Summary
Her tilbyder vi en protokol, der giver brugeren mulighed for selektivt at ændre affordances og / eller begrænsninger på bevægelser, der er relevante for at inddrive balance efter postural forstyrrelser.
Abstract
Vurdering af reaktiv balance traditionelt pålægger en form for forstyrrelser til opretstående holdning eller gangart efterfulgt af måling af den resulterende korrigerende adfærd. Disse foranstaltninger omfatter muskel reaktioner, lemmer bevægelser, jorden reaktionskræfter, og endda direkte neurofysiologiske foranstaltninger såsom elektroencefalografi. Ved hjælp af denne tilgang, forskere og klinikere kan udlede nogle grundlæggende principper for, hvordan nervesystemet styrer balance for at undgå et fald. En begrænsning med den måde, hvorpå disse vurderinger anvendes i øjeblikket, er, at de i høj grad lægger vægt på refleksive handlinger uden behov for at revidere automatiske posturale reaktioner. En sådan eksklusiv fokus på disse meget stereotype reaktioner ville ikke i tilstrækkelig grad tage fat på, hvordan vi kan ændre disse reaktioner, hvis behovet opstår (f.eks undgå en hindring med et opsving skridt). Dette synes at være en himmelråbende udeladelse, når man tænker på den enorme kompleksitet af de miljøer, vi står over for dagligt. Samlet set status quo, når man evaluerer neurale kontrol af balance undlader at virkelig afsløre, hvordan højere hjerne ressourcer bidrage til at forebygge fald i komplekse indstillinger. Den nuværende protokol giver mulighed for at kræve undertrykkelse af automatiske, men uhensigtsmæssige korrigerende balance reaktioner, og tvinge en udvælgelse blandt alternative valg for at genoprette balancen efter postural forstyrrelser.
Introduction
På trods af den anerkendte sammenhæng mellem fald og kognitiv tilbagegang1,2,3, en stor kløft fortsætter med at forstå, hvad hjernen rent faktisk gør for at hjælpe os med at undgå et fald. I teorien vil kognitive krav blive forstærket som miljømæssige kompleksitet stiger og i situationer, hvor vi er nødt til at revidere instinktiv adfærd. Men, de fleste balance test undlader effektivt at beskatte højere hjernefunktion, i stedet understreger refleksiv rettende reaktioner. Mens faktorer såsom responshastighed er afgørende for at forhindre et fald, kan yderligere kognitive faktorer, såsom hæmmende kontrol og/eller evnen til at vælge passende handling baseret på en given kontekst, også være vigtige i visse situationer. Som et resultat, en af grundene til at vi kan undlade at forstå hjernens rolle i reaktiv balance skyldes forskning protokoller i øjeblikket er i brug. Rogers et al. opsummerede for nylig de forskellige måder , hvorpå balancekontrol er blevet vurderet ved hjælp af ekstern forstyrrelser4. Disse metoder omfatter platform oversættelse, vipper og / eller dråber, samt brugen af automatiserede systemer, der skubber, trækker eller fjerner postural støtte. På trods af de mange forskellige teknikker, der anvendes til at forstyrre opretstående ligevægt, er de efterfølgende korrigerende reaktioner næsten altid lavet i et uhindret miljø, hvilket minimerer begrænsninger på bevægelse. Her foreslår vi en metode, hvor kognitive processer er nødvendige for at tilsidesætte præpotent handling og vælge passende svar blandt alternativer i en reaktiv balance opgave.
En almindelig måde at teste reaktiv balance på er at indføre relativt små posturale forstyrrelser , der kan imødegås ved hjælp af en fast støtte (typisk fødder på stedet) reaktion5,6,7,8,9. Forholdsvis færre undersøgelser har fokuseret på change-of-support balance reaktioner som reaktion på forstyrrelser via taljen trækker, platform oversættelse, og frigivelse fra et støttekabel Som et eksempel, se Mansfield et al.10. Betydningen af sidstnævnte gruppe kan værdsættes ved at erkende, at når forstyrrelser er store, er forandrings-af-støtte reaktioner den eneste mulighed for at genoprettestabilitet11. Faktisk, selv for mindre forstyrrelser, der kunne forvaltes ved hjælp af fødder-in-place (dvs. hofte og / eller ankel) strategier, folk ofte foretrækker at træde, når de får valget11. Værdien i at studere sådanne forandring-of-support reaktioner ligger ikke kun i det faktum, at en større størrelsesorden af forstyrrelser skal imødegås, men også de udfordringer, der opstår, når repositionering lemmerne til at etablere en ny støtte base. Tilstedeværelsen af affordances og / eller begrænsninger på handling er en regelmæssig del af mange virkelige verden indstillinger. Dette tvinger en udvælgelsesproces til at etablere en ny støttebase, når der opstår et tab af balance. For at tilpasse adfærd til komplekse miljøer, der er en øget efterspørgsel på højere hjerne ressourcer. Dette gælder især, når lemmerne skal etablere en ny base af støtte. At understrege og udsætte kognitive roller i reaktiv balance behovet for at genindføre rod og tvinge en change-of-support strategi med lemmerne synes logisk.
