Summary
提出了一种新的康复方法，用于在非对称反应的患者中重新平衡前庭系统，包括向弱侧单向旋转。通过直接修改前庭通路，而不是增强补偿的多感官方面，不对称可以在1-2个会话内规范化，并显示出持久效果。
Abstract
前庭系统提供有关头部运动的信息，并调解反射，有助于在日常活动中平衡控制和凝视稳定。前庭传感器位于头部两侧的内耳，并投射到脑干中的前庭核。前庭功能障碍通常是由于双方输入之间的不对称。这导致两个耳朵的神经输入不对称，这会产生旋转的错觉，表现为眩晕。前庭系统具有令人印象深刻的补偿能力，有助于重新平衡在中央一级处理来自两侧感觉端器官的不对称信息。为了促进补偿，诊所采用各种康复方案;然而，他们主要使用练习，以改善多感官整合。最近，视觉-庭训练也被用来改善有补偿性单侧病变的动物的前庭反射（VOR）。本文介绍了一种重新平衡人体两侧前庭活动的新方法。此方法由在黑暗中的五个单向旋转（峰值速度 320°/s）向较弱的一侧旋转。该方法的有效性在16例VOR不对称患者中连续的双盲临床试验中显示（通过响应正弦旋转的方向优势进行测量）。在大多数情况下，VOR不对称在一次会话后减少，在前两个会话中一周内达到正常值，其影响持续长达6周。再平衡效应是由于较弱方的VOR响应增加和来自较强方的反应减少。研究结果表明，单向旋转可以作为一种监督康复方法，以减少长期前庭功能障碍患者的VOR不对称。
Introduction
前庭功能障碍是一种常见的疾病，在40岁以上的成年人中患病率为+35%。大多数前庭障碍导致两侧输入之间的不对称，导致称为眩晕的旋转错觉。在缺乏正常前庭功能的情况下，即使是简单的日常活动也可能具有挑战性。前庭功能障碍通常由前庭反射（VOR）量化。在自然活动（如行走或跑步）期间，VOR 以与头部运动相同的速度以相反的方向移动眼睛。这种反射有±5 ms的短延迟，它通过简单的三神经元弧2在水平平面中介导。信息从前庭受体传到前庭核，然后传到腹腔运动神经元。这些眼部运动可使日常活动期间水平凝视稳定。VOR响应顺时针和逆时针旋转的对称性是对前庭功能的重要测试。
单侧前庭功能障碍产生中央补偿性变化和集中驱动的外围变化，以克服有缺陷的不对称VOR和由此产生的前庭不平衡。即使在永久性前庭病变（如单侧前庭神经切除术）之后，眩晕和伴随症状也会在短时间内（几天到几周）改善。由于这种能力，前庭系统一直是研究神经通路适应和补偿的模型。此前已经表明，中央前庭通路的变化可以通过基于作者之一（N.R.）在大约20年前提出的假设的单向旋转实现。其他研究也显示，感觉通路的不同部分，包括前庭核（VN）4，5，6，7，8，小球通路的补偿性变化在VN两侧9，小脑输入10，和前庭外围11之间。这些补偿性变化导致双方VN神经元的活动出现新的平衡。
尽管前庭系统能够补偿来自两只耳朵的不对称输入，但研究表明，对快速运动的反应从未得到完全补偿。现在已知，自然前庭补偿不使用系统的全部容量，补偿的VOR反应可以改善在动物参加了视觉前庭训练14，15。众所周知，前庭康复练习通过增强平衡控制的（非前庭）多感官特性，改善慢性不平衡问题患者的补偿。18,19,20,21.这些前庭康复练习的目标是使用生理或行为方法改善症状，以及病人的生活质量和独立性22，23。
本文所述是一种康复方法，使用单向旋转对"较弱"的一侧（图1A）。这种方法的基本思想来自Hebbian的可塑性，其中神经连接在受到刺激时会变得更强。这种方法专门修改前庭输入，而不是加强多感官整合，这是其他前庭康复练习的基础。先前的研究表明，单向旋转减少VOR不对称在1-2个会话的单方面前庭功能障碍3患者。这种影响主要是由于反应较低的一方的活动增加，以及反应较高的一方的活动略有下降。这种变化最有可能通过中央路径的修改（例如，加强一个透面通路（如 VN 连接或电子输入的变化）来调节。实际上，这种技术可以作为长期前庭不对称者前庭康复的监督方法。
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Protocol
这里提供的数据和以前发表的3份数据是根据伊朗德黑兰沙希德·贝赫什蒂医科大学伦理委员会的建议和经伊朗政府批准的一项议定书获得的。大学机构审查委员会。
