Summary
Hier bieden we een protocol waarmee de gebruiker selectief affordances en/of beperkingen op bewegingen kan wijzigen die relevant zijn voor het herstellen van evenwicht na posturale verstoring.
Abstract
Beoordeling van reactieve balans legt traditioneel een soort verstoring op om rechtop houding of gang gevolgd door het meten van het resulterende corrigerende gedrag. Deze maatregelen omvatten spierreacties, ledematen bewegingen, grondreactie krachten, en zelfs directe neurofysiologische maatregelen zoals elektro-encefalografie. Met behulp van deze aanpak, onderzoekers en clinici kunnen afleiden sommige basisprincipes met betrekking tot hoe het zenuwstelsel controleert evenwicht om een val te voorkomen. Een beperking met de manier waarop deze beoordelingen momenteel worden gebruikt, is dat ze reflexieve acties sterk benadrukken zonder dat automatische posturale reacties hoeven te worden herzien. Een dergelijke exclusieve focus op deze zeer stereotiepe reacties zou niet adequaat ingaan op de vraag hoe we deze reacties kunnen wijzigen als dat nodig is (bijvoorbeeld het vermijden van een obstakel met een herstelstap). Dit lijkt een flagrante omissie wanneer men kijkt naar de enorme complexiteit van de omgevingen waarmee we dagelijks worden geconfronteerd. Over het algemeen, de status quo bij de evaluatie van de neurale controle van het evenwicht niet echt bloot te leggen hoe hogere hersenen middelen bijdragen aan het voorkomen van vallen in complexe instellingen. Het huidige protocol biedt een manier om onderdrukking van automatische, maar ongepaste corrigerende balansreacties te vereisen en een selectie uit alternatieve actiekeuzes te dwingen om het evenwicht na posturale verstoring met succes te herstellen.
Introduction
Ondanks de erkende correlatie tussen vallen en cognitieve achteruitgang1,2,3, een grote kloof blijft bestaan in het begrijpen van wat de hersenen eigenlijk doet om ons te helpen voorkomen dat een val. In theorie zouden cognitieve eisen worden geaccentueerd naarmate de complexiteit van het milieu toeneemt en in situaties waarin we instinctief gedrag moeten herzien. Echter, de meeste balans tests niet effectief belasting hogere hersenfunctie, in plaats daarvan nadruk reflexieve rechtse reacties. Hoewel factoren zoals reactiesnelheid essentieel zijn om een val te voorkomen, kunnen aanvullende cognitieve factoren, zoals remmende controle en/of het vermogen om passende actie te selecteren op basis van een bepaalde context, in bepaalde situaties ook belangrijk zijn. Als gevolg hiervan, een reden waarom we misschien niet begrijpen van de rol van de hersenen in reactieve evenwicht is te wijten aan onderzoek protocollen die momenteel in gebruik. Rogers et al. hebben onlangs de verschillende manieren samengevat waarop de balanscontrole is beoordeeld met behulp van externe verstoring4. Deze methoden omvatten platformvertaling, kantelt en/of druppels, evenals het gebruik van geautomatiseerde systemen die posturale ondersteuning duwen, trekken of verwijderen. Ondanks de grote verscheidenheid aan technieken die worden gebruikt om het rechtopstaande evenwicht te verstoren, worden de daaruit voortvloeiende corrigerende reacties bijna altijd gemaakt in een onbelemmerde omgeving, waardoor bewegingsbeperkingen worden geminimaliseerd. Hier stellen we een methode voor waarbij cognitieve processen nodig zijn om prepotente actie te overschrijven en geschikte antwoorden te selecteren tussen alternatieven in een reactieve balanstaak.
Een veel voorkomende manier om reactieve balans te testen is het opleggen van relatief kleine posturale verstoringen die kunnen worden tegengegaan met behulp van een vaste steun (meestal voeten-in-plaats) reactie5,6,7,8,9. Relatief minder studies hebben zich gericht op change-of-support balans reacties in reactie op verstoringen via taille trekt, platform vertaling, en release van een steunkabel Als voorbeeld, zie Mansfield et al.10. Het belang van deze laatste groep kan worden gewaardeerd door te erkennen dat wanneer verstoringen groot zijn, verandering-van-steun reacties de enige optie zijn om stabiliteit te herstellen11. In feite, zelfs voor kleinere verstoringen die kunnen worden beheerd met behulp van voeten-in-plaats (dat wil zeggen, heup en / of enkel) strategieën, mensen vaak de voorkeur aan stap wanneer de keuze11. De waarde bij het bestuderen van dergelijke change-of-support reacties ligt niet alleen in het feit dat een grotere omvang van verstoring moet worden tegengegaan, maar ook de uitdagingen die ontstaan bij het herpositioneren van de ledematen om een nieuwe draagvlak te vestigen. De aanwezigheid van affordances en/of beperkingen op actie zijn een vast onderdeel van vele real-world settings. Dit dwingt een selectieproces om een nieuwe basis van ondersteuning te vestigen wanneer een verlies van evenwicht optreedt. Om gedrag aan te passen aan complexe omgevingen, is er een verhoogde vraag naar hogere hersenbronnen. Dit geldt vooral wanneer de ledematen een nieuwe basis van steun moeten vestigen. Om cognitieve rollen in reactieve balans te benadrukken en bloot te leggen lijkt de noodzaak om rommel opnieuw in te voeren en een change-of-support-strategie met de ledematen te forceren logisch.
