetrzeć naskórek i przemyć alkoholem miejsca nad docelowymi mięśniami. Przymocować elektrody EMG powierzchniowego do docelowych mięśni za pomocą dwustronnej taśmy, a następnie dodatkowo zabezpieczyć bandażem prewrap, aby zapewnić stabilność elektrod, zwłaszcza podczas gwałtownych ruchów kończyn górnych i dolnych.
4. Zbierz dane EMG z dwóch wewnętrznych mięśni ręki prawej (pierwszego mięśnia międzykostnego grzbietowego, FDI oraz mięśnia przeciwstawnego kciuka, OP) oraz z mięśni zginaczy grzbietowych stawu skokowego obu nóg (mięśnia piszczelowego przedniego, TA).
   UWAGA: Wybrano te konkretne mięśnie ze względu na ich istotność dla czynności sięgania w celu chwycenia lub kroku do przodu, jednak w razie potrzeby można wybrać inne mięśnie.

3. Kalibracja sprzętu pomiarowego

Rycina 1. Układ lean & release z blokadami nóg. W tym przykładzie jedna blokada nogi jest ustawiona w pozycji otwartej, natomiast druga jest ustawiona tak, aby zapobiec wykonaniu kroku. Blokady te są przesuwane za pomocą sterowanych komputerowo silników (szare skrzynki przymocowane do słupków wsporczych). Osłony uchwytów są również przesuwane, aby zablokować lub umożliwić reakcję sięgania i chwytania. W tym przypadku osłony są odpięte, aby zapewnić pełną widoczność uchwytu. Magnes zwalniający jest widoczny na tylnej ścianie. Całe okablowanie przechodzi przez samą drewnianą platformę i wchodzi do szarej skrzynki obwodów znajdującej się w tylnym narożniku. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rysunek 2. Układ lean & release z platformami dynamometrycznymi. Na rysunku przedstawiono, w jaki sposób trzy platformy dynamometryczne mogą zostać opcjonalnie wbudowane w drewnianą platformę. Jeśli platformy nie są wymagane, w ich miejsce można wstawić drewniane zaślepki. Zaślepki te są widoczne, oparte o boczną ścianę. Na zdjęciu widoczna jest również szeleja bezpieczeństwa założona przez uczestników. Szeleja ta jest przymocowana do sufitu, aby pełnić funkcję mechanizmu zabezpieczającego w przypadku, gdyby uczestnik nie zdołał samodzielnie odzyskać równowagi. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.

