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Behavior

Con una cinta de cinturón de Split para evaluar la generalización de la adaptación humana Aparato Locomotor

Published: August 23, 2017 doi: 10.3791/55424
Automatic Translation
1,2, 1,2, 2
1Physical Therapy, School of Health Technology and Management, Stony Brook University, 2Motor Learning Lab, Moss Rehabilitation Research Institute, Einstein Healthcare Network

Summary

Se describe un protocolo para la investigación de adaptación humana aparato locomotor utilizando la cinta de cinturón de split, que tiene dos correas que pueden manejar cada pierna a una velocidad diferente. Específicamente nos enfocamos en un paradigma diseñado para probar la generalización de patrones locomotores adaptados a diferentes contextos a pie (por ejemplo, velocidades de marcha, pocos entornos).

Abstract

Comprensión de los mecanismos subyacentes de aprendizaje locomotor ayuda a los investigadores y los clínicos optimización paso reciclaje como parte de la rehabilitación del motor. Sin embargo, puede ser difícil estudiar aprendizaje locomotor humano. Durante la infancia y la niñez, el sistema neuromuscular es muy inmaduro y es poco probable que aprendizaje locomotor durante etapas tempranas del desarrollo se rige por los mismos mecanismos que en la edad adulta. Por el tiempo los seres humanos alcanzan la madurez, son tan competentes en el caminar que es difícil llegar a una tarea lo suficientemente novedosa para el estudio de aprendizaje locomotor de novo . La cinta de cinturón de split, que tiene dos correas que pueden manejar cada pierna a diferentes velocidad, permite el estudio de ambos cortos (es decir, inmediata) y a largo plazo (es decir, en minutos días; una forma de aprendizaje motor) marcha modificaciones en respuesta a una nuevo cambio en el entorno a pie. Individuos pueden fácilmente ser defendidos para exposición previa a la cinta de cinturón de split, garantizando que todos los participantes experimentales no tienen (o equivalente) experiencia previa. Este papel describe un protocolo de adaptación típico split-cinta caminadora que incorpora métodos de pruebas para cuantificar el aprendizaje locomotor y generalización de este aprendizaje a otros contextos a pie. Una discusión de consideraciones importantes para el diseño de split-banda caminadora experimentos sigue, incluyendo factores como caminadora banda velocidades, descansos y elementos interactivos. Además, potencial pero escasamente variables confusoras (p. ej., movimientos de brazos, experiencia previa) son consideradas en la discusión.

Introduction

Una cinta de cinturón de split tiene dos correas que pueden manejar cada pierna a una velocidad diferente o en una dirección diferente. Este dispositivo fue utilizado primero hace como una herramienta más de 45 años para el estudio de coordinación entre las piernas (es decir, coordinación interlimb) durante la marcha1. Este y otros estudios iniciales utilizan principalmente gatos como un modelo experimental1,2,3, pero insectos fueron también estudiados4. Las primeras investigaciones de split-cinturón de locomoción en los infantes y adultos fueron publicadas en 1987 y 1994, respectivamente de5,6. Estos estudios iniciales en animales humanos y no humanos investigan sobre todo a corto plazo (es decir, inmediata) ajustes en coordinación interlimb para preservar la estabilidad y la progresión hacia adelante cuando las piernas son conducidas a velocidades diferentes. Un estudio de 1995 señaló que períodos más prolongados (varios minutos) de split-cinta caminar deterioraron la capacidad de humanos adultos para percibir la velocidad de la cinta caminadora y hacer los ajustes exactamente para igualar velocidades en cada lado. Esto sugiere que la asignación sensoriomotora de caminar ha sido recalibrado7. Sin embargo, no fue hasta 2005 que el primer informe detallado de cinemática de adaptación humana motor durante 10 minutos de split-banda caminadora caminar fue publicado8.

Adaptación de motor se refiere a un proceso impulsado por el error que asignaciones sensoriomotoras de movimientos bien aprendidas se ajustan en respuesta a una demanda nueva, previsible9. Es una forma de aprendizaje motor que se produce durante un período de práctica prolongado (minutos a horas) y resultados en efectos secundarios, que son cambios en el patrón de movimiento cuando se retira la demanda y condiciones de volver a la normalidad. Por ejemplo, caminar en split-correas inicialmente causa gente caminar con coordinación interlimb asimétrica, que se asemeja a una cojera. Durante varios minutos a pie de split-correa, personas adaptan su poca coordinación para que su andar se vuelve más simétrica. Cuando los dos cinturones de volver posteriormente a la misma velocidad (es decir, atado correas), así restablecer condiciones normales de a pie, gente demostrar efectos caminando con coordinación asimétrica. Estas secuelas deben adaptarse activamente eliminar o ignorantes durante varios minutos de cinturón atado a pie antes de coordinación caminar normal sea restaurado8.

