Summary
Här erbjuder vi ett protokoll som tillåter användaren att selektivt ändra affordances och / eller begränsningar för rörelser som är relevanta för att återställa balansen efter postural störning.
Abstract
Bedömning av reaktiv balans innebär traditionellt någon typ av störning till upprätt hållning eller gång följt av mätning av den resulterande korrigerande beteende. Dessa åtgärder inkluderar muskelreaktioner, lemrörelser, markreaktionskrafter och även direkta neurofysiologiska åtgärder såsom elektroencefalografi. Med hjälp av detta tillvägagångssätt, forskare och kliniker kan dra slutsatsen några grundläggande principer om hur nervsystemet styr balansen för att undvika ett fall. En begränsning med det sätt på vilket dessa bedömningar används för närvarande är att de kraftigt betona reflexiva åtgärder utan att behöva revidera automatiska posturala reaktioner. En sådan exklusiv inriktning på dessa mycket stereotypa reaktioner skulle misslyckas med att på ett adekvat sätt ta itu med hur vi kan ändra dessa reaktioner om det skulle behövas (t.ex. undvika ett hinder med ett återhämtningssteg). Detta verkar vara ett flagrant utelämnande när man tänker på den enorma komplexiteten i de miljöer vi dagligen står inför. Sammantaget misslyckas status quo när man utvärderar den neurala kontrollen av balans att verkligen exponera hur högre hjärnresurser bidrar till att förhindra fall i komplexa inställningar. Det nuvarande protokollet erbjuder ett sätt att kräva undertryckande av automatiska, men olämpliga korrigerande balansreaktioner, och tvinga fram ett urval bland alternativa åtgärdsval för att framgångsrikt återställa balansen efter postural störning.
Introduction
Trots den erkända korrelationen mellan faller och kognitiv försämring1,2,3, en stor klyfta kvarstår i att förstå vad hjärnan faktiskt gör för att hjälpa oss att undvika ett fall. I teorin skulle kognitiva krav accentueras som miljökomplexitet ökar och i situationer där vi behöver revidera instinktivt beteende. Emellertid, de flesta balans tester misslyckas med att effektivt beskatta högre hjärnans funktion, istället betonar reflexiva korrigerande reaktioner. Även faktorer såsom svarshastighet är avgörande för att förhindra ett fall, ytterligare kognitiva faktorer, såsom hämmande kontroll och / eller förmågan att välja lämpliga åtgärder baserat på ett visst sammanhang kan också vara viktigt i vissa situationer. Som ett resultat, en anledning till att vi kan misslyckas med att förstå hjärnans roll i reaktiv balans beror på forskningsprotokoll som för närvarande används. Rogers et al. sammanfattade nyligen de olika sätt på vilka balanskontroll har bedömts med hjälp av extern störning4. Dessa metoder inkluderar plattformsöversättning, lutningar och/eller droppar, samt användning av automatiserade system som trycker, drar eller tar bort posturalt stöd. Trots de många olika tekniker som används för att störa upprätt jämvikt, de efterföljande korrigerande reaktionerna är nästan alltid gjorda i en fri miljö, vilket minimerar begränsningar för rörelse. Här föreslår vi en metod där kognitiva processer krävs för att åsidosätta prepotenta åtgärder och välja lämpliga svar bland alternativ i en reaktiv balans uppgift.
Ett vanligt sätt att testa reaktiv balans är att införa relativt små posturala störningar som kan motverkas med hjälp av ett fast stöd (vanligtvis feet-in-place) reaktion5,,6,7,8,9. Jämförelsevis färre studier har fokuserat på förändring av stöd balans reaktioner som svar på störningar via midjan drar, plattform översättning, och släppa från en stödkabel Som ett exempel, se Mansfield et al.10. Betydelsen av den senare gruppen kan uppskattas genom att erkänna att när störningar är stora, förändring-of-support reaktioner är det enda alternativet för att återställa stabiliteten11. Faktum är att även för mindre störningar som kan hanteras med hjälp av fötter på plats (dvs. höft och / eller fotled) strategier, människor föredrar ofta att steg när de får välja11. Värdet av att studera sådana förändring av stödreaktioner ligger inte bara i det faktum att en större omfattning av störning måste motverkas, utan också de utmaningar som uppstår när man flyttar lemmarna för att etablera en ny stödbas. Förekomsten av affordances och / eller begränsningar för åtgärder är en regelbunden del av många verkliga inställningar. Detta tvingar en urvalsprocess att upprätta en ny bas av stöd när en förlust av balans uppstår. För att anpassa beteendet till komplexa miljöer, det finns en ökad efterfrågan på högre hjärnresurser. Detta gäller särskilt när lemmarna måste etablera en ny bas av stöd. Att betona och exponera kognitiva roller i reaktiv balans behovet av att återinföra röran och tvinga en förändring av stöd strategi med lemmar verkar logiskt.
