Summary
Her tilbyr vi en protokoll som gjør det mulig for brukeren å selektivt endre overslag og/eller begrensninger på bevegelser som er relevante for å gjenopprette balanse etter postural perturbasjon.
Abstract
Vurdering av reaktiv balanse pålegger tradisjonelt en eller annen form for perturbasjon til oppreist holdning eller gangart etterfulgt av måling av den resulterende korrigerende atferden. Disse tiltakene inkluderer muskelresponser, lembevegelser, bakkereaksjonskrefter og til og med direkte nevrofysiologiske tiltak som elektroencefalografi. Ved hjelp av denne tilnærmingen kan forskere og klinikere utlede noen grunnleggende prinsipper om hvordan nervesystemet kontrollerer balansen for å unngå fall. En begrensning med måten disse vurderingene brukes på, er at de legger stor vekt på refleksive handlinger uten behov for å revidere automatiske posturale reaksjoner. Et slikt eksklusivt fokus på disse svært stereotypiske reaksjonene vil ikke tilstrekkelig adressere hvordan vi kan endre disse reaksjonene dersom behovet oppstår (f.eks. unngå et hinder med et gjenopprettingstrinn). Dette ser ut til å være en strålende utelatelse når man vurderer den enorme kompleksiteten i miljøene vi står overfor daglig. Samlet sett klarer status quo når man evaluerer den nevrale kontrollen av balanse, virkelig å avsløre hvordan høyere hjerneressurser bidrar til å forhindre fall i komplekse innstillinger. Den nåværende protokollen gir en måte å kreve undertrykkelse av automatiske, men upassende korrigerende balansereaksjoner, og tvinge et utvalg blant alternative handlingsvalg for å gjenopprette balansen etter postural perturbasjon.
Introduction
Til tross for den anerkjente korrelasjonen mellom fall og kognitiv nedgang1,2,3, et stort gap vedvarer i å forstå hva hjernen faktisk gjør for å hjelpe oss å unngå et fall.3 I teorien vil kognitive krav fremheves etter hvert som miljøkompleksiteten øker og i situasjoner der vi må revidere instinktiv atferd. Imidlertid klarer de fleste balansetester å effektivt beskatte høyere hjernefunksjon, i stedet med vekt på refleksive rettereaksjoner. Selv om faktorer som responshastighet er avgjørende for å forhindre fall, kan ytterligere kognitive faktorer, for eksempel hemmende kontroll og/eller muligheten til å velge passende tiltak basert på en gitt kontekst også være viktig i visse situasjoner. Som et resultat, en grunn til at vi kan unnlate å forstå hjernens rolle i reaktiv balanse skyldes forskningsprotokoller som er i bruk. Rogers et al. oppsummerte nylig de forskjellige måtene balansekontroll har blitt vurdert ved hjelp av ekstern perturbasjon4. Disse metodene inkluderer plattformoversettelse, vipper og/eller dråper, samt bruk av automatiserte systemer som skyver, trekker eller fjerner postural støtte. Til tross for det store utvalget av teknikker som brukes til å forstyrre oppreist likevekt, er de påfølgende korrigerende reaksjonene nesten alltid laget i et uhindret miljø, og minimerer dermed begrensninger på bevegelse. Her foreslår vi en metode der kognitive prosesser er nødvendig for å overstyre prepotent handling og velge passende svar blant alternativer i en reaktiv balanseoppgave.
En vanlig måte å teste reaktiv balanse er å pålegge relativt små posturalperturbasjoner som kan motvirkes ved hjelp av en fast støtte (vanligvis fot-på-plass) reaksjon5,,6,7,8,9. Relativt færre studier har fokusert på endring av støtte balanse reaksjoner som svar på perturbasjoner via midje trekker, plattform oversettelse, og slipp fra en støttekabel Som et eksempel, se Mansfield et al.10. Betydningen av sistnevnte gruppe kan verdsettes ved å erkjenne at når perturbasjoner er store, er endring av støtte reaksjoner det eneste alternativet for å gjenopprette stabilitet11. Faktisk, selv for mindre perturbasjoner som kan håndteres ved hjelp av fot-på-plass (dvs. hofte og / eller ankel) strategier, folk ofte foretrekker å gå når gitt valget11. Verdien i å studere slike endring-of-support reaksjoner ligger ikke bare i det faktum at en større størrelsesorden av perturbasjon må motvirkes, men også utfordringene som oppstår når du omplasserer lemmer for å etablere en ny støttebase. Tilstedeværelsen av gisanser og/ eller begrensninger på handling er en vanlig del av mange virkelige innstillinger. Dette tvinger en utvelgelsesprosess til å etablere en ny støttebase når det oppstår et tap av balanse. For å tilpasse atferden til komplekse miljøer, er det økt etterspørsel etter høyere hjerneressurser. Dette gjelder spesielt når lemmer må etablere en ny base av støtte. For å understreke og avsløre kognitive roller i reaktiv balanse, virker behovet for å gjeninnføre rot og tvinge en endring av støttestrategi med lemmer logisk.