Después de los 2005 Reisman et al. 8 análisis cinemática de correa dividida en seres humanos, el uso de la cinta de cinturón de split en los estudios publicados ha aumentado aproximadamente diez veces en comparación con la década anterior. ¿Por qué es la cinta de cinturón de fractura cada vez más popular como una herramienta experimental? Split-correa paseo es claramente una tarea de laboratorio, el análogo más cercano de reales es girar o caminar en un círculo apretado, pero la cinta de cinturón de fractura induce una versión más extrema del rodaje, con una pierna es impulsada por dos a cuatro veces más rápido que el otro. El hecho de que la cinta de cinturón de split es que una tarea altamente inusual caminar ofrece varias ventajas para el estudio de aprendizaje locomotor. En primer lugar, es novedoso para la mayoría de las personas independientemente de su edad y de poca experiencia; es fácil a los participantes experimentales pantalla para la novedad de caminar de la correa de split. En segundo lugar, la cinta de cinturón de fractura induce cambios considerables en interlimb coordinación que no se resuelven rápidamente. Las tarifas relativamente lentas de adaptación y la adaptación nos permiten estudiar formación diferentes intervenciones pueden alterar estas tasas sin acercarse a un techo. Tercero, la cinemática8,10, cinética11,12,13,14, electromiográficos6,15,16 , y perceptual7,17,18,19 modificaciones que ocurren con la adaptación de la cinta de cinturón de split han sido bien estudiados, como tiene el control neural de esta tarea20 ,21,22. En otras palabras, las adaptaciones a la cinta de cinturón de split han sido documentadas y replicada por varios grupos diferentes, lo que lo convierte en una tarea de aprendizaje locomotor bien caracterizado.

En los últimos diez años, varios estudios han demostrado la naturaleza de la tarea y contexto específicos de adaptación de split-correa. Secuelas tras adaptación de split-correa se redujeron significativamente en amplitud si se prueban bajo condiciones distintas de la condición del entrenamiento. Por ejemplo, las secuelas son menores si la persona se traslada a un entorno diferente (por ejemplo, suelo caminar23), realiza una tarea diferentes locomotrices (por ejemplo, hacia atrás caminando o corriendo13, 24), o incluso camina a una velocidad que es diferente de la velocidad de la cinta más lento durante la adaptación25. Esfuerzos para establecer los parámetros que rigen la generalización de la adaptación del aparato locomotor están en curso.

El objetivo de este trabajo es describir un protocolo para el uso de la cinta de cinturón de split para investigar la adaptación humana aparato locomotor y generalización del patrón adaptado a otros contextos a pie (es decir, poca velocidad y entornos). Mientras que el protocolo descrito aquí es la más directamente derivada de la utilizada en Hamzey et al. 25 (figura 1a), cabe señalar que este protocolo fue informado por un número de estudios que le precedió en8,23,24,26, 27,28. El método fue desarrollado originalmente para probar la hipótesis de que mantener la constancia en la velocidad que camina entre la cinta y en entornos de tierra mejoraría la generalización de split-correa caminar a través de estos diferentes ambientes25. En la siguiente sección del Protocolo, le damos las instrucciones replicar esta versión del método split-cinta caminadora, con notas que indican cómo ciertos pasos de protocolo pueden ser modificadas para fines diferentes.

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Protocol

todos los procedimientos han sido aprobados por la Junta de revisión institucional en la Universidad de Stony Brook.

1. Montaje experimental

Nota: Consulte el Archivo complementario 1-definiciones para definiciones de términos comunes utilizados en los experimentos de split-banda caminadora.

  1. Pantalla de todos los participantes de experiencia previa con la cinta de cinturón de split.
    Nota: Las personas han demostrado readaptar más rápido a la caminadora de split-cinturón después de una exposición previa a ella 29 , 30. El plazo en que las personas " olvidar " la cinta de cinturón de split no se conoce en la actualidad; así, la experiencia previa con la cinta de cinturón de split puede ser una variable de confusión si no se controla.
  2. Llevar a cabo todas las pruebas en un entorno tranquilo y reducir al mínimo la actividad en el cuarto de prueba.
  3. Sistema para arriba un movimiento sistema (según las instrucciones del sistema) de seguimiento al movimiento de registro en una cinta de cinturón de split y en una calzada de tierra.
    Nota: por ejemplo, el protocolo actual utiliza un movimiento de sistema de seguimiento con marcadores de LED activados. Cuatro unidades de trípode montado sensor detectaron la posición tridimensional de los marcadores activos, con dos unidades a cada lado (derecho e izquierdo de la cinta) y dos a cada lado de una 7 m sobre la calzada de tierra.
  4. Equipar al participante con movimiento de seguimiento de marcadores, electromiografía, etcetera.
  5. Considerar como una partición entre las dos correas de la cinta de cinturón de split para evitar que las piernas de cruzar a la banda contralateral. Esta partición no es estrictamente necesaria para adultos neurológicamente intacto pero puede ser útil para las pruebas de los niños o las poblaciones clínicas. Tenga en cuenta que la presencia de una partición probablemente aumenta la anchura de paso; sin embargo, se desconoce la magnitud que esto afecta a split-correa adaptación.
  6. Crear un arnés de seguridad sobre la cinta de correr para proteger el participante caiga durante la cinta para correr caminar.
    Nota: El arnés no debe soportar su propio peso, a menos que esto es parte de la pregunta de investigación. Aunque caer durante la marcha de la cinta de correr es excesivamente raro, muchos consejos de ética de investigación requieren uso de arnés de seguridad.
  7. Mantener consistencia en el brazo de movimiento a través del paradigma experimental y de los participantes. Cuando decidir sobre el tipo de movimiento del brazo (p. ej., con pasamanos, haciendo pivotar los brazos naturalmente), lo que será cómodo para el grupo de tema y si swing típico brazo será ocultar la visibilidad de críticas marcadores utilizados para el movimiento capturan) por ejemplo, para los marcadores colocados en las caderas).
    1. Independientemente del movimiento del brazo, encomendamos a todos los participantes sujetar barandillas al arranque y la parada de la cinta de seguridad.
  8. Mantener la uniformidad en la inclinación en el paradigma experimental.
    Nota: A nuestro conocimiento, todos los protocolos publicados split-cinta caminadora, incluyendo el actual, han utilizado cero pendiente para caminadora y poca tierra.