Ett enkelt sätt att leverera en externt inducerad postural störning är lean & release teknik, där en individ plötsligt frigörs från en stöds framåt lean. Detta tillvägagångssätt gör det möjligt att bedöma kompensatoriska reaktioner för att undvika en framåtfall och har framgångsrikt använts i både friska och kliniska populationer12,,13,14. Även om lean & release-tekniken är något grundläggande, ger den värdefull insikt i reaktiv balanskapacitet (t.ex. hur snabbt någon kan initiera ett återställningssteg eller bestämma antalet steg som krävs för att återfå stabiliteten). För närvarande ger lean & release-tekniken ett enkelt sätt att utforska kognitiva roller i reaktiv balans eftersom många av störningsegenskaperna hålls konstanta. Detta ger större experimentell kontroll över variabler som är särskilt relevanta för åtgärdsval och responshämning. Medan andra former av postural störning vanligtvis förlita sig på oförutsägbarhet när det gäller störning riktning, amplitud och timing, den omgivande miljön är alltid konstant. Även i studier där benblock har använts för att betona reach-to-grasp reaktioner15 blocken är fasta på plats utan behov av att snabbt anpassa steg beteenden baserat på förekomsten eller frånvaron av ett ben block. Med den nu föreslagna metoden kan vi förändra miljön på ett sätt som kräver beteendemässig anpassning för att undvika ett fall.
Utöver laboratorieinställningar som otillräckligt exponera kognitiva roller i reaktiv balans, en annan viktig fråga är en stor tillit till externa åtgärder såsom muskelanset, markreaktion krafter, och video motion capture att sluta neurala processer. Även om dessa åtgärder är värdefulla, misslyckas uteslutande beroende av sådana åtgärder att ge direkt insikt i de underliggande neurala mekanismer som bidrar till balans. Detta problem förvärras när man överväger att mycket av vad hjärnan kan göra för att förhindra ett fall i komplexa miljöer sannolikt händer före hösten. Prediktiva roller i fallförebyggande har nyligen diskuterats mer ingående16. Forskning riktningar inkluderar förutsäga framtida instabilitet17, bygga visuospatiala kartor när vi rör oss genom vår miljö18, och eventuellt bilda oförutsedda händelser baserade på miljön även utan förkunskap om en nedgång19. Avslöja sådana preparat skulle vara helt otillgänglig utan användning av direkta neurofysiologiska sonder.
Den modifierade lean & release strategi som för närvarande föreslås erbjuder ett sätt att övervinna några av de befintliga begränsningar som nämns. Detta görs med hjälp av ett testscenario där lemmarna krävs för att etablera en ny bas av stöd i en valkrävande miljö. Detta tillvägagångssätt förstärks genom att inkludera direkta mått på hjärnans aktivitet (t.ex. transkraniell magnetisk stimulering, TMS) både före och efter postural perturbation, som kan komplettera externa mått på kraftproduktion och motion capture. Denna kombination av experimentella funktioner utgör en viktig innovation inom området för att exponera hur hjärnan bidrar till balans i komplexa miljöer där responshämning och valåtgärder bland alternativ krävs för att förhindra ett fall. Här visar vi en ny metod för att testa reaktiv balans i en miljö som betonar behovet av kognitiva processer för att anpassa beteende för att undvika ett fall. Kombinationen av hinder och möjligheter till åtgärder tvingar behovet av svarshämning, riktade åtgärder och val av insatser bland alternativen. Dessutom visar vi exakt tidsmässig kontroll över visuell åtkomst, tidpunkten för neurala sonder, ändra svar miljön och uppkomsten av postural störning.
Protocol
Alla förfaranden godkändes av styrelsen för institutionell granskning vid Utah State University och genomfördes i enlighet med Helsingforsdeklarationen.
1. Kontroll av deltagare
- Låt deltagarna ge skriftligt informerat samtycke till förfaranden före testning.
- För testning med TMS, skärmdeltagare före testning för att bedöma deras lämplighet för TMS med hjälp av riktlinjer som utarbetats av en expertgrupp20.
2. Datainsamling: elektromyografi (EMG)
- Spela in EMG med hjälp av ytelektroder och förstärka signaler (förstärkning = 1 000; se Tabell över material).
- Hämta data och bandpassfilter (10–1 000 Hz) med hjälp avett gränssnitt för datainsamling och lämplig programvara (se Tabell över material ). Använd den här enheten och programvaran för att styra de olika motorerna, kabelfrigöraren och ocklusionsglasögonen enligt beskrivningen senare i metoderna.