Een eenvoudige manier om een extern geïnduceerde posturale verstoring te leveren is de lean & release techniek, waarbij een individu plotseling wordt bevrijd van een ondersteunde voorwaartse lean. Deze aanpak maakt het mogelijk compenserende reacties te beoordelen om een voorwaartse val te voorkomen en is met succes gebruikt in zowel gezonde als klinische populaties12,13,14. Hoewel de lean & release techniek enigszins basic is, biedt het waardevol inzicht in reactieve balanscapaciteit (bijvoorbeeld hoe snel iemand een herstelstap kan initiëren, of om het aantal stappen te bepalen dat nodig is om de stabiliteit te herwinnen). Voor de huidige doeleinden, de lean & release techniek biedt een eenvoudige manier om cognitieve rollen te verkennen in reactieve balans, omdat veel van de verstoring kenmerken constant worden gehouden. Dit biedt een grotere experimentele controle over variabelen die specifiek relevant zijn voor actieselectie en responsremming. Terwijl andere modi van posturale verstoring meestal vertrouwen op onvoorspelbaarheid in termen van verstoring srichting, amplitude, en timing, de omgeving is altijd constant. Zelfs in studies waar beenblokken zijn gebruikt om reach-to-grasp reacties te benadrukken15 de blokken zijn vastgesteld op zijn plaats zonder noodzaak om snel aan te passen intensivering gedrag op basis van de aanwezigheid of afwezigheid van een been blok. Met de momenteel voorgestelde methode kunnen we de omgeving veranderen op een manier die gedragsaanpassing vereist om een val te voorkomen.
Naast laboratoriuminstellingen die cognitieve rollen in reactieve balans onvoldoende blootleggen, is een ander belangrijk probleem een zware afhankelijkheid van externe maatregelen zoals spieraanzettingen, grondreactiekrachten en videomotion capture om neurale processen af te leiden. Hoewel deze maatregelen waardevol zijn, biedt exclusieve afhankelijkheid van dergelijke maatregelen geen direct inzicht in de onderliggende neurale mechanismen die bijdragen aan het evenwicht. Dit probleem wordt verergerd bij het overwegen dat veel van wat de hersenen kunnen doen om een val in complexe omgevingen te voorkomen waarschijnlijk gebeurt vóór de val. Voorspellende rollen in valpreventie zijn onlangs uitgebreider besproken16. Onderzoeksrichtingen omvatten het voorspellen van toekomstige instabiliteit17, het bouwen van visuospatiale kaarten als we bewegen door onze omgeving18, en eventueel de vorming van onvoorziene gebeurtenissen op basis van het milieu, zelfs zonder voorkennis van een val19. Het onthullen van een dergelijke voorbereiding zou volledig ontoegankelijk zijn zonder gebruik van directe neurofysiologische sondes.
De gewijzigde lean & release aanpak zoals momenteel voorgesteld biedt een middel om een aantal van de genoemde bestaande beperkingen te overwinnen. Dit wordt gedaan door gebruik te maken van een testscenario waarbij de ledematen nodig zijn om een nieuwe basis van ondersteuning in een keuze-veeleisende omgeving vast te stellen. Deze aanpak wordt aangevuld door directe metingen van hersenactiviteit (bijvoorbeeld transcraniële magnetische stimulatie, TMS) zowel voor als na posturale verstoring op te nemen, die externe maatregelen van krachtproductie en motion capture kan aanvullen. Deze combinatie van experimentele functies is een belangrijke innovatie in het veld om bloot te leggen hoe de hersenen bijdragen aan evenwicht in complexe omgevingen waar responsremming en het selecteren van acties tussen opties nodig zijn om een val te voorkomen. Hier tonen we een nieuwe methode voor het testen van reactieve balans in een omgeving die de noodzaak voor cognitieve processen om gedrag aan te passen benadrukt om een val te voorkomen. De combinatie van obstakels en affordances voor actie kracht de noodzaak van reactie remming, gerichte actie, en respons selectie tussen opties. Bovendien tonen we nauwkeurige temporele controle over visuele toegang, timing van neurale sondes, het veranderen van de responsomgeving en het begin van de posturale verstoring.
Protocol
Alle procedures werden goedgekeurd door de Institutional Review Board van de Utah State University en werden uitgevoerd in overeenstemming met de Verklaring van Helsinki.
1. Deelnemersscreening
- Laat deelnemers schriftelijke toestemming geven voor procedures voorafgaand aan het testen.
- Voor het testen met TMS, scherm deelnemers voorafgaand aan het testen om hun geschiktheid voor TMS te beoordelen met behulp van richtlijnen ontwikkeld door een groep van deskundigen20.
2. Gegevensverwerving: elektromyografie (EMG)
- Record EMG met behulp van oppervlakte-elektroden en versterken signalen (gain = 1.000; zie Tabel van materialen).
- Gegevens- en bandpassfilter (10-1.000 Hz) verkrijgen met behulp van een interface voor gegevensverwerving en geschikte software (zie Materiaaltabel). Gebruik dit apparaat en software om de verschillende motoren, kabel release, en occlusion bril zoals later beschreven in de methoden te bedienen.
- Voorzichtig schuren het huidoppervlak en veeg met alcohol over de doelspier locaties. Bevestig het oppervlak EMG-elektroden op de doelspieren met behulp van tweezijdige tape en beveilig verder met behulp van voorwikkeling om ervoor te zorgen dat de elektroden vast blijven, vooral tijdens snelle reacties met de armen en benen.
- Verzamel EMG-gegevens van twee intrinsieke handspieren aan de rechterhand (eerste dorsale interosseus, BDI en opponens pollicus, OP) en enkeldorsiflexoren op beide benen (tibialis anterior, TA).
OPMERKING: Deze specifieke spieren werden geselecteerd op basis van hun relevantie voor een bereik-te-begrijpen actie of een voorwaartse stap, maar andere spieren kunnen worden geselecteerd als dat nodig is.