2. Período de línea base

Nota: el propósito del período base es establecer qué coordinación caminar normal es para cada persona. Coordinación de la línea de base debe analizarse en todas las condiciones que se analizan secuelas. Por ejemplo, en el protocolo actual, secuelas fueron probados durante la caminadora y en terreno caminar a diferentes velocidades (0,7 y 1,4 m/s). Por lo tanto, se incluyeron referencia sobre ensayos de suelo y caminadora en 0,7 y 1,4 m/s. Esto permite una comparación directa de secuelas a coordinación poca referencia a la misma velocidad y contexto. Sobre el suelo a poca base ensayos pueden eliminarse cuando los objetivos experimentales no incluyen generalización sobre suelo caminar.

  1. Para sobre ensayos de referencia tierra, instruir a los participantes a caminar sobre la tierra en una pasarela donde se recogerán los datos de captura de movimiento. Recoger un mínimo de 10 ciclos de zancada para establecer la línea base sobre suelo caminar.
    1. Si el sistema de captura de movimiento sólo permite la captura de movimiento en un espacio limitado, que el participante realice varias pasadas (p. ej., ensayos) a través del espacio de captura de movimiento. Al final de cada ensayo, el participante que pare, gire en su lugar y preparar para el investigador ' cue s para comenzar el ensayo siguiente.
    2. Para cada ensayo, asegúrese de que al menos dos ciclos de zancada se realizan dentro del espacio de captura de movimiento, no incluyendo los ciclos de primera y la última zancada.
      Nota: Estos ciclos inicial y final de la zancada se descartarán de análisis como son pasos de aceleración/desaceleración, estado no estacionario caminando.
    3. Que los participantes realizan varias (normalmente 10) sobre suelo pocos ensayos.
      1. Si se desea una velocidad específica, que el participante a pie a esa velocidad en la caminadora (en correas de atado) familiarizar a éste con la tarea. Luego, volver a la pasarela, instruir a los participantes a caminar a la misma velocidad como ella lo hizo en la cinta y tiempo al participante durante cada ensayo de sobre la tierra caminando. Dar feedback verbal entre cada ensayo a velocidad lenta o hasta abajo, si es necesario 25.
  2. Caminadora base de ensayos, instruir a los participantes a caminar sobre las correas de atado 1-5 min
    Nota: Esto constituye una prueba de referencia solo. Si el participante no está familiarizado con la cinta para correr caminar, este período puede ser alargado para permitir que la persona se siente cómodo con la tarea. Ensayos de
    1. partido speed(s) de línea de base para la speed(s) en el que se probarán los efectos secundarios, para permitir la comparación de la coordinación de la marcha de pre- y post-adaptación a velocidades equivalentes.
      Nota: Múltiples ensayos de línea de base (es decir, bloques de 1-5 min) a diferentes velocidades de correa atado pueden ser necesarios; por ejemplo, en el actual protocolo, ensayos de línea de base a velocidades de correa atado de 0,7 m y 1,4 m/s se colectaron porque eran las velocidades que se utiliza para evaluar efectos.

3. Período de adaptación

Nota: los participantes no necesitan ser instruidos que están a punto de caminar en cinturones de split. En muchos experimentos, incluyendo el actual, los participantes no se dijeron si cinturones será atado o split-; simplemente se les dice cuando la cinta se va arrancar o parar. Esto permite que el experimentador medir los efectos de un cambio imprevisto en el ambiente poca.

  1. Mientras que el participante está de pie sobre las bandas de caminadora estacionaria, Inicio la cinta de cinturón de split con un cinturón de correr más rápido que el otro y permitir que el participante caminar por al menos 7 min (10-15 minutos es más común).
    1. Instruir a los participantes a mirar recto hacia delante, no hacia abajo a sus pies.
    2. Establecer una velocidad de banda más rápido que el otro (p. ej., 2-3 veces las diferencias entre velocidades de correa).
      Nota: Coeficientes de velocidad más altos se han utilizado en el pasado de 8 , 31. El protocolo actual utiliza 0.7:1.4 m/s para una proporción 2:1.
      1. Aleatorias que pierna es impulsada por la correa más lento o elegir constantemente una pierna (ya sea dominante o no dominante) como la pierna que es conducida por la correa más lento.
        2. Diferencial de
      2. la velocidad de la cinta se puede introducir poco a poco (velocidad rápida de la banda es banda incrementalmente mayor o lenta velocidad incrementalmente disminuido durante varios minutos) o bruscamente (desde posición de parado, correas de acelerar a velocidad de objetivo dentro de segundos).
        Nota: La forma en que se introducen los cinturones de split puede afectar a cómo los individuos se adaptan, así transfieren el patrón adaptado a diferentes ambientes poca y así volver a adaptarse a split-correas 24 h más tarde 27 , 32. en la actualidad, mayoría de los protocolos del caminar de split-correa (incluida la actual) introduce los cinturones de split abruptamente.
      3. Si se prevé que se rompe será necesario (p. ej., para niños, adultos mayores o personas con movilidad reducida), añadir descansos predeterminado en el protocolo para todos los participantes. Asegurarse de que la duración de estas pausas es constante; roturas imprevistas deben ser grabadas y programados, como puede ser un factor a considerar en el análisis 33.

