Summary
Aqui oferecemos um protocolo que permite ao usuário alterar seletivamente os recursos e/ou restrições sobre movimentos relevantes para recuperar o equilíbrio após perturbação postural.
Abstract
A avaliação do equilíbrio reativo tradicionalmente impõe algum tipo de perturbação à postura vertical ou marcha seguida de medição do comportamento corretivo resultante. Essas medidas incluem respostas musculares, movimentos de membros, forças de reação do solo e até mesmo medidas neurofisiológicas diretas, como eletroencefalografia. Usando essa abordagem, pesquisadores e clínicos podem inferir alguns princípios básicos sobre como o sistema nervoso controla o equilíbrio para evitar uma queda. Uma limitação com a forma como essas avaliações são utilizadas atualmente é que elas enfatizam fortemente as ações reflexivas sem a necessidade de rever reações posturais automáticas. Tal foco exclusivo nessas reações altamente estereotipadas não abordaria adequadamente como podemos modificar essas reações caso surja a necessidade (por exemplo, evitando um obstáculo com um passo de recuperação). Isso parece ser uma omissão gritante quando se considera a enorme complexidade dos ambientes que enfrentamos diariamente. No geral, o status quo ao avaliar o controle neural do equilíbrio não consegue expor verdadeiramente como recursos cerebrais mais altos contribuem para evitar quedas em cenários complexos. O presente protocolo oferece uma maneira de exigir a supressão de reações de equilíbrio corretivo automáticas, mas inadequadas, e forçar uma seleção entre escolhas alternativas de ação para recuperar com sucesso o equilíbrio após perturbação postural.
Introduction
Apesar da correlação reconhecida entre quedas e declínio cognitivo1,2,3, uma grande lacuna persiste em entender o que o cérebro realmente faz para nos ajudar a evitar uma queda. Em teoria, as demandas cognitivas seriam acentuadas à medida que a complexidade ambiental aumentasse e em situações em que precisamos rever o comportamento instintivo. No entanto, a maioria dos testes de equilíbrio não consegue tributar efetivamente a função cerebral mais alta, em vez de enfatizar reações reflexivas de retos. Embora fatores como a velocidade de resposta sejam essenciais para evitar uma queda, fatores cognitivos adicionais, como o controle inibidor e/ou a capacidade de selecionar ações apropriadas com base em um determinado contexto também podem ser importantes em determinadas situações. Como resultado, uma das razões pelas quais podemos não entender o papel do cérebro no equilíbrio reativo é devido aos protocolos de pesquisa atualmente em uso. Rogers et al. resumiram recentemente as diferentes maneiras pelas quais o controle de equilíbrio foi avaliado utilizando perturbação externa4. Esses métodos incluem tradução de plataforma, inclinações e/ou gotas, bem como o uso de sistemas automatizados que empurram, puxam ou removem suporte postural. Apesar da grande variedade de técnicas utilizadas para interromper o equilíbrio vertical, as reações corretivas resultantes são quase sempre feitas em um ambiente desobstruído, minimizando assim as restrições ao movimento. Aqui, propomos um método onde os processos cognitivos são necessários para substituir a ação pré-potente e selecionar respostas adequadas entre alternativas em uma tarefa de equilíbrio reativo.
Uma maneira comum de testar o equilíbrio reativo é impor perturbações posturais relativamente pequenas que podem ser comparadas usando uma reação de suporte fixo (tipicamente pés no lugar)5,6,7,8,9. Comparativamente, menos estudos se concentraram em reações de equilíbrio de mudança de suporte em resposta a perturbações via puxões de cintura, tradução de plataforma e liberação de um cabo de suporte Como exemplo, veja Mansfield et al.10. A importância deste último grupo pode ser apreciada reconhecendo que, quando as perturbações são grandes, as reações de mudança de suporte são a única opção para recuperar a estabilidade11. De fato, mesmo para perturbações menores que poderiam ser gerenciadas usando estratégias de pés no local (ou seja, quadril e/ou tornozelo), as pessoas frequentemente preferem pisar quando dada a escolha11. O valor no estudo dessas reações de mudança de apoio reside não apenas no fato de que uma maior magnitude de perturbação deve ser comvida, mas também nos desafios que emergem ao reposicionar os membros para estabelecer uma nova base de apoio. A presença de acessibilidades e/ou restrições à ação são uma parte regular de muitas configurações do mundo real. Isso força um processo de seleção para estabelecer uma nova base de apoio quando ocorre uma perda de equilíbrio. Para adaptar o comportamento a ambientes complexos, há uma demanda aumentada por maiores recursos cerebrais. Isso é especialmente verdade quando os membros devem estabelecer uma nova base de apoio. Enfatizar e expor papéis cognitivos no equilíbrio reativo a necessidade de reintroduzir a desordem e forçar uma estratégia de mudança de suporte com os membros parece lógico.