1. Zmodyfikowana metoda lean &system uwalniania #38;
   1. Należy użyć wykonanego na zamówienie, szczupłego & system linków zwalniających do wywoływania perturbacji skierowanych do przodu (patrz Rysunek 1 i Rycina 2).
   2. Poproś uczestników o przyjęcie pozycji pochylenia do przodu, z nogami rozstawionymi mniej więcej na szerokość bioder (patrz Rysunek 3). Należy utrzymać to pochylenie do przodu za pomocą uprzęży ciała przymocowanej do linki, która następnie jest zabezpieczona na ścianie za osobą badaną. Linkę należy przymocować do tylnej części uprzęży (mniej więcej na poziomie środkowego odcinka klatki piersiowej). Linkę wspierającą należy przymocować do ściany za pomocą magnesu. Magnes zostanie krótko dezaktywowany w celu zwolnienia linki.
   3. Należy sprawić, aby konkretne procedury próbne (tj. moment zwolnienia kabla oraz początek zwolnienia kabla) były nieprzewidywalne dla uczestnika. Precyzyjny czas zwolnienia kabla należy kontrolować za pomocą komend komputerowych zdefiniowanych w konfiguracji oprogramowania. Konfiguracja ta umożliwi kontrolę czasu zwolnienia kabla w sposób pozwalający na jego randomizację pomiędzy próbami.
      UWAGA: Konfiguracja oprogramowania sterującego wszystkimi urządzeniami eksperymentalnymi (np. uruchamiająca silnik w celu ustawienia bloku nogi) określa konkretny warunek próby (np. obecność lub brak bloku nogi). Można go zaprogramować tak, aby warunki były losowe lub podawane w blokach w celu kontrolowania poziomu przewidywalności.
   4. Oprócz linki zwalniającej przymocowanej do tylnej części uprzęży, należy zabezpieczyć uczestników za pomocą linki asekuracyjnej zwisającej z sufitu. Linka ta nie przejmuje ciężaru ciała, chyba że jest to absolutnie konieczne. Jeśli uczestnik nie będzie w stanie samodzielnie odzyskać równowagi, linka zatrzyma go przed upadkiem na ziemię.
   5. Ze względu na znaczenie wiarygodnych informacji wizualnych należy zweryfikować, czy uczestnicy faktycznie widzą uchwyt oraz blokadę nogi podczas noszenia gogli. Każdą próbę należy rozpocząć od polecenia uczestnikom, aby patrzyli bezpośrednio w stały punkt na podłodze, znajdujący się około 3 m przed nimi, utrzymując głowę w wygodnej pozycji. Należy ustawić uczestników w taki sposób, aby ich wzrok był skierowany tak, by uchwyt znajdował się w peryferyjnym polu widzenia, a także górna część przeszkody.
   6. Ustaw ciało w taki sposób, aby uchwyt znajdował się w zasięgu ręki. Poproś uczestnika, aby pochylił się do przodu, utrzymując obie stopy w kontakcie z podłożem. Będzie to wymagało rotacji w stawie skokowym, podczas gdy reszta ciała pozostanie w linii prostej.
   7. Kąt nachylenia krytycznego należy określić jako minimalny kąt nachylenia, przy którym po zwolnieniu linki konieczne jest wykonanie kroku do przodu w celu odzyskania równowagi. Jest to proces iteracyjny mający na celu znalezienie progowego kąta nachylenia w stawie skokowym, czyli kąta, przy którym uczestnik nie jest już w stanie zapobiec upadkowi do przodu, stosując reakcję z nogami w miejscu. Po ustaleniu tej wartości należy weryfikować kąt nachylenia podczas całego testu za pomocą goniometrii.
2. Możliwości i ograniczenia kompensacyjnych reakcji równoważnych
   1. Przymocuj uchwyt bezpieczeństwa do ściany po prawej stronie uczestników. Użyj zmotoryzowanej osłony, aby kontrolować dostęp do uchwytu. Jeśli uchwyt jest odsłonięty, może on posłużyć do odzyskania równowagi w momencie zwolnienia uczestników z pozycji wspieranego pochylenia do przodu.
   2. Podczas prób, w których uchwyt jest niezasłonięty, należy umieścić blokadę nóg przed nogami uczestnika. Blokada ta utrudnia wykonanie kroku, lecz nie jest sztywno zamocowana, co oznacza, że może zostać przesunięta podczas kopnięcia. Należy zaprogramować blokadę nóg tak, aby umożliwiała swobodny ruch, oraz wykonać ją z elastycznego materiału, aby uniknąć obrażeń.
      UWAGA: Bloki blokujące nogi zostały skonstruowane w taki sposób, aby wymusić decyzję o wykonaniu kroku w trybie „wszystko albo nic”, ponieważ wznoszą się one niemal 30 cali nad ziemią (poziom połowy uda u większości osób). Badacze zainteresowani bardziej zniuansowanym blokowaniem kroku regeneracyjnego mogą zmodyfikować te urządzenia, stosując mniejszą lub niższą przeszkodę, która umożliwiłaby pokonanie jej poprzez dostosowany krok.
   3. Użyj czarnej plandeki, aby zakryć uchwyt i przesłonić go przed wzrokiem podczas wybranych prób. Uchwyt pozostanie zamontowany w tym samym miejscu, ale zostanie fizycznie zakryty, aby zapobiec bezpośredniemu dostępowi wizualnemu oraz uniemożliwić chwyt wspierający. W przypadku zakrycia tego uchwytu wspierającego należy usunąć blokadę nogi, aby w razie potrzeby umożliwić reakcję krokową.
3. Kontrola widzenia
   1. Ogranicz pole widzenia do przedziału czasowego bezpośrednio poprzedzającego zaburzenie postawy i kontroluj je za pomocą gogli z ciekłokrystalicznych (patrz Tabela materiałów). W stanie zamknięcia gogle uniemożliwiają wgląd w scenę wizualną, dzięki czemu uczestnicy nie są świadomi nadchodzącego warunku odpowiedzi.
   2. Zmieniaj specyficzną konfigurację bloku nogi oraz dostępność uchwytu dla każdej próby w czasie, gdy gogle są zamknięte, tak aby uczestnicy musieli szybko zorientować się w otoczeniu po ich otwarciu. Przesuwaj osłonę uchwytu i blok nogi na odpowiednie pozycje za pomocą serwomotorów sterowanych komputerowo na początku każdej próby. Uczestnicy powinni nosić zatyczki do uszu, a silniki muszą pracować w sposób ciągły w okresie okluzji wzrokowej, aby uniknąć jakichkolwiek wcześniejszych wskazówek dotyczących nadchodzącego warunku.