En enkel måte å levere en eksternt indusert postural perturbasjon er lean & release teknikken, hvor en person plutselig frigjøres fra en støttet fremover mager. Denne tilnærmingen gjør det mulig å vurdere kompenserende reaksjoner for å unngå et fremadgående fall og har blitt brukt i både friske og kliniske populasjoner12,13,14. Selv om lean & release teknikken er noe grunnleggende, det gir verdifull innsikt i reaktiv balanse kapasitet (f.eks, hvor raskt noen kan starte en utvinning trinn, eller for å bestemme antall trinn som kreves for å gjenvinne stabilitet). For nåværende formål gir lean & release-teknikken en enkel måte å utforske kognitive roller i reaktiv balanse fordi mange av perturbasjonsegenskapene holdes konstante. Dette gir større eksperimentell kontroll over variabler som er spesielt relevante for handlingsvalg og responshemming. Mens andre moduser for postural perturbasjon vanligvis er avhengige av uforutsigbarhet når det gjelder perturbasjonsretning, amplitude og timing, er omgivelsene alltid konstant. Selv i studier der benblokker har blitt brukt til å understreke rekkevidde-til-forståelse reaksjoner15 blokkene er festet på plass uten behov for å raskt tilpasse stepping atferd basert på tilstedeværelse eller fravær av en benblokk. Med den fortiden foreslåtte metoden kan vi endre miljøet på en måte som krever atferdstilpasning for å unngå fall.
Utover laboratorieinnstillinger som utilstrekkelig eksponerer kognitive roller i reaktiv balanse, er et annet stort problem en tung avhengighet av eksterne tiltak som muskelonetter, bakkereaksjonskrefter og videoopptak av videobevegelse for å utlede nevrale prosesser. Selv om disse tiltakene er verdifulle, klarer ikke eksklusiv avhengighet av slike tiltak å gi direkte innsikt i de underliggende nevrale mekanismene som bidrar til balanse. Dette problemet er forsterket når man vurderer at mye av hva hjernen kan gjøre for å forhindre et fall i komplekse miljøer sannsynligvis skjer før høsten. Prediktive roller i høstforebygging har nylig blitt diskutert mer omfattende16. Forskningsretninger inkluderer å forutsi fremtidig ustabilitet17,bygge visuospatiale kart som vi beveger oss gjennom vårt miljø18, og muligens danner situasjoner basert på miljøet selv uten forkunnskap om en høst19. Avslørende slik forberedelse ville være helt utilgjengelig uten bruk av direkte nevrofysiologiske sonder.
Den modifiserte lean & release tilnærming som i dag foreslått tilbyr et middel til å overvinne noen av de eksisterende begrensningene nevnt. Dette gjøres ved hjelp av et testscenario der lemmer er nødvendig for å etablere en ny base for støtte i et valgkrevende miljø. Denne tilnærmingen forsterkes ved å inkludere direkte tiltak for hjerneaktivitet (f.eks. transkraniell magnetisk stimulering, TMS) både før og etter postural perturbasjon, som kan utfylle eksterne tiltak for kraftproduksjon og bevegelsesfangst. Denne kombinasjonen av eksperimentelle funksjoner representerer en viktig innovasjon i feltet for å avsløre hvordan hjernen bidrar til balanse i komplekse miljøer der responshemming og valg av tiltak mellom alternativene er kalt for å forhindre et fall. Her demonstrerer vi en ny metode for testing av reaktiv balanse i en setting som understreker behovet for kognitive prosesser for å tilpasse atferd for å unngå fall. Kombinasjonen av hindringer og kostnader for handling tvinger behovet for responshemming, målrettet handling og responsvalg blant alternativer. Videre demonstrerer vi presis temporal kontroll over visuell tilgang, timing av nevrale sonder, endring av responsmiljøet og utbruddet av postural perturbasjon.
Protocol
Alle prosedyrer fikk godkjenning fra Institutional Review Board ved Utah State University og ble gjennomført i samsvar med Helsingforserklæringen.
1. Deltakerscreening
- Be deltakerne gi skriftlig informert samtykke til prosedyrer før testing.
- For testing med TMS, skjermdeltakere før testing for å vurdere deres egnethet for TMS ved hjelp av retningslinjer utviklet av en gruppe eksperter20.
2. Datainnsamling: elektromyografi (EMG)
- Post EMG ved hjelp av overflateelektroder og forsterke signaler (gevinst = 1000; se Materialtabellen).
- Hent data- og bandpassfilter (10–1000 Hz) ved hjelp av et datainnsamlingsgrensesnitt og passende programvare (se Materialtabellen). Bruk denne enheten og programvaren til å kontrollere de ulike motorene, kabelutgivelsen og okklusjonsbrillene som beskrevet senere i metodene.