Uma maneira simples de entregar uma perturbação postural induzida externamente é a técnica lean & release, onde um indivíduo é subitamente liberado de uma inclinação para a frente apoiada. Esta abordagem permite avaliar as reações compensatórias para evitar uma queda para a frente e tem sido utilizada com sucesso em populações saudáveis e clínicas12,13,14. Embora a técnica de lean & release seja um pouco básica, ela oferece uma valiosa visão sobre a capacidade de equilíbrio reativo (por exemplo, a rapidez com que alguém pode iniciar uma etapa de recuperação ou determinar o número de passos necessários para recuperar a estabilidade). Para os propósitos atuais, a técnica lean & release fornece uma maneira simples de explorar papéis cognitivos em equilíbrio reativo, pois muitas das características de perturbação são mantidas constantes. Isso proporciona maior controle experimental sobre variáveis especificamente relevantes para a seleção de ações e inibição de resposta. Enquanto outros modos de perturbação postural normalmente dependem da imprevisibilidade em termos de direção, amplitude e tempo, o ambiente ao redor é sempre constante. Mesmo em estudos onde os blocos de pernas têm sido usados para enfatizar reações de alcance-a-compreensão15 os blocos são fixados no lugar sem necessidade de adaptar rapidamente comportamentos de pisada com base na presença ou ausência de um bloco de perna. Com o método atualmente proposto, podemos mudar o ambiente de forma a exigir adaptação comportamental para evitar uma queda.
Além de configurações laboratoriais que expõem inadequadamente os papéis cognitivos no equilíbrio reativo, outra questão importante é a forte dependência de medidas externas, como insets musculares, forças de reação do solo e captura de movimento de vídeo para inferir processos neurais. Embora essas medidas sejam valiosas, a dependência exclusiva dessas medidas falha em fornecer uma visão direta dos mecanismos neurais subjacentes que contribuem para o equilíbrio. Esse problema é agravado quando se considera que muito do que o cérebro pode fazer para evitar uma queda em ambientes complexos provavelmente acontece antes da queda. Os papéis preditivos na prevenção de quedas foram recentemente discutidos mais extensivamente16. As direções de pesquisa incluem prever a instabilidade futura17, construir mapas visuosespaciais à medida que avançamos pelo nosso ambiente18, e possivelmente formar contingências baseadas no meio ambiente mesmo sem o conhecimento prévio de uma queda19. Revelar tal preparação seria totalmente inacessível sem o uso de sondas neurofisiológicas diretas.
A abordagem de lean & release modificada como atualmente proposta oferece um meio de superar algumas das limitações existentes mencionadas. Isso é feito usando um cenário de teste onde os membros são necessários para estabelecer uma nova base de suporte em um ambiente exigente de escolha. Esta abordagem é aumentada pela inclusão de medidas diretas de atividade cerebral (por exemplo, estimulação magnética transcraniana, TMS) antes e depois da perturbação postural, que pode complementar medidas externas de produção de força e captura de movimento. Essa combinação de características experimentais representa uma importante inovação no campo para expor como o cérebro contribui para o equilíbrio em ambientes complexos onde a inibição de resposta e a seleção de ações entre as opções são solicitadas para evitar uma queda. Aqui demonstramos um novo método para testar o equilíbrio reativo em um cenário que enfatiza a necessidade de processos cognitivos para adaptar o comportamento, a fim de evitar uma queda. A combinação de obstáculos e acessibilidades para a ação força a necessidade de inibição de resposta, ação direcionada e seleção de resposta entre as opções. Além disso, demonstramos controle temporal preciso sobre o acesso visual, o tempo das sondas neurais, a alteração do ambiente de resposta e o início da perturbação postural.
Protocol
Todos os procedimentos receberam aprovação do Conselho de Revisão Institucional da Universidade Estadual de Utah e foram conduzidos de acordo com a Declaração de Helsinque.
1. Triagem de participantes
- Os participantes fornecem consentimento informado por escrito aos procedimentos antes do teste.
- Para testes com TMS, os participantes da tela antes do teste, a fim de avaliar sua adequação ao TMS, utilizando diretrizes desenvolvidas por um grupo de especialistas20.
2. Aquisição de dados: eletromiografia (EMG)
- Registre emg usando eletrodos de superfície e sinais amplificadores (ganho = 1.000; ver Tabela de Materiais).
- Adquira dados e filtro de bandpass (10-1.000 Hz) usando uma interface de aquisição de dados e software apropriado (ver Tabela de Materiais). Use este dispositivo e software para controlar os vários motores, liberação de cabos e óculos de oclusão, conforme descrito posteriormente nos métodos.