1. 参与者筛选和准备
- 招募有一年以上平衡问题史的参与者。
注：前庭补偿在病变后的第一个月最为有效。选择一年的时间点是为自然补偿提供足够的时间，以到达其高原，并确保患者没有波动前庭障碍。 - 对患者使用以下排除条件：
- 可能影响中枢前庭通路（如头部创伤、中风、脑肿瘤等）的中枢神经系统问题史，需要适当补偿。
- 被诊断为波动前庭障碍（例如，良性痉挛性位置性眩晕 [BPPV] 或梅尼埃病）。
- 应排除使用其他形式的前庭康复或身体活动类型（例如运动员），这些身体活动可以独立于单向旋转康复改善前庭补偿。
注：建议此标准仅用于研究目的和控制无关变量。
- 不要根据年龄或性别限制参与者。
注：与其他补偿类似，这种康复方法对老年受试者的影响预计不太明显。 - 指导参与者在每次实验前至少1天不要使用任何抑制中枢神经系统的药物，包括抗组胺或任何抗眩晕药物。
- 指导参与者在每次实验前至少1天不要使用任何神经系统兴奋剂，包括安非他明和咖啡因。
- 指示参与者不要饮用有损正常功能的酒精饮料，因为这可能干扰前庭系统的运作并影响结果。
2. 前视反射（VOR）的测量
- 使用视频造影术 （VNG） 或电子造影术 （ENG） 测量全身旋转期间的 VOR 响应。
注： 结果部分中提供的数据由 ENG 记录。影片中显示的当前设备使用 VNG。 - 在黑暗中执行所有录像，头部向下放置 30°。
注： 出于可视化目的，关联的视频不会在黑暗中执行。 - 要求学员坐在旋转椅上，用安全带将其固定在椅子上，戴上红外线护目镜，并将头枕头固定在 +30° 的下鼻位置。
- 参与者适应黑暗后，通过要求他们观察以[10°]角度（例如，右、左、上、下线）投射在墙上的激光目标来校准眼睛信号。
- 一旦眼动仪被精确校准，当受试者准备好时，就开始运行该协议。
- 在所有前庭测试中，通过询问受试者或让他们做心算（例如，从100倒数）来保持受试者的警觉和分心。
3. 单向旋转刺激
- 当主体坐在旋转椅上时，使用由非对称三角速度曲线组成的单向旋转，其加速度为 80°/s2超过 4 s，以达到 320°/s 的最大速度，然后在 10°/s2处缓慢减速停在大约30秒。
注： 缓慢减速尤为重要，以便平稳停止，以避免刺激对方。 - 每隔 1 分钟执行五次此类旋转。五个旋转一起被认为是一个康复会议（图1B）。
- 在最后一次单向旋转后，将受试者放在椅子上，以双向正弦谐波加速度 （SHA） 旋转测试对称性，在单向旋转后 40 分钟和 70 分钟。
注意：将患者放在椅子上将减少可变性。 - 在 0.05 Hz、0.2 Hz 和 0.8 Hz 的频率下使用广泛的正弦旋转执行 SHA 测试，峰值速度为 60°/s。
注：对于结果中显示的数据，所有评估均使用0.2 Hz（40°/s）的正弦旋转。
4. 实验设计
- 在初始会话期间，使用全套前庭测试（见下文）评估受试者，以测试 VOR 不对称并排除任何中心问题。
- 一周后，让受试者进行单向旋转和 SHA 测试（步骤 3.1_3.4）。
- 在前 2 周内每周重复此过程 2 次，然后在接下来的 2 周内每周重复 1 次（总共 6 个会话）。
- 在每个会话的开头（步骤 3.4）和结束（步骤 3.3 和 3.4）管理 SHA 测试，并计算方向优势 （DP） 作为不对称的度量：
其中：VHR和 VLR分别表示向响应较高 （HR） 和低响应 （LR） 的侧旋转期间的峰值眼速。
注： 定向优势为两个方向的旋转提供峰眼速度差的标准化测量。虽然它主要用于测量热量反应的不对称性，但它可以（并且）用于量化SHA 24、25、26、27、28中的VOR不对称性。 - 作为最后一个会话，在最后一次康复期后 1 周执行另一个 SHA 测试（步骤 3.4）。
5. 会议详情
-
初始会话
- 在第一次就诊期间，对患者的不平衡问题进行简要记录，以验证前庭不对称的持续时间，并确保没有波动紊乱的迹象。
- 执行一整套前庭测试，包括囊状、平滑追求、光动、凝视、定位和定位、热量和旋转测试。
- 只招募在旋转期间具有明显异常方向优势 （DP） 的 VOR 不对称患者，通常不对称值超过 10%。这将被视为每个主题的初始（基线）DP。
