Her tilbyder vi en protokol, der giver brugeren mulighed for selektivt at ændre affordances og / eller begrænsninger på bevægelser, der er relevante for at inddrive balance efter postural forstyrrelser.
Vurdering af reaktiv balance traditionelt pålægger en form for forstyrrelser til opretstående holdning eller gangart efterfulgt af måling af den resulterende korrigerende adfærd. Disse foranstaltninger omfatter muskel reaktioner, lemmer bevægelser, jorden reaktionskræfter, og endda direkte neurofysiologiske foranstaltninger såsom elektroencefalografi. Ved hjælp af denne tilgang, forskere og klinikere kan udlede nogle grundlæggende principper for, hvordan nervesystemet styrer balance for at undgå et fald. En begrænsning med den måde, hvorpå disse vurderinger anvendes i øjeblikket, er, at de i høj grad lægger vægt på refleksive handlinger uden behov for at revidere automatiske posturale reaktioner. En sådan eksklusiv fokus på disse meget stereotype reaktioner ville ikke i tilstrækkelig grad tage fat på, hvordan vi kan ændre disse reaktioner, hvis behovet opstår (f.eks undgå en hindring med et opsving skridt). Dette synes at være en himmelråbende udeladelse, når man tænker på den enorme kompleksitet af de miljøer, vi står over for dagligt. Samlet set status quo, når man evaluerer neurale kontrol af balance undlader at virkelig afsløre, hvordan højere hjerne ressourcer bidrage til at forebygge fald i komplekse indstillinger. Den nuværende protokol giver mulighed for at kræve undertrykkelse af automatiske, men uhensigtsmæssige korrigerende balance reaktioner, og tvinge en udvælgelse blandt alternative valg for at genoprette balancen efter postural forstyrrelser.
På trods af den anerkendte sammenhæng mellem fald og kognitiv tilbagegang1,2,3, en stor kløft fortsætter med at forstå, hvad hjernen rent faktisk gør for at hjælpe os med at undgå et fald. I teorien vil kognitive krav blive forstærket som miljømæssige kompleksitet stiger og i situationer, hvor vi er nødt til at revidere instinktiv adfærd. Men, de fleste balance test undlader effektivt at beskatte højere hjernefunktion, i stedet understreger refleksiv rettende reaktioner. Mens faktorer såsom responshastighed er afgørende for at forhindre et fald, kan yderligere kognitive faktorer, såsom hæmmende kontrol og/eller evnen til at vælge passende handling baseret på en given kontekst, også være vigtige i visse situationer. Som et resultat, en af grundene til at vi kan undlade at forstå hjernens rolle i reaktiv balance skyldes forskning protokoller i øjeblikket er i brug. Rogers et al. opsummerede for nylig de forskellige måder , hvorpå balancekontrol er blevet vurderet ved hjælp af ekstern forstyrrelser4. Disse metoder omfatter platform oversættelse, vipper og / eller dråber, samt brugen af automatiserede systemer, der skubber, trækker eller fjerner postural støtte. På trods af de mange forskellige teknikker, der anvendes til at forstyrre opretstående ligevægt, er de efterfølgende korrigerende reaktioner næsten altid lavet i et uhindret miljø, hvilket minimerer begrænsninger på bevægelse. Her foreslår vi en metode, hvor kognitive processer er nødvendige for at tilsidesætte præpotent handling og vælge passende svar blandt alternativer i en reaktiv balance opgave.