3. Balanstestapparatuur
Figuur 1. Lean & release setup met beenblokken. In dit voorbeeld wordt een beenblok in de open positie ingesteld, terwijl het andere blok is ingesteld om een stap te voorkomen. Deze blokken worden verplaatst via computergestuurde motoren (grijze dozen bevestigd aan de steunposten). De deksels van de handgreep worden ook verplaatst naar een blok of een reach-to-grasp-respons toestaan. Hier worden de deksels losgemaakt om het zicht op de handgreep volledig te kunnen bekijken. De losmagneet is zichtbaar op de achterwand. Alle bedrading voedt zich door het houten platform zelf en komt in de grijze schakeldoos in de achterhoek. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 2. Lean & release setup met krachtplaten. Deze figuur laat zien hoe drie krachtplaten optioneel in het houten platform kunnen worden ingebed. Als er geen krachtplaten nodig zijn, kunnen houten pluggen op hun plaats worden gezet. Deze pluggen zijn zichtbaar, leunend op de zijwand. Deze afbeelding toont ook het veiligheidsharnas gedragen door de deelnemers. Dit harnas is aan het plafond bevestigd om als veiligheidsmechanisme te fungeren als de deelnemer zijn evenwicht niet zelf herstelt. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
- Gewijzigd lean & release systeem
- Gebruik een op maat gemaakt, lean & release kabelsysteem om voorwaartse verstoringen op te leggen (zie figuur 1 en figuur 2).
- Laat de deelnemers zich in een voorwaartse slanke positie met hun voeten ongeveer heupbreedte uit elkaar staan (zie figuur 3). Onderhoud deze voorwaartse mager met behulp van een body harnas bevestigd aan een kabel, die vervolgens wordt bevestigd aan de muur achter hen. Bevestig de kabel aan de achterkant van het harnas (ongeveer midthoracale niveau). Bevestig de steunkabel aan de muur door een magneet. De magneet wordt kort gedeactiveerd om de kabel los te laten.
- Maak de specifieke proefprocedures (d.w.z. wanneer de kabel wordt losgelaten en het begin van de kabelrelease) onvoorspelbaar voor de deelnemer. Bedien de precieze timing van de kabelrelease via computeropdrachten die vooraf worden ingesteld in een softwareconfiguratie. Deze configuratie zal controle van de timing van de kabel release, zodat het kan worden gerandomiseerd over proeven.
OPMERKING: De softwareconfiguratie die alle experimentele apparaten aanstuurt (bijvoorbeeld door de motor te activeren om een beenblok te plaatsen) stelt de specifieke testvoorwaarde in (bijvoorbeeld als er al dan niet een beenblok aanwezig is). Dit kan worden geprogrammeerd om voorwaarden te randomiseren of te leveren in blokken om het niveau van voorspelbaarheid te controleren. - Naast deze ontgrendelingskabel aan de achterkant van het harnas, beveiligt u ook deelnemers aan een steunkabel die aan het plafond hangt. Deze failsafe kabel biedt geen bodyweight ondersteuning, tenzij absoluut noodzakelijk. Als een deelnemer niet in staat is om het saldo op zichzelf te herstellen, vangt de kabel hen voordat hij op de grond valt.
- Vanwege het belang van betrouwbare visuele informatie, controleren of deelnemers daadwerkelijk kunnen zien het handvat en been blok bij het dragen van de bril. Begin elke proef door deelnemers te instrueren om direct te kijken naar een vast punt op de vloer, ongeveer 3 m voor hen, terwijl ze hun hoofd in een comfortabele positie houden. Plaats de deelnemers zodanig dat hun blik is ingesteld op de handgreep in het perifere gezichtsveld en het bovenste gedeelte van het obstakel te bekijken.
- Plaats het lichaam om ervoor te zorgen dat het handvat binnen het bereik van de grijpbare bereik is. Laat de deelnemer voorover leunen terwijl beide voeten in contact blijven met de vloer. Dit vereist rotatie over de enkel, terwijl de rest van het lichaam blijft in een rechte lijn.
- Bepaal de specifieke magerpositie als de minimale magerhoek waar een voorwaartse stap nodig is om de balans te herstellen wanneer de kabel wordt losgelaten. Dit is een iteratief proces om een drempel mager hoek te vinden op het enkelgewricht, dat is de hoek waar de deelnemer niet langer in staat is om een voorwaartse val te voorkomen met behulp van een voeten-in-plaats reactie. Zodra dit is vastgesteld, controleer de mager hoek tijdens het testen met behulp van goniometrie.
- Affordances en beperkingen op compenserende balansreacties
- Bevestig een veiligheidsgreep op de muur naast de deelnemers aan de rechterkant. Gebruik een gemotoriseerde afdekking om de toegang tot deze handgreep te regelen. Als het handvat wordt blootgelegd, wanneer de deelnemers worden bevrijd van hun ondersteunde voorwaartse mager kan worden gebruikt om het evenwicht te herwinnen.
- Tijdens proeven waarbij het handvat wordt blootgelegd, plaatst u een beenblok voor de benen van de deelnemer. Het beenblok belemmert een stap, maar is niet stijf ingesteld, wat betekent dat het kan worden verplaatst wanneer geschopt. Programmeer het beenblok om vrij verkeer mogelijk te maken en bouw het met volgzaam materiaal om letsel te voorkomen.
OPMERKING: De been blokken zijn gebouwd om een 'all-or-none' stap beslissing te dwingen gezien het feit dat ze stijgen bijna 30 centimeter van de grond (mid-dij niveau op de meeste individuen). Voor onderzoekers die geïnteresseerd zijn in een meer genuanceerde blokkade van een herstelstap, kunnen deze apparaten worden aangepast om een kleiner /korter obstakel te gebruiken dat vervolgens een aangepaste stap mogelijk zou maken om ze te wissen. - Gebruik een zwart zeil om het handvat te bedekken en te blokkeren uit het zicht op bepaalde proeven. Het handvat blijft op dezelfde locatie gemonteerd, maar wordt fysiek afgedekt om directe visuele toegang te voorkomen en om ondersteunende grijper te voorkomen. Wanneer deze steungreep is afgedekt, verwijdert u het beenblok om indien nodig een stapreactie mogelijk te maken.
- Controle van visie
- Beperk het zicht tot het tijdsbestek vlak voor de posturale verstoring en controle via een vloeibare kristallen bril (zie Table of Materials). Wanneer gesloten, de bril te voorkomen dat de toegang tot de visuele scène, zodat de deelnemers zich niet bewust zijn van de komende reactie toestand.