注：不同的设备可能提供不同的正常范围，最好使用为设备指定的范围，或基于实验室特定的规范数据来基于正常范围。 - 向受试者清楚地解释单向旋转的过程（一次5次）和会话总数（共6次）。
- 要求受试者签署一份经当地机构审查委员会批准的同意书（或相当于在美国境外进行的实验），同时明确告知他们，他们可以随时出于任何原因退出研究。
-
单向轮换会话（六次）
- 在六个会话（步骤 4.3 和 4.4）中，向受试者展示单向旋转（步骤 3.1–3.4）。
- 在每个康复会话开始时，执行 SHA 测试（步骤 3.4）并计算 DP 值。
注：这将为该届会议提供康复前DP和上届会议的康复后长期DP。 - 如果康复前的 DP 值在正常范围内（<10%），请勿执行单向旋转恢复在任何会话中，并指示主题返回下届会议。
- 如果康复前DP处于异常范围内，在SHA测试后等待5分钟，并进行单向旋转恢复。
- 在单向旋转恢复结束后 40 分钟和 70 分钟执行第二次 SHA 测试（步骤 3.4），并计算此会话的康复后 DP。
- 指示主题返回下一个会话。
-
最后一次会议（第七周）
- 仅执行 SHA 测试（步骤 3.4）并计算 DP 值。
注：这将作为最终的不对称测量。 - 请勿在此会话中使用单向旋转。
- 仅执行 SHA 测试（步骤 3.4）并计算 DP 值。
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Representative Results
通过测量在康复3后70分钟的0.2赫兹（40μ/s）正弦旋转测试的VOR，评估单向旋转的短期影响。图 2显示了 VOR 响应两个方向旋转期间的峰值眼速（图 2A）和 DP 的变化（图 2B）。在单向旋转后，对低响应 （LR） 的侧方向旋转的响应增加，对相反方向的旋转响应（响应较强的方向 [HR]）减少，导致VOR 不对称和 DP 值的降低。应该注意的是，在目前的研究中，反应的阶段没有计算，因为受试者有不对称的VOR反应，VOR阶段已知是补偿患者的敏感测量，具有正常对称增益，特别是在低频旋转26，29，30，31。
在多个会话中向对象公开单向旋转会进一步降低 DP 值。这种康复的效果在会话之间保持（图2C），累积效应导致大多数受试者在仅仅两次疗程后有正常的DP。与短期效应类似，DP的改善是由于对LR侧旋转的VOR响应增加，以及旋转至HR侧3期间VOR响应减少。
图1：单向旋转减少两侧之间的不对称。（A）显示单向旋转背后的假设的原理图。以低反应 （LR） 刺激侧和抑制响应较高的一侧（HR，红色箭头）将导致小分输入和直接对质输入的变化。这会增加LR神经元的响应，减少两侧之间的不对称（黑色箭头）。（B）实验设计和旋转模式。请点击此处查看此图的较大版本。
图2：单向旋转的短期和长期效应。（A）在第一个会话和单向旋转后 70 分钟，峰值眼速 （*/s） 对响应较低的侧旋转的响应增加 14%，对响应较高的侧旋转减少 16%（HR，n = 16）。虽然这些变化在统计学上没有显著性（LR： 25.0 = 2.2 vs. 26.75 ± 5.3 °/s， 配对学生的 t-测试， p = 0.23; HR： 35.0 × 3.6 vs. 26.0 = 4.4 °s， 配对学生的 t-test， p = 0.15）， 它们导致总体不对称性下降.误差条表示SEM.（B）相应的 DP 值显著降低（配对学生的 t 测试，p = 0.0006），并达到正常值。误差条表示SEM.（C）单向旋转的效果停留时间较长且是累积的。会前值在会话康复之前进行测量，会后值在会话中恢复后 70 分钟进行测量。负 DP 值表示与研究开始时相比，不对称方向的反转。会话与图 1B原理图类似。错误条表示 SEM。这个数字已由萨德吉等人修改。请点击此处查看此图的较大版本。
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Discussion