4. Coger juicio

Nota: ensayos de captura se realizan en la caminadora (correas de atado) y se utilizan para probar brevemente el participante ' efectos s hasta ahora en el protocolo, que indica cuánto se han adaptado. Un ensayo de captura es un cortocircuito (generalmente < 20 s) período de cinturón atado a pie para evaluar rápidamente el desarrollo de efectos secundarios durante el periodo de adaptación de split-banda.

  1. Una vez el participante ha adaptado completamente a split-correas (mínimo de 7 min caminando de split-correa), brevemente detener los cinturones y reiniciar la caminadora con ambos cinturones de la corriente a la misma velocidad. Realizar el ensayo de captura a partir de la cinta a la misma velocidad como la banda más lento durante la adaptación de split-correa 28 como secuelas más grande aquí.
    1. Para maximizar la amplitud de la secuela después de split-correa adaptación a 0.7:1.4 m/s, realizar el juicio captura a 0,7 m/s.
  2. Para mitigar la adaptación, terminar la prueba de captura (es decir, deje la caminadora) una vez que el participante ha dado cinco pasos en el deseado coger velocidad de prueba (~ 10-15 s).
  3. Para evaluar efectos secundarios en los ensayos de captura realizada a varias diversas velocidades a pie (u otros cambios en pocos contextos, por ejemplo, remite y caminar hacia atrás 24), volver a adaptarse al participante por al menos 2 min en Split-correas entre cada uno coger juicio.
    Nota: El orden de los ensayos de captura debe ser al azar 25 o el primer ensayo de captura debe ser re-probado cerca del final del período de adaptación para determinar si hubo una sistemática disminución de tamaño de la secuela con el cambio repetido de entre correas atadas (ensayos de captura) y split-correas (readaptación) 28.
  4. Tras el último coger juicio, deje la caminadora y reiniciar con split-correas (misma configuración como adaptación - ver paso 3.1.2) 2-5 minutos permitir que el participante vuelva a adaptar.

5. Adaptación post-prueba secuelas durante sobre suelo caminar

Nota: este paso es opcional y depende de los objetivos del experimento. En el presente Protocolo, los objetivos incluyen evaluación de generalización sobre suelo caminar, así una adaptación posterior sobre ensayos en tierra era período incluida.

  1. Detener la cinta y transferencia al participante a la calzada de tierra utilizando una silla de ruedas, para evitar que los participantes dando pasos sin registrar antes de llegar a la zona de grabación.
  2. Instruir a los participantes a caminar por la pasarela de la superficie, como en el paso 2.1.
    1. Si se desea una velocidad de marcha específica, instruir individuos para replicar la base de referencia a poca velocidad 25.
    2. a totalmente lavado-hacia fuera sobre suelo caminar secuelas así que gente regresa a la coordinación de su línea de base, que los participantes realizar los pases a pie 10-15 en una 6 m sobre la calzada de tierra
      Nota: Se ha demostrado ser suficiente 26 , 27 y asciende a unos 30 pasos 27. Si en tierra caminando no se registra continuamente (por ejemplo, se toman varias pasadas a través del área de grabación), habrá varios pasos que no se analizan entre cada suelo caminar ensayo, como el participante se ralentiza, se convierte en el lugar, y comienza a caminar en otra dirección. El índice de la adaptación en durante ensayos de la adaptación (OG PA) de tierra debe ser interpretado con cautela a menos que el montaje experimental permite grabación continua de sobre suelo caminar.

6. Adaptación post-prueba secuelas durante la cinta de correr caminar

Nota: como en el paso 5, este paso es opcional y depende de los objetivos del estudio. Si un período de OG PA se incluyó, el periodo de adaptación después de caminadora posteriores pruebas para detectar la presencia de secuelas de caminadora después sobre secuelas de la tierra han sido descoloridas 23 , 26 , 27. Si no ha habido ningún período de OG PA, el periodo de adaptación después de rueda de ardilla puede utilizarse para evaluar las secuelas de la cinta de correr (primer 1-5 pasos de la adaptación) o adaptación la caminadora precios 22 , 29 , 34.