- Verander de specifieke configuratie van het beenblok en behandel de beschikbaarheid voor elke proef terwijl de bril gesloten is, zodat deelnemers de omgeving snel moeten waarnemen zodra de bril is geopend. Verplaats de handgreep deksel en het been blok in positie via computer-triggered, servo motoren aan het begin van elke proef. Laat de deelnemers oordoppen dragen en laat motoren continu bewegen tijdens de periode van visuele occlusie om geavanceerde cueing voor de komende conditie te voorkomen.
4. Experimenteel ontwerp
- Voorafgaand aan het testen, kort vertrouwd maken deelnemers met hoe de handgreep te bereiken en stap naar voren vanuit een scheve positie.
- Geef de deelnemers volledige kennis van de aankomende praktijkconditie en zorg ervoor dat er geen onzekerheid is. Instrueer de deelnemers dat zodra de bril open is, ze zullen het handvat bedekt te zien, en het opstappad zal duidelijk zijn. Kort daarna zal de steunkabel loslaten en ze zullen snel moeten stappen om te voorkomen dat ze naar voren vallen.
- Gebruik vergelijkbare instructies met betrekking tot het al dan niet het handvat beschikbaar is voor het grijpen om het vermijden van een stap.
- Tijdens het testen en oefenen, instrueren de deelnemers om ontspannen te blijven, tenzij gevraagd om te bewegen door een plotselinge kabel release.
OPMERKING: Deelnemers hebben gemiddeld ongeveer 10 oefenpogingen nodig voordat de formele tests beginnen.
- Wijzig willekeurig de responsinstelling tussen de proeven. Als ze van de steunkabel worden losgelaten, moeten de deelnemers de stabiliteit herwinnen door ofwel naar de aan de muur gemonteerde veiligheidsgreep te grijpen of naar voren te stappen als het stappad duidelijk is.
- Sluit altijd de occlusiebril aan het begin van elke proef, waarna de responsinstelling wordt gewijzigd. Sluit de bril voor een gerandomiseerde periode (meestal ongeveer 3-4 s) om de instelling te veranderen.
- Wanneer de bril opengaat, moet u een van de twee mogelijke responsinstellingen opgeven: (1) het beenblok aanwezig is en de steungreep aanwezig is, of (2) er is geen beenblok aanwezig en er is geen steungreep aanwezig.
LET OP: In de eerste voorwaarde is een ondersteuningsgreep beschikbaar op een comfortabele bereikafstand en voorkomt het beenblok een stap. Deze instelling legt een context op waarin de enige optie die beschikbaar is om snel de beschikbare ondersteuningsgreep met hun rechterarm te begrijpen. De tweede voorwaarde zorgt voor een herstelstap terwijl het gebruik van de ondersteuningsgreep wordt voorkomen. - Bij proeven waarbij een verstoring optreedt, laat u de kabel kort nadat de bril is geopend. Deze vertragingsperiode zal variëren met de studievereisten, maar varieert van 200-1.000 ms.
- Voor sommige proeven, niet vrij te geven als een vangst proef. Dit helpt anticiperende reacties te voorkomen die alleen gebaseerd zijn op visie.
- Heb elke proef laatste 10 s, met een korte pauze tussen de proeven om deelnemers een kans om te resetten als dat nodig is. Geef de deelnemers een korte rustperiode tussen elk testblok en laat ze zitten. Het experimentele basisontwerp is afgebeeld in figuur 3 (onder).
OPMERKING: Het totale onderzoeksaantal is gevarieerd om aan de behoeften van elke studie te voldoen, maar heeft de neiging om ongeveer 100 proeven te omvatten, verdeeld over drie tot vier testblokken.
Figuur 3. Op TMS gebaseerde methode om de impact van het waarnemen van milieuaffordances en/of beperkingen op de motorvoorbereiding te onderzoeken. TOP, top. Een lean & release apparaat vrijgegeven deelnemers op een onvoorspelbare manier (verstoring testblokken alleen). De omvang van de verstoring vereiste een snelle verandering-van-ondersteuning reactie, met behulp van de arm of het been om een stabiele basis van steun te herstellen door ofwel het bereiken van een veilige handgreep, of het nemen van een voorwaartse stap. Tussen de proeven door werd het gezichtsvermogen afgesloten met behulp van vloeibare kristallen occlusie-brillen en werden objecten op de voorgrond willekeurig herschikt. DE BODEM. De tijdlijn toont wanneer visuele toegang tot de omgeving beschikbaar kwam en de timing van TMS-sondes ten opzichte van zowel visuele toegang als de verstoring. De piek-tot-piek amplitude van de spierrespons op TMS (d.w.z. motor opgeroepen potentieel, MEP) op voorwaarde dat een index van corticospinale prikkelbaarheid in de periode vóór verstoring. Dit cijfer presenteert theoretische responsgegevens om de veronderstelde impact van een betaalbaarheid voor handactie (vaste, blauwe lijn) aan te tonen versus een proef waarbij de handgreep wordt afgedekt (gestippelde, rode lijn). In dit cijfer worden beide proeven/omstandigheden bedekt om het veronderstelde effect van de voorbereiding van de motoroutput te illustreren om potentiële actie op basis van een bepaalde milieucontext te vergemakkelijken of te onderdrukken. Aangepast van figuur 1 in Bolton et al.21. Merk op dat TMS werd gebruikt om corticospinale prikkelbaarheid sonde in dit voorbeeld. Dit is echter alleen bedoeld om een basisweergave te geven van de volgorde van gebeurtenissen met behulp van deze gewijzigde lean & release. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
5. TMS-protocol (optioneel)
- Lever single-pulse TMS over de hand motor corticale vertegenwoordiging, terwijl de deelnemers worden ondersteund in een voorwaartse mager. Lever TMS pulsen kort na het openen van de bril, maar voorafgaand aan elke beweging om te onderzoeken hoe het bekijken van de omgeving van invloed op de motor set. Zie figuur 3 om de volgorde van gebeurtenissen tijdens een proefperiode te visualiseren, ook wanneer TMS wordt geleverd.