这里介绍的康复方法包括在黑暗中对前庭不平衡和VOR不对称患者反应较差（LR）侧进行重复的单向旋转。大多数康复技术加强多感官整合，以提高平衡16，17，18，19，20。此处介绍的方法针对前庭通路，其影响可以通过 LR 端 VN 响应的增加和 HR 端 VN 响应的减少来解释。这些影响可以在一个共发 VN 突触中介导，因为 LR 侧的传感器和神经单向刺激，并且 HR 端同时减少。它还可能通过改变公司输入来影响VN活动，众所周知，这些输入在前庭补偿9中起着重要作用。无论何种机制，该方法都为减少双方反应中的不对称性提供了有效途径。
先前的研究表明，反复旋转可能导致正常动物和人类的反应习惯32，33，34，35，36，37。虽然这与这些结果形成鲜明对比，但当系统补偿不对称时，情况会有所不同。此外，在设计单向旋转的一个关键步骤是有一个非常缓慢的减速，以避免刺激对方。以前的研究都没有使用这种不对称刺激。
这里发现，大多数受试者在两会后3日都表现出正常的DP。这表明，患者应在两次会议后进行评估，以确定其进展并规划未来的会议。此外，不知道DP的变化是否与视网膜滑点主观感知的变化相关。需要进行未来的研究，在单向旋转会话之前和之后使用标准化的前庭/平衡问卷来评估这种关系。最后，仅在较低频率（0.2 Hz）下评估VOR不对称的变化。1） 此治疗对 VOR 阶段或 2） 的影响，无论这种改善是否转移到更高的旋转频率或前庭脊柱通路需要进一步调查。
众所周知，与在家进行38、39、40、41、42的无监督练习相比，定制和受监督的锻炼在患者身上效果更好。 ，43 .在这里，为了执行单向旋转，使用昂贵的旋转椅来限制此方法的使用。然而，成功单向旋转的两个重要参数是加速时的峰值速度相对较高，减速缓慢，任何旋转椅都可以通过任何旋转椅来实现，患者可以使用经过训练的方式安全地连接到该旋转椅上。伙伴执行不对称的旋转，或使用远程保健方法。如果将来的研究得到证实，替代的低技术方法可能为执行这种前庭康复服务提供一种成本低得多的替代方案。
总体而言，在这项初步研究中，单向旋转为减少患者的VOR不对称提供了一种有效的方法，即使在补偿阶段也是如此。结果表明，该方法可作为治疗前庭康复的有效方法，即使在长期前庭功能障碍患者中也是如此。
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Disclosures
作者没有什么可透露的。
Acknowledgments
N.R.得到了沙希德·贝赫什蒂医学科学和卫生服务大学的研究基金的支持。S. G. S. 得到 NIDCD R03 DC015091 赠款的支持。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| VEST operating and analysis software | NeuroKinetics | ||
| Electronystagmograph | Nicolet | Spirit Model 1992 | Equipment used for collecting the data presented in the Results section |
| I-Portal NOTC (Neurotologic Test Center) | NeuroKinetics | Equipment shown for current studies and shown in the movie |
References
- Agrawal, Y., Ward, B. K., Minor, L. B. Vestibular dysfunction: prevalence, impact and need for targeted treatment. Journal of Vestibular Research. 23 (3), 113-117 (2013).
- Huterer, M., Cullen, K. E. Vestibuloocular reflex dynamics during high-frequency and high-acceleration rotations of the head on body in rhesus monkey. Journal of Neurophysiology. 88 (1), 13-28 (2002).
