Wykorzystanie bieżni z dzielonym pasem do oceny uogólnienia adaptacji lokomotorycznej człowieka
August 23rd, 2017
Opisujemy protokół badania adaptacji lokomotorycznej człowieka za pomocą bieżni z dzielonym pasem, która ma dwa pasy, które mogą napędzać każdą nogę z inną prędkością. W szczególności skupiamy się na paradygmacie zaprojektowanym w celu przetestowania uogólnienia dostosowanych wzorców lokomotorycznych do różnych kontekstów chodzenia (np. prędkości chodu, środowisk chodzenia).
Ogólnym celem tej procedury jest wywołanie adaptacji lokomotorycznej lub długoterminowych zmian w koordynacji chodu przy użyciu bieżni z dzielonym pasem, która ma dwa pasy, które mogą napędzać każdą nogę z różnymi prędkościami. Ta metoda może pomóc w rozwiązaniu kluczowych pytań w dziedzinie uczenia się motorycznego, takich jak to, w jaki sposób ludzie uczą się chodzić inaczej i jak mogą przystosować się do różnych warunków. Główną zaletą tej techniki jest to, że większość ludzi nigdy wcześniej nie spotkała się z bieżnią z dzielonym pasem, dzięki czemu technika ta zapewnia wgląd w to, jak ludzie przystosowują się do nowej pertubacji.
Implikacje tej techniki rozciągają się w kierunku rehabilitacji bramki po udarze, ponieważ możemy użyć bieżni z dzielonym pasem, aby wyszkolić kogoś z udarem, aby chodził z bardziej symetryczną koordynacją bramki. Ta część filmu zawiera ogólny przegląd konfiguracji. Przeprowadź wszystkie testy w cichym otoczeniu z minimalną aktywnością peryferyjną, przygotuj uczestnika ze wszystkimi potrzebnymi materiałami.
Takich jak znaczniki śledzenia ruchu i czujniki elektromiograficzne. Podstawowy pomiar bramki ma kluczowe znaczenie dla oceny prawidłowej koordynacji chodu. W przypadku prób bazowych prowadzonych na powierzchni poinstruuj uczestnika, aby szedł po chodniku, po którym można zbierać dane dotyczące przechwytywania ruchu.
Zbierz co najmniej 10 cykli kroku, aby ustalić linię bazową. Jeśli system przechwytywania ruchu pozwala na przechwytywanie tylko w ograniczonej przestrzeni, poproś uczestnika o wykonanie kilku przejść przez tę przestrzeń, po każdym przejściu uczestnik powinien się zatrzymać, obrócić i poczekać, aż kolejka badacza ponownie się zmieni. Na ograniczonej przestrzeni każde przejście musi mieć co najmniej dwa cykle kroku, nie wliczając w to pierwszego i ostatniego cyklu kroku, w których występują zmiany przyspieszenia.
Ogólnie rzecz biorąc, prędkość naziemnej próby bazowej jest wyborem uczestnika, ale jeśli pożądana jest określona prędkość, niech uczestnik będzie chodził z tą prędkością na bieżni przez jedną lub dwie minuty, aby nauczyć się pożądanej prędkości. Następnie, podczas chodzenia po ziemi, przekaż ustną informację zwrotną na temat ich tempa między próbami. Dobre i pozostań w tej samej prędkości przez kolejny.
Dla bezpieczeństwa należy chronić uczestnika przed upadkami za pomocą uprzęży, a podczas zatrzymywania się i uruchamiania bieżni zawsze należy trzymać się poręczy. Ponieważ efekty trzymania poręczy są nieznane, ważne jest, aby zachować spójność i nasze ruchy podczas eksperymentu dla wszystkich uczestników. Twój protokół może wymagać, aby uczestnicy zawsze trzymali się poręczy podczas eksperymentu.
W przypadku prób podstawowych na bieżni używaj ciasnych pasów i daj uczestnikowi trochę czasu na przyzwyczajenie się do chodzenia na bieżni. Następnie zbieraj dane przez jedną do pięciu minut przy każdej prędkości bieżni, która zostanie przetestowana po adaptacji. Gdy uczestnik stoi na nieruchomych pasach bieżni, poinstruuj go, aby patrzył prosto przed siebie, a nie w dół na swoje stopy.
Nie ostrzegaj uczestnika o różnicy w dzielonym pasie. Różnica prędkości między pasami będzie zależeć od eksperymentu, zazwyczaj stosuje się od dwóch do czterech pełnych różnic między prędkościami taśmy. Rozpocznij bieżnię z dzielonym pasem z jednym pasem biegnącym szybciej od drugiego i pozwól uczestnikowi chodzić przez 10 do 15 minut.