4. Plan eksperymentu

1. Przed rozpoczęciem testów krótko zapoznaj uczestników ze sposobem sięgania do uchwytu oraz robienia kroku naprzód z pozycji pochylonej.
   1. Przekaż uczestnikom pełną wiedzę na temat nadchodzącego warunku ćwiczeniowego i upewnij się, że nie ma żadnych wątpliwości. Poinstruuj uczestników, że po otwarciu gogli zobaczą zasłonięty uchwyt, a ścieżka kroku będzie wolna. Wkrótce potem kabel wspierający zostanie zwolniony i będą musieli szybko zrobić krok, aby uniknąć upadku do przodu.
   2. Stosuj podobne instrukcje dotyczące tego, czy uchwyt jest dostępny do chwycenia w celu uniknięcia kroku.
   3. Podczas testów i ćwiczeń instruuj uczestników, aby pozostawali rozluźnieni, chyba że zostaną poproszeni do ruchu poprzez nagłe zwolnienie kabla.
      UWAGA: Średnio uczestnicy wymagają około 10 prób ćwiczeniowych przed rozpoczęciem formalnych testów.
2. Losowo zmieniaj ustawienie odpowiedzi między próbami. W przypadku zwolnienia kabla wspierającego uczestnicy muszą odzyskać stabilność, albo sięgając do zamontowanego na ścianie uchwytu bezpieczeństwa, albo robiąc krok naprzód, jeśli ścieżka kroku jest wolna.
3. Zawsze zamykaj gogle przysłaniające na początku każdej próby, w czasie czego zmieniane będzie ustawienie odpowiedzi. Zamknij gogle na zrandomizowany czas (zazwyczaj około 3–4 s), aby umożliwić zmianę ustawienia.
4. W momencie otwarcia gogli zapewnij jedno z dwóch możliwych ustawień odpowiedzi: (1) blokada nogi jest obecna i uchwyt wspierający jest obecny, lub (2) brak blokady nogi i brak uchwytu wspierającego.
   UWAGA: W pierwszym warunku uchwyt wspierający jest dostępny w wygodnej odległości zasięgu, a blokada nogi uniemożliwia wykonanie kroku. Ustawienie to narzuca kontekst, w którym jedyną dostępną opcją jest szybkie chwycenie dostępnego uchwytu wspierającego prawą ręką. Drugi warunek umożliwia krok ratunkowy, jednocześnie uniemożliwiając użycie uchwytu wspierającego.
5. W próbach, w których występuje perturbacja, zwolnij kabel krótko po otwarciu gogli. Ten okres opóźnienia będzie różnić się w zależności od wymagań badania, ale mieści się w zakresie 200­–1,000 ms.
6. W niektórych próbach nie zwalniaj kabla, aby służyły one jako próby kontrolne (catch trials). Pomaga to uniknąć odpowiedzi antycypacyjnych opartych wyłącznie na wzroku.
7. Każda próba powinna trwać 10 s, z krótką przerwą między próbami, aby umożliwić uczestnikom reset w razie potrzeby. Zapewnij uczestnikom krótką przerwę między każdym blokiem testowym i pozwól im usiąść. Podstawowy schemat eksperymentalny przedstawiono na Rysunku 3 (na dole).
   UWAGA: Całkowita liczba prób jest dostosowana do potrzeb każdego badania, ale zazwyczaj obejmuje około 100 prób podzielonych na trzy lub cztery bloki testowe.