En enkel måde at levere en eksternt induceret postural forstyrrelser er lean & release teknik, hvor en person pludselig frigives fra en understøttet fremadlean. Denne fremgangsmåde gør det muligt at vurdere kompenserende reaktioner for at undgå et fremadrettet fald og er blevet anvendt med succes i både raske og kliniske populationer12,13,14. Selvom lean & release-teknikken er noget grundlæggende, giver den værdifuld indsigt i reaktiv balancekapacitet (f.eks. hvor hurtigt en person kan starte et opsvingstrin eller bestemme antallet af trin, der kræves for at genvinde stabilitet). Til for tiden giver lean & release teknikken en enkel måde at udforske kognitive roller i reaktiv balance, fordi mange af de forstyrrende egenskaber holdes konstant. Dette giver større eksperimentel kontrol over variabler, der er specifikt relevante for valg af handling og responshæmning. Mens andre former for postural uro typisk er afhængige af uforudsigelighed med hensyn til uroretning, amplitude og timing, er det omgivende miljø altid konstant. Selv i undersøgelser, hvor benblokke er blevet brugt til at understrege reach-to-grasp reaktioner15 blokkene er fastgjort på plads med ingen grund til hurtigt at tilpasse stepping adfærd baseret på tilstedeværelsen eller fraværet af et ben blok. Med den nuværende foreslåede metode, kan vi ændre miljøet på en måde, der kræver adfærdsmæssige tilpasning for at undgå et fald.
Ud over laboratorieindstillinger, der utilstrækkeligt udsætter kognitive roller i reaktiv balance, et andet stort problem er en stor afhængighed af eksterne foranstaltninger såsom muskel påsæt, jorden reaktionskræfter, og video motion capture til at udlede neurale processer. Selv om disse foranstaltninger er værdifulde, giver eneafhængighed af sådanne foranstaltninger ikke direkte indsigt i de underliggende neurale mekanismer, der bidrager til balance. Dette problem forværres, når man tænker på, at meget af, hvad hjernen kan gøre for at forhindre et fald i komplekse miljøer sandsynligvis sker før faldet. Prædiktive roller i efteråret forebyggelse er for nylig blevet drøftet mere omfattende16. Forskningsretningen omfatter forudsigelse af fremtidig ustabilitet17, opbygning af visuospatiale kort , som vi bevæger os gennem vores miljø18, og eventuelt danner uforudsete udgifter baseret på miljøet, selv uden forudgående kendskab til et fald19. Afsløring en sådan forberedelse ville være helt utilgængelige uden brug af direkte neurofysiologiske sonder.
Den modificerede lean & release tilgang som i øjeblikket foreslået giver et middel til at overvinde nogle af de eksisterende begrænsninger, der er nævnt. Dette gøres ved hjælp af en test scenario, hvor lemmerne er forpligtet til at etablere en ny base af støtte i et valg-krævende miljø. Denne tilgang forstærkes ved at inkludere direkte målinger af hjernens aktivitet (f.eks. transkraniel magnetisk stimulation, TMS) både før og efter postural uro, som kan supplere eksterne foranstaltninger til kraftproduktion og motioncapture. Denne kombination af eksperimentelle funktioner repræsenterer en vigtig nyskabelse på området for at afsløre, hvordan hjernen bidrager til balance i komplekse indstillinger, hvor responshæmning og udvælgelse af handlinger blandt muligheder er påkrævet for at forhindre et fald. Her demonstrerer vi en ny metode til at teste reaktiv balance i en indstilling, der understreger behovet for kognitive processer til at tilpasse adfærd for at undgå et fald. Kombinationen af forhindringer og affordances for action tvinger behovet for responshæmning, målrettet handling og svarudvælgelse blandt muligheder. Desuden demonstrerer vi præcis tidsmæssig kontrol over visuel adgang, timing af neurale sonder, ændring af responsmiljøet og debut af den posturale forstyrrelser.
Protocol
Alle procedurer blev godkendt af Institutional Review Board på Utah State University og blev gennemført i overensstemmelse med Helsingforserklæringen.
1. Screening af deltagere
- Få deltagerne til at give skriftligt informeret samtykke til procedurer forud for test.
- Til test med TMS skal deltagerne screene dem forud for test for at vurdere deres egnethed til TMS ved hjælp af retningslinjer, der er udviklet af en ekspertgruppepå 20 .
2. Dataindsamling: elektromyografi (EMG)
- Optag EMG ved hjælp af overfladeelektroder og forstærke signaler (gevinst = 1.000; se Materialetabel).
- Anskaf data- og bandpasfilter (10-1.000 Hz) ved hjælp af en dataindsamlingsgrænseflade og relevant software (se Materialetabel). Brug denne enhed og software til at styre de forskellige motorer, kabel frigivelse, og okklusion beskyttelsesbriller som beskrevet senere i metoderne.