- Slip forsiktig hudoverflaten og tørk forsiktig med alkohol over målet muskel steder. Fest overflaten EMG elektroder på målet musklene ved hjelp av tosidig tape, og ytterligere sikker ved hjelp av prewrap for å sikre at elektrodene forblir fast, spesielt under raske responser med armer og ben.
- Samle Inn EMG-data fra to indre håndmuskler på høyre hånd (første dorsal interosseus, FDI og opponens pollicus, OP) og ankeldorsiflexors på begge ben (tibialis fremre, TA).
MERK: Disse spesielle musklene ble valgt basert på deres relevans til en rekkevidde-til-forståelse-handling eller et fremoverskritt, men andre muskler kan velges etter behov.
3. Balansetest utstyr
Figur 1. Lean & release oppsett med benblokker. I dette eksemplet er én benblokk satt i åpen posisjon, mens den andre er satt til å forhindre et trinn. Disse blokkene flyttes via datastyrte motorer (grå bokser festet til støttestolpene). Håndtaksdeksler flyttes også til enten blokk eller tillate en rekkevidde-til-forståelse-respons. Her er dekslene frittliggende for å tillate full visning av håndtaket. Utløsermagneten er synlig på bakveggen. Alle ledningene strømmer gjennom selve treplattformen og går inn i den grå kretsboksen som ligger på bakhjørnet. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 2. Lean & slipp oppsett med kraftplater. Denne figuren viser hvordan tre kraftplater kan eventuelt bygges inn i treplattformen. Hvis kraftplater ikke er nødvendig, kan treplugger settes på plass. Disse pluggene er synlige, lener seg på sideveggen. Dette bildet viser også sikkerhetssele som brukes av deltakerne. Denne selen er festet til taket for å fungere som en sikkerhetsmekanisme dersom deltakeren ikke klarer å gjenopprette balansen på egen hånd. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
- Modifisert lean & release system
- Bruk et skreddersydd, magert og frigjørende kabelsystem til å pålegge fremperturbasjoner (se figur 1 og figur 2).
- Få deltakerne til å stå i en fremoverlent posisjon med føttene omtrent hoftebredde fra hverandre (se figur 3). Vedlikehold denne fremover lener seg ved hjelp av en kroppssele festet til en kabel, som deretter festes til veggen bak dem. Fest kabelen på baksiden av selen (ca. midthoracic-nivået). Fest støttekabelen til veggen med en magnet. Magneten deaktiveres kort for å frigjøre kabelen.
- Gjør de spesifikke prøveprosedyrene (dvs. når kabelen slippes ut og utbruddet av kabelutløseren) uforutsigbare for deltakeren. Kontroller nøyaktig tidspunktet for kabelutgivelsen via datamaskinkommandoer forhåndsinnstilt til en programvarekonfigurasjon. Denne konfigurasjonen vil tillate kontroll av tidspunktet for kabelutgivelsen slik at den kan randomiseres på tvers av studier.
MERK: Programvarekonfigurasjonen som styrer alle eksperimentelle enheter (f.eks. utløser motoren for å plassere en benblokk) angir den spesifikke prøvetilstanden (f.eks. hvis det finnes en benblokk eller ikke). Dette kan programmeres til å randomisere forhold eller levere dem i blokker for å kontrollere nivået av forutsigbarhet. - I tillegg til denne utløserkabelen festet til baksiden av selen, sikrer også deltakerne til en støttekabel hengende fra taket. Denne failsafe kabelen gir ingen kroppsvekt støtte med mindre det er absolutt nødvendig. Hvis en deltaker ikke klarer å gjenopprette balansen alene, fanger kabelen dem før den faller til bakken.
- På grunn av viktigheten av pålitelig visuell informasjon, må du kontrollere at deltakerne faktisk kan se håndtaket og benblokken når de har på seg brillene. Begynn hver studie ved å instruere deltakerne til å se direkte på et fast punkt på gulvet, ca 3 m foran dem, mens de holder hodet i en komfortabel posisjon. Plasser deltakerne slik at blikket er satt til å vise håndtaket i det perifere visuelle feltet og den øverste delen av hindringen.
- Plasser kroppen for å sikre at håndtaket er innenfor rekkevidde. Få deltakeren til å lene seg fremover mens du holder begge føttene i kontakt med gulvet. Dette vil kreve rotasjon om ankelen mens resten av kroppen forblir i en rett linje.
- Bestem den spesifikke lean-posisjonen som den minimale lean-vinkelen der et fremovertrinn er nødvendig for å gjenopprette balansen når kabelen slippes. Dette er en iterativ prosess for å finne en terskel mager vinkel på ankelleddet, som er vinkelen der deltakeren ikke lenger er i stand til å hindre et fremoverfall ved hjelp av en fot-på-plass reaksjon. Når dette er etablert, må du kontrollere lean-vinkelen gjennom testingen ved hjelp av goniometry.