En almindelig måde at teste reaktiv balance på er at indføre relativt små posturale forstyrrelser , der kan imødegås ved hjælp af en fast støtte (typisk fødder på stedet) reaktion5,6,7,8,9. Forholdsvis færre undersøgelser har fokuseret på change-of-support balance reaktioner som reaktion på forstyrrelser via taljen trækker, platform oversættelse, og frigivelse fra et støttekabel Som et eksempel, se Mansfield et al.10. Betydningen af sidstnævnte gruppe kan værdsættes ved at erkende, at når forstyrrelser er store, er forandrings-af-støtte reaktioner den eneste mulighed for at genoprettestabilitet11. Faktisk, selv for mindre forstyrrelser, der kunne forvaltes ved hjælp af fødder-in-place (dvs. hofte og / eller ankel) strategier, folk ofte foretrækker at træde, når de får valget11. Værdien i at studere sådanne forandring-of-support reaktioner ligger ikke kun i det faktum, at en større størrelsesorden af forstyrrelser skal imødegås, men også de udfordringer, der opstår, når repositionering lemmerne til at etablere en ny støtte base. Tilstedeværelsen af affordances og / eller begrænsninger på handling er en regelmæssig del af mange virkelige verden indstillinger. Dette tvinger en udvælgelsesproces til at etablere en ny støttebase, når der opstår et tab af balance. For at tilpasse adfærd til komplekse miljøer, der er en øget efterspørgsel på højere hjerne ressourcer. Dette gælder især, når lemmerne skal etablere en ny base af støtte. At understrege og udsætte kognitive roller i reaktiv balance behovet for at genindføre rod og tvinge en change-of-support strategi med lemmerne synes logisk.
En enkel måde at levere en eksternt induceret postural forstyrrelser er lean & release teknik, hvor en person pludselig frigives fra en understøttet fremadlean. Denne fremgangsmåde gør det muligt at vurdere kompenserende reaktioner for at undgå et fremadrettet fald og er blevet anvendt med succes i både raske og kliniske populationer12,13,14. Selvom lean & release-teknikken er noget grundlæggende, giver den værdifuld indsigt i reaktiv balancekapacitet (f.eks. hvor hurtigt en person kan starte et opsvingstrin eller bestemme antallet af trin, der kræves for at genvinde stabilitet). Til for tiden giver lean & release teknikken en enkel måde at udforske kognitive roller i reaktiv balance, fordi mange af de forstyrrende egenskaber holdes konstant. Dette giver større eksperimentel kontrol over variabler, der er specifikt relevante for valg af handling og responshæmning. Mens andre former for postural uro typisk er afhængige af uforudsigelighed med hensyn til uroretning, amplitude og timing, er det omgivende miljø altid konstant. Selv i undersøgelser, hvor benblokke er blevet brugt til at understrege reach-to-grasp reaktioner15 blokkene er fastgjort på plads med ingen grund til hurtigt at tilpasse stepping adfærd baseret på tilstedeværelsen eller fraværet af et ben blok. Med den nuværende foreslåede metode, kan vi ændre miljøet på en måde, der kræver adfærdsmæssige tilpasning for at undgå et fald.
Ud over laboratorieindstillinger, der utilstrækkeligt udsætter kognitive roller i reaktiv balance, et andet stort problem er en stor afhængighed af eksterne foranstaltninger såsom muskel påsæt, jorden reaktionskræfter, og video motion capture til at udlede neurale processer. Selv om disse foranstaltninger er værdifulde, giver eneafhængighed af sådanne foranstaltninger ikke direkte indsigt i de underliggende neurale mekanismer, der bidrager til balance. Dette problem forværres, når man tænker på, at meget af, hvad hjernen kan gøre for at forhindre et fald i komplekse miljøer sandsynligvis sker før faldet. Prædiktive roller i efteråret forebyggelse er for nylig blevet drøftet mere omfattende16. Forskningsretningen omfatter forudsigelse af fremtidig ustabilitet17, opbygning af visuospatiale kort , som vi bevæger os gennem vores miljø18, og eventuelt danner uforudsete udgifter baseret på miljøet, selv uden forudgående kendskab til et fald19. Afsløring en sådan forberedelse ville være helt utilgængelige uden brug af direkte neurofysiologiske sonder.