Celem jest zebranie danych o uczestniku, który przystosowuje się do nieprzewidzianego terenu. Gdy uczestnik w pełni przyzwyczai się do dzielonego pasa, zatrzymaj bieżnię na chwilę, a następnie na krótko uruchom ponownie, gdy oba pasy będą działać z tą samą prędkością. Okres ten nazywa się próbą połowową, a jego celem jest zmierzenie efektu końcowego w miarę jego rozwoju w okresie adaptacji.
Największe skutki uboczne występują, gdy prędkość dwóch pasów podczas próby połowu jest taka sama jak wolniejsza taśma podczas adaptacji. Przerwij tę próbę po pięciu krokach, a następnie ponownie dostosuj uczestnika do prędkości dzielonego pasa na co najmniej dwie minuty i powtórz próbę złapania, jeśli to konieczne. W obecnym protokole druga próba połowu została przeprowadzona z inną prędkością niż pierwsza, aby ocenić zależność od prędkości efektów ubocznych.
Po ostatniej próbie złapania zatrzymaj bieżnię i uruchom ją ponownie na bieżni z dzielonymi pasami na pięć minut, aby umożliwić uczestnikowi ponowną adaptację. Aby przetestować efekty po chodzeniu po ziemi, przenieś uczestnika na chodnik naziemny za pomocą wózka inwalidzkiego, aby można było zarejestrować jego pierwszy krok nad ziemią. Następnie powtórz ocenę kroku wzdłuż chodnika, w razie potrzeby poinstruuj uczestnika, aby powtórzył swoją wyjściową prędkość chodzenia i przekazał informację zwrotną między próbami.
Następnie przewieź uczestnika z powrotem na bieżnię na drugi test po efekcie. Test efektu na bieżni pokazuje, ile nauki zostało wygaszone przez chodzenie po ziemi. Uruchom ponownie bieżnię z napiętymi pasami przy mniejszej prędkości i pozwól uczestnikowi chodzić przez około 30 sekund.
Aby uzyskać dostęp do tempa deadaptacji, rejestruj ciągły chód na ciasnym pasie przez co najmniej 10 minut, aby zapewnić całkowite wypłukanie skutków ubocznych. Opisanemu paradygmatowi poddano dwie osoby dorosłe poniżej 40 roku życia, bez schorzeń neurologicznych lub ortopedycznych. Eksperyment rozpoczął się od pomiaru linii bazowej nad ziemią i ciasnego pasa na bieżni przy dwóch prędkościach podzielonego pasa.
Następnie przeprowadzono test z dzielonym pasem, po którym nastąpiły dwie ciasne smugi zaczepienia taśmy przy małej prędkości i dużej prędkości, przedstawione w losowej kolejności. Następnie, po ponownym przystosowaniu się do podzielonego pasa, mierzono efekty adaptacji po naziemi przy dużej lub niskiej prędkości. Dane zostały wykreślone według schodkowych, idealnych cmentarzy bramowych oznaczonych linią zerową, co wskazuje, że długość stopnia lub czas trwania podwójnej podpory był równy między obiema stronami.
Obaj uczestnicy chodzili z niemal symetryczną przestrzenną i czasową koordynacją międzykończynową podczas tych badań wyjściowych. Bieżnia z dzielonym pasem zakłócała normalną koordynację chodzenia, ale ludzie byli w stanie dostosować się i przywrócić symetrię między jedną a dwiema minutami chodzenia lub po około 100 krokach. Adaptację wykazuje się poprzez obecność skutków ubocznych lub asymetrycznej koordynacji w próbach połowu na bieżni oraz w próbach naziemnych po adaptacji.
Należy pamiętać, że wielkość efektu końcowego może być modulowana przez prędkość chodzenia podczas prób łapania na bieżni. Efekty końcowe podczas prób po adaptacji nad ziemią są mniejsze niż po efektach bieżni i mniej wpływa na nie prędkość chodzenia. Próbując wykonać tę procedurę, ważne jest, aby kontrolować wpływ potencjalnych zmiennych zakłócających, takich jak ruch ramienia, długość i czas trwania przerw na odpoczynek oraz prędkość chodzenia po ziemi podczas chodzenia na bieżni.
Wiele aspektów tej procedury może być modyfikowanych w zależności od testowanej hipotezy. Na przykład można zmienić szybkość przyspieszenia i zmienność prędkości dzielonego dzwonu. Nie zapominaj, że praca z perturbacjami bramy może być destabilizująca dla ludzi, więc podejmij odpowiednie środki ostrożności, aby chronić ludzi przed upadkiem.