- Giråd og begrensninger på kompenserende balansesvar
- Fest et sikkerhetshåndtak på veggen ved siden av deltakerne på høyre side. Bruk et motorisert deksel til å kontrollere tilgangen til dette håndtaket. Hvis håndtaket avdekkes, når deltakerne frigjøres fra deres støttede fremover lean det kan brukes til å gjenvinne balanse.
- Under forsøk hvor håndtaket avdekkes, plasserer du en benblokk foran deltakerens ben. Benblokken hindrer et skritt, men er ikke stivt satt på plass, noe som betyr at den kan forskyves når den sparkes. Programmer benblokken for å tillate fri bevegelse og konstruere den med kompatibelt materiale for å unngå skade.
MERK: Benblokkene er konstruert for å tvinge en "alt-eller-ingen" trinn beslutning gitt at de stiger nesten 30 inches av bakken (midten av låret nivå på de fleste individer). For forskere som er interessert i en mer nyansert blokade av et gjenopprettingstrinn, kan disse enhetene endres for å bruke en mindre / kortere hindring som deretter ville tillate et tilpasset skritt for å fjerne dem. - Bruk en svart presenning til å dekke håndtaket og blokkere det fra visningen på visse forsøk. Håndtaket forblir montert på samme sted, men vil være fysisk dekket for å forhindre direkte visuell tilgang og for å forhindre støttende forståelse. Når dette støttehåndtaket er dekket, fjerner du benblokken for å tillate en trinnreaksjon om nødvendig.
- Kontroll av syn
- Begrens synet til tidsrammen like før postural perturbasjon og kontroll via flytende krystallbriller (se Materialtabellen). Når de er lukket, forhindrer brillene tilgang til den visuelle scenen, slik at deltakerne ikke er klar over den kommende responstilstanden.
- Endre den spesifikke konfigurasjonen av benblokken og håndtere tilgjengeligheten for hver prøve mens brillene er lukket, slik at deltakerne må raskt oppfatte miljøet når brillene åpnes. Flytt håndtaksdekselet og benblokken på plass via datautløste servomotorer ved starten av hver prøve. Be deltakerne bruke ørepropper og få motorene til å bevege seg kontinuerlig i løpet av perioden med visuell okklusjon for å unngå avansert signalering for den kommende tilstanden.
4. Eksperimentell design
- Før testing, kort kjent deltakerne med hvordan du når håndtaket og gå fremover fra en skjeve posisjon.
- Gi deltakerne full kunnskap om den kommende praksistilstanden og sørg for at det ikke er usikkerhet. Instruer deltakerne om at når brillene er åpne, vil de se håndtaket dekket, og stepping banen vil være klar. Kort tid etter vil støttekabelen slippes ut, og de må gå raskt for å unngå å falle fremover.
- Bruk lignende instruksjoner om hvorvidt håndtaket er tilgjengelig for å gripe for å unngå et trinn.
- Gjennom testing og praksis, instruer deltakerne til å forbli avslappet med mindre bedt om å bevege seg ved en plutselig kabelutgivelse.
MERK: I gjennomsnitt krever deltakerne ca. 10 øvelsesforsøk før formell testing begynner.
- Endre svarinnstillingen mellom forsøk tilfeldig. Hvis de slippes ut av støttekabelen, må deltakerne gjenvinne stabiliteten ved enten å strekke seg etter det veggmonterte sikkerhetshåndtaket eller gå fremover hvis skrittbanen er klar.
- Lukk alltid okklusjonsbrillene i begynnelsen av hver studie, og da vil responsinnstillingen endres. Lukk brillene i en randomisert periode (vanligvis ca. 3–4 s) for å la innstillingen endres.
- Når brillene åpnes, må du oppgi en av to mulige responsinnstillinger: (1) benblokken er til stede og støttehåndtaket er til stede, eller (2) det ikke finnes noen benblokk og det ikke finnes støttehåndtak.
MERK: I den første tilstanden er et støttehåndtak tilgjengelig i en komfortabel rekkeviddeavstand, og benblokken forhindrer et trinn. Denne innstillingen pålegger en kontekst der det eneste alternativet som er tilgjengelig, er å raskt gripe det tilgjengelige støttehåndtaket med høyre arm. Den andre betingelsen gir mulighet for et gjenopprettingstrinn samtidig som du forhindrer bruk av støttehåndtaket. - Ved forsøk der det oppstår en perturbasjon, slipper du kabelen kort tid etter at brillene er åpne. Denne forsinkelsesperioden vil variere med studiekrav, men varierer fra 200-1000 ms.
- For noen forsøk, ikke slipp for å fungere som en fangst rettssak. Dette bidrar til å unngå forventningsfulle svar basert bare på visjon.