- Blidt abrade hudens overflade og tørres med alkohol over målet muskel steder. Fastgør overfladen EMG elektroder på målet muskler ved hjælp af tosidet tape, og yderligere sikker ved hjælp af prewrap at sikre, at elektroderne forbliver faste, især under hurtige reaktioner med arme og ben.
- Indsamle EMG data fra to iboende hånd muskler på højre hånd (første ryg interosseus, FDI og opponens pollicus, OP) og ankel dorsiflexors på begge ben (tibialis anterior, TA).
BEMÆRK: Disse særlige muskler blev udvalgt på grundlag af deres relevans for en reach-to-grasp handling eller et fremadrettet skridt, men andre muskler kunne vælges efter behov.
3. Balance testudstyr
Figur 1. Lean & release setup med ben blokke. I dette eksempel er den ene benblok indstillet i åben position, mens den anden er indstillet til at forhindre et trin. Disse blokke flyttes via computerstyrede motorer (grå bokse fastgjort til støttestolperne). Håndtagsdæksler flyttes også til enten at blokere eller tillade en reach-to-grasp-respons. Her er dækslerne afmonteret for at give fuld visning af håndtaget. Udløsermagneten er synlig på bagvæggen. Alle ledninger feeds gennem træ platform selv og træder ind i den grå kredsløb boks placeret på bagsiden hjørne. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2. Lean & release setup med kraft plader. Denne figur viser, hvordan tre kraftplader kan integreres i træplatformen. Hvis kraftplader ikke er påkrævet, kan træpropper sættes på plads. Disse stik er synlige, læner sig på sidevæggen. Dette billede viser også den sikkerhedssele båret af deltagerne. Denne sele er fastgjort til loftet for at fungere som en sikkerhedsmekanisme, hvis deltageren ikke genvinder sin balance på egen hånd. Klik her for at se en større version af dette tal.
- Modificeret lean- og udgivelsessystem
- Brug et skræddersyet kabelsystem til at gennemtvinge terminsforstyrrelser (se figur 1 og figur 2).
- Få deltagerne til at stå i en fremadlænet position med deres fødder omtrent hoftebredde fra hinanden (se figur 3). Vedligehold denne fremadlænet ved hjælp af en karrosserissele fastgjort til et kabel, som derefter fastgøres til væggen bag dem. Fastgør kablet til bagsiden af selen (ca. midthoracic niveau). Fastgør støttekablet til væggen med en magnet. Magneten deaktiveres kortvarigt for at frigøre kablet.
- Gør de specifikke prøveprocedurer (dvs. når kablet slippes, og kabeludslippets indtræden) uforudsigelige for deltageren. Styre den præcise timing af kabel frigivelse via computer kommandoer forudindstillet i en softwarekonfiguration. Denne konfiguration vil give mulighed for kontrol af timingen af kabel frigivelse, så det kan randomiseres på tværs af forsøg.
BEMÆRK: Den softwarekonfiguration, der styrer alle eksperimentelle anordninger (f.eks. udløser motoren til at placere en benblok), angiver den specifikke prøvebetingelse (f.eks. hvis der er en benblok til stede eller ej). Dette kan programmeres til at randomisere betingelser eller levere dem i blokke for at kontrollere niveauet af forudsigelighed. - Ud over denne frigivelse kabel fastgjort til bagsiden af selen, også sikre deltagerne til en støtte kabel hængende fra loftet. Dette fejlsikre kabel giver ingen kropsvægt støtte, medmindre det er absolut nødvendigt. Hvis en deltager ikke selv er i stand til at inddrive balancen, fanger kablet dem, før det falder til jorden.
- På grund af vigtigheden af pålidelige visuelle oplysninger skal du kontrollere, at deltagerne rent faktisk kan se håndtaget og benblokken, når de bærer beskyttelsesbrillerne. Begynd hvert forsøg ved at instruere deltagerne til at se direkte på et fast punkt på gulvet, omkring 3 m foran dem, mens du holder hovedet i en behagelig position. Placer deltagerne således, at deres blik er indstillet til at se håndtaget i det perifere synsfelt og den øverste del af forhindringen.
- Anbring kroppen for at sikre, at håndtaget er inden for et behageligt område. Få deltageren til at læne sig fremad, mens begge fødder er i kontakt med gulvet. Dette vil kræve rotation om anklen, mens resten af kroppen forbliver i en lige linje.
- Bestem den specifikke lean position som den minimale lean vinkel, hvor et fremadrettet trin er nødvendigt for at genoprette balancen, når kablet slippes. Dette er en iterativ proces for at finde en tærskel lean vinkel på ankelleddet, som er den vinkel, hvor deltageren ikke længere er i stand til at forhindre et fremadrettet fald ved hjælp af en feet-in-place reaktion. Når dette er etableret, kontrollere lean vinkel i hele test ved hjælp af goniometri.