Den modificerede lean & release tilgang som i øjeblikket foreslået giver et middel til at overvinde nogle af de eksisterende begrænsninger, der er nævnt. Dette gøres ved hjælp af en test scenario, hvor lemmerne er forpligtet til at etablere en ny base af støtte i et valg-krævende miljø. Denne tilgang forstærkes ved at inkludere direkte målinger af hjernens aktivitet (f.eks. transkraniel magnetisk stimulation, TMS) både før og efter postural uro, som kan supplere eksterne foranstaltninger til kraftproduktion og motioncapture. Denne kombination af eksperimentelle funktioner repræsenterer en vigtig nyskabelse på området for at afsløre, hvordan hjernen bidrager til balance i komplekse indstillinger, hvor responshæmning og udvælgelse af handlinger blandt muligheder er påkrævet for at forhindre et fald. Her demonstrerer vi en ny metode til at teste reaktiv balance i en indstilling, der understreger behovet for kognitive processer til at tilpasse adfærd for at undgå et fald. Kombinationen af forhindringer og affordances for action tvinger behovet for responshæmning, målrettet handling og svarudvælgelse blandt muligheder. Desuden demonstrerer vi præcis tidsmæssig kontrol over visuel adgang, timing af neurale sonder, ændring af responsmiljøet og debut af den posturale forstyrrelser.
Dette modificerede lean & release system giver en ny måde at vurdere kognitive roller i reaktiv balance. Som med standard lean & release procedure, retning og amplitude af postural forstyrrelser er forudsigelige til emnet, mens timingen af kabel frigivelse er uforudsigelig. Det unikke ved den nuværende tilgang er, at adgangen til synet styres præcist, mens emnet forbliver fast, og responsmiljøet ændres omkring dem for at skabe forskellige handlingsmuligheder og/eller begrænsninger. Ved at manipulere tilstedeværelsen af forhindringer og affordances denne metode understreger kognitive processer såsom beslutningstagning (dvs. handling udvælgelse) og respons hæmning i forhold til balance opsving.
Den foreslåede metode har potentiale til at give et unikt indblik i neurale kontrol af balancen, men udgør visse begrænsninger. For eksempel, når du bruger lean & release metode, kablet frigivelse er indledt fra en fremadrettet lean, hvilket kræver en udtalt balance opsving skridt sammenlignet med andre metoder til ekstern postural forstyrrelser10. Også, retningen og omfanget af forstyrrelser er forudsigelige, hvilket kan føre til foregribende aktivering af muskler, der normalt ikke ville være involveret i mere realistiske fald scenarier. Endelig er synet midlertidigt tilstoppet før kabelfrigivelse, hvilket også afviger fra en persons daglige oplevelse. Disse funktioner gør vores vurdering af balancen noget kunstig og kan udelukke generalisering på tværs af forskellige former for forstyrrelser. Det er vigtigt at erkende, at generaliserbarhed en virkeligverden falder er altid et problem, når drage slutninger om, hvordan balancen er kontrolleret fra en bestemt vurdering metode. Faktisk er en almindeligt anerkendt omfattende test for balance evne ikke i øjeblikket findes4. Til fortiden giver et fast fremadrettet fald mulighed for, at forstyrrelser og responsindstillinger kan holdes konstante, mens specifikke kognitive krav, der ofte overses eller er utilgængelige i traditionelle balancevurderinger, manipuleres. En sådan eksperimentel kontrol er gavnlig, men bør tages i betragtning ved fortolkningen af resultaterne.
Som en anden begrænsning kan konstruktionen af testudstyret og de nødvendige tekniske færdigheder udgøre en udfordring for gennemførelsen af denne metode. Tre elektroingeniør studerende fra Utah State University bygget platformen, oprette elektronik, og programmeret microcontrollers til at køre servo-motorer til håndtaget dække og ben blok. Byggeomkostningerne var beskedne (dvs. <$15.000, uden at inklusive de kraftplader, der var monteret på platformen). Ikke desto mindre kan dette udgøre en udfordring afhængigt af de disponible ressourcer.