Rysunek 3. Metoda oparta na TMS do badania wpływu postrzegania możliwości (affordances) i/lub ograniczeń środowiskowych na przygotowanie motoryczne. GÓRA. Aparatura do pochylania i zwalniania (lean & release) uwalniała uczestników w nieprzewidywalny sposób (wyłącznie w blokach testowych z perturbacją). Amplituda perturbacji wymagała szybkiej reakcji zmiany podparcia, przy użyciu ramienia lub nogi w celu przywrócenia stabilnej bazy podparcia poprzez sięgnięcie do bezpiecznego uchwytu lub wykonanie kroku do przodu. Między próbami pole widzenia było zasłonięte za pomocą okularów z ciekłokrystalicznym ekranem, a obiekty na pierwszym planie były rozmieszczane losowo. DÓŁ. Oś czasu przedstawia momenty, w których dostęp wizualny do środowiska stał się dostępny, oraz czas prób TMS w stosunku do dostępu wizualnego i perturbacji. Amplituda szczyt-szczyt odpowiedzi mięśniowej na TMS (tj. potencjał wywołany motorycznie, MEP) stanowiła wskaźnik pobudliwości korowo-rdzeniowej w okresie poprzedzającym perturbację. Rysunek ten przedstawia teoretyczne dane odpowiedzi, aby zademonstrować hipotetyczny wpływ możliwości działania dłoni (ciągła, niebieska linia) w porównaniu z próbą, w której uchwyt jest zakryty (przerywana, czerwona linia). Na tym rysunku obie próby/warunki są nałożone na siebie, aby zilustrować hipotetyczny efekt przygotowania wyjścia motorycznego w celu ułatwienia lub zahamowania potencjalnego działania w zależności od konkretnego kontekstu środowiskowego. Adaptacja Rysunku 1 z pracy Bolton et al.²¹. Należy zauważyć, że w tym przykładzie TMS został użyty do badania pobudliwości korowo-rdzeniowej. Ma to jednak na celu jedynie zapewnienie podstawowego przedstawienia sekwencji zdarzeń przy użyciu tej zmodyfikowanej aparatury lean & release. Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tego rysunku.

5. Protokół TMS (opcjonalnie)

1. Wykonaj pojedynczy impuls TMS nad korową reprezentacją motoryczną dłoni, podczas gdy uczestnicy znajdują się w pozycji pochylonej do przodu. Podaj impulsy TMS krótko po otwarciu gogli, ale przed jakimikolwiek ruchami, aby zbadać, w jaki sposób oglądanie otoczenia wpływa na zestaw motoryczny. Zobacz Rycina 3, aby zwizualizować sekwencję zdarzeń podczas próby, w tym moment podania TMS.
2. Ustaw czas podania TMS zgodnie z pytaniem badawczym. W reprezentatywnych wynikach stymulacja następowała w przedziale od 100 ms do 200 ms po przywróceniu widzenia. Oprócz wymienionych powyżej ustawień odpowiedzi, losowo przeplataj podczas testów próby referencyjne „bez widzenia”, aby podać TMS bez otwierania gogli. Celem tego warunku jest zapewnienie linii bazowej dla wszelkich zmian w aktywności motorycznej związanych z zadaniem (np. zwiększonego pobudzenia).
   UWAGA: Dalsze szczegóły dotyczące konkretnych procedur TMS można znaleźć w publikacjach Bolton et al.²¹ oraz Goode et al.²².
3. Podawaj bodźce magnetyczne do pierwotnej kory ruchowej (M1) z cewką stymulującą zorientowaną pod kątem około 45° do płaszczyzny strzałkowej (patrz Tabela materiałów). Stosuj bodźce w optymalnej pozycji, aby uzyskać potencjał wywołany ruchowo (MEP) w mięśniu FDI prawej dłoni (tzn. w tzw. „hotspocie” motorycznym).
4. Po znalezieniu „hotspotu” określ intensywność bodźca testowego. Na potrzeby obecnych badań jest to intensywność bodźca, przy której średni MEP wynosi około 1–1,5 mV szczyt-szczyt. Przymocuj cewkę TMS w tym miejscu i zresetuj pozycję cewki w przypadku ruchu głowy (np. po zwolnieniu kabla). Określ intensywność bodźca testowego, gdy badani stoją w pochyleniu do przodu, aby uwzględnić wpływ stanu posturalnego na pobudliwość korowo-rdzeniową.

Wyniki

Wszystkie zaprezentowane przykładowe badania zostały przeprowadzone z udziałem młodych kobiet i mężczyzn w wieku od 18 do 30 lat. Całkowita liczebność próby dla każdego badania przedstawiała się następująco: Przykład 1 (Rydalch et al.²³) objął 12 uczestników, Przykład 2 (Bolton et al.²¹) objął 63 uczestników, a Przykład 3 (Goode et al.²²) objął 19 uczestników. W celu uzyskania szczegółowych informacji na temat metod i analiz należy zapoznać się z pełną treścią badań.