  1. Si no hubo PA de OG, al final del período de adaptación, breve parada la cinta y volver a empezar con las correas de atado. Si hubo una tierra periodo caminar, usar la silla de ruedas para el transporte de los participantes a la caminadora estacionaria y volver a empezar con las correas de atado; la silla de ruedas es importante para reducir al mínimo el número de pasos que no son grabados.
    1. a simplemente medir el tamaño de la secuela, cinturón atado a pie por un corto período de registro (por ejemplo, 30 s). Para evaluar las tasas de la adaptación, grabar correa de atado continuo caminando durante un mínimo de 10 minutos para asegurar el completo lavado a efectos.
    2. Ajustar la velocidad de las correas atadas durante el período de post-adaptación según las hipótesis planteadas, como la cinta más grande secuelas ocurren cuando la velocidad de la cinta atada coincide con el de la correa más lento durante la adaptación de split-correa 25 , 28. Si la adaptación se realiza a velocidades split-cinturón de 0,7 y 1,4 m/s, ajustar la velocidad del cinturón atado a 0,7 m/s para observar las secuelas mayores.

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Representative Results

Caminar sobre una cinta de cinturón de fractura inicialmente provoca grandes asimetrías en coordinación interlimb. Durante un período de 10-15 minutos, poco a poco se restablece simetría en muchas de estas medidas. Detallada descripción de cómo cinemática a pie cambio de parámetros sobre el curso de adaptación de la cinta de cinturón de split ha sido publicado en otra parte8,10. Este trabajo se centra en dos medidas de coordinación interlimb: paso longitud y duración del doble apoyo. Longitud del paso se calcula como la distancia antero-posterior entre los dos pies (es decir, la distancia entre marcadores colocados en el maléolo lateral de seguimiento del movimiento) en el contacto inicial (es decir, golpe de talón). Longitud de paso lento se calcula cuando aterriza la pierna la correa más lento; longitud de paso rápido se calcula en huelga del talón de pierna rápido. Longitud de paso principalmente se considera una medida espacial de coordinación interlimb, aunque también puede ser influenciado por cambios en la sincronización del paso10. Duración del doble apoyo es una medida temporal de coordinación interlimb, definida como la duración de la época cuando ambos pies están en contacto con el suelo; lenta doble apoyo ocurre al final de la postura de pierna lento y rápido doble de la ayuda está en posición terminal rápido de la pierna. Duración del doble apoyo se divulga como porcentaje del duración del ciclo del paso. Para longitud de paso y la duración del doble apoyo, las diferencias entre los valores obtenidos de cada pata dan una medida de poca simetría (marcha simétrica: diferencia = 0; marcha asimétrica: diferencia ≠ 0). Los valores absolutos de estas dos métricas durante la posterior adaptación a pie se denominan colectivamente "amplitudes de la secuela".

La figura 1 muestra a representante de resultados de los dos participantes en una cinta de cinturón de split experimentan25. Los participantes eran adultos jóvenes (< 40 años de edad) sin lesiones ortopédicas o neurológicas o enfermedades. El propósito de este experimento era probar cómo poca velocidad influye en la expresión de secuelas de split-cinta caminadora en diferentes ambientes (es decir, caminar en la caminadora y caminar sobre la tierra). El experimento comenzó con base períodos para caminar en la caminadora y sobre la tierra a diferentes velocidades de caminata (0,7 y 1,4 m/s); estas mismas velocidades a pie fueron utilizadas a efectos de prueba más adelante en el experimento. Ambos participantes caminaron con cerca simétrico espacial (diferencia de longitud de paso) y temporal coordinación interlimb (soporte de doble diferencia) durante estos ensayos de referencia.

A continuación, los participantes pisen split-cinturones con su pierna dominante en el cinturón rápido (lenta velocidad de la cinta: 0,7 m/s, velocidad rápida de la banda: 1.4 m/s). Los cinturones de fractura habían inducida inicialmente asimetrías en coordinación interlimb pero en varios pasos, ambos participantes adaptaron para restaurar la simetría de la línea de base. Tras 10 minutos de caminar de la correa de split, las correas fueron paradas y reiniciadas con ambos cinturones de la corriente a la misma velocidad para determinar el tamaño de la secuela (es decir, ensayos de captura). Estas capturas ensayos probados caminadora secuelas a 0,7 m/s y 1,4 m/s (orden aleatorio), con un período de readaptación de 2 min entre. En los ensayos de captura, ambos participantes demostraron secuelas que se expresaron como asimetrías frente de la dirección de la asimetría inducida por la cinta de cinturón de split en el inicio del período de adaptación. Efectos en la velocidad lenta (0,7 m/s) eran más grandes que ésos en la velocidad rápida (1,4 m/s), un resultado que fue confirmado en grupo analiza25,28.

Tras el juicio final de la captura, los participantes volver a adaptaron a split-correas y entonces fueron transportados por silla de ruedas a la calzada para ensayos de OG PA. Dependiendo de la asignación de grupo, se les pidió que caminar rápido o lento (0.7 m/s) velocidad (1,4 m/s). Mientras que ambos participantes demostraron secuelas (asimetrías de paso comparadas con el basal) en ensayos de OG PA, estos efectos secundarios no eran tan grandes como los probaron en la caminadora, ni parecían ser afectado tanto por la velocidad al caminar. Secuelas en 1 participante que caminó sobre la tierra a la velocidad más lenta eran aproximadamente del mismo tamaño como secuelas en el participante 2 que caminó sobre la tierra a la velocidad más rápida; Esto también se refleja en los análisis de grupo. En este experimento particular, caminadora post-adaptación ensayos no se realizaron debido a las secuelas de caminadora durante ensayos de captura fueron suficientes para probar las hipótesis. Sin embargo, muchos experimentos que prueba sobre tierra secuelas posteriormente retorno a la caminadora para probar la caminadora secuelas23,26.