- Sadeghi, N. G., Sabetazad, B., Rassaian, N., Sadeghi, S. G. Rebalancing the Vestibular System by Unidirectional Rotations in Patients With Chronic Vestibular Dysfunction. Frontiers in Neurology. 9, 1196 (2018).
- Beraneck, M., et al. Long-term plasticity of ipsilesional medial vestibular nucleus neurons after unilateral labyrinthectomy. Journal of Neurophysiology. 90 (1), 184-203 (2003).
- Beraneck, M., et al. Unilateral labyrinthectomy modifies the membrane properties of contralesional vestibular neurons. Journal of Neurophysiology. 92 (3), 1668-1684 (2004).
- Sadeghi, S. G., Minor, L. B., Cullen, K. E. Neural correlates of motor learning in the vestibulo-ocular reflex: dynamic regulation of multimodal integration in the macaque vestibular system. Journal of Neuroscience. 30 (30), 10158-10168 (2010).
- Sadeghi, S. G., Minor, L. B., Cullen, K. E. Multimodal integration after unilateral labyrinthine lesion: single vestibular nuclei neuron responses and implications for postural compensation. Journal of Neurophysiology. 105 (2), 661-673 (2011).
- Sadeghi, S. G., Minor, L. B., Cullen, K. E. Neural correlates of sensory substitution in vestibular pathways following complete vestibular loss. Journal of Neuroscience. 32 (42), 14685-14695 (2012).
- Galiana, H. L., Flohr, H., Jones, G. M. A reevaluation of intervestibular nuclear coupling: its role in vestibular compensation. Journal of Neurophysiology. 51 (2), 242-259 (1984).
- Cullen, K. E., Minor, L. B., Beraneck, M., Sadeghi, S. G. Neural substrates underlying vestibular compensation: contribution of peripheral versus central processing. Journal of Vestibular Research. 19 (5-6), 171-182 (2009).
- Sadeghi, S. G., Minor, L. B., Cullen, K. E. Response of vestibular-nerve afferents to active and passive rotations under normal conditions and after unilateral labyrinthectomy. Journal of Neurophysiology. 97 (2), 1503-1514 (2007).
- Sadeghi, S. G., Minor, L. B., Cullen, K. E. Dynamics of the horizontal vestibuloocular reflex after unilateral labyrinthectomy: response to high frequency, high acceleration, and high velocity rotations. Experimental Brain Research. 175 (3), 471-484 (2006).
- Halmagyi, G. M., Black, R. A., Thurtell, M. J., Curthoys, I. S. The human horizontal vestibulo-ocular reflex in response to active and passive head impulses after unilateral vestibular deafferentation. Annals of the New York Academy of Sciences. 1004, 325-336 (2003).
- Maioli, C., Precht, W. On the role of vestibulo-ocular reflex plasticity in recovery after unilateral peripheral vestibular lesions. Experimental Brain Research. 59 (2), 267-272 (1985).
- Ushio, M., Minor, L. B., Della Santina, C. C., Lasker, D. M. Unidirectional rotations produce asymmetric changes in horizontal VOR gain before and after unilateral labyrinthectomy in macaques. Experimental Brain Research. 210 (3-4), 651-660 (2011).
- Whitney, S. L., Rossi, M. M. Efficacy of vestibular rehabilitation. Otolaryngology Clinics of North America. 33 (3), 659-672 (2000).
- Telian, S. A., Shepard, N. T. Update on vestibular rehabilitation therapy. Otolaryngology Clinics of North America. 29 (2), 359-371 (1996).
- Hall, C. D., et al. Treatment for Vestibular Disorders: How Does Your Physical Therapist Treat Dizziness Related to Vestibular Problems. Journal of Neurological Physical Therapy. 40 (2), 156 (2016).
- Hillier, S., McDonnell, M. Is vestibular rehabilitation effective in improving dizziness and function after unilateral peripheral vestibular hypofunction? An abridged version of a Cochrane Review. European Journal of Physical Rehabilitation Medicine. 52 (4), 541-556 (2016).
- Denham, T., Wolf, A. Vestibular rehabilitation. Rehabilitation Management. 10 (3), 93-94 (1997).
- Cooksey, F. S. Rehabilitation in Vestibular Injuries. Proceedings of the Royal Society of Medicine. 39 (5), 273-278 (1946).