- Försiktigt abrade hudytan och torka med alkohol över målet muskel platser. Fäst ytan EMG elektroder på målmusklerna med hjälp av dubbelsidig tejp, och ytterligare säker med prewrap för att säkerställa att elektroderna förblir fasta, särskilt under snabba svar med armar och ben.
- Samla in EMG-data från två inneboende handmuskler på höger hand (första dorsala interosseus, FDI och opponens pollicus, OP) och fotled dorsiflexors på båda benen (tibialis främre, TA).
OBS: Dessa särskilda muskler valdes baserat på deras relevans för en reach-to-grasp åtgärder eller ett framåtsteg, men andra muskler kan väljas vid behov.
3. Balans testutrustning
Bild 1. Lean & release setup med benblock. I det här exemplet är ett benblock inställt i öppet läge, medan det andra är inställt för att förhindra ett steg. Dessa block flyttas via datorstyrda motorer (grå lådor kopplade till stödstolparna). Handtagsskydd flyttas också till antingen block eller tillåta en räckvidd-till-grepp-svar. Här är omslagen fristående för att möjliggöra full bild av handtaget. Frigöringsmagneten syns på bakväggen. Alla ledningar matas genom träplattformen själv och går in i den grå kretslådan som ligger på det bakre hörnet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2. Lean & release setup med kraftplattor. Denna figur visar hur tre kraftplattor kan bäddas in i träplattformen. Om kraftplattor inte behövs kan träpluggar ställas in på plats. Dessa pluggar är synliga, lutar på sidoväggen. Denna bild visar också den säkerhetssele som bärs av deltagarna. Denna sele är säkrad i taket för att fungera som en säkerhetsmekanism om deltagaren misslyckas med att återställa sin balans på egen hand. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
- Ändrat lean-och releasesystem
- Använd ett specialtillverkad kabelsystem för lean och release för att införa framåtövermningar (se figur 1 och figur 2).
- Låt deltagarna stå i en framåtriktade position med fötterna ungefär höftbredd isär (se figur 3). Håll denna framåt luta med hjälp av en kroppssele fäst vid en kabel, som sedan säkras på väggen bakom dem. Fäst kabeln på baksidan av selen (ungefär midthoracic nivå). Fäst stödkabeln på väggen med en magnet. Magneten kommer att avaktiveras en kort stund för att frigöra kabeln.
- Gör de specifika försöksprocedurerna (dvs. när kabeln släpps och kabelutlösningens början) oförutsägbara för deltagaren. Styr den exakta tidpunkten för kabelutgåvan via datorkommandon som förinställs i en programvarukonfiguration. Den här konfigurationen ger kontroll över tidpunkten för kabelutlösning så att den kan randomiseras över försök.
Obs: Den programvarukonfiguration som styr alla experimentella enheter (t.ex. utlöser motorn för att placera ett benblock) ställer in det specifika försökstillståndet (t.ex. om det finns ett benblock eller inte). Detta kan programmeras för att randomisera förhållanden eller leverera dem i block för att kontrollera förutsägbarhetsnivån. - Förutom denna release kabel fäst på baksidan av selen, också säkra deltagare till en stödkabel hängande från taket. Denna felsäkra kabel ger inget stöd för kroppsvikt om det inte är absolut nödvändigt. Om en deltagare inte kan återställa balansen på egen hand, fångar kabeln dem innan den faller till marken.
- På grund av vikten av tillförlitlig visuell information, kontrollera att deltagarna faktiskt kan se handtaget och benblocket när du bär skyddsglasögon. Börja varje rättegång genom att instruera deltagarna att titta direkt på en fast punkt på golvet, ca 3 m framför dem, medan du håller huvudet i en bekväm position. Placera deltagarna så att deras blick är inställd på att visa handtaget i det perifera synfältet och den övre delen av hindret.
- Placera kroppen så att handtaget är inom räckhåll. Låt deltagaren luta sig framåt samtidigt som båda fötterna håller sig i kontakt med golvet. Detta kommer att kräva rotation om fotleden medan resten av kroppen förblir i en rak linje.
- Bestäm den specifika lean positionen som den minimala magra vinkeln där ett steg framåt är nödvändigt för att återställa balansen när kabeln släpps. Detta är en iterativ process för att hitta en tröskel mager vinkel vid fotleden, vilket är den vinkel där deltagaren inte längre kan förhindra en framåt falla med hjälp av en fot-på-plats reaktion. När detta är fastställt, kontrollera den magra vinkeln under hela testning med goniometry.