Figure 1
Figura 1: paradigma Experimental (a) y paso a paso parcelas de adaptación de Split-correa b. (a) en el paradigma experimental, bloques de rellenas indican caminadora (TM) a pie, mientras que el open bloques indican caminando sobre tierra (OG). Pausas entre bloques de la cinta indican que la cinta fue brevemente detenida y reiniciar para volver a configurar la velocidad de la correa. Se realizaron pruebas lento, indicados por el subíndice "S", a 0,7 m/s; ensayos rápidos ("F") fueron a 1,4 m/seg. La velocidad de la lento y correas rápidas durante los ensayos de fractura-correa (SB) fueron de 0,7 y 1,4 m/s, respectivamente. 10 s atado correa ver ensayos en lento (CS) y rápido (CF) velocidades fueron ordenados al azar cerca del final de la adaptación. Todos los participantes experimentaron un paradigma idéntico hasta llegar a la fase de adaptación después del experimento, momento en el que se asignaron al azar a un grupo poca superficie lento o rápido. (b) solo participante diagramas paso por paso de los cambios en paso de la diferencia de longitud (superior) y la doble diferencia de apoyo (parte inferior). Para referencia, simetría perfecta se muestra en el eje horizontal en 0. Codificación de color corresponde a que en (a). De Hamzey, et al. 25 con el permiso de Springer. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Discussion

Numerosos estudios han demostrado ahora que personas adaptan coordinación marcha en cinta rodante de una cinturón de split para restaurar la simetría en los parámetros de coordinación interlimb como paso de largo y la duración del doble apoyo. Cuando las condiciones naturales de pie restaurada siguiente split correa caminar, los participantes continúan utilizando el patrón de marcha adaptado, lleva a secuelas que tienen que desaprender para volver a la coordinación normal de a pie. Los investigadores utilizan principalmente amplitud tasa y secuela de la adaptación para cuantificar la capacidad para aprender este nuevo patrón de caminar y de generalizar este aprendizaje a otros entornos y tareas a pie. Interpretar correctamente estos cambios en las tasas de adaptación y la amplitud de la secuela requiere pasos de adherencia cuidadosa a clave en el diseño experimental y la consideración de otros factores que pueden influir en estas medidas. En las siguientes secciones, destacan estas consideraciones, discutir escala velocidad caminadora para participantes de diferentes alturas y discutir cómo encaja esta técnica en el campo más amplio de aprendizaje motor.

Pasos críticos en el protocolo

El trabajo descrito en resultados representativos25,28 hace hincapié en la importancia de considerar la velocidad de marcha en el desarrollo de un protocolo de adaptación de split-correa en individuos neurológicamente intactos. Como se muestra en la figura 1, secuelas de la cinta de correr están más grandes cuando se prueban en correas atadas coincide con la velocidad de la cinta más lento durante la adaptación25,28. Por lo tanto, se recomienda diseñar protocolos de split-correa que secuelas y coordinación de referencia de cinta pueden ser probadas a la misma velocidad que el cinturón más lento durante la adaptación. También se recomienda que los investigadores comiencen análisis secuela sólo después de que los cinturones de alcanzan el 80% de su velocidad final desde las diferencias de velocidad muy pequeña (0,2 m/s) puede influir en la cinta secuela tamaño28. Curiosamente, secuelas, probados durante sobre suelo caminar no son tan sensibles a poca velocidad como caminadora secuelas25. Por lo tanto, es más importante precisamente seleccionar y controlar la velocidad de marcha durante ensayos de la secuela de cinta de correr que es durante ensayos de secuela de tierra en adultos jóvenes, neurológicamente intacto.

Además de controlar la velocidad de marcha, es importante minimizar los elementos interactivos y otras actividades en la sala de pruebas durante los experimentos de adaptación split-correa. Esta recomendación se basa en investigaciones que muestran que viendo un programa de televisión durante la marcha de la correa de la división redujo tasas de adaptación frente a condiciones no distraer tanto sanos más jóvenes (< 30 años)34 años (> 50 años)33 adultos. Incorporar periodos de descanso en el protocolo también puede afectar la adaptación - trabajo reciente ha demostrado que adultos mayores de 50 años «olvidan» el patrón adaptado durante 5 min sentado resto rompe en entre los ensayos a pie de split-correa, mientras que los adultos menores de 30 años de edad no33. Si se rompe se producen durante un protocolo de split-cinta caminadora, el tiempo y la duración de cada pausa deben documentados y posiblemente considerados como un factor en el análisis, especialmente cuando la muestra de estudio incluye personas que no sean adultos jóvenes sanos. Si se prevé que los participantes tendrán descansos (por ejemplo, niños o poblaciones susceptibles a la fatiga), roturas estandarizados deben integrarse en el protocolo de estudio para todos los participantes35.