- Abra levemente a superfície da pele e limpe com álcool sobre os locais musculares alvo. Fixar os eletrodos EMG de superfície nos músculos alvo usando fita dupla face, e ainda mais seguro usando o pré-wrap para garantir que os eletrodos permaneçam fixos, especialmente durante respostas rápidas com os braços e pernas.
- Coletar dados EMG de dois músculos intrínsecos da mão direita (primeiro interosso dorsal, FDI e opponens pollicus, OP) e dorsiflexores do tornozelo em ambas as pernas (tibial anterior, TA).
NOTA: Esses músculos particulares foram selecionados com base em sua relevância para uma ação de alcance ou um passo para a frente, mas outros músculos poderiam ser selecionados conforme necessário.
3. Equipamento de teste de equilíbrio
Figura 1. Configuração de lean & release com blocos de pernas. Neste exemplo, um bloco de perna é definido na posição aberta, enquanto o outro é definido para evitar um passo. Esses blocos são movidos através de motores controlados por computador (caixas cinzas anexadas aos postes de suporte). As tampas da alça também são movidas para bloquear ou permitir uma resposta de alcance a preensão. Aqui, as tampas são separadas para permitir a visão completa da alça. O ímã de liberação é visível na parede traseira. Toda a fiação se alimenta através da própria plataforma de madeira e entra na caixa de circuito cinza localizada no canto traseiro. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2. Configuração de lean & release com placas de força. Esta figura mostra como três placas de força podem ser opcionalmente incorporadas na plataforma de madeira. Se as placas de força não forem necessárias, os plugues de madeira podem ser colocados no lugar. Estes plugues são visíveis, apoiados na parede lateral. Esta imagem também mostra o cinto de segurança usado pelos participantes. Este arreio é fixado no teto para atuar como um mecanismo de segurança caso o participante não recupere seu equilíbrio por conta própria. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
- Sistema de lean & release modificado
- Use um sistema de cabos personalizado, lean & release para impor perturbações para a frente (ver Figura 1 e Figura 2).
- Faça com que os participantes fiquem em uma posição inclinada para a frente com os pés aproximadamente afastados da largura do quadril (ver Figura 3). Mantenha esta inclinação para a frente usando um arreio de corpo preso a um cabo, que é então fixado na parede atrás deles. Fixar o cabo na parte de trás do arreio (aproximadamente nível midtorácico). Fixar o cabo de suporte na parede por um ímã. O ímã será brevemente desativado para liberar o cabo.
- Tornar imprevisíveis os procedimentos específicos de teste (ou seja, quando o cabo é liberado e o início da liberação do cabo) imprevisíveis ao participante. Controle o tempo preciso de liberação do cabo através de comandos de computador predefinidos em uma configuração de software. Esta configuração permitirá o controle do tempo de liberação do cabo para que ele possa ser randomizado em testes.
NOTA: A configuração do software que controla todos os dispositivos experimentais (por exemplo, acionando o motor para posicionar um bloco de pernas) define a condição de ensaio específica (por exemplo, se um bloco de perna estiver presente ou não). Isso pode ser programado para randomizar condições ou entregá-las em blocos para controlar o nível de previsibilidade. - Além deste cabo de liberação preso na parte de trás do arreio, também proteja os participantes a um cabo de suporte pendurado no teto. Este cabo à prova de falhas não fornece suporte de peso corporal, a menos que seja absolutamente necessário. Se um participante não conseguir recuperar o equilíbrio sozinho, o cabo os pega antes de cair no chão.
- Devido à importância de informações visuais confiáveis, verifique se os participantes podem realmente ver o cabo e o bloqueio da perna ao usar os óculos. Inicie cada ensaio instruindo os participantes a olhar diretamente para um ponto fixo no chão, cerca de 3 m à frente deles, enquanto seguram a cabeça em uma posição confortável. Posicione os participantes de forma que seu olhar esteja definido para visualizar a alça no campo visual periférico e a parte superior do obstáculo.
- Posicione o corpo para garantir que a pega esteja dentro do alcance. Mande o participante inclinar-se para a frente mantendo os dois pés em contato com o chão. Isso exigirá rotação sobre o tornozelo enquanto o resto do corpo permanece em linha reta.
- Determine a posição inclinada específica como o ângulo magro mínimo onde um passo para a frente é necessário para recuperar o equilíbrio quando o cabo é liberado. Este é um processo iterativo para encontrar um ângulo de inclinação limiar na articulação do tornozelo, que é o ângulo onde o participante não é mais capaz de evitar uma queda para a frente usando uma reação de pés no lugar. Uma vez estabelecido, verifique o ângulo magro durante os testes usando goniometria.