- Stel de timing voor TMS levering op basis van de onderzoeksvraag. In de representatieve resultaten varieerde de stimulatie tussen 100 ms en 200 ms post-vision. Naast de hierboven genoemde respons-instellingen, strooi je willekeurig 'no-vision' referentieproeven tijdens het testen om TMS te leveren zonder de bril te openen. Het doel van deze voorwaarde is om een basislijn te bieden voor taakgerelateerde veranderingen in de motorische activiteit (bijvoorbeeld verhoogde opwinding).
OPMERKING: Meer informatie over de specifieke TMS-procedures is te vinden in Bolton et al.21 en Goode et al.22. - Lever magnetische stimuli aan de primaire motorische cortex (M1) met de stimulerende spoel gericht op ongeveer 45° op het sagittale vlak (zie Tabel van materialen). Breng prikkels toe in de optimale positie om een motor te verkrijgen die potentieel (MEP) in de BDI-spier aan de rechterhand (d.w.z. de motor 'hotspot' wordt opgeroepen).
- Zodra de 'hotspot' is gevonden, bepaalt u een teststimulusintensiteit wordt bepaald. Voor de huidige onderzoeksdoeleinden is dit de stimulusintensiteit waarbij het gemiddelde parlementslid ongeveer 1-1,5 mV piek-tot-piek bedraagt. Bevestig de TMS-spoel op deze locatie en reset de rolpositie als er kopbeweging optreedt (bijvoorbeeld na het loslaten van de kabel). Bepaal de test stimulus intensiteit, terwijl de onderwerpen staan in naar voren mager om rekening te houden met eventuele posturale invloed van de toestand op corticospinale prikkelbaarheid.
Representative Results
Alle voorgestelde voorbeeldstudies werden uitgevoerd met jonge vrouwen en mannen tussen 18-30 jaar. De totale steekproefgrootte voor elke studie was als volgt: Voorbeeld 1 (Rydalch et al.23) omvatte 12 deelnemers, Voorbeeld 2 (Bolton et al.21)omvatte 63 deelnemers, en voorbeeld 3 (Goode et al.22) omvatte 19 deelnemers. De lezer moet verwijzen naar de volledige studies voor meer informatie over methoden en analyses.
Voorbeeld 1
Het blokkeren van een snelle herstelstap, met name wanneer stappen automatisch werd gemaakt door frequente herhaling, maakte het mogelijk om responsremming in een posturale context te beoordelen. Hier vergeleken we de beenspierrespons toen een voorwaartse stap was toegestaan of belemmerd23. De spierrespons van het opstapje werd vergeleken tussen proeven waarbij de deelnemer moet komen ten opzichte van proeven waar ze moeten stappen. Dit werd bereikt door het vergelijken van de respons omvang van enkeldorsiflexors (tibialis anterior) tijdens reach-to-handle versus stap proeven. Specifiek werd de geïntegreerde EMG over een venster van 200 ms (d.w.z. 100 ms tot 300 ms post-verstoring) gebruikt om een spierresponsverhouding te berekenen. Een kleinere waarde gaf aan dat het beter in staat was om zich te onthouden van het in detail beschreven stappen in Rydalch et al.23. Door het gebruik van de omvang van de spierrespons, onze bedoeling was om een gevoelige meter voor een neiging om te reageren met het been. In dit voorbeeld was het doel van onze studie om te bepalen of responsremming gemeten met een zittende cognitieve test (d.w.z. stopsignaaltaak, SST) gecorreleerd met prestaties op een reactieve balanstaak waarbij onderdrukking van een balansherstelstap vereist was. In de balanstaak werden in totaal 256 proeven verzameld, waarvan 30% een beenblok gebruikte. In figuur 4A,benadrukken we de gemiddelde golfvormen van individuen die zich aan tegenovergestelde uiteinden van het continuüm bevonden voor het onderdrukken van stapgerelateerde beenactiviteit. De scatterplot in figuur 4B toont een kleine, maar significante correlatie tussen het vermogen om een geblokkeerde stap en responsremming te onderdrukken, zoals gemeten door de stop-signaalreactietijd.
Bij de interpretatie van deze resultaten, is het belangrijk om te erkennen dat de SST (beschreven in de appendix),en inderdaad de meeste cognitieve tests, vertrouwen op simplistische reacties (vaak vingerbewegingen) gemaakt door zittende deelnemers in reactie op dwingende signalen weergegeven op een computerscherm. Deze studie van Rydalch et al. ging over de vraag of de mogelijkheid om een prepotente respons te stoppen werd bewaard in een standaard zittende test van responsremming in vergelijking met een reactieve balanstest waarbij compenserende stappen af en toe moeten worden onderdrukt23. De resultaten toonden een correlatie tussen de cognitieve testuitkomst (stop signaalreactietijd) en compenserende stappen, wat suggereert dat de stopcapaciteit van een individu generaliseert over diverse taken.