- Affordances og begrænsninger i kompenserende balance svar
- Fastgør et sikkerhedshåndtag på væggen ved siden af deltagerne på deres højre side. Brug et motoriseret dæksel til at styre adgangen til dette håndtag. Hvis håndtaget er afdækket, når deltagerne er frigivet fra deres understøttede fremadlean det kan bruges til at genvinde balance.
- Under forsøg, hvor håndtaget er afdækket, skal du placere en benblok foran deltagerens ben. Benblokken hindrer et skridt, men er ikke stift sat på plads, hvilket betyder, at det kan forskydes, når sparket. Programmer benblokken for at tillade fri bevægelighed og konstruere den med kompatibelt materiale for at undgå skader.
BEMÆRK: Benet blokke er blevet konstrueret til at tvinge en 'all-or-none' trin beslutning, da de stiger næsten 30 inches fra jorden (midten af låret niveau på de fleste individer). For forskere interesseret i en mere nuanceret blokade af et opsving skridt, kan disse enheder ændres til at bruge en mindre / kortere hindring, som derefter ville give en tilpasset skridt til at rydde dem. - Brug en sort presenning til at dække håndtaget og blokere det fra visning på visse forsøg. Håndtaget forbliver monteret på samme sted, men vil være fysisk dækket for at forhindre direkte visuel adgang og for at forhindre enhver støttende greb. Når dette støttehåndtag er dækket, skal du fjerne benblokken for at tillade en trinvis reaktion, hvis det er nødvendigt.
- Kontrol af synet
- Begræns synet til tidsrammen lige før postural forstyrrelser og kontrol via flydende krystalbeskyttelsesbriller (se Materialetabel). Når de er lukket, forhindrer brillerne adgang til den visuelle scene, så deltagerne er uvidende om den kommende responstilstand.
- Skift den specifikke konfiguration af benblokken og håndter tilgængelighed for hvert forsøg, mens brillerne er lukket, så deltagerne hurtigt skal opfatte miljøet, når brillerne åbner. Flyt håndtagsdækslet og benblokken på plads via computerudløste servomotorer ved starten af hvert forsøg. Få deltagerne til at bære ørepropper og få motorerne til at bevæge sig kontinuerligt i den periode, hvor der er visuel okklusion, for at undgå avancerede signaler til den kommende tilstand.
4. Eksperimentelt design
- Før test sætter deltagerne kort ind i, hvordan de kan nå håndtaget og træde frem fra en skæv stilling.
- Giv deltagerne fuldt kendskab til den kommende praksistilstand, og sørg for, at der ikke er usikkerhed. Instruer deltagerne i, at når brillerne er åbne, vil de se håndtaget dækket, og trædevejen vil være klar. Kort tid efter vil støttekablet frigive, og de bliver nødt til at træde hurtigt for at undgå at falde fremad.
- Brug lignende instruktioner om, hvorvidt håndtaget er til rådighed for at gribe for at undgå et trin.
- Under test og praksis, instruere deltagerne til at forblive afslappet, medmindre bedt om at flytte ved en pludselig kabel frigivelse.
BEMÆRK: I gennemsnit kræver deltagerne ca. 10 øvelsesforsøg, før den formelle test begynder.
- Du kan tilfældigt ændre svarindstillingen mellem forsøg. Hvis de frigøres fra støttekablet, skal deltagerne genvinde stabiliteten ved enten at række ud efter det vægmonterede sikkerhedshåndtag eller træde frem, hvis trinsporet er fri.
- Luk altid okklusionsbrillerne i begyndelsen af hvert forsøg, hvorefter responsindstillingen ændres. Luk beskyttelsesbrillerne i en randomiseret periode (normalt ca. 3-4 s) for at tillade indstillingen at ændre sig.
- Når brillerne er åbne, skal du angive en af to mulige responsindstillinger: (1) benblokken er til stede, og støttehåndtaget er til stede, eller (2) der ikke er nogen benblok til stede, og der ikke er noget støttehåndtag til stede.
BEMÆRK: I den første tilstand fås et støttehåndtag på en behagelig rækkeviddeafstand, og benblokken forhindrer et trin. Denne indstilling pålægger en kontekst, hvor den eneste tilgængelige mulighed er hurtigt at gribe det tilgængelige støttehåndtag med deres højre arm. Den anden betingelse giver mulighed for et genoprettelsestrin, samtidig med at det forhindres, at supporthåndtaget bruges. - På forsøg, hvor der opstår en forstyrrelser, skal kablet slippes kort efter beskyttelsesbrillerne åbne. Denne forsinkelsesperiode vil variere afhængigt af undersøgelseskravene, men varierer fra 200-1.000 ms.
- For nogle forsøg, ikke frigive til at fungere som en fangst retssag. Dette hjælper med at undgå foregribende reaktioner baseret kun på vision.
- Har hver retssag sidste 10 s, med en kort pause mellem forsøg for at give deltagerne en chance for at nulstille efter behov. Giv deltagerne en kort hvileperiode i mellem hver testblok og lad dem sidde. Det grundlæggende eksperimentelle design er afbildet i figur 3 (nederst).