Przykład 1
Zablokowanie kroku szybkiej regeneracji, szczególnie w sytuacjach, gdy krok stał się automatyczny na skutek częstego powtarzania, pozwoliło na ocenę hamowania odpowiedzi w kontekście posturalnym. W tym przypadku porównano reakcję mięśni kończyn dolnych w sytuacjach, gdy krok do przodu był dopuszczalny lub zablokowany²³. Reakcję mięśniową nogi wykonującej krok porównywano między próbami, w których uczestnik powinien sięgnąć, a próbami, w których powinien zrobić krok. Osiągnięto to poprzez porównanie amplitudy odpowiedzi zginaczy grzbietowych stawu skokowego (mięsień piszczelowy przedni) podczas prób sięgania do uchwytu oraz prób robienia kroku. W szczególności do obliczenia stosunku odpowiedzi mięśniowej wykorzystano zintegrowane EMG w oknie 200 ms (tj. od 100 ms do 300 ms po perturbacji). Mniejsza wartość wskazywała na większą zdolność do powstrzymania się od wykonania kroku, co szczegółowo opisano w pracy Rydalch et al.²³. Wykorzystując amplitudę odpowiedzi mięśniowej, zamierzano uzyskać czuły miernik tendencji do reakcji nogą. W tym przykładzie celem badania było ustalenie, czy hamowanie odpowiedzi mierzone za pomocą siedzącego testu poznawczego (tj. zadania z sygnałem stop, SST) koreluje z wynikami w zadaniu reaktywnej równowagi, w którym wymagane było stłumienie kroku regenerującego równowagę. W zadaniu równowagi zebrało się łącznie 256 prób, z czego w 30% zastosowano blokadę nogi. Na Rysunku 4A wyróżniono uśrednione przebiegi fal osób znajdujących się na przeciwległych końcach spektrum tłumienia aktywności nóg związanej z krokiem. Wykres rozrzutu na Rysunku 4B przedstawia niewielką, ale istotną korelację między zdolnością do stłumienia zablokowanego kroku a hamowaniem odpowiedzi mierzonym czasem reakcji w zadaniu z sygnałem stop.

Przy interpretacji tych wyników ważne jest uznanie, że test SST (opisany w dodatku)), a właściwie większość testów poznawczych, opiera się na uproszczonych reakcjach (często ruchach palców) wykonywanych przez siedzących uczestników w odpowiedzi na sygnały imperatywne wyświetlane na ekranie komputera. Badanie przeprowadzone przez Rydalcha i współpracowników miało na celu sprawdzenie, czy zdolność do zahamowania reakcji dominującej jest zachowana w standardowym siedzącym teście inhibicji reakcji w porównaniu z reaktywnym testem równowagi, w którym kroki kompensacyjne muszą być sporadycznie tłumione²³. Wyniki wykazały korelację między rezultatem testu poznawczego (czasem reakcji na sygnał stop) a krokami kompensacyjnymi, co sugeruje, że zdolność jednostki do hamowania reakcji generalizuje się w odniesieniu do różnych zadań.

Rycina 4. Średnia odpowiedź mięśniowa nogi podczas kroku. (A) Przedstawiono średnie przebiegi fal dla mięśnia piszczelowego przedniego w nodze wykonującej krok. Próby kroku zaznaczono kolorem czerwonym, a próby sięgania kolorem czarnym. Przykładowe dane odpowiedzi mięśniowej pokazano dla dwóch uczestników z szybkim (góra) lub wolnym (dół) czasem reakcji na sygnał stop. Ten czas reakcji na sygnał stop stanowi milisekundowy pomiar zdolności do zatrzymania. Wczesną odpowiedź mięśniową (zintegrowane EMG) mierzono w przedziale 100–300 ms (obszar zacieniowany na jasnożółto). (B) Wykres rozrzutu przedstawiający korelację między współczynnikiem odpowiedzi mięśniowej a czasem reakcji na sygnał stop (SSRT) przy opóźnieniu wizualnym 400 ms, r = 0,561; p = 0,029. Adaptacja z Ryciny 3 i 5, Rydalch et al.²³. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Przykład 2
Niniejsze badanie obrazuje, w jaki sposób nasza zmodyfikowana konfiguracja typu lean & release w połączeniu z TMS może być wykorzystana do badania przygotowania motorycznego opartego na wzroku. Koncepcję afordancji (pierwotnie zaproponowaną przez Gibsona²⁴) przetestowano w kontekście postawy stojącej, aby określić, czy pobudliwość korowo-rdzeniowa mięśnia dłoni (wykorzystywanego do chwytania) ulegała ułatwieniu podczas patrzenia na uchwyt wspierający. Kluczem do tego podejścia była ocena, w jaki sposób na stan pobudzenia układu ruchowego wpływał sam wzrok. W szczególności impulsy TMS podawano krótko po otwarciu gogli, ale przed jakimkolwiek sygnałem do ruchu (tj. zwolnieniem linki). W ten sposób analizowano wyłącznie aktywność motoryczną związaną ze sceną wizualną, podczas gdy reakcja behawioralna na zaburzenie była wtórna. W przeciwieństwie do powyższego badania, w którym podkreślano potrzebę hamowania reakcji poprzez częstsze prezentowanie odpowiedzi krokowej, w tym badaniu zastosowano równe prawdopodobieństwo wystąpienia uchwytu (sięgnięcie) i braku uchwytu (krok), aby skupić się na wizualnym torowaniu działania dłoni. Wyniki wykazały, że patrzenie na uchwyt skutkowało ułatwieniem pracy wewnętrznego mięśnia dłoni (tj. chwytnego), ale tylko w warunku czystej obserwacji (Rysunek 5)²¹. UWAGA: W celu uzyskania przykładowych danych, kodu oprogramowania do akwizycji i analizy oraz notatek z wytycznymi, należy zapoznać się z open science framework (https://osf.io/9z3nw/). W przykładach 1 i 3 zastosowano podobny kod i procedury, z modyfikacjami w konkretnych stanach.