Figuur 4. Gemiddelde stap been reactie. (A) Gemiddelde golfvormen worden weergegeven voor het scheenbeen voorste in het opstappende been. Stapproeven worden in het rood weergegeven en bereiken proeven in het zwart. Voorbeeld van spierresponsgegevens die worden weergegeven voor twee deelnemers met een snelle (boven) of langzame stop (onderste) signaalreactietijd. Deze stop signaal reactietijd biedt een milliseconde meting van het stoppen vermogen. De vroege spierrespons (geïntegreerde EMG) werd gemeten van 100-300 ms (lichtgeel gearceerd gebied). bB) Scatterplot met de correlatie tussen de spierresponsverhouding en de stopsignaalreactietijd (SSRT) bij de visuele vertraging van 400 ms, r = 0,561; p = 0,029. Aangepast van de figuren 3 en 5, Rydalch et al.23. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Voorbeeld 2
Deze studie illustreert hoe onze gewijzigde lean & release setup in combinatie met TMS kan worden gebruikt om motorische voorbereiding te bestuderen op basis van visie. Het concept van affordances (oorspronkelijk voorgesteld door Gibson24)werd getest in een staande posturale context, om te bepalen of corticospinale prikkelbaarheid van een handspier (gebruikt voor het grijpen) werd vergemakkelijkt bij het bekijken van een ondersteunende handgreep. De sleutel tot deze aanpak was het beoordelen van hoe de excitatory toestand van het motorsysteem werd beïnvloed door visie alleen. Specifiek, TMS pulsen werden geleverd kort na de bril geopend, maar voorafgaand aan een cue voor beweging (dat wil zeggen, kabel release). Op deze manier werd alleen de motorische activiteit met betrekking tot de visuele scène geanalyseerd, terwijl de gedragsreactie op verstoring secundair was. In tegenstelling tot de bovenstaande studie, die de noodzaak van responsremming benadrukte door de staprespons vaker te presenteren, gebruikte deze studie een gelijke kans op handgreep (bereik) versus no-handle (stap) om zich te concentreren op visuele priming van handactie. De resultaten gaven aan dat het bekijken van de handgreep resulteerde in het faciliteren van een intrinsieke hand (d.w.z. grijpende) spier, maar alleen in de zuivere observatievoorwaarde (Figuur 5)21. OPMERKING: Voor voorbeeldgegevens, acquisitie- en analysesoftwarecode, samen met richtlijnen verwijzen we u naar het open science framework (https://osf.io/9z3nw/). Voorbeelden 1 en 3 gebruikten vergelijkbare code en procedures, met wijzigingen in specifieke toestanden.
Figuur 5. Gegevens die het verschil in corticospinale prikkelbaarheid voor de REACH (d.w.z. handvat) versus STEP (d.w.z. no-handle) proeven in een intrinsieke handspier tonen terwijl de deelnemers in een ondersteunde lean stonden. Dit toonde een grotere activiteit in de hand toen de handgreep aanwezig was en de deelnemers gewoon bekeken de handgreep (OBS), maar dit effect was afwezig tijdens een aparte balans (BAL) proeven blokken waar de kabel periodiek werd vrijgegeven. Foutbalken tonen de standaardfout van het gemiddelde. Tweeweg herhaalde maatregelen ANOVA bleek een interactie tussen conditie en betaalbaarheid, F1, 62 = 5,69, #p = 0,020. Om onze specifieke hypothesen aan te pakken, gebruikten we eerder geplande vergelijkingen om te bepalen of de bdek-amplitude in de BDI groter was toen de handgreep binnen elke voorwaarde afzonderlijk aanwezig was. Voor hypothese 1 werden geplande vergelijkingen gebruikt om de betaalbaarheidsniveaus (STEP, REACH) binnen de OBS-toestand te vergelijken en bleek een aanzienlijke toename van de amplitude wanneer de handgreep zichtbaar was, t121 = 2,62, *p = 0,010. Voor hypothese 2 hadden we oorspronkelijk een interactie voorspeld, maar in de tegenovergestelde richting van wat werd gevonden. De geplande vergelijking van de betaalbaarheid binnen de BAL-voorwaarde vertoonde geen significant verschil in verband met de aanwezigheid van een handvat, t121 = -0,46, p = 0,644. Aangepast van figuur 5, Bolton et al.21. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Voorbeeld 3
Dit laatste voorbeeld benadrukt hoe we dit apparaat hebben aangepast om opnieuw de motorische voorbereiding van een handspier op basis van visie te bestuderen, maar gericht op de noodzaak om beenwerking snel te onderdrukken. In deze versie werd de handgreepdeksel permanent afgedekt, terwijl alleen het beenblok werd verplaatst. Net als voorbeeld 1 werd de kans op stop versus stapvoorwaarden gemanipuleerd om een automatische stap aan te moedigen. Gezien het feit dat het handvat was niet langer een optie in deze studie, de mate van voorwaartse mager gemeten aan de enkel werd iets verminderd (~ 6 ° vs ~ 10° zoals in de bovenstaande twee studies) om een vaste steunreactie mogelijk te maken. Het specifieke gebruik voor deze versie van de taak was om het concept van globale afschaffing te onderzoeken, dat eerder in zittende taken is onderzocht waar de brandpuntsknoopdrukken in reactie op visuele stimuli werden gebruikt die op een computervertoning25worden voorgesteld. Net als voorbeeld 2, TMS werd geleverd om corticospinale excitability te beoordelen in een intrinsieke handspier onmiddellijk na de toegang tot de reactie-omgeving (dat wil zeggen, blok of geen blok), maar voorafgaand aan een cue te verplaatsen (dat wil zeggen, kabel release). De reden voor het testen van een intrinsieke hand spier in een taak die alleen gebruikt been reacties was om te zien of een taak irrelevant spier zou bewijs van een algemene onderdrukking in het hele motorische systeem te tonen. De resultaten hieronder afgebeeld in figuur 6 tonen bewijs van een wijdverbreide shutdown in het motorsysteem wanneer een automatische stap abrupt wordt gestopt22.
Figuur 6. Gewijzigde lean & release taak met alleen beenblok (d.w.z. geen optie voor het grijpen van een ondersteuningsgreep). (A) Deze figuur toont MEP amplitude onderdrukking in een intrinsieke hand spier wanneer een been blok werd gepresenteerd (dat wil zeggen, NO-STEP conditie). (B) Uit de herhaalde maatregelen ANOVA was de stapvoorwaarde x latentieinteractie, F1,18 = 4,47, p = 0,049, significant. Visuele inspectie van de lijn grafiek 2 toont afnemende MEP amplitude na verloop van tijd voor de NO-STEP conditie alleen en dit werd bevestigd met follow-up vergelijkingen. In het bijzonder bleek uit deze vergelijkingen een significante daling met 200 ms ten opzichte van 100 ms t18 = 2.595, *p = 0,009 voor de NO-STEP-voorwaarde. Een vergelijkbare vergelijking tussen 200 ms en 100 ms voor de STEP-voorwaarde laat daarentegen geen verschil zien t18 = 0,346, p = 0,367. Aangepast van de figuren 1 en 2, Goode et al.22. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Discussion
Dit gewijzigde lean & release systeem biedt een nieuwe manier om cognitieve rollen in reactieve balans te beoordelen. Net als bij de standaard lean & release procedure, de richting en amplitude van posturale verstoring zijn voorspelbaar voor het onderwerp, terwijl de timing van de kabel release is onvoorspelbaar. Wat uniek is in de huidige aanpak is dat de toegang tot visie nauwkeurig wordt gecontroleerd, terwijl het onderwerp vast blijft staan en de responsomgeving om hen heen wordt gewijzigd om verschillende actiemogelijkheden en/of beperkingen te creëren. Door het manipuleren van de aanwezigheid van obstakels en affordances benadrukt deze methode cognitieve processen zoals besluitvorming (d.w.z. actieselectie) en responsremming in relatie tot evenwichtsherstel.