BEMÆRK: Det samlede antal forsøg varierer, så det passer til behovene i hver undersøgelse, men har tendens til at omfatte ca. 100 forsøg fordelt på tre til fire testblokke.
Figur 3. TMS-baseret metode til undersøgelse af virkningen af at opfatte miljømæssige affordances og/eller begrænsninger på motorforberedelse. TOP. Et magert og frigivelsesapparat frigav deltagerne på en uforudsigelig måde (kun forstyrrende testblokke). Omfanget af forstyrrelser krævede en hurtig change-of-support reaktion, ved hjælp af enten arm eller ben til at genetablere en stabil base af støtte ved enten at nå til et sikkert håndgreb, eller at tage et fremadrettet skridt. I mellem forsøg, vision blev tilstoppet ved hjælp af flydende krystal okklusion briller og objekter i forgrunden blev omarrangeret tilfældigt. BUNDEN. Tidslinjen viser, hvornår visuel adgang til miljøet blev tilgængelig, og timingen af TMS-sonder i forhold til både visuel adgang og forstyrrelser. Den top-til-top amplitude af muskelrespons på TMS (dvs. motor fremkaldt potentiale, MEP) gav et indeks over kortikospinal ophidselse i perioden før forstyrrelser. Dette tal viser teoretiske responsdata for at påvise den hypotese, der er en affordance for håndhandling (solid, blå linje) i forhold til et forsøg, hvor håndtaget er dækket (prikket, rød linje). I dette tal lægges begge forsøg/betingelser over for at illustrere den hypotese, der er af hensyn til at forberede motorproduktionen til enten at lette eller undertrykke potentielle foranstaltninger baseret på en bestemt miljømæssig kontekst. Tilpasset fra figur 1 i Bolton et al.21. Bemærk, at TMS blev brugt til at sonde corticospinal ophidselse i dette eksempel. Dette er dog kun beregnet til at give en grundlæggende repræsentation af rækkefølgen af hændelser ved hjælp af denne modificerede lean & release. Klik her for at se en større version af dette tal.
5. TMS-protokol (valgfrit)
- Levere single-pulse TMS over håndmotor kortikal repræsentation, mens deltagerne understøttes i en fremadrettet lean. Levér TMS impulser kort efter åbning af beskyttelsesbrillerne, men før enhver bevægelse for at undersøge, hvordan visning af miljøet påvirker motorsættet. Se figur 3 for at visualisere hændelsessekvensen under et forsøg, herunder når TMS leveres.
- Indstil timingen for TMS levering i henhold til forskningsspørgsmålet. I de repræsentative resultater varierede stimulationen mellem 100 ms og 200 ms post-vision. Ud over de responsindstillinger, der er anført ovenfor, tilfældigt intersperse 'no-vision' referenceforsøg under hele testen for at levere TMS uden at åbne beskyttelsesbrillerne. Formålet med denne betingelse er at skabe en basislinje for eventuelle opgaverelaterede ændringer i motorisk aktivitet (f.eks. øget ophidselse).
BEMÆRK: Yderligere oplysninger om de specifikke TMS-procedurer findes i Bolton et al.21 og Goode et al.22. - Levér magnetiske stimuli til den primære motoriske cortex (M1) med den stimulerende spole orienteret ca. 45° til sagittal flyet (se Materialetabel). Påfør stimuli på den optimale position for at opnå et motorfremkaldt potentiale (MEP) i fdi-musklen på højre hånd (dvs. motorens 'hotspot').
- Når 'hotspot' er fundet, bestemmeen en test stimulus intensitet bestemmes. For de nuværende forskningsformål er dette stimuleringsintensiteten, hvor det gennemsnitlige MEP er ca. 1-1,5 mV top-til-top. Fastgør TMS-spolen på dette sted, og nulstil spolens position, hvis der opstår hovedbevægelse (f.eks. efter kabelfrigivelse). Bestem testen stimulus intensitet, mens forsøgspersonerne står i fremad lean at tage højde for eventuelle postural tilstand indflydelse på corticospinal ophidselse.
Representative Results
Alle eksemplariske undersøgelser blev udført med unge kvinder og mænd i alderen 18-30 år. Den samlede stikprøvestørrelse for hver undersøgelse var som følger: Eksempel 1 (Rydalch et al.23) omfattede 12 deltagere, eksempel 2 (Bolton et al.21) omfattede 63 deltagere, og eksempel 3 (Goode et al.22) omfattede 19 deltagere. Læseren bør henvise til de fuldstændige undersøgelser for nærmere oplysninger om metoder og analyser.
