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 Institutional Review Board na Uniwersytecie Stanowym Utah i zostały przeprowadzone zgodnie z Deklaracją Helsińską.

1. Selekcja uczestników

1. Poproś uczestników o wyrażenie pisemnej świadomej zgody na procedury przed badaniem.
2. W przypadku testowania za pomocą TMS należy przeprowadzić badanie przesiewowe uczestników przed testem, aby ocenić ich przydatność do TMS, korzystając z wytycznych opracowanych przez grupę ekspertów²⁰.

2. Akwizycja danych: elektromiografia (EMG)

1. Rejestruj EMG za pomocą elektrod powierzchniowych i wzmacniaj sygnały (wzmocnienie = 1,000; patrz Tabela materiałów).
2. Pozyskać dane i filtr pasmowoprzepustowy (10–1 000 Hz) za pomocą interfejsu akwizycji danych i odpowiedniego oprogramowania (patrz tabela materiałów). Użyj tego urządzenia i oprogramowania do sterowania różnymi silnikami, zwalnianiem i goglami okluzyjnymi, jak opisano w dalszej części metod.
3. Delikatnie zetrzyj powierzchnię skóry i przetrzyj alkoholem docelowe miejsca mięśni. Przymocuj powierzchniowe elektrody EMG do docelowych mięśni za pomocą taśmy dwustronnej, a następnie zabezpiecz za pomocą owijki wstępnej, aby upewnić się, że elektrody pozostaną zamocowane, szczególnie podczas szybkich reakcji rękami i nogami.
4. Zbierz dane EMG z dwóch wewnętrznych mięśni ręki prawej ręki (pierwszy międzykostny grzbietowy, FDI i opponens pollicus, OP) oraz zginaczy grzbietowych kostki na obu nogach (piszczel przedni, TA).
   UWAGA: Te konkretne mięśnie zostały wybrane na podstawie ich znaczenia dla działania sięgającego do chwytania lub kroku do przodu, ale inne mięśnie można wybrać w razie potrzeby.

3. Sprzęt do testowania wagi

Rysunek 1. Konfiguracja Lean & Release z blokami nóg. W tym przykładzie jeden blok nóg jest ustawiony w pozycji otwartej, podczas gdy drugi jest ustawiony tak, aby zapobiec krokowi. Bloki te są przemieszczane za pomocą silników sterowanych komputerowo (szare skrzynki przymocowane do słupków wsporczych). Osłony uchwytów są również przesuwane tak, aby blokowały lub umożliwiały reakcję sięgnięcia do chwytania. W tym przypadku osłony są odpinane, aby umożliwić pełny widok 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 rogu. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 2. Konfiguracja Lean & release z płytami siłowymi. Rysunek ten pokazuje, w jaki sposób trzy płyty siłowe mogą być opcjonalnie osadzone w drewnianej platformie. Jeśli płytki siłowe nie są wymagane, można ustawić drewniane kołki na miejscu. Te wtyczki są widoczne, oparte o boczną ścianę. Na tym zdjęciu widać również szelki bezpieczeństwa noszone przez uczestników. Uprząż ta jest przymocowana do sufitu, aby działać jako mechanizm zabezpieczający na wypadek, gdyby uczestnik nie zdołał samodzielnie odzyskać równowagi. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