- Ha hver prøve siste 10 s, med en kort pause mellom forsøk for å tillate deltakerne en sjanse til å tilbakestille etter behov. Gi deltakerne en kort hvileperiode mellom hver testblokk og la dem sitte. Den grunnleggende eksperimentelle designen er avbildet i figur 3 (nederst).
MERK: Det totale prøvenummeret er variert for å dekke behovene til hver studie, men har en tendens til å inkludere omtrent 100 studier delt på tvers av tre til fire testblokker.
Figur 3. TMS-basert metode for å undersøke virkningen av å oppfatte miljøkostnader og/eller begrensninger på motorpreparat. TOPP. Et lean & release apparat utgitt deltakere på en uforutsigbar måte (perturbation test blokker bare). Omfanget av perturbasjon krevde en rask endring av støtte reaksjon, ved hjelp av enten armen eller benet for å gjenopprette en stabil base av støtte ved enten å nå til et sikkert håndhold, eller ta et fremover skritt. Mellom forsøkene ble synet okkludert ved hjelp av flytende krystallokklusjonsbriller og gjenstander i forgrunnen ble omorganisert tilfeldig. BUNN. Tidslinjen viser når visuell tilgang til miljøet ble tilgjengelig og tidspunktet for TMS-sonder i forhold til både visuell tilgang og perturbasjon. Den topp-til-topp amplituden av muskelresponsen på TMS (dvs. motor fremkalt potensial, MEP) ga en indeks av kortikospinal eksitabilitet i tidsperioden før perturbasjon. Dette tallet presenterer teoretiske responsdata for å demonstrere den hypotetiske virkningen av en kostnad for håndhandling (solid, blå linje) versus en studie der håndtaket er dekket (stiplet, rød linje). I dette tallet er begge forsøk/tilstander lagt over for å illustrere den hypotetiske effekten av å forberede motorproduksjonen for å enten lette eller undertrykke potensielle tiltak basert på en bestemt miljøkontekst. Tilpasset fra figur 1 i Bolton et al.21. Legg merke til at TMS ble brukt til å undersøke kortikospinal eksitabilitet i dette eksemplet. Dette er imidlertid bare ment å gi en grunnleggende representasjon av hendelsesforløpet ved hjelp av denne endrede lean & utgivelsen. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
5. TMS-protokoll (valgfritt)
- Lever enpuls-TMS over håndmotorkortikal representasjon mens deltakerne støttes i en fremoverlent. Lever TMS-pulser kort tid etter at du har åpnet brillene, men før bevegelse for å undersøke hvordan visning av miljøet påvirker motorsettet. Se Figur 3 for å visualisere hendelsesforløpet under en prøveversjon, inkludert når TMS leveres.
- Sett timingen for TMS levering i henhold til forskningsspørsmålet. I de representative resultatene varierte stimuleringen mellom 100 ms og 200 ms post-visjon. I tillegg til responsinnstillingene som er nevnt ovenfor, intersperse 'no-vision' referansestudier gjennom testing for å levere TMS uten å åpne brillene. Formålet med denne betingelsen er å gi en grunnlinje for eventuelle aktivitetsrelaterte endringer i motoraktiviteten (f.eks. økt opphisselse).
MERK: Ytterligere detaljer om de spesifikke TMS-prosedyrene finnes i Bolton et al.21 og Goode et al.22. - Lever magnetiske stimuli til den primære motorcortex (M1) med den stimulerende spolen orientert ca 45° til sagittalplanet (se Materialtabellen). Påfør stimuli i optimal posisjon for å få en motor fremkalt potensial (MEP) i FDI muskelen på høyre hånd (dvs. motoren 'hotspot').
- Når "hotspot" er funnet, bestemme en test stimulans intensitet bestemmes. For dagens forskningsformål er dette stimulansintensiteten der den gjennomsnittlige MEP er ca 1-1,5 mV topp-til-topp. Fest TMS-spolen på denne plasseringen og tilbakestill spoleposisjonen hvis hodebevegelse oppstår (f.eks. etter kabelutløser). Bestem teststimulansintensiteten mens forsøkspersonene står i spissen for å ta høyde for enhver postural tilstandspåvirkning på kortikospinal eksitabilitet.
Representative Results
Alle forevårede studier ble utført med unge kvinner og menn mellom 18 og 30 år. Den totale utvalgsstørrelsen for hver studie var som følger: Eksempel 1 (Rydalch et al.23) inkluderte 12 deltakere, Eksempel 2 (Bolton et al.21) inkluderte 63 deltakere, og eksempel 3 (Goode et al.22) inkluderte 19 deltakere. Leseren bør henvise til de komplette studiene for detaljer om metoder og analyser.