- Acessibilidades e restrições em respostas compensatórias de equilíbrio
- Fixar uma alça de segurança na parede ao lado dos participantes do lado direito. Use uma tampa motorizada para controlar o acesso a esta alça. Se a alça for descoberta, quando os participantes forem liberados de sua inclinação para a frente apoiada, ela poderá ser usada para recuperar o equilíbrio.
- Durante os ensaios onde a alça é descoberta, coloque um bloco de perna na frente das pernas do participante. O bloco da perna impede um passo, mas não é rigidamente definido no lugar, o que significa que ele pode ser deslocado quando chutado. Programe o bloco da perna para permitir a livre circulação e construa-o com material compatível para evitar ferimentos.
NOTA: Os blocos das pernas foram construídos para forçar uma decisão de passo "tudo ou nenhum", dado que eles sobem quase 30 polegadas do chão (nível médio da coxa na maioria dos indivíduos). Para os pesquisadores interessados em um bloqueio mais nuances de uma etapa de recuperação, esses dispositivos poderiam ser modificados para usar um obstáculo menor/mais curto que permitiria então um passo adaptado para limpá-los. - Use uma lona preta para cobrir a alça e bloqueá-la da vista em certos ensaios. A alça permanecerá montada no mesmo local, mas será fisicamente coberta para evitar o acesso visual direto e para evitar qualquer apreensão de suporte. Quando esta alça de suporte estiver coberta, remova o bloco da perna para permitir uma reação de etapa, se necessário.
- Controle da visão
- Limitar a visão ao período de tempo pouco antes da perturbação postural e controle através de óculos de cristal líquido (ver Tabela de Materiais). Quando fechados, os óculos impedem o acesso à cena visual para que os participantes desconheçam a próxima condição de resposta.
- Altere a configuração específica do bloco de pernas e manuseie a disponibilidade para cada teste enquanto os óculos são fechados para que os participantes precisem perceber rapidamente o ambiente assim que os óculos abrirem. Mova a tampa da pega e o bloco da perna para a posição através de servomotores acionados por computador no início de cada teste. Faça com que os participantes usem protetores auricular e façam com que os motores se movam continuamente durante o período de oclusão visual para evitar qualquer sinalização avançada para a próxima condição.
4. Projeto experimental
- Antes do teste, familiarize brevemente os participantes sobre como alcançar a alça e dar um passo à frente a partir de uma posição inclinada.
- Forneça aos participantes pleno conhecimento da próxima condição de prática e certifique-se de que não há incerteza. Instrua os participantes que uma vez que os óculos estejam abertos, eles verão a alça coberta, e o caminho de passo será claro. Pouco depois, o cabo de suporte será liberado e eles terão que dar um passo rápido para evitar cair para a frente.
- Use instruções semelhantes sobre se a alça está disponível ou não para agarrar para evitar um passo.
- Durante os testes e práticas, instrua os participantes a permanecerem relaxados, a menos que sejam solicitados a se mover por uma liberação súbita do cabo.
NOTA: Em média, os participantes exigem aproximadamente 10 tentativas de prática antes do início dos testes formais.
- Altere aleatoriamente a configuração de resposta entre os ensaios. Se liberados do cabo de suporte, os participantes devem recuperar a estabilidade, alcançando a alça de segurança montada na parede ou avançando se o caminho de passo estiver limpo.
- Feche sempre os óculos de oclusão no início de cada ensaio, momento em que a configuração de resposta será alterada. Feche os óculos por um período aleatório (geralmente cerca de 3-4 s) para permitir que a configuração mude.
- Quando os óculos abrirem, forneça uma das duas configurações de resposta possíveis: (1) o bloco da perna está presente e a alça de suporte está presente, ou (2) nenhum bloco de perna está presente e nenhuma alça de suporte está presente.
NOTA: Na primeira condição, uma alça de suporte está disponível a uma distância de alcance confortável e o bloco da perna impede um passo. Esta configuração impõe um contexto onde a única opção disponível é agarrar rapidamente a alça de suporte disponível com o braço direito. A segunda condição permite uma etapa de recuperação, evitando o uso da alça de suporte. - Nos ensaios em que ocorre uma perturbação, solte o cabo logo após a abertura dos óculos. Esse período de atraso variará de acordo com os requisitos do estudo, mas varia de 200 a 1.000 ms.
- Para alguns julgamentos, não libere para atuar como um julgamento de captura. Isso ajuda a evitar respostas antecipatos baseadas apenas na visão.
- Tenha cada teste nos últimos 10 s, com uma pequena pausa entre os ensaios para permitir aos participantes a chance de reiniciar conforme necessário. Dê aos participantes um breve período de descanso entre cada bloco de teste e permita que eles se sitem. O desenho experimental básico é retratado na Figura 3 (inferior).
NOTA: O número total de ensaios é variado para atender às necessidades de cada estudo, mas tende a incluir aproximadamente 100 ensaios divididos em três a quatro blocos de teste.