1. Zmodyfikowany system lean & release
   1. Użyj niestandardowego systemu linek lean & release, aby nałożyć perturbacje do przodu (patrz Rysunek 1 i Rysunek 2).
   2. Niech uczestnicy staną w pozycji pochylonej do przodu ze stopami rozstawionymi mniej więcej na szerokość bioder (patrz Rysunek 3). Utrzymuj to pochylenie do przodu za pomocą uprzęży przymocowanej do linki, która jest następnie przymocowana do ściany za nimi. Przymocuj linkę z tyłu uprzęży (mniej więcej na poziomie środkowej części klatki piersiowej). Przymocuj nośny do ściany za pomocą magnesu. Magnes zostanie na chwilę dezaktywowany, aby zwolnić.
   3. Spraw, aby określone procedury próbne (tj. kiedy jest zwalniany i początek zwalniania) były nieprzewidywalne dla uczestnika. Kontroluj dokładny czas zwalniania za pomocą poleceń komputerowych ustawionych w konfiguracji oprogramowania. Ta konfiguracja pozwoli na kontrolę czasu zwalniania, dzięki czemu będzie można go losowo przydzielać między trials.
      UWAGA: Konfiguracja oprogramowania, która steruje wszystkimi urządzeniami eksperymentalnymi (np. wyzwalanie silnika w celu ustawienia bloku nóg) ustawia konkretny warunek próbny (np. czy blok nogi jest obecny, czy nie). Można to zaprogramować tak, aby losowało warunki lub dostarczało je w blokach, aby kontrolować poziom przewidywalności.
   4. Oprócz tego zwalniającego przymocowanego z tyłu wiązki, przymocuj również uczestników do nośnego zwisającego z sufitu. Ten niezawodny nie zapewnia podparcia ciężaru ciała, chyba że jest to absolutnie konieczne. Jeśli uczestnik nie jest w stanie samodzielnie odzyskać równowagi, linka zaczepia go przed upadkiem na ziemię.
   5. Ze względu na to, jak ważne są wiarygodne informacje wizualne, sprawdź, czy uczestnicy rzeczywiście widzą uchwyt i blok nóg podczas noszenia gogli. Rozpocznij każdą próbę od poinstruowania uczestników, aby patrzyli bezpośrednio na stały punkt na podłodze, około 3 m przed nimi, trzymając głowę w wygodnej pozycji. Ustaw uczestników tak, aby ich wzrok był ustawiony tak, aby patrzył na uchwyt w peryferyjnym polu widzenia i górną część przeszkody.
   6. Ustaw korpus tak, aby upewnić się, że uchwyt znajduje się w zasięgu uchwytu. Poproś uczestnika, aby pochylił się do przodu, utrzymując obie stopy w kontakcie z podłogą. Będzie to wymagało rotacji wokół kostki, podczas gdy reszta ciała pozostanie w linii prostej.
   7. Określ konkretną pozycję pochylenia jako minimalny kąt pochylenia, w którym konieczny jest krok do przodu, aby odzyskać równowagę po zwolnieniu linki. Jest to iteracyjny proces mający na celu znalezienie progowego kąta pochylenia w stawie skokowym, czyli kąta, pod którym uczestnik nie jest już w stanie zapobiec upadkowi do przodu za pomocą reakcji stóp w miejscu. Po ustaleniu tego należy sprawdzić kąt pochylenia podczas badania za pomocą goniometrii.
2. Afordancje i ograniczenia w reakcjach równowagi kompensacyjnej
   1. Zamocuj uchwyt bezpieczeństwa na ścianie obok uczestników po ich prawej stronie. Użyj zmotoryzowanej osłony, aby kontrolować dostęp do tego uchwytu. Jeśli uchwyt jest odsłonięty, gdy uczestnicy zostaną uwolnieni z podpartego pochylenia do przodu, można go użyć do odzyskania równowagi.
   2. Podczas prób, w których rączka jest odkryta, umieść blok na nogi przed nogami uczestnika. Blok nóg utrudnia krok, ale nie jest sztywno osadzony na miejscu, co oznacza, że może się przesunąć po kopnięciu. Zaprogramuj blok nóg tak, aby umożliwiał swobodny ruch i zbuduj go z odpowiedniego materiału, aby uniknąć obrażeń.
      UWAGA: Bloki nóg zostały skonstruowane tak, aby wymusić decyzję o kroku "wszystko albo nic", biorąc pod uwagę, że wznoszą się prawie 30 cali nad ziemią (u większości osób do połowy uda). Dla badaczy zainteresowanych bardziej zniuansowaną blokadą etapu odzyskiwania, urządzenia te mogłyby zostać zmodyfikowane tak, aby wykorzystywały mniejszą/krótszą przeszkodę, która następnie pozwoliłaby na ich usunięcie za pomocą dostosowanego kroku.
   3. Użyj czarnej plandeki, aby zakryć uchwyt i zablokuj go przed wzrokiem podczas niektórych prób. Uchwyt pozostanie zamontowany w tym samym miejscu, ale zostanie fizycznie zakryty, aby uniemożliwić bezpośredni dostęp wzrokowy i zapobiec wszelkiemu chwytowi podtrzymującemu. Gdy ten uchwyt podporowy jest zakryty, zdejmij blok nóg, aby w razie potrzeby umożliwić reakcję krokową.
3. Kontrola wzroku
   1. Ogranicz widzenie do ramy czasowej tuż przed zaburzeniami postawy i kontroluj je za pomocą gogli ciekłokrystalicznych (patrz Tabela Materiałów). Po zamknięciu gogle uniemożliwiają dostęp do sceny wizualnej, więc uczestnicy nie są świadomi nadchodzącego warunku reakcji.
   2. Zmień konkretną konfigurację bloku nóg i dostępność uchwytu dla każdej próby, gdy gogle są zamknięte, aby uczestnicy musieli szybko dostrzec otoczenie po otwarciu gogli. Przesuń osłonę uchwytu i blok nóg na miejsce za pomocą serwomotorów uruchamianych komputerowo na początku każdej próby. Niech uczestnicy noszą zatyczki do uszu i sprawiają, że silniki poruszają się w sposób ciągły w okresie okluzji wzrokowej, aby uniknąć zaawansowanych sygnałów dotyczących nadchodzącego stanu.

