באמצעות ההליכון פיצול-חגורה כדי להעריך הכללה של עיבוד גינקולוגיות אנושי
Summary
אנו מתארים פרוטוקול על חקירת עיבוד גינקולוגיות אנושי באמצעות ההליכון פיצול-חגורה, שבו יש שתי חגורות יכול לנהוג בכל רגל במהירות שונה. אנו מתמקדים באופן ספציפי על פרדיגמה שנועד לבחון את ההכללה של דפוסי גינקולוגיות מותאם הקשרים הליכה שונים (למשל, מהירויות ההליכה, הליכה סביבות).
Abstract
הבנת המנגנונים שבבסיס הלמידה גינקולוגיות מסייעת לחוקרים ולמטב קלינאים הילוך הסבה במסגרת שיקום מוטורי. עם זאת, ללמוד למידה גינקולוגיות האנושי יכול להיות מאתגר. במהלך הינקות והילדות, מערכת עצב-שריר היא די לא בוגר, לא סביר כי למידה גינקולוגיות בשלבים המוקדמים של פיתוח נשלטת על ידי אותם מנגנונים כמו לבגרות. בני האדם זמן להגיע לבגרות, הם כל כך בקיא הליכה כי קשה לבוא עם משימה הרומן מספיק ללמוד למידה גינקולוגיות de novo . ההליכון פיצול-חגורה, הכולל שתי חגורות יכול לנהוג בכל רגל במהירות שונה, מאפשר המחקר של שניהם קצרים – (קרי, מיידית) לטווח ארוך (כלומר, מעל דקות-ימים; צורת למידה מוטורית) הליכה שינויים בתגובה הרומן שינוי הסביבה הליכה. אנשים יכולים בקלות להיות מוקרן חשיפה קודמת ההליכון פיצול-חגורה, ובכך להבטיח כי כל המשתתפים ניסיוני אין (או שווה ערך) ניסיון קודם. מאמר זה מתאר פרוטוקול הסתגלות טיפוסי הליכון פיצול-חגורה המשלבת שיטות בדיקה לכמת לימוד גינקולוגיות, הכללה זו הלמידה כדי בהקשרים אחרים הליכה. דיון על שיקולים חשובים לעיצוב פיצול-חגורה הליכון ניסויים כדלקמן, לרבות גורמים כמו הליכון חגורה מהירויות, הפסקות למנוחה distractors. בנוסף, פוטנציאל אבל understudied מבלבלים משתנים (למשל, תנועות היד, ניסיון קודם) נחשבים בדיון.
Introduction
הליכון פיצול-חגורה יש שתי חגורות יכול לנהוג בכל רגל במהירות שונה או בכיוון אחר. התקן זה השימוש הראשון היה לפני 45 שנה ככלי ללמוד תיאום בין הרגליים (קרי, תיאום interlimb) במהלך הליכה1. זה, ומחקרים נוספים מוקדם בשימוש בעיקר חתולים2,1,דגם ניסיוני3, אבל חרקים היו גם למדה4. החקירות הראשונה של פיצול-חגורה ומכניקה אצל תינוקות אנושיים ומבוגרים יצאו לאור בשנת 1987 ו- 1994, בהתאמה5,6. אלה מחקרים ראשוניים בבעלי חיים אנושיים וטכנולוגיים אנושיות נחקרו בעיקר לטווח קצר (קרי, מיידית) התאמות בתיאום interlimb כדי לשמור על יציבות והתקדמות קדימה כאשר הרגליים מונעים במהירויות שונות. מחקר 1995 ציין כי תקופות ארוכות יותר (מספר דקות) של פיצול-חגורה הליכה בתפקודם של מבוגרים אדם תופסים את ההליכון חגורה מהירות ולבצע התאמות במדויק על מנת להשוות מהירויות בכל צד. הדבר מצביע על כי המיפוי sensorimotor של הליכה הייתה חותמת7. עם זאת, זה לא היה עד 2005 כי הראשון קנטית הדו”ח המפורט של מנוע עיבוד אנושי מעל 10 דקות של הליכה הליכון פיצול-חגורה היה שפורסמו8.