Eksempel 1
Blokkering av et raskt gjenopprettingstrinn, spesielt når stepping ble gjort automatisk ved hyppig repetisjon, tillatt for vurdering av responshemming i en postural sammenheng. Her sammenlignet vi benmuskelresponsen når et fremoverskritt enten var tillatt eller hindret23. Muskelresponsen fra stepping benet ble sammenlignet mellom forsøk hvor deltakeren skal nå versus forsøk hvor de skal gå. Dette ble oppnådd ved å sammenligne responsstørrelsen på ankeldorsiflexorer (tibialis fremre) under rekkevidde-til-håndtak versus trinnforsøk. Spesielt ble den integrerte EMG over et 200 ms-vindu (dvs. 100 ms til 300 ms post perturbation) brukt til å beregne et muskelresponsforhold. En mindre verdi indikerte en større evne til å avstå fra å gå som beskrevet i detalj i Rydalch et al.23. Ved å bruke størrelsen på muskelresponsen, var vår intensjon å gi en sensitiv måler for en tendens til å reagere med beinet. I dette eksemplet var målet med studien vår å avgjøre om responshemming målt med en sittende kognitiv test (dvs. stoppsignaloppgave, SST) korrelert med ytelse på en reaktiv balanseoppgave der undertrykkelse av et balansegjenopprettingstrinn var nødvendig. I balanseoppgaven ble totalt 256 studier samlet inn, hvorav 30% brukte en benblokk. I figur 4Afremhever vi gjennomsnittlige bølgeformer av personer som var på motsatte ender av kontinuumet for å undertrykke trinnrelatert benaktivitet. Scatterplot i figur 4B viser en liten, men signifikant sammenheng mellom evnen til å undertrykke et blokkert trinn og responshemming målt ved stoppsignalreaksjonstiden.
Når du tolker disse resultatene, er det viktig å erkjenne at SST (beskrevet ivedlegget ), og faktisk de fleste kognitive tester, stole på enkle svar (ofte fingerbevegelser) gjort av sittende deltakere som svar på imperative signaler som vises på en dataskjerm. Denne studien av Rydalch et al. adressert hvis evnen til å stoppe en prepotent respons ble bevart over en standard sittende test av responshemming sammenlignet med en reaktiv balansetest der kompenserende trinn av og til må undertrykkes23. Resultatene viste en sammenheng mellom det kognitive testresultatet (stoppsignalreaksjonstid) og kompenserende stepping, noe som tyder på at en persons stoppkapasitet generaliserer på tvers av ulike oppgaver.
Figur 4. Gjennomsnittlig trinn ben respons. (A) Gjennomsnittlig bølgeformer vises for tibialis fremre i trinnbenet. Trinn forsøk vises i rødt og nå forsøk i svart. Eksemplariske muskelresponsdata vist for to deltakere med enten en rask (topp) eller langsom stopp (bunn) signalreaksjonstid. Denne stoppsignalreaksjonstiden gir et millisekundmål på stoppeevne. Den tidlige muskelresponsen (integrert EMG) ble målt fra 100–300 ms (lys gul skyggelagt region). (B) Scatterplot som viser sammenhengen mellom muskelresponsforholdet og stop-signal reaksjonstid (SSRT) ved 400 ms visuell forsinkelse, r = 0,561; p = 0,029. Tilpasset fra figur 3 og 5, Rydalch et al.23. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Eksempel 2
Denne studien eksemplifiserer hvordan vårt modifiserte lean & release oppsett når kombinert med TMS kan brukes til å studere motorpreparat basert på visjon. Begrepet overførelser (opprinnelig foreslått av Gibson24) ble testet i en stående postural sammenheng, for å avgjøre om kortikospinal eksitabilitet av en håndmuskel (brukes til å gripe) ble lettere når du ser på et støttende håndtak. Nøkkelen til denne tilnærmingen var å vurdere hvordan den eksitatoriske tilstanden til motorsystemet ble påvirket av synet alene. Spesielt ble TMS-pulser levert kort tid etter at brillene åpnet, men før noen signal for bevegelse (dvs. kabelutløser). På denne måten ble bare motoraktiviteten relatert til den visuelle scenen analysert mens atferdsresponsen på perturbasjon var sekundær. I motsetning til studien ovenfor, som understreket behovet for responshemming ved å presentere trinnresponsen oftere, brukte denne studien en lik sannsynlighet for håndtak (rekkevidde) vs. no-handle (trinn) for å fokusere på visuell grunning av håndhandling. Resultatene indikerte at visning av håndtaket resulterte i tilrettelegging av en egen hånd (dvs. gripe) muskel, men bare i ren observasjonstilstand (figur 5)21. MERK: For eksemplarisk data, innhenting og analyse programvarekode, sammen med veiledning notater vennligst se open science rammeverk (https://osf.io/9z3nw/). Eksempler 1 og 3 brukte lignende kode og prosedyrer, med endringer i bestemte tilstander.