Eksempel 1
Blokering af et hurtigt opsving skridt, især når intensivering blev gjort automatisk ved hyppig gentagelse, tilladt for vurdering af respons hæmning i en postural sammenhæng. Her sammenlignede vi benmusklen reaktion, når en fremad skridt var enten tilladt eller blokeret23. Muskelresponsen fra trædebenet blev sammenlignet mellem forsøg, hvor deltageren skulle nå frem til forsøg, hvor de skulle træde. Dette blev opnået ved at sammenligne responsstørrelsen af ankeldorsiflexorer (tibialis anterior) under rækkevidde-til-håndtag versus trin forsøg. Specifikt blev den integrerede EMG over et 200 ms vindue (dvs. 100 ms til 300 ms post-perturbation) anvendes til at beregne en muskel respons ratio. En mindre værdi indikerede en større evne til at afstå fra at træde tilbage som beskrevet i detaljer i Rydalch et al.23. Ved at bruge størrelsen af muskel respons, vores hensigt var at give en følsom måler for en tendens til at reagere med benet. I dette eksempel var målet med vores undersøgelse at afgøre, om responshæmning målt med en siddende kognitiv test (dvs. stopsignalopgave, SST) korreleret med ydeevne på en reaktiv balanceopgave, hvor undertrykkelse af et balanceopsvingstrin var påkrævet. I balanceopgaven blev der indsamlet i alt 256 forsøg, hvoraf 30 % brugte en benblok. I figur 4Afremhæver vi gennemsnitsbølgeformer af personer, der var i hver sin ende af kontinuummet for at undertrykke trinrelateret benaktivitet. Scatterplotifiguren i figur 4B viser en lille, men signifikant korrelation mellem evnen til at undertrykke et blokeret trin og responshæmning målt ved stopsignalreaktionstiden.
Ved fortolkningen af disse resultater, er det vigtigt at erkende, at SST (beskrevet i tillægget), og faktisk de fleste kognitive tests, er afhængige af forenklede svar (ofte finger bevægelser) foretaget af siddende deltagere som reaktion på bydende nødvendige signaler vises på en computerskærm. Denne undersøgelse foretaget af Rydalch et al. omhandlede, hvis evnen til at stoppe et præpotent respons blev bevaret på tværs af en standardsædetest af responshæmning sammenlignet med en reaktiv balancetest, hvor kompenserende trin lejlighedsvis skal undertrykkes23. Resultaterne viste en sammenhæng mellem det kognitive testresultat (stopsignalreaktionstid) og kompenserende stepping, hvilket tyder på, at en persons stopkapacitet generaliserer på tværs af forskellige opgaver.
Figur 4. Gennemsnitlig skridt ben respons. (A) Gennemsnitlige bølgeformer vises for tibialis-anterioren i trinbenet. Trinforsøg vises med rødt og når forsøg med sort. Eksempel muskel respons data vist for to deltagere med enten en hurtig (top) eller langsom stop (nederst) signal reaktionstid. Dette stopsignal reaktionstid giver et millisekund mål for standsning evne. Den tidlige muskelrespons (integreret EMG) blev målt fra 100-300 ms (lysegult skyggeområde). (B) Scatterplot, der viser sammenhængen mellem muskelresponsforholdet og stopsignalreaktionstiden (SSRT) ved den visuelle forsinkelse på 400 ms, r = 0,561; p = 0,029. Tilpasset fra figur 3 og 5, Rydalch et al.23. Klik her for at se en større version af dette tal.
Eksempel 2
Denne undersøgelse eksemplificerer, hvordan vores modificerede lean & release setup, når de kombineres med TMS kan bruges til at studere motorforberedelse baseret på vision. Begrebet affordances (oprindeligt foreslået af Gibson24) blev testet i en stående postural sammenhæng, at afgøre, om kortikospinal ophidselse af en hånd muskel (bruges til at gribe) blev lettet, når du ser en støttende håndtag. Nøglen til denne tilgang var at vurdere, hvordan motorsystemets excitatoriske tilstand alene blev påvirket af synet. Specifikt blev TMS impulser leveret kort efter beskyttelsesbrillerne åbnede, men før enhver cue for bevægelse (dvs. kabel frigivelse). På denne måde kun den motoriske aktivitet i forbindelse med den visuelle scene blev analyseret, mens adfærdsmæssige reaktion på forstyrrelser var sekundær. I modsætning til ovenstående undersøgelse, som understregede behovet for responshæmning ved at præsentere trinresponset oftere, brugte denne undersøgelse en lige stor sandsynlighed for håndtag (rækkevidde) vs. no-håndtag (trin) for at fokusere på visuel priming af håndhandling. Resultaterne viste, at visning af håndtaget resulterede i lettelse af en iboende hånd (dvs. gribe) muskel, men kun i den rene observation tilstand (Figur 5)21. BEMÆRK: For eksempel data, erhvervelse, og analyse software kode, sammen med vejledning noter henvises til den åbne videnskab rammer (https://osf.io/9z3nw/). Eksempel 1 og 3 anvendte lignende kode og procedurer med ændringer af bestemte tilstande.