De voorgestelde methode heeft potentieel om een unieke blik in de neurale controle van evenwicht te bieden, maar vormt bepaalde beperkingen. Bijvoorbeeld, bij het gebruik van de lean & release methode, de kabel release wordt gestart vanaf een voorwaartse mager, die een uitgesproken balans herstel stap in vergelijking met andere methoden van externe posturale verstoring10vereist . Ook de richting en omvang van de verstoring zijn voorspelbaar, wat kan leiden tot anticiperende activering van spieren die normaal gesproken niet zouden worden betrokken bij meer realistische valscenario's. Ten slotte wordt het gezichtsvermogen tijdelijk afgesloten voorafgaand aan de kabelontgrendeling, die ook afwijkt van de dagelijkse ervaring van een individu. Deze kenmerken maken onze beoordeling van het evenwicht enigszins kunstmatig en kunnen generalisatie over verschillende vormen van verstoring uitsluiten. Het is belangrijk om te erkennen dat generalizability aan echte werelddalingen altijd een zorg is wanneer het trekken van conclusies over hoe het saldo van om het even welke bepaalde beoordelingsmethode wordt gecontroleerd. Een algemeen erkende uitgebreide test voor evenwichtsbekwaamheid bestaat momenteel namelijk niet4. Voor de huidige doeleinden, een set forward val maakt verstoring kenmerken en respons-instellingen constant worden gehouden, terwijl het manipuleren van specifieke cognitieve eisen die vaak verwaarloosd of ontoegankelijk in de traditionele balans beoordelingen. Een dergelijke experimentele controle is gunstig, maar moet in aanmerking worden genomen bij de interpretatie van de resultaten.
Als tweede beperking kunnen de bouw van de testapparatuur en de vereiste technische vaardigheden een uitdaging vormen om deze methode uit te voeren. Drie elektrotechnische studenten van Utah State University bouwden het platform, zetten de elektronica op en programmeerden microcontrollers om servomotoren te besturen voor de handgreepenklep en beenblok. De bouwkosten waren bescheiden (d.w.z., <$15.000 exclusief de krachtplaten die in het platform werden gemonteerd). Toch kan dit een uitdaging vormen, afhankelijk van de beschikbare middelen.
Specifieke inzichten in de neurale controle van evenwicht werden verkregen met behulp van deze aanpak. Deze voorbeelden geven aan dat niet-invasieve hersenstimulatie kan worden gebruikt om motorische set vast te leggen op basis van het bekijken van objecten in een posturale context en bieden een techniek om responsremming te beoordelen met behulp van spierreacties. Met name de gewijzigde lean & release techniek kan gemakkelijk worden aangepast aan andere neurofysiologische sondes zoals elektro-encefalografie en functionele nabij-infrarood spectroscopie op te nemen. Zelfs zonder de opname van directe neurale maatregelen, studie ontwerpen die zich volledig richten op externe krachten, spieractivering, en kinematica kan belangrijk inzicht in gedragsmarkers van cognitieve tekorten. Bijvoorbeeld, een interessante toepassing voor het gebruik van kracht platen om anticiperende posturale verschuivingen vast te leggen tijdens een reactieve stepping taak is aangetoond door Cohen et al.26. In hun studie, tekorten in reactieremming bij oudere volwassenen werden geopenbaard door ongepaste gewichtsverschuiving, die beurtelings tot vertragingen in keus-reactiestaptijden leidde. Een dergelijke benadering zou kunnen worden toegepast op het huidige paradigma om gevoelige maatregelen van gewichtsverschuiving en stappenfouten te krijgen.
Deze nieuwe methode bouwt voort uit een gevestigde reactieve balanstest waarbij deelnemers worden vrijgelaten uit een ondersteunde lean, en bevat nu scenario's die gedragsflexibiliteit vereisen. Testontwerpen die geschikt zijn voor het blootstellen van responsremming en actieselectie laten ons een manier om concepten uit de cognitieve psychologie toe te passen op het domein van balanscontrole. Een dergelijke aanpak is noodzakelijk om voort te bouwen op de erkenning dat cognitieve achteruitgang en dalingprevalentie gecorreleerd zijn, en om een mechanistisch begrip te krijgen voor hoe cognitieve hulpbronnen valpartijen voorkomen. Vermoedelijk kan deze setup niet alleen worden gebruikt als een onderzoeksinstrument, maar ook als een middel voor het trainen van cognitieve rollen in balans. Een belangrijk doel van de lopende werkzaamheden ons laboratorium is om te begrijpen hoe de hersenen maakt gebruik van contextuele informatie bij te werken welke beweging het meest geschikt zou zijn om een val gezien de omgeving te voorkomen. Signalen zoals de beschikbaarheid van een stabiele handgreep of een potentiële stapbarrière kunnen bepalen welke reactie moet worden gegeven indien de noodzaak zich voordoet en kunnen voorspellende hersenprocessen heimelijk vormgeven16. Met name de capaciteit om deze informatie op de juiste manier te gebruiken, kan met de leeftijd verslechteren als mentale vermogens zoals remmende interferentiecontrole of visueel-ruimtelijk geheugen vereist zijn. Gezien de relatie tussen cognitieve achteruitgang en dalingen1-3,kan het implementeren van studieontwerpen die de noodzaak benadrukken om contextuele relevantie te integreren, waardevol inzicht bieden in de balanstekorten in veel kwetsbare bevolkingsgroepen.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
Onderzoek gemeld in deze publicatie werd ondersteund door het National Institute on Aging van de National Institutes of Health onder Award Number R21AG061688. De inhoud valt uitsluitend onder de verantwoordelijkheid van de auteurs en vertegenwoordigt niet noodzakelijkerwijs de officiële standpunten van de National Institutes of Health.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 |
References
- Mirelman, A., et al. Executive function and falls in older adults: new findings from a five-year prospective study link fall risk to cognition. PloS one. 7 (6), 40297 (2012).