- Överkomliga priser och begränsningar för kompensationsbalanssvar
- Fixa ett säkerhetshandtag på väggen bredvid deltagarna på höger sida. Använd ett motordrivet lock för att styra åtkomsten till detta handtag. Om handtaget är avtäckt, när deltagarna släpps från deras stöds framåt lean det kan användas för att återfå balansen.
- Under försök där handtaget är avtäckt, placera ett benblock framför deltagarens ben. Benblocket hindrar ett steg, men är inte stelt satt på plats, vilket innebär att det kan förskjutas när sparkas. Programmera benblocket så att det blir fritt fri rörlighet och konstruera det med material som uppfyller kraven för att undvika skador.
OBS: Benblocken har konstruerats för att tvinga fram ett stegbeslut "allt eller ingen", med tanke på att de stiger nästan 30 tum från marken (mitten av låret på de flesta individer). För forskare som är intresserade av en mer nyanserad blockad av ett återhämtningssteg kan dessa anordningar modifieras för att använda ett mindre/kortare hinder som sedan skulle möjliggöra ett anpassat steg för att rensa dem. - Använd en svart presenning för att täcka handtaget och blockera den från vyn på vissa försök. Handtaget kommer att förbli monterat på samma plats men kommer att vara fysiskt täckt för att förhindra direkt visuell åtkomst och för att förhindra stödjande grepp. När detta stödhandtag är täckt, ta bort benblocket för att tillåta en stegreaktion om det behövs.
- Kontroll av synen
- Begränsa synen till tidsramen strax före postural störning och kontroll via flytande kristallglasögon (se Tabell över material). När de är stängda förhindrar skyddsglasögonen åtkomst till den visuella scenen så att deltagarna inte känner till det kommande svarstillståndet.
- Ändra den specifika konfigurationen av benblocket och hantera tillgängligheten för varje utvärderingsversion medan skyddsglasögonen är stängda så att deltagarna snabbt måste uppfatta miljön när glasögonen öppnas. Flytta handtagslocket och benblocket på plats via datorutlösta servomotorer i början av varje försök. Låt deltagarna bära öronproppar och få motorerna att röra sig kontinuerligt under perioden av visuell ocklusion för att undvika avancerad signalering för det kommande tillståndet.
4. Experimentell design
- Innan testning, kort bekanta deltagarna med hur man når handtaget och steg framåt från en lutande position.
- Ge deltagarna full kunskap om det kommande träningstillståndet och se till att det inte finns någon osäkerhet. Instruera deltagarna att när glasögonen är öppna, kommer de att se handtaget täckt, och gångvägen kommer att vara tydlig. Strax efter, stödkabeln kommer att släppa och de måste gå snabbt för att undvika att falla framåt.
- Använd liknande instruktioner om huruvida handtaget är tillgängligt för att undvika ett steg.
- Under hela testning och övning, instruera deltagarna att förbli avslappnad om inte uppmanas att flytta genom en plötslig kabel release.
I genomsnitt kräver deltagarna cirka 10 övningsförsök innan den formella testningen påbörjas.
- Ändra svarsinställningen slumpmässigt mellan försöken. Om deltagarna släpps från stödkabeln måste de återfå stabiliteten genom att antingen nå det väggmonterade säkerhetshandtaget eller kliva fram om stegbanan är klar.
- Stäng alltid ocklusionsglasögonen i början av varje försök, då svarsinställningen ändras. Stäng skyddsglasögonen under en randomiserad period (vanligtvis ca 3–4 s) så att inställningen kan ändras.
- När skyddsglasögonen öppnas anger du en av två möjliga svarsinställningar: (1) benblocket finns och stödhandtaget finns, eller (2) inget benblock finns och det finns inget stödhandtag.
OBS: I det första tillståndet finns ett stödhandtag på bekvämt räckviddsavstånd och benblocket förhindrar ett steg. Den här inställningen medför ett sammanhang där det enda tillgängliga alternativet är att snabbt förstå det tillgängliga supporthandtaget med höger arm. Det andra villkoret möjliggör ett återställningssteg samtidigt som användningen av stödhandtaget förhindras. - På försök där en störning inträffar, släpp kabeln strax efter skyddsglasögon öppna. Förseningstiden varierar med studiekraven, men varierar mellan 200 och 1 000 ms.
- För vissa försök, släpp inte för att fungera som en fångst rättegång. Detta hjälper till att undvika förutseende svar baserat endast på vision.
- Ha varje rättegång sista 10 s, med en kort paus mellan prövningar för att ge deltagarna en chans att återställa efter behov. Ge deltagarna en kort viloperiod mellan varje testblock och låt dem sitta. Den grundläggande experimentella designen avbildas i figur 3 (botten).