Figura 3. Método baseado em TMS para investigar o impacto da perceitância ambiental e/ou restrições na preparação do motor. Em cima. Um aparelho enxuto e de liberação liberou os participantes de forma imprevisível (apenas blocos de teste de perturbação). A magnitude da perturbação exigiu uma reação rápida de mudança de suporte, usando o braço ou a perna para restabelecer uma base estável de suporte, alcançando um porão seguro, ou dando um passo adiante. Entre os ensaios, a visão foi ocluída usando óculos de oclusão de cristal líquido e objetos em primeiro plano foram reorganizados aleatoriamente. EMBAIXO. A linha do tempo mostra quando o acesso visual ao ambiente se tornou disponível e o tempo das sondas TMS em relação ao acesso visual e à perturbação. A amplitude de pico-pico da resposta muscular ao TMS (ou seja, potencial evocado motor, MEP) proporcionou um índice de excitabilidade corticoespinhal no período anterior à perturbação. Esta figura apresenta dados teóricos de resposta para demonstrar o impacto hipotizado de uma acessibilidade para ação manual (linha azul sólida) versus um ensaio onde a alça é coberta (pontilhada, linha vermelha). Nesta figura, ambos os ensaios/condições são sobrepostos para ilustrar o efeito hipotemizado da preparação da saída do motor para facilitar ou suprimir ações potenciais com base em um contexto ambiental específico. Adaptado da Figura 1 em Bolton et al.21. Note-se que o TMS foi usado para sondar a excitabilidade corticoespinhal neste exemplo. No entanto, isso destina-se apenas a fornecer uma representação básica da seqüência de eventos usando este lean & release modificado. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
5. Protocolo TMS (opcional)
- Ofereça TMS de pulso único sobre a representação cortical do motor manual enquanto os participantes são suportados em uma inclinação para a frente. Fornecer pulsos TMS logo após a abertura dos óculos, mas antes de qualquer movimento para investigar como a visualização do ambiente impacta o conjunto do motor. Consulte a Figura 3 para visualizar a seqüência de eventos durante um teste, inclusive quando o TMS é entregue.
- Defina o tempo para a entrega do TMS de acordo com a questão da pesquisa. Nos resultados representativos, a estimulação variou entre 100 ms e 200 ms pós-visão. Além das configurações de resposta listadas acima, intercale aleatoriamente os testes de referência "sem visão" durante os testes para fornecer TMS sem abrir os óculos. O objetivo desta condição é fornecer uma linha de base para quaisquer alterações relacionadas à tarefa na atividade motora (por exemplo, maior excitação).
NOTA: Mais detalhes sobre os procedimentos específicos de TMS podem ser encontrados em Bolton et al.21 e Goode et al.22. - Fornecer estímulos magnéticos ao córtex motor primário (M1) com a bobina estimulante orientada aproximadamente 45° para o plano sagital (ver Tabela de Materiais). Aplique estímulos na posição ideal para obter um potencial evocado motor (MEP) no músculo FDI na mão direita (ou seja, o motor 'hotspot').
- Uma vez que o 'hotspot' é encontrado, determine que a intensidade do estímulo do teste é determinada. Para os fins atuais da pesquisa, esta é a intensidade de estímulo onde a média do MEP é de aproximadamente 1-1,5 mV pico-a-pico. Corrija a bobina TMS neste local e redefini-a se ocorrer movimento da cabeça (por exemplo, após a liberação do cabo). Determine a intensidade do estímulo do teste enquanto os sujeitos estão em frente inclinando-se para explicar qualquer influência do estado postural na excitabilidade corticoespinhal.
Representative Results
Todos os estudos exemplares apresentados foram realizados com mulheres jovens e homens entre 18 e 30 anos de idade. O tamanho total da amostra para cada estudo foi o seguinte: Exemplo 1 (Rydalch et al.23) incluiu 12 participantes, Exemplo 2 (Bolton et al.21) incluiu 63 participantes, e Exemplo 3 (Goode et al.22) incluiu 19 participantes. O leitor deve consultar os estudos completos para obter detalhes sobre métodos e análises.