מנוע עיבוד מתייחס תהליך מונחה שגיאה שבמהלכו מיפויים sensorimotor של תנועות ראתה מותאמות בתגובה הביקוש החדש, צפוי9. זה צורה של למידה מוטורית המתרחשת על פני תקופת אימון מורחב (דקות עד שעות) ואת תוצאות ב after-effects, שהינם שינויי דפוס התנועה בעת הסרת הדרישה ו/או תנאים יחזרו לקדמותם. לדוגמה, הליכה על פיצול-חגורות בתחילה גורם לאנשים ללכת בתיאום interlimb א-סימטרי, הדומה צליעה. במשך מספר דקות של הליכה פיצול-חגורה, אנשים מסתגלים תיאום ההליכה שלהם כך ההליכה שלהם הופכת יותר סימטרי. כאשר שתי חגורות לחזור לאחר מכן באותה המהירות (קרי קשרו חגורות), וכך לשקם תנאים רגילים הליכה, אנשים להדגים השפעות על ידי הליכה בתיאום אסימטרי. השפעות אלה חייב להיות פעיל בטל מותאם או שתיאר זאת במשך מספר דקות של קשר-חגורה הליכה לפני תיאום הליכה רגילה הוא משוחזר8.
בעקבות של ריזמן. 2005 et al. 8 ניתוח קנטית חגורת פיצול הליכה אצל בני אדם, גדל השימוש ההליכון פיצול-חגורה במחקר שפורסם כ כוחנו לעומת העשור הקודם. ? למה ההליכון פיצול-חגורה נהיה יותר פופולרי ככלי ניסיוני? פיצול-חגורה ambulation היא בבירור פעילות המעבדה – אנלוגי בעולם האמיתי הקרוב ביותר הוא מפנה או הליכה במעגל צפוף, אבל ההליכון פיצול-חגורה המניע גירסה הרבה יותר קיצוני של פונה, עם רגל אחת מונעים שתיים עד ארבע פעמים מהר יותר מאשר האחרים. העובדה כי פיצול-חגורה הליכון הוא שמשימה מהלך חריג מציע מספר יתרונות לימוד למידה גינקולוגיות. ראשית, זה רומן עבור רוב האנשים ללא קשר לגיל ועצמאית של הליכה ניסיון; קל למשתתפים ניסיוני מסך עבור חידוש של פיצול-חגורה הליכה. שנית, פיצול-חגורה ההליכון גורם לשינויים נכבד בתיאום interlimb לא נפתרות במהירות. שיעור האיטי יחסית של הסתגלות והתאמה דה-לאפשר לנו ללמוד איך הדרכה התערבויות יכול לשנות את המחירים הללו ללא מתקרבים תקרה. שלישית, את קנטית8,10,12,קינטי11,13,14, electromyographic6,15,16 , תפיסתי7,17,18,19 שינויים המתרחשים עם הליכון פיצול-חגורה הסתגלות היית למד היטב, כמו גם שליטה עצבית של משימה זו20 21, ,22. במילים אחרות, עיבודים על ההליכון פיצול-חגורה כבר תיעד, משוכפלים על-ידי מספר קבוצות שונות, שהופך את פעילות הלמידה גינקולוגיות מאופיין היטב.
בעשר השנים האחרונות, מספר מחקרים הראו הטבע ספציפיים פעילות או הקשר של פיצול-חגורה הסתגלות. After-effects בעקבות פיצול-חגורה הסתגלות מופחתים בצורה משמעותית משרעת אם הם נבחנים בתנאים שונים לפי מצב אימונים. לדוגמה, השפעות קטנות, אם האדם הוא עבר לסביבה שונה (למשל, ובשטח הליכה23), מבצעת משימה גינקולוגיות שונות (למשל, לאחור הליכה או ריצה13, 24), או אפילו הולך במהירות השונה מן המהירות של החגורה איטי במהלך עיבוד25. המאמצים להקים פרמטרים המסדירים את ההכללה של הסתגלות גינקולוגיות מתנהלות.
מטרת המאמר היא לתאר את פרוטוקול להצפנה באמצעות ההליכון פיצול-חגורה לחקור עיבוד גינקולוגיות אנושי, הכללה של התבנית מותאם כדי בהקשרים אחרים הליכה (קרי, הליכה במהירויות שונות, סביבות). בעוד הפרוטוקול המתואר כאן הוא רוב ישירות נגזרת בשימוש. Hamzey et al. 25 (איור 1), יצוין כי פרוטוקול זה נמסר על ידי מספר מחקרים שקדמו לו8,23,24,26, 27,28. השיטה פותחה במקור כדי לבדוק את ההשערה כי שמירה על קביעות הליכה מהירות בין ההליכון, מעל הקרקע סביבות תשפר הכללה של פיצול-חגורה צועדת אלה סביבות שונות25. במקטע פרוטוקול להלן, אנחנו נותנים הוראות כיצד לשחזר גירסה זו של השיטה פיצול-חגורה מהממת, עם הערות המציינות כמה צעדים פרוטוקול מסוימים עשוי להיות שונה כדי למטרות בשיטה שונה.