OBS: Det totala försöksnumret varierar för att passa behoven hos varje studie, men tenderar att omfatta cirka 100 försök uppdelade på tre till fyra testblock.
Bild 3. TMS-baserad metod för att undersöka effekterna av att uppfatta miljöhänseende och/eller begränsningar för motorberedning. TOPPEN. En lean & release-apparat släppte deltagarna på ett oförutsägbart sätt (endast störningstestblock). Omfattningen av störningen krävde en snabb förändring av stödreaktionen, med antingen armen eller benet för att återupprätta en stabil bas av stöd genom att antingen nå till ett säkert handtag eller ta ett steg framåt. Mellan försöken var vision ockluderas med flytande kristall ocklusion glasögon och objekt i förgrunden var ordnas slumpmässigt. BOTTEN. Tidslinjen visar när visuell åtkomst till miljön blev tillgänglig och tidpunkten för TMS-sonder i förhållande till både visuell åtkomst och störningen. Den maximala amplituden för muskelresponsen på TMS (dvs. motor framkallat potential, parlamentsledamoten) gav ett index över corticospinal retbarhet under tidsperioden före störningen. Denna figur presenterar teoretiska svarsdata för att visa den hypotetiska effekten av en affordance för handverkan (fast, blå linje) jämfört med en prövning där handtaget är täckt (prickad, röd linje). I denna siffra är både prövningar/ villkor överdragna för att illustrera den hypotetiska effekten av att förbereda motorproduktionen för att antingen underlätta eller undertrycka potentiella åtgärder baserade på ett visst miljösammanhang. Anpassad från figur 1 i Bolton et al.21. Observera att TMS användes för att undersöka corticospinal retbarhet i det här exemplet. Detta är dock endast avsett att ge en grundläggande representation av händelseförloppet med den här ändrade lean & release. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
5. TMS-protokoll (valfritt)
- Leverera single-pulse TMS över handmotoren när representation medan deltagarna stöds i en framåt lean. Leverera TMS pulser strax efter öppnandet av skyddsglasögon men före varje rörelse för att undersöka hur titta på miljön påverkar motoruppsättningen. Se bild 3 för att visualisera händelseförloppet under en utvärderingsversion, inklusive när TMS levereras.
- Ställ in tidpunkten för TMS leverans enligt forskningsfrågan. I de representativa resultaten varierade stimuleringen mellan 100 ms och 200 ms post-vision. Förutom de svarsinställningar som anges ovan, slumpmässigt varvas "no-vision" referensförsök under hela testningen för att leverera TMS utan att öppna glasögon. Syftet med detta villkor är att ge en baslinje för alla uppgiftsrelaterade förändringar i motorisk aktivitet (t.ex. ökad upphetsning).
OBS: Ytterligare information om de specifika TMS-förfarandena finns i Bolton et al.21 och Goode et al.22. - Leverera magnetiska stimuli till den primära motorcortexen (M1) med den stimulerande spolen som orienteras ungefärligt 45° till sagittalen, plan (se Bordlägga av material). Applicera stimuli i optimal position för att få en motor framkallad potential (MEP) i FDI-muskeln på höger hand (dvs. motorns "hotspot").
- När "hotspot" hittas, bestämma ett test stimulans intensitet bestäms. För de nuvarande forskningsändamålen är detta stimulansintensiteten där den genomsnittliga parlamentsledamoten ligger på cirka 1–1,5 mV topp till topp. Fäst TMS-spolen på den här platsen och återställ spolläget om huvudrörelser uppstår (t.ex. efter kabelutlösning). Bestäm testet stimulans intensitet medan försökspersoner stå i framåt luta sig för att ta hänsyn till eventuella posturalt tillstånd inverkan på corticospinal retbarhet.
Representative Results
Alla föredömliga studier som presenterades genomfördes med unga kvinnor och män mellan 18 och 30 år. Den totala urvalsstorleken för varje studie var följande: Exempel 1 (Rydalch et al.23) inkluderade 12 deltagare, exempel 2 (Bolton et al.21) inkluderade 63 deltagare, och exempel 3 (Goode et al.22) inkluderade 19 deltagare. Läsaren ska hänvisa till de fullständiga studierna för detaljer om metoder och analyser.