4. Projekt eksperymentalny

1. Przed testem pokrótce zapoznaj uczestników z tym, jak sięgnąć do uchwytu i zrobić krok do przodu z pozycji pochylonej.
   1. Zapewnij uczestnikom pełną wiedzę na temat zbliżającego się warunku praktyki i upewnij się, że nie ma niepewności. Poinstruuj uczestników, że gdy gogle zostaną otwarte, zobaczą, że uchwyt jest zakryty, a ścieżka schodowa będzie wolna. Wkrótce potem linka nośna zwolni się i będą musieli szybko stąpać, aby uniknąć upadku do przodu.
   2. Skorzystaj z podobnych instrukcji dotyczących tego, czy uchwyt jest dostępny do chwytania, aby uniknąć kroku.
   3. Podczas testów i ćwiczeń poinstruuj uczestników, aby pozostali zrelaksowani, chyba że zostanie to poproszone o ruch przez nagłe zwolnienie.
      UWAGA: Średnio uczestnicy potrzebują około 10 prób praktycznych przed rozpoczęciem formalnych testów.
2. Losowo zmieniaj ustawienie odpowiedzi między próbami. Po zwolnieniu z nośnego uczestnicy muszą odzyskać stabilność, sięgając po uchwyt bezpieczeństwa zamontowany na ścianie lub robiąc krok do przodu, jeśli ścieżka kroku jest wolna.
3. Zawsze zamykaj gogle okluzyjne na początku każdej próby, kiedy to ustawienie odpowiedzi zostanie zmienione. Zamknij gogle na losowy czas (zwykle około 3-4 s), aby umożliwić zmianę ustawienia.
4. Gdy gogle się otworzą, podaj jedno z dwóch możliwych ustawień reakcji: (1) blok nóg jest obecny i obecny jest uchwyt podporowy lub (2) nie ma bloku nogi i nie ma uchwytu podporowego.
   UWAGA: W pierwszym przypadku uchwyt podporowy jest dostępny w wygodnej odległości, a blok nóg zapobiega krokowi. To ustawienie narzuca kontekst, w którym jedyną dostępną opcją jest szybkie uchwycenie dostępnego uchwytu podporowego prawą ręką. Drugi warunek pozwala na etap rekonwalescencji przy jednoczesnym uniemożliwieniu korzystania z uchwytu podporowego.
5. W przypadku prób, w których wystąpią zakłócenia, zwolnij wkrótce po otwarciu gogli. Ten okres opóźnienia będzie się różnił w zależności od wymagań badania, ale waha się od 200 do 1000 ms.
6. W przypadku niektórych prób nie należy zwalniać, aby działały jako próba połowu. Pomaga to uniknąć reakcji antycypacyjnych opartych wyłącznie na wizji.
7. Niech każda próba trwa 10 sekund, z krótką przerwą między próbami, aby dać uczestnikom szansę na zresetowanie się w razie potrzeby. Daj uczestnikom krótki okres odpoczynku pomiędzy każdym blokiem testowym i pozwól im usiąść. Podstawowy projekt eksperymentalny przedstawiono na rysunku 3 (na dole).
   UWAGA: Całkowita liczba badań jest zróżnicowana w zależności od potrzeb każdego badania, ale zwykle obejmuje około 100 badań podzielonych na trzy do czterech bloków testowych.