Modificaciones y la resolución de problemas

Existe una gran gama de poca velocidad que podría considerarse como parte de un protocolo de split-cinta caminadora. Mientras que muchos investigadores optan por cocientes del número entero para velocidad de split de la banda (por ejemplo, las diferencias de 2:1, 3:1, 4:1), no hay ninguna razón por qué otras razones no podían ser utilizado (por ejemplo, como Yang et al. 31). Además, mientras que los usos actuales del protocolo velocidad de la caminadora de la misma para todos (todos los adultos, asignados al azar a diferentes grupos), puede ser necesario ajustar la velocidad de la caminadora al tamaño de la persona. Por ejemplo, en Vasudevan et al. 35, adaptación de split-correa se comparó entre las personas entre las edades de 3 a 40 años; claramente hubo grandes diferencias en la longitud de la pierna a través de esta muestra. Para tener en cuenta esto, cinta de correr velocidades fueron escala según la longitud de las piernas. Si la longitud de la pierna fue de 1,0 m, se establecieron velocidades split-banda caminadora a 1.0:2.0 m/s. Si la longitud de la pierna fue de 0,35 m, velocidades split-banda caminadora se establecen en 0.35:0.7 m/s. Este enfoque condujo a velocidades split-correa que eran manejables para todos los participantes, y la asimetría inicial inducida por cinturones de split fue comparable en los grupos de edad. Desde que fue publicado este documento, nuestro grupo también ha utilizado el número de Froude36 para normalizar la velocidad de la cinta de correr a través de los participantes de diferentes alturas37. El número de Froude es un parámetro adimensional utilizado para normalizar el péndulo-como el movimiento de caminar en el pueblo de longitudes de la pierna diferentes y bajo condiciones de carga diferentes. Esta relación establece que a poca velocidad es proporcional a la raíz cuadrada de la longitud de la pierna. Por lo tanto, un mejor enfoque en el futuro puede ser a escala de la velocidad con la raíz cuadrada de la longitud de la pierna y longitud de las piernas no absoluta. Mientras que la velocidad absoluta de la cinta puede variar en protocolos de split-cinta caminadora, recomendamos mantener un cociente constante velocidad de split-la banda a través de los participantes.

Hasta el momento en este debate se destacaron tres factores como las consideraciones principales en el diseño de experimentos de split-correa: a poca velocidad, distracción y roturas. Sin embargo, esto no es una lista exhaustiva. Existen numerosas modificaciones del protocolo posible, algunas de las cuales ya se han demostrado para afectar la adaptación y/o efectos secundarios, incluyendo la adición o la privación de estímulos sensoriales26,38,39 ,40, la tasa de aceleración de los cinturones de cinta en el principio de split-correa ensayos27la práctica estructura29y proporcionando retroalimentación durante la adaptación34,41. Secuelas tras caminar split-correa son muy robustos y se han replicado en numerosos estudios (por ejemplo, 8,24,25,26,27, 28,29 , 35). Si este Protocolo no produce secuelas robustos, las posibles causas incluyen cerebelosa daño o inmadurez21,35,42, cocientes de la velocidad de adaptación inadecuada o incorrecta selección de velocidades de correa atado para probar efectos posteriores (ver sección de discusión (a) y 25,28).

Limitaciones de esta técnica

Es importante reconocer que la cinta de split-correa evalúa la capacidad para realizar un tipo de aprendizaje locomotor. Específicamente, se evalúa la adaptación locomotor, definido utilizando la terminología de Martin et al. 9 como el proceso gradual, ensayo y error de modificar un movimiento bien aprendido (p. ej., caminar) en respuesta a una novela de perturbar el contexto o ambiente (p. ej., split-cinta caminadora). En otras palabras, adaptación del aparato locomotor puede considerarse como un componente de habilidad motor de aprendizaje, pero también hay muchos otros mecanismos para el aprendizaje de un nuevo movimiento.

Del mismo modo, hay varias maneras de cuantificar la adaptación locomotor, incluyendo valoración de marcha cinemática8,10, cinética11,12,13,14 , electromiografía6,15,16y la percepción de marcha asimetría7,17,18,19. El protocolo anterior se limita a la discusión de paso largo y el tiempo de doble apoyo, como estas medidas dirigidas más específicamente nuestra pregunta de investigación en Hamzey et al. 25 con respecto a la generalización espacial y temporal de adaptación locomotora sobre una base paso a paso. Aunque una discusión completa de cada medida de adaptación del aparato locomotor es más allá del alcance de este documento, existen una amplia gama de protocolos alternativos split-banda caminadora y medidas de resultado, que puede utilizarse para evaluar hipótesis únicas.

Otra limitación de la cinta de cinturón de split es que muchas de las medidas utilizadas de adaptación de la marcha (p. ej., paso de largo) son capturados en los puntos de tiempo discreto (e.g., ataque del talón). Sin embargo, caminar es un movimiento continuo y la adaptación es un proceso continuo que se produce al caminar. Muchos métodos de cuantificación de la adaptación así reducen un proceso continuo a tiempo discreto de puntos. Esto puede ser una preocupación en Modelado computacional, donde el curso del tiempo de adaptación es una variable clave (véase la sección de discusión (e) para más detalle sobre Modelado computacional de datos de adaptación).