Rysunek 5. Dane wykazujące różnicę w pobudliwości korowo-rdzeniowej dla prób REACH (tj. z uchwytem) w porównaniu do prób STEP (tj. bez uchwytu) w obrębie wewnętrznego mięśnia dłoni, podczas gdy uczestnicy stali w pozycji wspartego nachylenia. Wykazało to większą aktywność dłoni w obecności uchwytu, gdy uczestnicy jedynie go obserwowali (OBS), jednak efekt ten nie wystąpił podczas oddzielnych bloków prób równowagi (BAL), w których kabel był okresowo zwalniany. Słupki błędów przedstawiają błąd standardowy średniej. Dwuwaystrowa ANOVA z powtarzanymi pomiarami ujawniła interakcję między warunkiem a affordancją, F_{1, 62} = 5.69, ^#p = 0.020. Aby zweryfikować nasze konkretne hipotezy, zastosowano wcześniej zaplanowane porównania, aby ustalić, czy amplituda MEP w mięśniu FDI była większa w obecności uchwytu w każdym z warunków osobno. Dla hipotezy 1 zastosowano porównania zaplanowane w celu zestawienia poziomów affordancji (STEP, REACH) w warunku OBS, co ujawniło istotny wzrost amplitudy, gdy uchwyt był widoczny, t₁₂₁ = 2.62, *p = 0.010. W przypadku hipotezy 2 pierwotnie przewidywano interakcję, lecz w kierunku przeciwnym do otrzymanego wyniku. Porównanie zaplanowane dla affordancji w warunku BAL nie wykazało istotnej różnicy związanej z obecnością uchwytu, t₁₂₁ = -0.46, p = 0.644. Adaptacja z Rysunku 5, Bolton et al.²¹. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.

Przykład 3
Ten ostatni przykład podkreśla, w jaki sposób zaadaptowaliśmy to urządzenie, aby ponownie zbadać przygotowanie motoryczne mięśnia dłoni w oparciu o wzrok, ale skupiając się na potrzebie szybkiego zahamowania ruchu nogi. W tej wersji osłona uchwytu była na stałe zakryta, a poruszał się jedynie blok dla nogi. Podobnie jak w przykładzie 1, manipulowano prawdopodobieństwem wystąpienia warunku stopu względem kroku, aby zachęcić do wykonania automatycznego kroku. Ponieważ w tym badaniu uchwyt nie był już dostępny, stopień pochylenia do przodu mierzony w stawie skokowym został nieco zmniejszony (~ 6° zamiast ~10° jak w dwóch powyższych badaniach), aby umożliwić stałą reakcję podparcia. Konkretnym zastosowaniem tej wersji zadania było zbadanie koncepcji supresji globalnej, która była wcześniej analizowana w zadaniach wykonywanych w pozycji siedzącej, gdzie w odpowiedzi na bodźce wizualne prezentowane na ekranie komputera stosowano ogniskowe naciskanie przycisków²⁵. Podobnie jak w przykładzie 2, zastosowano TMS w celu oceny pobudliwości kory rdzeniowej w mięśniu wewnętrznym dłoni bezpośrednio po uzyskaniu dostępu do środowiska odpowiedzi (tj. blok lub brak bloku), ale przed jakimkolwiek sygnałem do ruchu (tj. zwolnieniem linki). Uzasadnieniem dla badania mięśnia wewnętrznego dłoni w zadaniu wykorzystującym wyłącznie reakcje kończyn dolnych była chęć sprawdzenia, czy mięsień niezaangażowany w zadanie wykaże oznaki ogólnej supresji w całym systemie motorycznym. Wyniki przedstawione poniżej na Rysunku 6 wskazują na powszechne zahamowanie w całym systemie motorycznym w momencie gwałtownego zatrzymania automatycznego kroku²².