Rysunek 3. Metoda oparta na TMS do badania wpływu postrzegania afordancji środowiskowych i/lub ograniczeń na przygotowanie motoryczne. Do góry. Aparat Lean & Release uwalniał uczestników w nieprzewidywalny sposób (tylko bloki testów perturbacyjnych). Skala perturbacji wymagała szybkiej reakcji zmiany podparcia, przy użyciu ręki lub nogi w celu przywrócenia stabilnej podstawy podparcia poprzez sięgnięcie do bezpiecznego uchwytu lub zrobienie kroku do przodu. Pomiędzy próbami widzenie było zasłaniane za pomocą ciekłokrystalicznych okularów okluzyjnych, a obiekty na pierwszym planie były losowo przestawiane. dno. Oś czasu przedstawia, kiedy dostęp wizualny do środowiska stał się dostępny oraz czas sond TMS w odniesieniu zarówno do dostępu wizualnego, jak i perturbacji. Amplituda od szczytu do szczytu odpowiedzi mięśni na TMS (tj. potencjał wywołany motoryczny, MEP) dostarczyła wskaźnika pobudliwości korowo-rdzeniowej w okresie przed zaburzeniami. Na rysunku przedstawiono teoretyczne dane odpowiedzi w celu zademonstrowania hipotetycznego wpływu afordancji na działanie ręki (ciągła, niebieska linia) w porównaniu z próbą, w której uchwyt jest zakryty (przerywana, czerwona linia). Na tym rysunku obie próby/warunki są nałożone w celu zilustrowania hipotetycznego efektu przygotowania mocy motorycznej w celu ułatwienia lub stłumienia potencjalnego działania w oparciu o określony kontekst środowiskowy. Na podstawie rysunku 1 w Bolton et al.²¹. Należy zauważyć, że TMS został użyty do zbadania pobudliwości korowo-rdzeniowej w tym przykładzie. Ma to jednak na celu jedynie zapewnienie podstawowej reprezentacji sekwencji zdarzeń przy użyciu tego zmodyfikowanego lean & release. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

5. Protokół TMS (opcjonalnie)

1. Dostarczaj jednopulsowy TMS przez reprezentację kory motorycznej ręki, podczas gdy uczestnicy są wspierani w pochyleniu do przodu. Dostarczaj impulsy TMS wkrótce po otwarciu gogli, ale przed jakimkolwiek ruchem, aby zbadać, jak oglądanie otoczenia wpływa na zestaw silnikowy. Rysunek 3 przedstawia sekwencję zdarzeń podczas badania, w tym moment dostarczenia TMS.
2. Ustaw czas dostarczenia TMS zgodnie z pytaniem badawczym. W reprezentatywnych wynikach stymulacja wahała się od 100 ms do 200 ms po wizji. Oprócz ustawień odpowiedzi wymienionych powyżej, losowo przeplataj próby referencyjne "bez wzroku" podczas testów, aby dostarczyć TMS bez otwierania gogli. Celem tego warunku jest zapewnienie punktu odniesienia dla wszelkich związanych z zadaniami zmian w aktywności motorycznej (np. zwiększone pobudzenie).
   UWAGA: Więcej szczegółów na temat konkretnych procedur TMS można znaleźć w Bolton et al.²¹ i Goode et al.²².
3. Dostarczaj bodźce magnetyczne do pierwszorzędowej kory ruchowej (M1) z cewką stymulującą zorientowaną pod kątem około 45° do płaszczyzny strzałkowej (patrz tabela materiałów). Zastosuj bodźce w optymalnej pozycji, aby uzyskać motoryczny potencjał wywołany (MEP) w mięśniu BIZ po prawej ręce (tj. w "gorącym punkcie" motorycznym).
4. Po znalezieniu "gorącego punktu" określa się intensywność bodźca testowego. Dla obecnych celów badawczych jest to intensywność bodźca, w której średni MEP wynosi około 1–1,5 mV między szczytami. Zamocuj cewkę TMS w tym miejscu i zresetuj pozycję cewki, jeśli wystąpi ruch głowicy (np. po zwolnieniu). Określ intensywność bodźca testowego, gdy badani stoją pochyleni do przodu, aby uwzględnić wpływ stanu posturalnego na pobudliwość korowo-rdzeniową.