Figur 5. Data som viser forskjellen i kortikospinal eksitabilitet for REACH (dvs. håndtak) versus TRINN (dvs. ikke-håndtere) studier i en egen håndmuskel mens deltakerne sto i en støttet lean. Dette viste større aktivitet i hånden da håndtaket var til stede, og deltakerne så ganske enkelt på håndtaket (OBS), men denne effekten var fraværende under en egen balanse (BAL) forsøk blokker der kabelen ble periodisk utgitt. Feilfelt viser standardfeilen for gjennomsnittet. Toveis gjentatte tiltak ANOVA avslørte en interaksjon mellom tilstand og gis, F1, 62 = 5,69, #p = 0,020. For å løse våre spesifikke hypoteser brukte vi tidligere planlagte sammenligninger for å avgjøre om MEP amplitude i FDI var større når håndtaket var tilstede i hver tilstand separat. For hypotese 1 ble planlagte sammenligninger brukt til å sammenligne nivåer av kostnader (STEP, REACH) innenfor OBS-tilstanden og avslørte en betydelig økning i amplitude når håndtaket var synlig, t121 = 2,62, *p = 0,010. For hypotese 2 hadde vi opprinnelig spådd en interaksjon, men i motsatt retning fra det som ble funnet. Planlagt sammenligning av kostnader innenfor BAL-tilstanden viste ingen signifikant forskjell knyttet til tilstedeværelsen av et håndtak, t121 = -0,46, p = 0,644. Tilpasset fra figur 5, Bolton et al.21. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Eksempel 3
Dette siste eksemplet understreker hvordan vi tilpasset denne enheten til igjen å studere motorpreparat av en håndmuskel basert på syn, men fokuserte på behovet for å raskt undertrykke benhandling. I denne versjonen ble håndtaksdekselet permanent dekket, mens bare benblokken beveget seg. Som eksempel 1 ble sannsynligheten for stopp kontra trinnbetingelser manipulert for å oppmuntre til et automatisk trinn. Gitt at håndtaket ikke lenger var et alternativ i denne studien, ble graden av fremover mager målt ved ankelen litt redusert (~ 6 ° vs. ~ 10° som i de to ovennevnte studiene) for å tillate en fast støttereaksjon. Den spesifikke bruken for denne versjonen av oppgaven var å undersøke begrepet global undertrykkelse, som tidligere har blitt utforsket i sittende oppgaver der fokusknapptrykk ble brukt som svar på visuelle stimuli presentert på en datavisning25. Som eksempel 2 ble TMS levert for å vurdere kortikospinal eksitabilitet i en egen håndmuskel umiddelbart etter tilgang til responsmiljøet (dvs. blokk eller ingen blokk), men før et signal for å flytte (dvs. kabelfrigjøring). Begrunnelsen for å teste en egen håndmuskel i en oppgave som bare brukte beinresponsvar å se om en oppgave irrelevant muskel ville vise bevis for en generell undertrykkelse gjennom motorsystemet. Resultatene avbildet nedenfor i figur 6 viser tegn på en utbredt nedleggelse over motorsystemet når et automatisk trinn brått stoppes22.
Figur 6. Modifisert lean & release oppgave med benblokk bare (dvs. ingen mulighet for å gripe et støttehåndtak). (A) Denne figuren viser MEP amplitude undertrykkelse i en egen hånd muskel når en benblokk ble presentert (dvs. NO-STEP tilstand). (B) Fra de gjentatte tiltakene ANOVA var trinntilstanden x ventetidsinteraksjon, F1,18 = 4,47, p = 0,049, signifikant. Visuell inspeksjon av linjegrafen 2 avslører avtagende MEP amplitude over tid kun for NO-STEP-tilstanden, og dette ble bekreftet med oppfølgingssammenligninger. Nærmere bestemt viste disse sammenligningene en signifikant reduksjon på 200 ms sammenlignet med 100 ms t18 = 2,595, *p = 0,009 for NO-STEP-betingelsen. En lignende sammenligning mellom 200 ms og 100 ms for STEP-betingelsen viser derimot ingen forskjell t18 = 0,346, p = 0,367. Tilpasset fra figur 1 og 2, Goode et al.22. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Discussion
Dette modifiserte lean & release-systemet gir en ny måte å vurdere kognitive roller i reaktiv balanse. Som med standard lean & release prosedyre, retningen og amplituden av postural perturbasjon er forutsigbar for motivet mens tidspunktet for kabelutgivelsen er uforutsigbar. Det som er unikt i den nåværende tilnærmingen er at tilgangen til syn er nøyaktig kontrollert mens motivet forblir fast og responsmiljøet endres rundt dem for å skape ulike handlingsmuligheter og/eller begrensninger. Ved å manipulere tilstedeværelsen av hindringer og gisanser denne metoden understreker kognitive prosesser som beslutningstaking (dvs. handlingsvalg) og responshemming i forhold til balanse utvinning.