Rysunek 6. Zmodyfikowane zadanie pochylenia i zwolnienia (lean & release) z samą blokadą nogi (tj. bez możliwości chwycenia uchwytu wspierającego). (A) Rysunek ten przedstawia supresję amplitudy MEP w wewnętrznym mięśniu dłoni w sytuacji zastosowania blokady nogi (tj. warunek NO-STEP). (B) W analizie ANOVA z powtarzanymi pomiarami interakcja między warunkiem kroku a latencją, F_1,18 = 4.47, p = 0.049, była istotna. Wizualna analiza wykresu liniowego 2 wykazuje spadek amplitudy MEP w czasie wyłącznie dla warunku NO-STEP, co zostało potwierdzone w porównaniach następczych. W szczególności porównania te wykazały istotny spadek w 200 ms w porównaniu z 100 ms t₁₈ = 2.595, *p = 0.009 dla warunku NO-STEP. W przeciwieństwie do tego, analogiczne porównanie między 200 ms a 100 ms dla warunku STEP nie wykazuje różnic t₁₈ = 0.346, p = 0.367. Adaptacja z Rysunków 1 i 2, Goode et al.²². Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.

Dyskusja

Ten zmodyfikowany system Lean & Release zapewnia nowatorski sposób oceny ról poznawczych w równowadze reaktywnej. Podobnie jak w przypadku standardowej procedury lean & release, kierunek i amplituda zaburzeń postawy są przewidywalne dla pacjenta, podczas gdy czas zwolnienia kabla jest nieprzewidywalny. Wyjątkowość obecnego podejścia polega na tym, że dostęp do wzroku jest precyzyjnie kontrolowany, podczas gdy osoba badana pozostaje nieruchoma, a środowisko reakcji wokół niej jest zmieniane, aby stworzyć różne możliwości działania i/lub ograniczenia. Manipulując obecnością przeszkód i afordancji, metoda ta kładzie nacisk na procesy poznawcze, takie jak podejmowanie decyzji (tj. wybór działania) i hamowanie reakcji w odniesieniu do odzyskiwania równowagi.

Proponowana metoda ma potencjał, aby zapewnić unikalny wgląd w neuronalną kontrolę równowagi, ale stwarza pewne ograniczenia. Na przykład, podczas korzystania z metody lean & release, zwalnianie linki jest inicjowane od pochylenia do przodu, co wymaga wyraźnego kroku przywracania równowagi w porównaniu z innymi metodami zewnętrznych zaburzeń postawy¹⁰. Ponadto kierunek i wielkość perturbacji są przewidywalne, co może prowadzić do precypacyjnej aktywacji mięśni, które normalnie nie byłyby zaangażowane w bardziej realistyczne scenariusze upadków. Wreszcie, widzenie jest tymczasowo zasłonięte przed wydaniem kabla, co również odbiega od codziennych doświadczeń danej osoby. Cechy te sprawiają, że nasza ocena równowagi jest nieco sztuczna i może wykluczać uogólnienia na różne rodzaje perturbacji. Ważne jest, aby zdać sobie sprawę, że możliwość uogólnienia na rzeczywiste upadki jest zawsze problemem przy wyciąganiu wniosków na temat tego, jak równowaga jest kontrolowana na podstawie jednej konkretnej metody oceny. Rzeczywiście, obecnie nie istnieje powszechnie uznany kompleksowy test zdolności do utrzymywania równowagi⁴. Dla obecnych celów, opadanie do przodu pozwala na utrzymanie stałej charakterystyki zaburzeń i ustawień reakcji przy jednoczesnym manipulowaniu określonymi wymaganiami poznawczymi, które są często zaniedbywane lub niedostępne w tradycyjnych ocenach równowagi. Taka kontrola eksperymentalna jest korzystna, ale powinna być brana pod uwagę przy interpretacji wyników.