Specifik indsigt i neurale kontrol af balancen blev opnået ved hjælp af denne fremgangsmåde. Disse eksempler viser, at noninvasive hjernestimulation kan bruges til at fange motoriske sæt baseret på visning af objekter i en postural sammenhæng og tilbyde en teknik til at vurdere responshæmning ved hjælp af muskelreaktioner. Især kunne den modificerede lean & release teknik let tilpasses til at indarbejde andre neurofysiologiske sonder såsom elektroencefalografi og funktionelle nær-infrarød spektroskopi. Selv uden inddragelse af direkte neurale foranstaltninger, undersøgelse design, der fokuserer udelukkende på eksterne kræfter, muskel aktivering, og kinematik kan give vigtig indsigt i adfærdsmæssige markører for kognitive underskud. For eksempel har Cohen etal. 26påvist et interessant program til brug af kraftplader til at registrere foregribende posturale skift under en reaktiv trædeopgave. I deres undersøgelse, underskud som respons hæmning hos ældre voksne blev afsløret ved uhensigtsmæssig vægtskift, hvilket igen førte til forsinkelser i valg-reaktion trin gange. En sådan tilgang kunne anvendes på det nuværende paradigme for at få følsomme mål for vægtskift og trædefejl.
Denne nye metode bygger ud fra en etableret reaktiv balancetest, hvor deltagerne frigives fra et understøttet lean, og indeholder nu scenarier, der kræver adfærdsmæssig fleksibilitet. Testdesign egnet til at udsætte respons hæmning og handling udvælgelse giver os en måde at anvende begreber fra kognitiv psykologi til domænet for balance kontrol. En sådan tilgang er nødvendig for at bygge videre på erkendelsen af, at kognitiv tilbagegang og faldprævalens er korreleret, og for at få en mekanistisk forståelse for, hvordan kognitive ressourcer forebygge falder. Formentlig denne opsætning kunne bruges ikke kun som et forskningsværktøj, men også som et middel til uddannelse kognitive roller i balance. Et vigtigt mål for det igangværende arbejde vores laboratorium er at forstå, hvordan hjernen udnytter kontekstuelle oplysninger til at opdatere, hvilken bevægelse ville være mest egnet til at forhindre et fald i betragtning af omgivelserne. Signaler såsom tilgængeligheden af et stabilt håndgreb eller en potentiel trinbarriere kan vejlede, hvilken reaktion der skal findes, hvis behovet opstår, og kan i det skjulte forme prædiktive hjerneprocesser16. Navnlig kan evnen til at anvende disse oplysninger på passende vis forringes med alderen, hvis der er behov for mentale evner såsom hæmmende interferenskontrol eller visuel rumlig hukommelse. I betragtning af forholdet mellem kognitiv tilbagegang og falder1-3, gennemføre undersøgelse design, der understreger et behov for at integrere kontekstuelle relevans kunne give værdifuld indsigt i balance underskud i mange sårbare befolkningsgrupper.
The authors have nothing to disclose.
Forskning rapporteret i denne publikation blev støttet af National Institute on Aging af National Institutes of Health under Award Number R21AG061688. Indholdet er udelukkende ophavsmændenes ansvar og repræsenterer ikke nødvendigvis de officielle synspunkter fra De Nationale Sundhedsinstitutter.
CED Power1401 | Cambridge Electronic Design | Data acquisition interface | |
Delsys Bagnoli-4 amplifier | Delsys | EMG equipment | |
Figure-eight D702 Coil | Magstim Company Ltd | TMS coil | |
Kistler Force Plates | Kistler Instrument Corp. | Multicomponent Force Plate Type 9260AA | Force plates |
Magstim 200 stimulator | Magstim Company Ltd | TMS stimulation units | |
PLATO occlusion spectacles | Translucent Technologies Inc | visual occlusion | |
Signal software | Cambridge Electronic Design | Version 7 |