Den foreslåtte metoden har potensial til å gi et unikt glimt inn i nevrale kontroll av balanse, men utgjør visse begrensninger. For eksempel, når du bruker lean & release metoden, er kabelutgivelsen initiert fra en fremover lean, noe som nødvendiggjør et uttalt balansegjenopprettingstrinn sammenlignet med andre metoder for ekstern postural perturbasjon10. Også retningen og omfanget av perturbasjonen er forutsigbar, noe som kan føre til forventningsfull aktivering av muskler som normalt ikke ville være engasjert i mer realistiske fallscenarier. Til slutt er visjonen midlertidig okkludert før kabelutgivelsen, som også avviker fra en persons daglige erfaring. Disse funksjonene gjør vår vurdering av balanse noe kunstig og kan utelukke generalisering på tvers av ulike former for perturbasjon. Det er viktig å erkjenne at generalizability til virkelige verden faller er alltid en bekymring når du trekker slutninger om hvordan balansen styres fra en bestemt vurderingmetode. Faktisk finnes en vanlig anerkjent omfattende test for balanseevne for øyeblikket ikke4. For nåværende formål gjør et fast fremfall at perturbasjonsegenskaper og responsinnstillinger holdes konstante mens man manipulerer spesifikke kognitive krav som ofte blir neglisjert eller utilgjengelige i tradisjonelle balansevurderinger. Slik eksperimentell kontroll er gunstig, men bør tas i betraktning når du tolker resultater.
Som en annen begrensning kan byggingen av testutstyret og de nødvendige tekniske ferdighetene representere en utfordring for å implementere denne metoden. Tre elektroingeniørstudenter fra Utah State University bygde plattformen, satte opp elektronikken og programmerte mikrokontrollere til å kjøre servomotorer til håndtaksdekselet og benblokken. Byggekostnadene var beskjedne (dvs. <$15,000 ikke inkludert kraftplatene montert i plattformen). Likevel kan dette utgjøre en utfordring avhengig av tilgjengelige ressurser.
Spesifikk innsikt i nevrale kontroll av balanse ble oppnådd ved hjelp av denne tilnærmingen. Disse eksemplene tyder på at ikke-invasiv hjernestimulering kan brukes til å fange motorsett basert på å vise objekter i postural sammenheng og tilby en teknikk for å vurdere responshemming ved hjelp av muskelresponser. Spesielt kan den modifiserte lean & release teknikken lett tilpasses for å innlemme andre nevrofysiologiske sonder som elektroencefalografi og funksjonell nær-infrarød spektroskopi. Selv uten inkludering av direkte nevrale tiltak, kan studiedesign som fokuserer utelukkende på ytre krefter, muskelaktivering og kinematikk gi viktig innsikt i atferdsmarkører av kognitive underskudd. For eksempel har en interessant søknad om bruk av kraftplater for å fange forventningsfulle posturale skift under en reaktiv stepping oppgave blitt demonstrert av Cohen et al.26. I sin studie ble underskudd som responshemming hos eldre voksne avslørt av upassende vektskifting, noe som igjen førte til forsinkelser i valgreaksjonstrinnstider. En slik tilnærming kan brukes på det nåværende paradigmet for å få sensitive tiltak for vektskifting og stepping feil.
Denne nye metoden bygger fra en etablert reaktiv balansetest der deltakerne frigis fra en støttet lean, og inneholder nå scenarier som krever atferdsfleksibilitet. Testdesign som er egnet for å utsette responshemming og handlingsvalg, gir oss en måte å anvende konsepter fra kognitiv psykologi til domenet av balansekontroll. En slik tilnærming er nødvendig for å bygge på erkjennelsen av at kognitiv nedgang og fallprevalens er korrelert, og for å få en mekanistisk forståelse for hvordan kognitive ressurser forhindrer fall. Antagelig kan dette oppsettet brukes ikke bare som et forskningsverktøy, men også som et middel for å trene kognitive roller i balanse. Et viktig mål med pågående arbeid vårt laboratorium er å forstå hvordan hjernen benytter kontekstuell informasjon for å oppdatere hvilken bevegelse som ville være mest egnet til å forhindre et fall gitt omgivelsene. Tegn som tilgjengeligheten av et stabilt håndgrep eller en potensiell trinnbarriere kan veilede hvilken respons som skal gjøres hvis behovet oppstår og kan i skjult forme prediktive hjerneprosesser16. Spesielt kan kapasiteten til å bruke denne informasjonen på riktig måte forverres med alderen hvis mentale fakulteter som hemmende interferenskontroll eller synsromlig minne er nødvendig. Gitt forholdet mellom kognitiv nedgang og fall1-3, implementere studiedesign som understreker et behov for å integrere kontekstuell relevans kan gi verdifull innsikt i balanse underskudd i mange sårbare populasjoner.
Disclosures
Forfatterne har ingenting å avsløre.
Acknowledgments
Forskning rapportert i denne publikasjonen ble støttet av National Institute on Aging of the National Institutes of Health under Award Number R21AG061688. Innholdet er utelukkende forfatternes ansvar og representerer ikke nødvendigvis de offisielle synspunktene til 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).