- Herman, T., Mirelman, A., Giladi, N., Schweiger, A., Hausdorff, J. M. Executive control deficits as a prodrome to falls in healthy older adults: a prospective study linking thinking, walking, and falling. The Journals of Gerontology. Series A, Biological Sciences and Medical Sciences. 65 (10), 1086-1092 (2010).
- Saverino, A., Waller, D., Rantell, K., Parry, R., Moriarty, A., Playford, E. D. The Role of Cognitive Factors in Predicting Balance and Fall Risk in a Neuro-Rehabilitation Setting. PLOS ONE. 11 (4), 0153469 (2016).
- Rogers, M. W., Mille, M. -L. Chapter 5 - Balance perturbations. Handbook of Clinical Neurology. 159, 85-105 (2018).
- Adkin, A. L., Campbell, A. D., Chua, R., Carpenter, M. G. The influence of postural threat on the cortical response to unpredictable and predictable postural perturbations. Neuroscience Letters. 435 (2), 120-125 (2008).
- Marlin, A., Mochizuki, G., Staines, W. R., McIlroy, W. E. Localizing evoked cortical activity associated with balance reactions: does the anterior cingulate play a role. Journal of Neurophysiology. 111 (12), 2634-2643 (2014).
- Horak, F. B., Nashner, L. M. Central programming of postural movements: adaptation to altered support-surface configurations. Journal of Neurophysiology. 55 (6), 1369-1381 (1986).
- Nashner, L. M. Fixed patterns of rapid postural responses among leg muscles during stance. Experimental Brain Research. 30 (1), 13-24 (1977).
- Varghese, J. P., Marlin, A., Beyer, K. B., Staines, W. R., Mochizuki, G., McIlroy, W. E. Frequency characteristics of cortical activity associated with perturbations to upright stability. Neuroscience Letters. 578, 33-38 (2014).
- Mansfield, A., Maki, B. E. Are age-related impairments in change-in-support balance reactions dependent on the method of balance perturbation. Journal of Biomechanics. 42 (8), 1023-1031 (2009).
- Maki, B. E., McIlroy, W. E. The role of limb movements in maintaining upright stance: the "change-in-support" strategy. Physical Therapy. 77 (5), 488-507 (1997).
- Lakhani, B., Mansfield, A., Inness, E. L., McIlroy, W. E. Characterizing the determinants of limb preference for compensatory stepping in healthy young adults. Gait & Posture. 33 (2), 200-204 (2011).
- Mansfield, A., et al. Training rapid stepping responses in an individual with stroke. Physical Therapy. 91 (6), 958-969 (2011).
- Mansfield, A., Inness, E. L., Lakhani, B., McIlroy, W. E. Determinants of limb preference for initiating compensatory stepping poststroke. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 93 (7), 1179-1184 (2012).
- Cheng, K. C., Pratt, J., Maki, B. E. Effects of spatial-memory decay and dual-task interference on perturbation-evoked reach-to-grasp reactions in the absence of online visual feedback. Human Movement Science. 32 (2), 328-342 (2013).
- Dakin, C. J., Bolton, D. A. E. Forecast or Fall: Prediction's Importance to Postural Control. Frontiers in Neurology. 9, 924 (2018).
- Slobounov, S., Cao, C., Jaiswal, N., Newell, K. M. Neural basis of postural instability identified by VTC and EEG. Experimental Brain Research. 199 (1), 1-16 (2009).
- Maki, B. E., McIlroy, W. E. Cognitive demands and cortical control of human balance-recovery reactions. Journal of Neural Transmission. 114 (10), Vienna, Austria. 1279-1296 (2007).
- Bolton, D. A. The role of the cerebral cortex in postural responses to externally induced perturbations. Neuroscience and Biobehavioral Reviews. 57, 142-155 (2015).
- Rossi, S., Hallett, M., Rossini, P. M., Pascual-Leone, A. Safety of TMS Consensus Group Safety, ethical considerations, and application guidelines for the use of transcranial magnetic stimulation in clinical practice and research. Clinical Neurophysiology: official journal of the International Federation of Clinical Neurophysiology. 120 (12), 2008-2039 (2009).
- Bolton, D. A. E., et al. Motor preparation for compensatory reach-to-grasp responses when viewing a wall-mounted safety handle. Cortex. 117, 135-146 (2019).
- Goode, C., Cole, D. M., Bolton, D. A. E. Staying upright by shutting down? Evidence for global suppression of the motor system when recovering balance. Gait & Posture. 70, 260-263 (2019).
- Rydalch, G., Bell, H. B., Ruddy, K. L., Bolton, D. A. E. Stop-signal reaction time correlates with a compensatory balance response. Gait & Posture. 71, 273-278 (2019).
- Gibson, J. J. The Ecological Approach To Visual Perception. , Houghton Mifflin. Boston. (1979).
- Majid, D. S. A., Cai, W., George, J. S., Verbruggen, F., Aron, A. R. Transcranial Magnetic Stimulation Reveals Dissociable Mechanisms for Global Versus Selective Corticomotor Suppression Underlying the Stopping of Action. Cerebral Cortex. 22 (2), 363-371 (2012).
- Cohen, R. G., Nutt, J. G., Horak, F. B. Errors in postural preparation lead to increased choice reaction times for step initiation in older adults. The Journals of Gerontology. Series A, Biological Sciences and Medical Sciences. 66 (6), 705-713 (2011).