Figur 5. Data, der viser forskellen i kortikospinal ophidselse for REACH-forsøgene (dvs. håndtag) versus STEP-forsøg (dvs. ikke-håndtag) i en iboende håndmuskel, mens deltagerne stod i et understøttet lean. Dette viste større aktivitet i hånden, når håndtaget var til stede, og deltagerne blot set håndtaget (OBS), men denne effekt var fraværende under en separat balance (BAL) forsøg blokke, hvor kablet blev periodisk frigivet. Fejllinjer viser standardfejlen for middelværdien. Tovejs gentagne foranstaltninger ANOVA afslørede et samspil mellem tilstand og affordance, F1, 62 = 5,69, #p = 0,020. For at løse vores specifikke hypoteser brugte vi tidligere planlagte sammenligninger til at afgøre, om MEP-amplituden i direkte og mellemstore direkte adgang var større, da håndtaget var til stede i hver betingelse separat. For hypotese 1 blev planlagte sammenligninger anvendt til at sammenligne niveauer af affordance (STEP, REACH) inden for OBS-tilstanden og afslørede en betydelig stigning i amplituden, når håndtaget var synligt, t121 = 2,62, *p = 0,010. For hypotese 2, havde vi oprindeligt forudsagt en interaktion, men i den modsatte retning fra, hvad der blev fundet. Planlagt sammenligning af affordance i BAL-tilstanden viste ingen signifikant forskel i forbindelse med tilstedeværelsen af et håndtag, t121 = -0,46, p = 0,644. Tilpasset fra figur 5, Bolton et al.21. Klik her for at se en større version af dette tal.
Eksempel 3
Dette sidste eksempel understreger, hvordan vi tilpasset denne enhed til endnu en gang at studere motoriske forberedelse af en hånd muskel baseret på vision, men fokuseret på behovet for hurtigt at undertrykke ben handling. I denne version blev håndtaget dække permanent dækket, mens kun benet blok flyttet. Ligesom eksempel 1 blev sandsynligheden for stop versus trinbetingelser manipuleret for at tilskynde til et automatisk trin. Da håndtaget ikke længere var en mulighed i denne undersøgelse, blev graden af fremadlænet målt ved anklen reduceret en smule (~ 6° vs. ~10° som i de to ovennævnte undersøgelser) for at muliggøre en fast støttereaktion. Den specifikke anvendelse til denne version af opgaven var at undersøge begrebet global undertrykkelse, som tidligere er blevet undersøgt i siddende opgaver, hvor brændknap presser blev brugt som reaktion på visuelle stimuli præsenteret på en computer skærm25. Ligesom eksempel 2 blev TMS leveret for at vurdere kortikospinal ophidselse i en iboende håndmuskel umiddelbart efter adgang til responsmiljøet (dvs. blok eller ingen blok), men før enhver cue til at flytte (dvs. kabel frigivelse). Begrundelsen for at teste en iboende hånd muskel i en opgave, der kun anvendes ben svar var at se, om en opgave irrelevant muskel ville vise tegn på en generel undertrykkelse i hele motorsystemet. Resultaterne nedenfor i figur 6 viser tegn på en udbredt nedlukning i hele motorsystemet , når et automatisk trin brat stoppes22.
Figur 6. Modificeret lean & release opgave med ben blok kun (dvs. ingen mulighed for at gribe en støtte håndtag). (A) Denne figur viser MEP amplitude undertrykkelse i en iboende hånd muskel, når en benblok blev præsenteret (dvs. NO-STEP tilstand). (B) Fra de gentagne mål ANOVA var trinbetingelsen x latensinteraktion, F1,18 = 4,47, p = 0,049, signifikant. Visuel inspektion af linjegraf 2 afslører faldende MEP amplitude over tid kun for NO-STEP betingelse, og dette blev bekræftet med opfølgende sammenligninger. Disse sammenligninger viste specifikt et betydeligt fald på 200 ms sammenlignet med 100 ms t18 = 2,595, *p = 0,009 for NO-STEP-betingelsen. Derimod viser en lignende sammenligning mellem 200 ms og 100 ms for STEP-betingelsen ingen forskel t18 = 0,346, p = 0,367. Tilpasset fra figur 1 og 2, Goode et al.22. Klik her for at se en større version af dette tal.
Discussion
Dette modificerede lean & release system giver en ny måde at vurdere kognitive roller i reaktiv balance. Som med standard lean & release procedure, retning og amplitude af postural forstyrrelser er forudsigelige til emnet, mens timingen af kabel frigivelse er uforudsigelig. Det unikke ved den nuværende tilgang er, at adgangen til synet styres præcist, mens emnet forbliver fast, og responsmiljøet ændres omkring dem for at skabe forskellige handlingsmuligheder og/eller begrænsninger. Ved at manipulere tilstedeværelsen af forhindringer og affordances denne metode understreger kognitive processer såsom beslutningstagning (dvs. handling udvælgelse) og respons hæmning i forhold til balance opsving.