Wyniki

Wszystkie przedstawione przykładowe badania zostały przeprowadzone z udziałem młodych kobiet i mężczyzn w wieku od 18 do 30 lat. Całkowita wielkość próby dla każdego badania była następująca: Przykład 1 (Rydalch i wsp.²³) obejmował 12 uczestników, Przykład 2 (Bolton i wsp.²¹) obejmował 63 uczestników, a Przykład 3 (Goode i wsp.²²) obejmował 19 uczestników. Czytelnik powinien zapoznać się z pełnymi badaniami w celu uzyskania szczegółowych informacji na temat metod i analiz.

Przykład 1
Zablokowanie kroku szybkiego powrotu do zdrowia, szczególnie gdy krok był automatyczny przez częste powtarzanie, pozwoliło na ocenę zahamowania odpowiedzi w kontekście posturalnym. Tutaj porównaliśmy reakcję mięśni nóg, gdy krok do przodu był dozwolony lub zablokowany²³. Odpowiedź mięśni na nogę krokową porównano między próbami, w których uczestnik powinien sięgnąć, a próbami, w których powinien stanąć. Osiągnięto to, porównując wielkość odpowiedzi zginaczy grzbietowych stawu skokowego (piszczelowo przedniego) podczas prób od sięgania do uchwytu i kroków. W szczególności do obliczenia współczynnika odpowiedzi mięśni 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 przechodzenia przez krok, jak opisano szczegółowo w Rydalch et al.²³. Wykorzystując wielkość reakcji mięśni, naszym zamiarem było zapewnienie czułego miernika tendencji do reagowania nogą. W tym przykładzie celem naszego badania było ustalenie, czy hamowanie odpowiedzi mierzone za pomocą testu poznawczego w pozycji siedzącej (tj. Zadanie sygnału stop, SST) korelowało z wydajnością w zadaniu równowagi reaktywnej, w którym wymagane było tłumienie kroku odzyskiwania równowagi. W zadaniu równowagi zebrano łącznie 256 prób, z których 30% wykorzystało blokadę nóg. Na rysunku 4A podkreślamy uśrednione przebiegi osób, które znajdowały się na przeciwległych końcach kontinuum w celu tłumienia aktywności nóg związanej z krokami. Wykres rozrzutu na rysunku 4B przedstawia niewielką, ale istotną korelację między zdolnością do tłumienia zablokowanego kroku a hamowaniem odpowiedzi mierzonym czasem reakcji sygnału stop.

Podczas interpretacji tych wyników, ważne jest, aby rozpoznać, że SST (opisane w Załączniku), a także większość testów poznawczych, opierają się na uproszczonych odpowiedziach (często ruchach palcami) wykonywanych przez siedzących uczestników w odpowiedzi na imperatywne wskazówki wyświetlane na ekranie komputera. To badanie przeprowadzone przez Rydalch i wsp. dotyczyło tego, czy zdolność do zatrzymania prepotencjalnej odpowiedzi została zachowana w standardowym teście hamowania odpowiedzi w pozycji siedzącej, w porównaniu z testem równowagi reaktywnej, w którym kroki kompensacyjne muszą być czasami tłumione²³. Wyniki wykazały korelację między wynikiem testu poznawczego (czas reakcji sygnału stopu) a krokiem kompensacyjnym, co sugeruje, że zdolność zatrzymywania się danej osoby uogólnia się na różne zadania.