Exempel 1
Blockera en snabb återhämtning steg, särskilt när kliva gjordes automatiskt genom frekvent upprepning, tillåtet för bedömning av svarshämning i ett posturalt sammanhang. Här jämförde vi benmuskelresponsen när ett steg framåt antingen var tillåtet eller hindrat23. Muskelsvaret från stegbenet jämfördes mellan försök där deltagaren ska nå kontra försök där de skulle gå. Detta åstadkoms genom att jämföra respons magnitud fotled dorsiflexors (tibialis främre) under reach-to-handle kontra steg försök. Närmare bestämt användes den integrerade EMG över ett 200 ms-fönster (dvs. 100 ms till 300 ms post-perturbation) för att beräkna ett muskelresponsförhållande. Ett mindre värde indikerade en större förmåga att avstå från att kliva som beskrivs i detalj i Rydalch et al.23. Genom att använda omfattningen av muskeln svar, var vår avsikt att ge en känslig mätare för en tendens att svara med benet. I det här exemplet var målet med vår studie att avgöra om svarshämning mätt med ett sittande kognitivt test (dvs. stoppsignaluppgift, SST) korrelerade med prestanda på en reaktiv balansuppgift där undertryckande av ett steg för balansåterställning krävdes. I balansuppgiften samlades totalt 256 försök in, varav 30 % använde ett benblock. I figur 4Aframhäver vi genomsnittliga vågformer av individer som var på motsatta ändar av kontinuum för att undertrycka stegrelaterade ben aktivitet. Scatterplot i figur 4B visar ett litet men signifikant samband mellan förmågan att undertrycka ett blockerat steg och responshämning mätt med stoppsignalreaktionstiden.
Vid tolkning av dessa resultat är det viktigt att inse att SST (som beskrivs i tillägget), och faktiskt de flesta kognitiva tester, förlitar sig på förenklade svar (ofta fingerrörelser) som görs av sittande deltagare som svar på tvingande ledtrådar som visas på en datorskärm. Denna studie av Rydalch et al. behandlas om förmågan att stoppa ett prepotent svar bevarades över en standard sittande test av svarshämning jämfört med en reaktiv balans test där kompenserande steg måste ibland undertryckas23. Resultaten visade ett samband mellan det kognitiva testresultatet (stoppsignalreaktionstid) och kompensatorisk stegning, vilket tyder på att en individs stoppkapacitet generaliserar över olika uppgifter.
Bild 4. Genomsnittlig stegbensrespons. (A) Genomsnittliga vågformer visas för tibialis främre i stegbenet. Stegförsök visas i rött och når försök i svart. Exempel på muskelresponsdata som visas för två deltagare med antingen en snabb (övre) eller långsam stopp (botten) signalreaktionstid. Denna stoppsignal reaktionstid ger ett millisekund mått på stoppförmåga. Den tidiga muskelresponsen (integrerad EMG) mättes från 100–300 ms (ljusgul skuggad region). B)Spridningsspridning som visar korrelationen mellan muskelresponsförhållandet och stoppsignalreaktionstiden (SSRT) vid den visuella fördröjningen på 400 ms, r = 0,561. p = 0,029. Anpassad från figurerna 3 och 5, Rydalch et al.23. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Exempel 2
Denna studie exemplifierar hur vår modifierade lean & release setup i kombination med TMS kan användas för att studera motorisk förberedelse baserat på vision. Begreppet affordances (ursprungligen föreslagits av Gibson24) testades i en stående postural sammanhang, för att avgöra om corticospinal retbarhet av en handmuskeln (används för att gripa) underlättades när du tittar på ett stödjande handtag. Nyckeln till detta tillvägagångssätt var att bedöma hur det excitatoriska tillståndet i motorsystemet påverkades av enbart syn. Specifikt levererades TMS pulser strax efter att skyddsglasögonen öppnats, men innan någon kö för rörelse (dvs kabelfrigöring). På detta sätt endast den motoriska aktiviteten relaterade till den visuella scenen analyserades medan beteendemässiga svar på störning var sekundär. Till skillnad från ovanstående studie, som betonade behovet av responshämning genom att presentera stegrespons oftare, använde denna studie en lika stor sannolikhet för handtag (räckvidd) kontra no-handle (steg) för att fokusera på visuell priming av handverkan. Resultaten visade att visningen av handtaget resulterade i att en inneboende hand (dvs. greppande) muskeln underlättades, men endast i det rena observationstillståndet (figur 5)21. OBS: För exempeldata, förvärv och analysprogramvara kod, tillsammans med riktlinjer, se open science framework (https://osf.io/9z3nw/). Exempel 1 och 3 använde liknande kod och förfaranden, med ändringar av specifika tillstånd.