Exemplo 1
O bloqueio de uma etapa de recuperação rápida, particularmente quando a pisada foi feita automática por repetição frequente, permitiu a avaliação da inibição de resposta em um contexto postural. Aqui, comparamos a resposta muscular da perna quando um passo para a frente foi permitido ou obstruído23. A resposta muscular da perna de degrau foi comparada entre os ensaios em que o participante deve alcançar versus ensaios onde deve pisar. Isso foi feito comparando-se a magnitude de resposta dos dorsiflexores do tornozelo (tibial anterior) durante os ensaios de alcance-a-manuseio versus passo. Especificamente, o EMG integrado ao longo de uma janela de 200 ms (ou seja, 100 ms a 300 ms pós-perturbação) foi usado para calcular uma razão de resposta muscular. Um valor menor indicou uma maior capacidade de abster-se de pisar conforme descrito em detalhes em Rydalch et al.23. Usando a magnitude da resposta muscular, nossa intenção era fornecer um medidor sensível para uma tendência de responder com a perna. Neste exemplo, o objetivo do nosso estudo foi determinar se a inibição de resposta medida com um teste cognitivo sentado (ou seja, stop signal task, SST) correlacionava-se com o desempenho em uma tarefa de equilíbrio reativo onde era necessária a supressão de uma etapa de recuperação de equilíbrio. Na tarefa de equilíbrio, foram coletados 256 ensaios, dos quais 30% utilizaram um bloco de perna. Na Figura 4A,destacam-se formas de onda médias de indivíduos que estavam em extremidades opostas do contínuo para suprimir a atividade das pernas relacionadas com etapas. O gráfico de dispersão na Figura 4B mostra uma pequena, mas significativa correlação entre a capacidade de suprimir um passo bloqueado e a inibição de resposta medida pelo tempo de reação do sinal de pare.
Ao interpretar esses resultados, é importante reconhecer que o SST (descrito no apêndice)e, de fato, a maioria dos testes cognitivos, dependem de respostas simplistas (muitas vezes movimentos dos dedos) feitas por participantes sentados em resposta a pistas imperativas exibidas em uma tela de computador. Este estudo de Rydalch et al. abordou se a capacidade de parar uma resposta pré-potente foi preservada em um teste padrão de inibição de resposta sentado em comparação com um teste de equilíbrio reativo onde as etapas compensatórias devem ser ocasionalmente suprimidas23. Os resultados mostraram uma correlação entre o resultado do teste cognitivo (tempo de reação do sinal de parada) e a etapa compensatória, o que sugere que a capacidade de parada de um indivíduo generaliza em diversas tarefas.
Figura 4. Resposta média da perna de passo. (A) Formas de onda médias são mostradas para a tíbia anterior na perna de pisada. Os testes de passo são mostrados em vermelho e atingem os testes em preto. Dados de resposta muscular exemplares mostrados para dois participantes com um tempo de reação de sinal de parada rápida (superior) ou lenta (inferior). Este tempo de reação de sinal de parada oferece uma medida de milissegundo da capacidade de parada. A resposta muscular precoce (EMG integrado) foi medida de 100-300 ms (região de sombreado amarelo claro). (B) Scatterplot mostrando a correlação entre a razão de resposta muscular e o tempo de reação do sinal de parada (SSRT) no atraso visual de 400 ms, r = 0,561; p = 0,029. Adaptados das Figuras 3 e 5, Rydalch et al.23. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Exemplo 2
Este estudo exemplifica como nossa configuração de lean & release modificada quando combinada com TMS pode ser usada para estudar a preparação motora com base na visão. O conceito de acessibilidade (originalmente proposto por Gibson24) foi testado em um contexto postural permanente, para determinar se a excitabilidade corticoespinhal de um músculo da mão (usado para agarrar) foi facilitada ao visualizar uma alça de apoio. A chave para essa abordagem foi avaliar como o estado excitatório do sistema motor foi afetado apenas pela visão. Especificamente, os pulsos TMS foram entregues logo após a abertura dos óculos, mas antes de qualquer sugestão de movimento (ou seja, liberação do cabo). Dessa forma, apenas a atividade motora relacionada à cena visual foi analisada enquanto a resposta comportamental à perturbação foi secundária. Ao contrário do estudo acima, que enfatizou a necessidade de inibição de resposta ao apresentar a resposta da etapa com mais freqüência, este estudo utilizou uma probabilidade igual de alça (alcance) versus no-handle (passo) para focar no escoramento visual da ação da mão. Os resultados indicaram que a visualização da alça resultou na facilitação de um músculo intrínseco da mão (ou seja, apreensão), mas apenas na condição de observação pura (Figura 5)21. NOTA: Para obter dados exemplares, código de software de aquisição e análise, juntamente com notas de orientação, consulte o quadro de ciência aberta (https://osf.io/9z3nw/). Os exemplos 1 e 3 utilizaram códigos e procedimentos semelhantes, com modificações em estados específicos.