Drugim ograniczeniem może być budowa sprzętu testującego i wymagane umiejętności inżynierskie, które mogą stanowić wyzwanie przy wdrażaniu tej metody. Trzech studentów inżynierii elektrycznej z Uniwersytetu Stanowego Utah zbudowało platformę, skonfigurowało elektronikę i zaprogramowało mikrokontrolery do napędzania serwomotorów dla osłony uchwytu i bloku nóg. Koszty budowy były skromne (tj. 15 000 < nie wliczając płyt mocowych zamontowanych w platformie). Niemniej jednak może to stanowić wyzwanie w zależności od dostępnych zasobów.

Dzięki temu podejściu uzyskano szczegółowe informacje na temat neuronalnej kontroli równowagi. Przykłady te wskazują, że nieinwazyjna stymulacja mózgu może być wykorzystana do uchwycenia zestawu motorycznego na podstawie oglądania obiektów w kontekście posturalnym i zaoferowania techniki oceny hamowania odpowiedzi za pomocą odpowiedzi mięśniowych. Warto zauważyć, że zmodyfikowaną technikę lean & release można łatwo zaadaptować do innych sond neurofizjologicznych, takich jak elektroencefalografia i funkcjonalna spektroskopia w bliskiej podczerwieni. Nawet bez uwzględnienia bezpośrednich pomiarów neuronalnych, projekty badań, które koncentrują się wyłącznie na siłach zewnętrznych, aktywacji mięśni i kinematyce, mogą dostarczyć ważnych informacji na temat behawioralnych markerów deficytów poznawczych. Na przykład, interesujące zastosowanie stosowania płytek siłowych do uchwycenia antycypacyjnych zmian postawy podczas reaktywnego zadania krokowego zostało zademonstrowane przez Cohena i ^wsp.26. W ich badaniu deficyty w hamowaniu odpowiedzi u osób starszych ujawniły się w wyniku niewłaściwego przenoszenia masy ciała, co z kolei doprowadziło do opóźnień w czasie wyboru i reakcji. Takie podejście można zastosować do obecnego paradygmatu, aby uzyskać czułe miary błędów przesuwania ciężaru i skoków.

Ta nowa metoda opiera się na ustalonym teście równowagi reaktywnej, w którym uczestnicy są uwalniani od wspieranego lean, a teraz obejmuje scenariusze, które wymagają elastyczności behawioralnej. Projekty testów odpowiednie do ujawniania hamowania reakcji i wyboru działania pozwalają nam zastosować koncepcje z psychologii poznawczej do dziedziny kontroli równowagi. Takie podejście jest konieczne, aby oprzeć się na uznaniu, że spadek funkcji poznawczych i częstość upadków są ze sobą skorelowane, oraz uzyskać mechanistyczne zrozumienie, w jaki sposób zasoby poznawcze zapobiegają upadkom. Przypuszczalnie ten układ może być używany nie tylko jako narzędzie badawcze, ale także jako środek do treningu ról poznawczych w równowadze. Ważnym celem trwających prac naszego laboratorium jest zrozumienie, w jaki sposób mózg wykorzystuje informacje kontekstowe do aktualizacji, który ruch byłby najbardziej odpowiedni, aby zapobiec upadkowi, biorąc pod uwagę otoczenie. Wskazówki, takie jak dostępność stabilnego uchwytu lub potencjalna bariera krokowa, mogą wskazywać, jaką reakcję należy podjąć, jeśli zajdzie taka potrzeba, i mogą potajemnie kształtować procesy predykcyjne w^mózgu16. Warto zauważyć, że zdolność do właściwego wykorzystania tych informacji może ulec pogorszeniu wraz z wiekiem, jeśli wymagane są zdolności umysłowe, takie jak kontrola zakłóceń hamujących lub pamięć wzrokowo-przestrzenna. Biorąc pod uwagę związek między spadkiem funkcji poznawczych a upadkami^1-3, wdrożenie projektów badań, które podkreślają potrzebę integracji istotności kontekstowej, może dostarczyć cennych informacji na temat deficytów równowagi w wielu wrażliwych populacjach.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
CED Power1401	Cambridge Electronic Design		Interfejs akwizycji danych
Wzmacniacz Delsys Bagnoli-4	Sprzęt EMG	Delsys Figura
ósma D702 Cewka	Magstim Company Ltd		Cewka TMS
Kistler Force Plates	Kistler Instrument Corp.	Wielokomponentowa płyta siłowa Typ 9260AA	Płytki siłowe
Stymulator Magstim 200	Magstim Company Ltd		Jednostki stymulacyjne TMS
Okulary okluzyjne PLATO	Translucent Technologies Inc		okluzja wzrokowa
Oprogramowanie sygnałowe	Cambridge Electronic	Design Version 7