Figur 5. Data som visar skillnaden i corticospinal retbarhet för REACH (dvs. handtag) kontra STEG (dvs. no-handle) prövningar i en inneboende handmuskel medan deltagarna stod i en stödd mager. Detta visade större aktivitet i handen när handtaget var närvarande och deltagarna bara tittade på handtaget (OBS) men denna effekt var frånvarande under en separat balans (BAL) försök block där kabeln regelbundet släpptes. Felstaplar visar standardfelet för medelvärdet. Tvåvägs upprepade åtgärder ANOVA visade en interaktion mellan tillstånd och affordance, F1, 62 = 5,69, #p = 0,020. För att ta itu med våra specifika hypoteser använde vi tidigare planerade jämförelser för att avgöra om mep-amplituden i utländska direktinvesteringar var större när handtaget fanns inom varje villkor separat. För hypotes 1 användes planerade jämförelser för att jämföra nivåer av affordance (STEP, REACH) inom OBS-tillståndet och visade en signifikant ökning av amplituden när handtaget var synligt, t121 = 2,62, *p = 0,010. För hypotes 2 hade vi ursprungligen förutspått en interaktion, men i motsatt riktning från vad som hittades. Planerad jämförelse av affordance inom BAL villkor visade ingen signifikant skillnad i samband med förekomsten av ett handtag, t121 = -0,46, p = 0,644. Anpassad från figur 5, Bolton et al.21. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Exempel 3
Detta sista exempel betonar hur vi anpassade denna enhet för att återigen studera motorisk förberedelse av en handmuskel baserad på syn men fokuserade på behovet av att snabbt undertrycka benverkan. I den här versionen täcktes handtagslocket permanent, medan endast benblocket flyttades. Liksom exempel 1 manipulerades sannolikheten för stopp kontra stegvillkor för att uppmuntra ett automatiskt steg. Med tanke på att handtaget inte längre var ett alternativ i denna studie, graden av framåt mager mätt vid fotleden minskade något (~ 6 ° vs ~ 10 ° som i ovanstående två studier) för att möjliggöra en fast stödreaktion. Den specifika användningen för denna version av uppgiften var att undersöka begreppet global dämpning, som tidigare har undersökts i sittande uppgifter där fokusknappstryck användes som svar på visuella stimuli presenteras på en dator display25. Liksom exempel 2 levererades TMS för att bedöma corticospinal retbarhet i en inneboende handmuskel omedelbart efter åtkomst till svarsmiljön (dvs. block eller inget block), men före varje kö för att flytta (dvs. kabelfrigöring). Motiveringen för att testa en inneboende handmuskel i en uppgift som bara används ben svar var att se om en uppgift irrelevant muskel skulle visa bevis på en allmän dämpning i hela motorsystemet. De resultat som visas nedan i figur 6 visar tecken på en utbredd avstängning över motorsystemet när ett automatiskt steg plötsligt stoppas22.
Figur 6. Modifierad lean & release uppgift med ben block endast (dvs. inget alternativ för att greppa ett stöd handtag). (A)Denna figur visar parlamentsledamots amplitudsförtryck i en inneboende handmuskel när ett benblock presenterades (dvs. villkoret NO-STEP). (B)Från de upprepade åtgärderna ANOVA var stegtillståndsmåttet x latensinteraktion, F1,18 = 4,47, p = 0,049, signifikant. Okulärbesiktning av linjegraf 2 visar att mep-amplituden med tiden endast minskar för NO-STEP-villkoret, och detta bekräftades med uppföljningsjämförelser. Närmare bestämt visade dessa jämförelser en betydande minskning vid 200 ms jämfört med 100 ms t18 = 2,595, *p = 0,009 för NO-STEP villkor. En liknande jämförelse mellan 200 ms och 100 ms för STEP-villkoret visar däremot ingen skillnad t18 = 0,346, p = 0,367. Anpassad från figurerna 1 och 2, Goode et al.22. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Discussion
Detta modifierade lean & release-system ger ett nytt sätt att bedöma kognitiva roller i reaktiv balans. Som med standard lean & release förfarande, riktning och amplitud av postural störning är förutsägbara för ämnet medan tidpunkten för kabel release är oförutsägbar. Vad som är unikt i det nuvarande tillvägagångssättet är att tillgången till vision är exakt kontrollerad medan ämnet förblir fast och svarsmiljön ändras runt dem för att skapa olika åtgärdsmöjligheter och/eller begränsningar. Genom att manipulera förekomsten av hinder och affordances denna metod betonar kognitiva processer såsom beslutsfattande (dvs. åtgärd urval) och svarshämning i förhållande till balans återhämtning.