Den foreslåede metode har potentiale til at give et unikt indblik i neurale kontrol af balancen, men udgør visse begrænsninger. For eksempel, når du bruger lean & release metode, kablet frigivelse er indledt fra en fremadrettet lean, hvilket kræver en udtalt balance opsving skridt sammenlignet med andre metoder til ekstern postural forstyrrelser10. Også, retningen og omfanget af forstyrrelser er forudsigelige, hvilket kan føre til foregribende aktivering af muskler, der normalt ikke ville være involveret i mere realistiske fald scenarier. Endelig er synet midlertidigt tilstoppet før kabelfrigivelse, hvilket også afviger fra en persons daglige oplevelse. Disse funktioner gør vores vurdering af balancen noget kunstig og kan udelukke generalisering på tværs af forskellige former for forstyrrelser. Det er vigtigt at erkende, at generaliserbarhed en virkeligverden falder er altid et problem, når drage slutninger om, hvordan balancen er kontrolleret fra en bestemt vurdering metode. Faktisk er en almindeligt anerkendt omfattende test for balance evne ikke i øjeblikket findes4. Til fortiden giver et fast fremadrettet fald mulighed for, at forstyrrelser og responsindstillinger kan holdes konstante, mens specifikke kognitive krav, der ofte overses eller er utilgængelige i traditionelle balancevurderinger, manipuleres. En sådan eksperimentel kontrol er gavnlig, men bør tages i betragtning ved fortolkningen af resultaterne.
Som en anden begrænsning kan konstruktionen af testudstyret og de nødvendige tekniske færdigheder udgøre en udfordring for gennemførelsen af denne metode. Tre elektroingeniør studerende fra Utah State University bygget platformen, oprette elektronik, og programmeret microcontrollers til at køre servo-motorer til håndtaget dække og ben blok. Byggeomkostningerne var beskedne (dvs. <$15.000, uden at inklusive de kraftplader, der var monteret på platformen). Ikke desto mindre kan dette udgøre en udfordring afhængigt af de disponible ressourcer.
Specifik indsigt i neurale kontrol af balancen blev opnået ved hjælp af denne fremgangsmåde. Disse eksempler viser, at noninvasive hjernestimulation kan bruges til at fange motoriske sæt baseret på visning af objekter i en postural sammenhæng og tilbyde en teknik til at vurdere responshæmning ved hjælp af muskelreaktioner. Især kunne den modificerede lean & release teknik let tilpasses til at indarbejde andre neurofysiologiske sonder såsom elektroencefalografi og funktionelle nær-infrarød spektroskopi. Selv uden inddragelse af direkte neurale foranstaltninger, undersøgelse design, der fokuserer udelukkende på eksterne kræfter, muskel aktivering, og kinematik kan give vigtig indsigt i adfærdsmæssige markører for kognitive underskud. For eksempel har Cohen etal. 26påvist et interessant program til brug af kraftplader til at registrere foregribende posturale skift under en reaktiv trædeopgave. I deres undersøgelse, underskud som respons hæmning hos ældre voksne blev afsløret ved uhensigtsmæssig vægtskift, hvilket igen førte til forsinkelser i valg-reaktion trin gange. En sådan tilgang kunne anvendes på det nuværende paradigme for at få følsomme mål for vægtskift og trædefejl.
Denne nye metode bygger ud fra en etableret reaktiv balancetest, hvor deltagerne frigives fra et understøttet lean, og indeholder nu scenarier, der kræver adfærdsmæssig fleksibilitet. Testdesign egnet til at udsætte respons hæmning og handling udvælgelse giver os en måde at anvende begreber fra kognitiv psykologi til domænet for balance kontrol. En sådan tilgang er nødvendig for at bygge videre på erkendelsen af, at kognitiv tilbagegang og faldprævalens er korreleret, og for at få en mekanistisk forståelse for, hvordan kognitive ressourcer forebygge falder. Formentlig denne opsætning kunne bruges ikke kun som et forskningsværktøj, men også som et middel til uddannelse kognitive roller i balance. Et vigtigt mål for det igangværende arbejde vores laboratorium er at forstå, hvordan hjernen udnytter kontekstuelle oplysninger til at opdatere, hvilken bevægelse ville være mest egnet til at forhindre et fald i betragtning af omgivelserne. Signaler såsom tilgængeligheden af et stabilt håndgreb eller en potentiel trinbarriere kan vejlede, hvilken reaktion der skal findes, hvis behovet opstår, og kan i det skjulte forme prædiktive hjerneprocesser16. Navnlig kan evnen til at anvende disse oplysninger på passende vis forringes med alderen, hvis der er behov for mentale evner såsom hæmmende interferenskontrol eller visuel rumlig hukommelse. I betragtning af forholdet mellem kognitiv tilbagegang og falder1-3, gennemføre undersøgelse design, der understreger et behov for at integrere kontekstuelle relevans kunne give værdifuld indsigt i balance underskud i mange sårbare befolkningsgrupper.
Disclosures
Forfatterne har intet at afsløre.
Acknowledgments
Forskning rapporteret i denne publikation blev støttet af National Institute on Aging af National Institutes of Health under Award Number R21AG061688. Indholdet er udelukkende ophavsmændenes ansvar og repræsenterer ikke nødvendigvis de officielle synspunkter fra De Nationale Sundhedsinstitutter.
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).