- Enticott, J. C., Vitkovic, J. J., Reid, B., O'Neill, P., Paine, M. Vestibular rehabilitation in individuals with inner-ear dysfunction: a pilot study. Audiology and Neurootology. 13 (1), 19-28 (2008).
- Cohen, H. S., Kimball, K. T. Increased independence and decreased vertigo after vestibular rehabilitation. Otolaryngological Head and Neck Surgery. 128 (1), 60-70 (2003).
- Baloh, R. W., Halmagyi, G. M. Disorders of the vestibular system. , Oxford University Press. (1996).
- Furman, J. M., Cass, S. P., Furman, J. M. Vestibular disorders: a case-study approach. , 2nd edn, Oxford University Press. (2003).
- Brey, R. H., McPherson, J. H., Lynch, R. M. Balance Function Assessment and Management. Jacobson, G. P., Shepard, N. T. , Plural Publishing. 253-280 (2008).
- Funabiki, K., Naito, Y. Validity and limitation of detection of peripheral vestibular imbalance from analysis of manually rotated vestibulo-ocular reflex recorded in the routine vestibular clinic. Acta Otolaryngology. 122 (1), 31-36 (2002).
- Zalewski, C. K. Rotational Vestibular Assessment. , Plural Publishing. (2018).
- Furman, J. M., Cass, S. P. Ch. 17. Disorders of the vestibular system. Baloh, R. W., Halmagyi, G. M. , Oxford University Press. 191-210 (1996).
- Desmond, A. Vestibular function: evaluation and treatment. , Thieme. (2004).
- Shepard, N. T., Goulson, A. M., McPherson, J. H. Ch. 15. Balance function assessment and management. Jacobson, G. P., Shepard, N. T. , Plural Publishing Inc. 365-390 (2016).
- Clement, G., Flandrin, J. M., Courjon, J. H. Comparison between habituation of the cat vestibulo-ocular reflex by velocity steps and sinusoidal vestibular stimulation in the dark. Experimental Brain Research. 142 (2), 259-267 (2002).
- Clement, G., Tilikete, C., Courjon, J. H. Retention of habituation of vestibulo-ocular reflex and sensation of rotation in humans. Experimental Brain Research. 190 (3), 307-315 (2008).
- Clement, G., Tilikete, C., Courjon, J. H. Influence of stimulus interval on the habituation of vestibulo-ocular reflex and sensation of rotation in humans. Neuroscience Letters. 549, 40-44 (2013).
- Cohen, H., Cohen, B., Raphan, T., Waespe, W. Habituation and adaptation of the vestibuloocular reflex: a model of differential control by the vestibulocerebellum. Experimental Brain Research. 90 (3), 526-538 (1992).
- Maxwell, S. S., Burke, U. L., Reston, C. The effect of repeated rotation on the duration of after-nystagmus in the rabbit. American Journal of Physiology. 58, 432-438 (1922).
- Griffith, C. R. The Ettect Upon the White Rat of continued Bodily Rotation. American Naturalist. 54, 524-534 (1920).
- Shepard, N. T., Telian, S. A. Programmatic vestibular rehabilitation. Otolaryngologicla Head and Neck Surgery. 112 (1), 173-182 (1995).
- Itani, M., Koaik, Y., Sabri, A. The value of close monitoring in vestibular rehabilitation therapy. The Journal of Laryngology & Otology. 131 (3), 227-231 (2017).
- Pavlou, M., Bronstein, A. M., Davies, R. A. Randomized trial of supervised versus unsupervised optokinetic exercise in persons with peripheral vestibular disorders. Neurorehabilitation and Neural Repair. 27 (3), 208-218 (2013).
- Kao, C. L., et al. Rehabilitation outcome in home-based versus supervised exercise programs for chronically dizzy patients. Archives of Gerontology and Geriatrics. 51 (3), 264-267 (2010).
- Topuz, O., et al. Efficacy of vestibular rehabilitation on chronic unilateral vestibular dysfunction. Clinical Rehabilitation. 18 (1), 76-83 (2004).
- Black, F. O., Pesznecker, S. C. Vestibular adaptation and rehabilitation. Current Opinion in Otolaryngological Head and Neck Surgery. 11 (5), 355-360 (2003).