Protocol
Representative Results
Discussion
מחקרים רבים הראו עכשיו כי אנשים להתאים קואורדינציה בהליכה על הליכון פיצול-חגורה כדי לשחזר סימטריה דו-צדדית תיאום interlimb פרמטרים כמו אורך צעד והמשך תמיכה כפולה. כאשר התנאים הליכה טבעית משוחזרת הבאים פיצול-חגורה הליכה, המשתתפים להמשיך באמצעות התבנית ‘ מותאמים הילוך, שמוביל לתופעות לוואי מעו?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו מחקריו זכו למימון של האמריקאי הלב האגודה מדען מענק פיתוח (#12SDG12200001) כדי אי Vasudevan. השתייכות הנוכחי של רבי Hamzey היא המחלקה להנדסת מכונות, אוניברסיטת בוסטון, בוסטון, מסצ’וסטס, ארה ב. השתייכות הנוכחי של אי קירק הוא מכון MGH למקצועות הבריאות מחלקת פיזיותרפיה.
Materials
| Split-belt treadmill | Woodway | The WOODWAY SPLIT-BELT is an advanced gate measurement and analysis tool used for synchronous or asynchronous running/walking. With its unique and innovative dual belt system, the "SPLIT-BELT," provides infinitely variable speed control of each leg independently. Used for gait rehab, the gas-assisted, fully adjusted handrail options provide more room for therapists and patients. | |
| Codamotion CX1 | Charmwood Dynamics, Ltd, Leicestershire, UK |
References
- Kulagin, A. S., Shik, M. L. Interaction of symmetric extremities during controlled locomotion. Biofizika. 15 (1), 164-170 (1970).
- Halbertsma, J. M. The stride cycle of the cat: the modelling of locomotion by computerized analysis of automatic recordings. Acta Physiol Scand Suppl. 521, 1-75 (1983).
- Forssberg, H., Grillner, S., Halbertsma, J., Rossignol, S. The locomotion of the low spinal cat. II. Interlimb coordination. Acta Physiol Scand. 108 (3), 283-295 (1980).
- Foth, E., Bassler, U. Leg movements of stick insects walking with five legs on a treadwheel and with one leg on a motor-driven belt. II. Leg coordination when step-frequencies differ from leg to leg. Biol Cybern. 51 (5), 319-324 (1985).
- Thelen, E., Ulrich, B. D., Niles, D. Bilateral coordination in human infants: stepping on a split-belt treadmill. J Exp Psychol Hum Percept Perform. 13 (3), 405-410 (1987).
- Dietz, V., Zijlstra, W., Duysens, J. Human neuronal interlimb coordination during split-belt locomotion. Exp Brain Res. 101 (3), 513-520 (1994).
- Jensen, L., Prokop, T., Dietz, V. Adaptational effects during human split-belt walking: influence of afferent input. Exp Brain Res. 118 (1), 126-130 (1998).
- Reisman, D. S., Block, H. J., Bastian, A. J. Interlimb coordination during locomotion: what can be adapted and stored?. J Neurophysiol. 94 (4), 2403-2415 (2005).
- Martin, T. A., Keating, J. G., Goodkin, H. P., Bastian, A. J., Thach, W. T. Throwing while looking through prisms. II. Specificity and storage of multiple gaze-throw calibrations. Brain. 119 (Pt 4), 1199-1211 (1996).
- Malone, L. A., Bastian, A. J., Torres-Oviedo, G. How does the motor system correct for errors in time and space during locomotor adaptation?. J Neurophysiol. 108 (2), 672-683 (2012).
- Lauziere, S., et al. Plantarflexion moment is a contributor to step length after-effect following walking on a split-belt treadmill in individuals with stroke and healthy individuals. J Rehabil Med. 46 (9), 849-857 (2014).
- Mawase, F., Haizler, T., Bar-Haim, S., Karniel, A. Kinetic adaptation during locomotion on a split-belt treadmill. J Neurophysiol. 109 (8), 2216-2227 (2013).
- Ogawa, T., Kawashima, N., Obata, H., Kanosue, K., Nakazawa, K. Distinct motor strategies underlying split-belt adaptation in human walking and running. PLoS One. 10 (3), e0121951 (2015).
- Roemmich, R. T., Hack, N., Akbar, U., Hass, C. J. Effects of dopaminergic therapy on locomotor adaptation and adaptive learning in persons with Parkinson’s disease. Behav Brain Res. 268, 31-39 (2014).