Den föreslagna metoden har potential att ge en unik inblick i den neurala kontrollen av balans men innebär vissa begränsningar. Till exempel, när du använder lean & release-metoden, kabelfrigöraren initieras från en framåt lean, vilket kräver en uttalad balans återhämtning steg jämfört med andra metoder för extern postural störning10. Dessutom är riktningen och omfattningen av störningen förutsägbar, vilket kan leda till föregripande aktivering av muskler som normalt inte skulle vara engagerade i mer realistiska fallscenarier. Slutligen är visionen tillfälligt ockluderad före kabelrelease, som också avviker från en individs dagliga upplevelse. Dessa funktioner gör vår bedömning av balans något artificiell och kan förhindra generalisering över olika former av störning. Det är viktigt att inse att generaliserbarhet för verkliga faller är alltid ett problem när man drar slutsatser om hur balansen styrs från en viss bedömningsmetod. Faktum är att ett allmänt erkänt omfattande test för balans förmåga för närvarande inte finns4. För närvarande gör en uppsättning framåt fall att störningsegenskaper och svarsinställningar kan hållas konstanta samtidigt som specifika kognitiva krav som ofta försummas eller är otillgängliga i traditionella balansbedömningar. Sådan experimentell kontroll är till nytta men bör beaktas vid tolkningen av resultaten.
Som en andra begränsning kan konstruktionen av testutrustningen och de tekniska färdigheter som krävs utgöra en utmaning för att genomföra denna metod. Tre elektroteknikstudenter från Utah State University byggde plattformen, satte upp elektroniken och programmerade mikrokontroller för att driva servomotorer för handtagslocket och benblocket. Byggkostnaderna var blygsamma (dvs. < $ 15.000 exklusive kraftplattor monterade i plattformen). Detta kan dock utgöra en utmaning beroende på tillgängliga resurser.
Specifika insikter i den neurala kontrollen av balans erhölls med hjälp av denna metod. Dessa exempel tyder på att noninvasive hjärnan stimulering kan användas för att fånga motor som bygger på visning objekt i ett postural sammanhang och erbjuder en teknik för att bedöma svarhämning med hjälp av muskel svar. Noterbart är att den modifierade lean & release-tekniken lätt kan anpassas för att införliva andra neurofysiologiska sonder som elektroencefalografi och funktionell nära infraröd spektroskopi. Även utan införandet av direkta neurala åtgärder, studie mönster som fokuserar helt på yttre krafter, muskelaktivering, och kinematik kan ge viktig inblick i beteendemässiga markörer för kognitiva underskott. Till exempel har en intressant ansökan om att använda kraftplattor för att fånga föregripande posturala förändringar under en reaktiv steguppgift visats av Cohen et al.26. I sin studie avslöjades brister i svarshämning hos äldre vuxna av olämplig viktförskjutning, vilket i sin tur ledde till förseningar i stegtiderna för valreaktion. Ett sådant tillvägagångssätt skulle kunna tillämpas på det nuvarande paradigmet för att få känsliga mått på viktförskjutning och stegfel.
Den här nya metoden bygger från ett etablerat reaktivt balanstest där deltagarna frigörs från en lean som stöds och nu innehåller scenarier som kräver beteendeflexibilitet. Testdesign som lämpar sig för att exponera responshämning och åtgärdsval ger oss ett sätt att tillämpa begrepp från kognitiv psykologi till området för balanskontroll. Ett sådant tillvägagångssätt är nödvändigt att bygga vidare på erkännandet att kognitiv försämring och fallprevalens är korrelerade, och för att få en mekanistisk förståelse för hur kognitiva resurser förhindra fall. Förmodligen denna inställning skulle kunna användas inte bara som ett forskningsverktyg, men också som ett sätt att träna kognitiva roller i balans. Ett viktigt mål med det pågående arbetet vårt laboratorium är att förstå hur hjärnan använder kontextuell information för att uppdatera vilken rörelse som skulle vara mest lämplig för att förhindra ett fall med tanke på omgivningen. Ledtrådar som tillgången på ett stabilt handtag eller en potentiell stegbarriär kan vägleda vilket svar som skulle uppstå om behov skulle uppstå och i hemlighet forma prediktiva hjärnprocesser16. Framför allt kan förmågan att på lämpligt sätt använda denna information försämras med åldern om mentala förmågor såsom hämmande interferenskontroll eller visuellt rumsligt minne krävs. Med tanke på förhållandet mellan kognitiv försämring och fall1-3, genomföra studie mönster som betonar ett behov av att integrera kontextuell relevans kan ge värdefull inblick i balans underskott i många utsatta populationer.
Disclosures
Författarna har inget att avslöja.
Acknowledgments
Forskning som rapporterats i denna publikation stöddes av National Institute on Aging av National Institutes of Health under Award Number R21AG061688. Innehållet är enbart författarnas ansvar och representerar inte nödvändigtvis de officiella åsikterna hos 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).