Rysunek 4. Średnia reakcja nogi krokowej. (A) Średnie przebiegi są pokazane dla kości piszczelowej przedniej w odnóżu schodkowym. Próby etapowe są pokazane na czerwono, a próby zasięgu na czarno. Przykładowe dane dotyczące reakcji mięśni pokazane dla dwóch uczestników z szybkim (górnym) lub wolnym czasem reakcji na sygnał zatrzymania (na dole). Ten czas reakcji sygnału stop stanowi milisekundową miarę zdolności do zatrzymania. Wczesną odpowiedź mięśniową (zintegrowane EMG) mierzono od 100 do 300 ms (jasnożółty zacieniony obszar). (B) wykres rozrzutu przedstawiający korelację między stosunkiem odpowiedzi mięśni a czasem reakcji sygnału stopu (SSRT) przy opóźnieniu wizualnym 400 ms, r = 0,561; p = 0,029. Na podstawie rys. 3 i 5, Rydalch et al.²³. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Przykład 2
To badanie pokazuje, w jaki sposób nasza zmodyfikowana konfiguracja lean & release w połączeniu z TMS może być wykorzystana do badania przygotowania motorycznego opartego na wizji. Koncepcja afordancji (pierwotnie zaproponowana przez Gibsona²⁴) została przetestowana w kontekście postawy stojącej, w celu określenia, czy pobudliwość korowo-rdzeniowa mięśnia ręki (używanego do chwytania) jest ułatwiona podczas oglądania podtrzymującego uchwytu. Kluczem do tego podejścia była ocena, w jaki sposób samo widzenie wpływa na stan pobudzenia układu ruchowego. W szczególności impulsy TMS były dostarczane wkrótce po otwarciu gogli, ale przed jakimkolwiek sygnałem ruchu (tj. zwolnieniem). W ten sposób analizowano tylko aktywność motoryczną związaną ze sceną wizualną, podczas gdy reakcja behawioralna na zaburzenia była drugorzędna. W przeciwieństwie do powyższego badania, w którym podkreślono potrzebę hamowania reakcji poprzez częstsze prezentowanie odpowiedzi krokowej, w tym badaniu wykorzystano równe prawdopodobieństwo uchwytu (zasięgu) i braku uchwytu (krok), aby skupić się na wizualnym torowaniu działania ręki. Wyniki wskazują, że oglądanie rękojeści skutkowało ułatwieniem wewnętrznego mięśnia ręki (tj. chwytania), ale tylko w warunkach czystej obserwacji (Ryc. 5)²¹. UWAGA: Przykładowy kod oprogramowania do gromadzenia i analizy danych, a także wskazówki można znaleźć w ramach otwartej nauki (https://osf.io/9z3nw/). W przykładach 1 i 3 użyto podobnego kodu i procedur, z modyfikacjami określonych stanów.