Figura 5. Dados que mostram a diferença na excitabilidade corticoespinhal para os ensaios REACH (ou seja, handle) versus STEP (ou seja, no-handle) em um músculo da mão intrínseco enquanto os participantes estavam em uma inclinação apoiada. Isso mostrou maior atividade na mão quando a alça estava presente e os participantes simplesmente visualizaram a alça (OBS), mas esse efeito estava ausente durante os blocos de ensaios de equilíbrio separado (BAL) onde o cabo era periodicamente liberado. As barras de erro mostram o erro padrão da média. Medidas repetidas bidirecionais ANOVA revelou uma interação entre condição e acessibilidade, F1, 62 = 5,69, #p = 0,020. Para abordar nossas hipóteses específicas, utilizou-se comparações planejadas prévias para determinar se a amplitude do MEP no IED era maior quando a alça estava presente dentro de cada condição separadamente. Para a hipótese 1, foram utilizadas comparações planejadas para comparar níveis de acessibilidade (STEP, REACH) dentro da condição oBS e revelaram aumento significativo na amplitude quando a alça era visível, t121 = 2,62, *p = 0,010. Para a hipótese 2, tínhamos originalmente previsto uma interação, mas na direção oposta do que foi encontrado. A comparação planejada da acessibilidade dentro da condição de BAL não mostrou diferença significativa relacionada à presença de uma alça, t121 = -0,46, p = 0,644. Adaptado da Figura 5, Bolton et al.21. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Exemplo 3
Este exemplo final enfatiza como adaptamos este dispositivo para estudar mais uma vez a preparação motora de um músculo da mão baseado na visão, mas focado na necessidade de suprimir rapidamente a ação das pernas. Nesta versão, a tampa da alça foi permanentemente coberta, enquanto apenas o bloco da perna se moveu. Como exemplo 1, a probabilidade de condições de stop versus step foi manipulada para incentivar um passo automático. Dado que a alça não era mais uma opção neste estudo, o grau de inclinação para a frente medido no tornozelo foi ligeiramente reduzido (~ 6° vs. ~10° como nos dois estudos acima) para permitir uma reação de suporte fixo. O uso específico para esta versão da tarefa foi investigar o conceito de supressão global, que já foi explorado anteriormente em tarefas sentadas onde as prensas de botões focais foram usadas em resposta a estímulos visuais apresentados em um computador display25. Como exemplo 2, o TMS foi entregue para avaliar a excitabilidade corticoespinhal em um músculo da mão intrínseco imediatamente após o acesso ao ambiente de resposta (ou seja, bloquear ou não, bloco), mas antes de qualquer sugestão para se mover (ou seja, liberação de cabo). A justificativa para testar um músculo da mão intrínseco em uma tarefa que só usava respostas para as pernas era ver se uma tarefa muscular irrelevante mostraria evidências de uma supressão geral em todo o sistema motor. Os resultados descritos abaixo na Figura 6 mostram evidências de um desligamento generalizado em todo o sistema motor quando um passo automático é abruptamente interrompido22.
Figura 6. Tarefa de inclinação e liberação modificada apenas com o bloco da perna (ou seja, nenhuma opção para agarrar uma alça de suporte). (A)Esta figura retrata a supressão da amplitude mep em um músculo da mão intrínseco quando um bloco de perna foi apresentado (ou seja, condição NO-STEP). (B) A partir das medidas repetidas ANOVA, a condição de passo x interação de latência, F1,18 = 4,47, p = 0,049, foi significativa. A inspeção visual do gráfico de linha 2 revela diminuição da amplitude do MEP ao longo do tempo apenas para a condição de NO-STEP e isso foi confirmado com comparações de seguimento. Especificamente, essas comparações revelaram uma redução significativa em 200 ms em comparação com 100 ms t18 = 2,595, *p = 0,009 para a condição NO-STEP. Em contrapartida, uma comparação semelhante entre 200 ms e 100 ms para a condição STEP não revela diferença de18 = 0,346, p = 0,367. Adaptados das Figuras 1 e 2, Goode et al.22. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Discussion
Este sistema de lean & release modificado fornece uma nova maneira de avaliar os papéis cognitivos em equilíbrio reativo. Como acontece com o procedimento padrão de lean & release, a direção e a amplitude da perturbação postural são previsíveis para o sujeito enquanto o tempo de liberação do cabo é imprevisível. O que é único na abordagem atual é que o acesso à visão é precisamente controlado enquanto o assunto permanece fixo e o ambiente de resposta é alterado ao seu redor para criar diferentes oportunidades de ação e/ou restrições. Ao manipular a presença de obstáculos e acessibilidades, este método enfatiza processos cognitivos como a tomada de decisão (ou seja, a seleção de ações) e a inibição de resposta em relação à recuperação do equilíbrio.