Importancia de la técnica con respecto a los métodos existentes y alternativas

Mientras que esto no es el único método por el cual estudio locomotor adaptación y aprendizaje (por ejemplo, también ver 43,44,45,46,47, 4849,de,50), el paradigma de split-banda caminadora tiene muchos puntos fuertes. En primer lugar, la cinta de cinturón de split es nuevo para la mayoría de la gente y es fácil a la gente de la pantalla para experiencia de split-banda caminadora. Esto permite el estudio de la adaptación a una perturbación verdaderamente novedosa, a diferencia de ponderación de la pierna, tropezar, o caminar sobre obstáculos, que los animales más maduros, terrestres, patas han experimentado antes. En segundo lugar, no requiere de ninguna instrucción, los niños tan pequeños31,35,42 y personas con limitada motor voluntario de control (por ejemplo, después de lesión de accidente cerebrovascular o cerebro)23, 51 , 52 todavía puede realizar esta tarea. De hecho, personas con marcha asimétrica después de accidente cerebrovascular puede incluso experiencia beneficios a largo plazo a poca coordinación tras repetida caminadora split-cinturón formación53. En Resumen, la cinta de cinturón de split ofrece una técnica poderosa para estudiar la adaptación del aparato locomotor a través de muchas diversas poblaciones con diferentes experiencias de aparato locomotoras e incluso ofrece la posibilidad de un beneficio terapéutico para algunos.

Futuras aplicaciones o dirección después de dominar esta técnica

Hay muchas preguntas que quedan sin resolver acerca de los factores que afectan la adaptación del split-cinta caminadora, incluyendo algunos puntos que se presentaron en la sección de protocolo. Por ejemplo, los efectos del tipo de movimiento del brazo (p. ej., sosteniendo barras versus brazos naturalmente) y los efectos de la dominación de la pierna en la adaptación del aparato locomotor no han todavía sido completamente investigados (aunque véase 54). Además, mientras que un cuerpo creciente de trabajo computacional ha comenzado a modelar los procesos de adaptación del aparato locomotor10,55,56,57, esta área de investigación es todavía subdesarrollada en comparación con los computacionales modelado de adaptaciones de movimiento (es decir, sacada) ojos o extremidades superiores. Esta disparidad se debe en parte a caminar siendo un movimiento más complicado de movimientos sacádicos llegando a o los ojos, ya que involucra dos miembros, múltiples articulaciones y compromete otros sistemas relacionados con la estabilidad y el control postural. La dificultad creciente de modelado de datos de caminar también es debido al hecho de que caminar es un movimiento continuo, mientras que alcanzar y movimientos sacádicos son movimientos discretos. El primer alcance o el movimiento del ojo en el bloque de adaptación es indicativo de reacción inicial de los participantes a los cambiantes parámetros sensoriomotoras de la tarea. En cambio, el primer punto de datos de poca adaptación se obtiene sólo una vez que la cinta ha alcanzado el 80% de su velocidad objetivo. Mientras que la cinta de correr a la velocidad, las piernas están reuniendo información sobre las velocidades relativas de la correa incluso antes de que se inicie la recolección de datos. Así, por el momento el primer punto de datos se registra poca adaptación, la persona ya ha obtenido información sobre la tarea de adaptación. Dependiendo de cómo rápidamente gente puede ajustar coordinación de la marcha a esta información, procesos de adaptación pueden ocurrir antes de los primeros pasos analizables. Esto hace que la primera reacción a split-correas para cambiar con repetidas exposiciones29 y en diferentes grupos participantes52, añadiendo dificultad al proceso de modelado porque el punto de partida no es siempre la misma. Sin embargo, algo muy interesante de trabajo computacional ha comenzado a surgirclase de SUP = "xref" > 10,55,56,57, que seguramente enriquecerá el campo y generar predicciones sobre cómo la gente responderá a diversas variaciones del protocolo split-cinta caminadora en el futuro.

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Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgments

Este trabajo ha sido financiado por un americano corazón Asociación científico desarrollo Grant (#12SDG12200001) a E. Vasudevan. Afiliación actual de R. Hamzey es el Departamento de ingeniería mecánica, Universidad de Boston, Boston, MA, USA. Afiliación actual de E. Kirk es MGH Instituto de profesiones de la salud Departamento de terapia física.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Split-belt treadmill Woodway
Codamotion CX1 Charmwood Dynamics, Ltd, Leicestershire, UK

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Comportamiento número 126 locomoción adaptación motor aprendizaje motor motor memoria coordinación interlimb generalización andar caminar split-banda caminadora
Con una cinta de cinturón de Split para evaluar la generalización de la adaptación humana Aparato Locomotor
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Vasudevan, E. V. L., Hamzey, R. J.,… More

Vasudevan, E. V. L., Hamzey, R. J., Kirk, E. M. Using a Split-belt Treadmill to Evaluate Generalization of Human Locomotor Adaptation. J. Vis. Exp. (126), e55424, doi:10.3791/55424 (2017).

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