Rysunek 5. Dane pokazujące różnicę w pobudliwości korowo-rdzeniowej w badaniach REACH (tj. rączka) w porównaniu z STEP (tj. bez uchwytu) w wewnętrznym mięśniu ręki, gdy uczestnicy stali w podpartym pochyleniu. Wykazało to większą aktywność w dłoni, gdy uchwyt był obecny, a uczestnicy po prostu oglądali uchwyt (OBS), ale efekt ten był nieobecny podczas oddzielnych bloków próbnych równowagi (BAL), w których był okresowo zwalniany. Słupki błędów pokazują błąd standardowy średniej. Dwukierunkowe powtarzane pomiary ANOVA ujawniły interakcję między warunkiem a afordancją, F_{1, 62} = 5,69, ^#p = 0,020. Aby odnieść się do naszych konkretnych hipotez, wykorzystaliśmy wcześniej zaplanowane porównania, aby określić, czy amplituda MEP w BIZ była większa, gdy uchwyt był obecny w każdym warunku osobno. W przypadku hipotezy 1 zastosowano planowane porównania w celu porównania poziomów afordancji (STEP, REACH) w warunku OBS i ujawniono znaczny wzrost amplitudy, gdy uchwyt był widoczny, t₁₂₁ = 2,62, *p = 0,010. W przypadku hipotezy 2 pierwotnie przewidywaliśmy interakcję, ale w kierunku przeciwnym do tego, co znaleziono. Planowane porównanie afordancji w obrębie warunku BAL nie wykazało istotnej różnicy związanej z obecnością uchwytu, t₁₂₁ = -0,46, p = 0,644. Na podstawie rysunku 5, Bolton et al.²¹. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Przykład 3
Ten ostatni przykład podkreśla, w jaki sposób zaadaptowaliśmy to urządzenie do ponownego badania przygotowania motorycznego mięśnia ręki w oparciu o wzrok, ale skoncentrowanego na potrzebie szybkiego stłumienia działania nóg. W tej wersji osłona rękojeści była zakryta na stałe, natomiast poruszał się tylko blok nogi. Podobnie jak w przykładzie 1, prawdopodobieństwo wystąpienia warunków stop w stosunku do kroku zostało zmodyfikowane, aby zachęcić do automatycznego kroku. Biorąc pod uwagę, że uchwyt nie był już opcją w tym badaniu, stopień pochylenia do przodu mierzony w kostce został nieznacznie zmniejszony (~ 6° vs. ~10°, jak w powyższych dwóch badaniach), aby umożliwić stałą reakcję podparcia. Konkretnym zastosowaniem tej wersji zadania było zbadanie koncepcji globalnego tłumienia, która była wcześniej badana w zadaniach siedzących, w których naciskanie przycisków ogniskowych było używane w odpowiedzi na bodźce wizualne prezentowane na ekranie komputera²⁵. Podobnie jak w przykładzie 2, TMS został dostarczony w celu oceny pobudliwości korowo-rdzeniowej w wewnętrznym mięśniu ręki natychmiast po dostępie do środowiska odpowiedzi (tj. zablokowanie lub brak bloku), ale przed jakąkolwiek wskazówką do ruchu (tj. zwolnieniem). Uzasadnieniem dla testowania wewnętrznego mięśnia ręki w zadaniu, w którym wykorzystano tylko reakcje nóg, było sprawdzenie, czy mięsień nieistotny z zadania wykaże dowody na ogólne tłumienie w całym układzie motorycznym. Wyniki przedstawione poniżej na rysunku 6 pokazują dowody na powszechne wyłączanie systemu silnikowego w przypadku nagłego zatrzymania automatycznego kroku²².

Rysunek 6. Zmodyfikowano zadanie pochylania się i zwalniania tylko z blokadą nóg (tj. brak opcji chwytania uchwytu podporowego). (A) Rysunek ten przedstawia tłumienie amplitudy MEP w wewnętrznym mięśniu ręki, gdy zaprezentowano blok nogi (tj. stan NO-STEP). (B) Z powtarzanych pomiarów ANOVA wynika, że warunek krokowy x oddziaływanie opóźnienia, F_1,18 = 4,47, p = 0,049, było istotne. Oględziny wykresu liniowego 2 ujawniają zmniejszającą się amplitudę MEP w czasie tylko dla warunku NO-STEP, co zostało potwierdzone za pomocą dalszych porównań. W szczególności porównania te wykazały znaczny spadek przy 200 ms w porównaniu ze 100 ms t₁₈ = 2,595, *p = 0,009 dla warunku NO-STEP. Natomiast podobne porównanie między 200 ms i 100 ms dla warunku STEP nie ujawnia różnicy t₁₈ = 0,346, p = 0,367. Na podstawie rys. 1 i 2, Goode et al.²². Kliknij tutaj, aby zobaczyć 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