Dziękujemy za oglądanie i życzymy powodzenia w eksperymentach.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Przegląd
Ten artykuł przedstawia protokół badania ludzkiej adaptacji lokomocyjnej przy użyciu bieżni split-belt, która pozwala na ruch każdej nogi z różną prędkością. Celem jest sprawdzenie, jak adaptowane wzorce lokomocji uogólniają się na różne konteksty chodzenia.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Uczenie się motoryczne
- Adaptacja lokomocyjna
- Techniki rehabilitacji
Tło
- Adaptacja lokomocyjna polega na długotrwałych zmianach w koordynacji chodzenia.
- Bieżnia split-belt jest nowym narzędziem do badania adaptacji chodu.
- Ta technika może dostarczyć wglądu w sposób, w jaki jednostki adaptują się do różnych warunków chodzenia.
- Ma zastosowanie w rehabilitacji chodu, szczególnie po udarze.
Cel badania
- Indukowanie adaptacji lokomocyjnej przy użyciu bieżni split-belt.
- Zbadanie, jak jednostki uczą się chodzić inaczej w różnych warunkach.
- Ocenienie uogólnienia adaptowanych wzorców lokomocji.
Stosowane metody
- Uczestnicy chodzą na bieżni split-belt z różnymi prędkościami dla każdej nogi.
- Testy przeprowadza się w cichym otoczeniu, aby zminimalizować rozproszenie uwagi.
- Przygotowanie uczestników obejmuje niezbędne materiały do eksperymentu.
- Obserwacje koncentrują się na zmianach w koordynacji chodu i adaptacji.
Główne wyniki
- Bieżnia split-belt skutecznie indukuje adaptację lokomocyjną.
- Uczestnicy wykazują zmiany w koordynacji chodu w czasie.
- Adaptowane wzorce lokomocji mogą uogólniać się na różne konteksty chodzenia.
- Ta metoda wskazuje na obiecujące zastosowania w rehabilitacji pacjentów po udarze.
Wnioski
- Bieżnia split-belt jest cennym narzędziem do badania uczenia się motorycznego.
- Wyniki przyczyniają się do zrozumienia mechanizmów adaptacji chodu.
- Ta technika ma potencjalne zastosowania w klinicznych usługach rehabilitacyjnych.
Często zadawane pytania
Executive Industry Relevance
Understanding locomotor adaptation mechanisms informs the development of targeted rehabilitation strategies for neurological conditions. The split-belt treadmill provides a controlled model to study how motor learning generalizes across contexts, supporting preclinical evaluation of gait interventions. This approach enables mechanistic de-risking by isolating adaptive responses to novel perturbations, which is relevant for assessing neuromuscular plasticity in disease models.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of locomotor learning pathways by measuring adaptation to asymmetric belt speeds.
- Operational Value: Provides a standardized paradigm to assess neuromuscular plasticity in healthy human models.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Quantifies generalization of locomotor learning through catch trials and overground transfer tests.
- Operational Value: Establishes reproducible metrics for after-effect magnitude and decay rates across walking conditions.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Supports evaluation of intervention effects on gait symmetry restoration in neurological injury models.
- Operational Value: Facilitates cross-context validation of motor learning retention and transfer.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within discovery biology to probe adaptive motor control mechanisms prior to target validation in disease models.
- Discovery Biology: Tests how locomotor networks adapt to novel environmental challenges, informing mechanism-based target hypotheses.
- Screening: Delivers quantitative gait coordination readouts (e.g., step symmetry, double support duration) for comparing adaptation states.
- Analytics: Captures time-series adaptation and de-adaptation kinetics to model learning rates and retention.
- Translational Research: Links treadmill-induced after effects to overground gait generalization, relevant for predicting functional transfer.
- Enterprise Reuse: Protocol can be standardized across laboratories to enable comparative studies of locomotor plasticity.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Provides mechanistic insight into locomotor adaptation, reducing uncertainty in motor control pathway validation.
- Operational Value: Ensures consistency through standardized belt speeds, rest periods, and environmental controls.
- Strategic Value: Informs go/no-go decisions for neuromuscular targets by quantifying learning generalization and retention.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of gait rehabilitation candidates based on predictive adaptation profiles.
Implementation Considerations
- Requires expertise in motion capture, electromyography, and gait analysis to accurately measure coordination changes.
- Dependent on split-belt treadmill instrumentation with independent speed control and safety harness systems.
- Necessitates standardization of belt speed differentials, rest intervals, and distractor minimization across study sites.
- Must account for confounding variables such as arm movement, prior treadmill exposure, and walking speed variability.
- Limited to assessing short-term adaptation; chronic effects require longitudinal designs not covered in this protocol.