- Betschart, M., Lauziere, S., Mieville, C., McFadyen, B. J., Nadeau, S. Changes in lower limb muscle activity after walking on a split-belt treadmill in individuals post-stroke. J Electromyogr Kinesiol. 32, 93-100 (2017).
- Maclellan, M. J., et al. Muscle activation patterns are bilaterally linked during split-belt treadmill walking in humans. J Neurophysiol. 111 (8), 1541-1552 (2014).
- Hoogkamer, W., et al. Gait asymmetry during early split-belt walking is related to perception of belt speed difference. J Neurophysiol. 114 (3), 1705-1712 (2015).
- Vazquez, A., Statton, M. A., Busgang, S. A., Bastian, A. J. Split-belt walking adaptation recalibrates sensorimotor estimates of leg speed but not position or force. J Neurophysiol. 114 (6), 3255-3267 (2015).
- Wutzke, C. J., Faldowski, R. A., Lewek, M. D. Individuals Poststroke Do Not Perceive Their Spatiotemporal Gait Asymmetries as Abnormal. Phys Ther. 95 (9), 1244-1253 (2015).
- Jayaram, G., Galea, J. M., Bastian, A. J., Celnik, P. Human locomotor adaptive learning is proportional to depression of cerebellar excitability. Cereb Cortex. 21 (8), 1901-1909 (2011).
- Morton, S. M., Bastian, A. J. Cerebellar contributions to locomotor adaptations during splitbelt treadmill walking. J Neurosci. 26 (36), 9107-9116 (2006).
- Jayaram, G., et al. Modulating locomotor adaptation with cerebellar stimulation. J Neurophysiol. 107 (11), 2950-2957 (2012).
- Reisman, D. S., Wityk, R., Silver, K., Bastian, A. J. Split-belt treadmill adaptation transfers to overground walking in persons poststroke. Neurorehabil Neural Repair. 23 (7), 735-744 (2009).
- Choi, J. T., Bastian, A. J. Adaptation reveals independent control networks for human walking. Nat Neurosci. 10 (8), 1055-1062 (2007).
- Hamzey, R. J., Kirk, E. M., Vasudevan, E. V. Gait speed influences aftereffect size following locomotor adaptation, but only in certain environments. Exp Brain Res. 234 (6), 1479-1490 (2016).
- Torres-Oviedo, G., Bastian, A. J. Seeing is believing: effects of visual contextual cues on learning and transfer of locomotor adaptation. J Neurosci. 30 (50), 17015-17022 (2010).
- Torres-Oviedo, G., Bastian, A. J. Natural error patterns enable transfer of motor learning to novel contexts. J Neurophysiol. 107 (1), 346-356 (2012).
- Vasudevan, E. V., Bastian, A. J. Split-belt treadmill adaptation shows different functional networks for fast and slow human walking. J Neurophysiol. 103 (1), 183-191 (2010).
- Malone, L. A., Vasudevan, E. V., Bastian, A. J. Motor adaptation training for faster relearning. J Neurosci. 31 (42), 15136-15143 (2011).
- Musselman, K. E., Roemmich, R. T., Garrett, B., Bastian, A. J. Motor learning in childhood reveals distinct mechanisms for memory retention and re-learning. Learn Mem. 23 (5), 229-237 (2016).
- Yang, J. F., Lamont, E. V., Pang, M. Y. Split-belt treadmill stepping in infants suggests autonomous pattern generators for the left and right leg in humans. J Neurosci. 25 (29), 6869-6876 (2005).
- Roemmich, R. T., Bastian, A. J. Two ways to save a newly learned motor pattern. J Neurophysiol. 113 (10), 3519-3530 (2015).
- Malone, L. A., Bastian, A. J. Age-related forgetting in locomotor adaptation. Neurobiol Learn Mem. 128, 1-6 (2016).
- Malone, L. A., Bastian, A. J. Thinking about walking: effects of conscious correction versus distraction on locomotor adaptation. J Neurophysiol. 103 (4), 1954-1962 (2010).
- Vasudevan, E. V., Torres-Oviedo, G., Morton, S. M., Yang, J. F., Bastian, A. J. Younger is not always better: development of locomotor adaptation from childhood to adulthood. J Neurosci. 31 (8), 3055-3065 (2011).
- Alexander, R. M. Optimization and gaits in the locomotion of vertebrates. Physiol Rev. 69 (4), 1199-1227 (1989).