O método proposto tem potencial para fornecer um vislumbre único do controle neural do equilíbrio, mas apresenta certas limitações. Por exemplo, ao utilizar o método lean & release, a liberação do cabo é iniciada a partir de uma inclinação para a frente, o que requer uma etapa de recuperação de equilíbrio pronunciada em comparação com outros métodos de perturbação postural externa10. Além disso, a direção e a magnitude da perturbação são previsíveis, o que pode levar à ativação antecipatório dos músculos que normalmente não estariam envolvidos em cenários de queda mais realistas. Finalmente, a visão é temporariamente ocluída antes do lançamento do cabo, que também se desvia da experiência diária de um indivíduo. Essas características tornam nossa avaliação do equilíbrio um pouco artificial e podem impedir a generalização em diferentes modos de perturbação. É importante reconhecer que a generalização das quedas do mundo real é sempre uma preocupação ao desenhar inferências sobre como o equilíbrio é controlado a partir de qualquer método de avaliação particular. De fato, um teste abrangente comumente reconhecido para a capacidade de equilíbrio não existe atualmente4. Para os propósitos atuais, uma queda definida permite que características de perturbação e configurações de resposta sejam mantidas constantes enquanto manipulam demandas cognitivas específicas que muitas vezes são negligenciadas ou inacessíveis nas avaliações tradicionais de equilíbrio. Esse controle experimental é benéfico, mas deve ser levado em consideração na interpretação dos resultados.
Como segunda limitação, a construção do equipamento de teste e as habilidades de engenharia necessárias podem representar um desafio para implementar esse método. Três estudantes de engenharia elétrica da Universidade Estadual de Utah construíram a plataforma, configuraram os eletrônicos e programaram microcontroladores para conduzir servomotores para a tampa da alça e o bloco de pernas. Os custos de construção foram modestos (ou seja, <$15.000 sem incluir as placas de força montadas na plataforma). No entanto, isso pode representar um desafio dependendo dos recursos disponíveis.
Foram obtidos insights específicos sobre o controle neural do equilíbrio por meio dessa abordagem. Esses exemplos indicam que a estimulação cerebral não invasiva pode ser usada para capturar conjuntos motores baseados na visualização de objetos em um contexto postural e oferecer uma técnica para avaliar a inibição de resposta usando respostas musculares. Notavelmente, a técnica de lean & release modificada poderia ser facilmente adaptada para incorporar outras sondas neurofisiológicas, como eletroencefalografia e espectroscopia funcional de infravermelho próximo. Mesmo sem a inclusão de medidas neurais diretas, projetos de estudo que se concentram inteiramente em forças externas, ativação muscular e cinemática podem fornecer uma visão importante sobre marcadores comportamentais de déficits cognitivos. Por exemplo, um interessante pedido de uso de placas de força para capturar turnos posturais antecipatórios durante uma tarefa de revisão reativa foi demonstrado por Cohen et al.26. Em seu estudo, os déficits na inibição de resposta em idosos foram revelados por deslocamento inadequado de peso, o que, por sua vez, levou a atrasos nos tempos de passo de escolha-reação. Tal abordagem poderia ser aplicada ao paradigma atual para obter medidas sensíveis de mudança de peso e erros de pisada.
Este novo método se constrói a partir de um teste de equilíbrio reativo estabelecido, onde os participantes são liberados de uma inclinação suportada, e agora inclui cenários que exigem flexibilidade comportamental. Desenhos de teste adequados para expor a inibição de resposta e a seleção de ação nos permitem uma maneira de aplicar conceitos da psicologia cognitiva ao domínio do controle do equilíbrio. Tal abordagem é necessária para se basear no reconhecimento de que o declínio cognitivo e a prevalência de queda estão correlacionados, e para obter uma compreensão mecanicista de como os recursos cognitivos evitam quedas. Presumivelmente, essa configuração poderia ser usada não apenas como ferramenta de pesquisa, mas também como um meio para treinar papéis cognitivos em equilíbrio. Um importante objetivo do trabalho contínuo em nosso laboratório é entender como o cérebro utiliza informações contextuais para atualizar qual movimento seria mais adequado para evitar uma queda dado o entorno. Pistas como a disponibilidade de uma mão estável ou uma potencial barreira de passos podem orientar qual resposta fazer caso a necessidade surja e possa moldar secretamente processos cerebrais preditivos16. Notavelmente, a capacidade de usar adequadamente essas informações pode se deteriorar com a idade se forem necessárias faculdades mentais como o controle de interferência sinomental ou a memória visual-espacial. Dada a relação entre declínio cognitivo e quedas1-3,a implementação de projetos de estudo que enfatizem a necessidade de integração de relevância contextual poderia fornecer uma visão valiosa sobre os déficits de equilíbrio em muitas populações vulneráveis.
Disclosures
Os autores não têm nada para revelar.
Acknowledgments
A pesquisa relatada nesta publicação foi apoiada pelo Instituto Nacional de Envelhecimento dos Institutos Nacionais de Saúde o Número de Prêmio R21AG061688. O conteúdo é de responsabilidade exclusiva dos autores e não representa necessariamente as opiniões oficiais dos Institutos Nacionais de Saúde.
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 |
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