- Vasudevan, E. V., Patrick, S. K., Yang, J. F. Gait Transitions in Human Infants: Coping with Extremes of Treadmill Speed. PLoS One. 11 (2), e0148124 (2016).
- Eikema, D. J., et al. Optic flow improves adaptability of spatiotemporal characteristics during split-belt locomotor adaptation with tactile stimulation. Exp Brain Res. 234 (2), 511-522 (2016).
- Mukherjee, M., et al. Plantar tactile perturbations enhance transfer of split-belt locomotor adaptation. Exp Brain Res. 233 (10), 3005-3012 (2015).
- Finley, J. M., Statton, M. A., Bastian, A. J. A novel optic flow pattern speeds split-belt locomotor adaptation. J Neurophysiol. 111 (5), 969-976 (2014).
- Long, A. W., Roemmich, R. T., Bastian, A. J. Blocking trial-by-trial error correction does not interfere with motor learning in human walking. J Neurophysiol. 115 (5), 2341-2348 (2016).
- Musselman, K. E., Patrick, S. K., Vasudevan, E. V., Bastian, A. J., Yang, J. F. Unique characteristics of motor adaptation during walking in young children. J Neurophysiol. 105 (5), 2195-2203 (2011).
- Gordon, C. R., Fletcher, W. A., Melvill Jones, G., Block, E. W. Adaptive plasticity in the control of locomotor trajectory. Exp Brain Res. 102 (3), 540-545 (1995).
- Savin, D. N., Tseng, S. C., Morton, S. M. Bilateral adaptation during locomotion following a unilaterally applied resistance to swing in nondisabled adults. J Neurophysiol. 104 (6), 3600-3611 (2010).
- Lam, T., Wirz, M., Lunenburger, L., Dietz, V. Swing phase resistance enhances flexor muscle activity during treadmill locomotion in incomplete spinal cord injury. Neurorehabil Neural Repair. 22 (5), 438-446 (2008).
- Yen, S. C., Schmit, B. D., Wu, M. Using swing resistance and assistance to improve gait symmetry in individuals post-stroke. Hum Mov Sci. 42, 212-224 (2015).
- Lam, T., Anderschitz, M., Dietz, V. Contribution of feedback and feedforward strategies to locomotor adaptations. J Neurophysiol. 95 (2), 766-773 (2006).
- Handzic, I., Barno, E. M., Vasudevan, E. V., Reed, K. B. Design and Pilot Study of a Gait Enhancing Mobile Shoe. Paladyn. 2 (4), (2011).
- Haddad, J. M., van Emmerik, R. E., Whittlesey, S. N., Hamill, J. Adaptations in interlimb and intralimb coordination to asymmetrical loading in human walking. Gait Posture. 23 (4), 429-434 (2006).
- Noble, J. W., Prentice, S. D. Adaptation to unilateral change in lower limb mechanical properties during human walking. Exp Brain Res. 169 (4), 482-495 (2006).
- Choi, J. T., Vining, E. P., Reisman, D. S., Bastian, A. J. Walking flexibility after hemispherectomy: split-belt treadmill adaptation and feedback control. Brain. 132 (Pt 3), 722-733 (2009).
- Vasudevan, E. V., Glass, R. N., Packel, A. T. Effects of traumatic brain injury on locomotor adaptation. J Neurol Phys Ther. 38 (3), 172-182 (2014).
- Reisman, D. S., McLean, H., Keller, J., Danks, K. A., Bastian, A. J. Repeated split-belt treadmill training improves poststroke step length asymmetry. Neurorehabil Neural Repair. 27 (5), 460-468 (2013).
- MacLellan, M. J., Qaderdan, K., Koehestanie, P., Duysens, J., McFadyen, B. J. Arm movements during split-belt walking reveal predominant patterns of interlimb coupling. Hum Mov Sci. 32 (1), 79-90 (2013).
- Finley, J. M., Long, A., Bastian, A. J., Torres-Oviedo, G. Spatial and Temporal Control Contribute to Step Length Asymmetry During Split-Belt Adaptation and Hemiparetic Gait. Neurorehabil Neural Repair. 29 (8), 786-795 (2015).
- Roemmich, R. T., Long, A. W., Bastian, A. J. Seeing the Errors You Feel Enhances Locomotor Performance but Not Learning. Curr Biol. 26 (20), 2707-2716 (2016).
- Mawase, F., Shmuelof, L., Bar-Haim, S., Karniel, A. Savings in locomotor adaptation explained by changes in learning parameters following initial adaptation. J Neurophysiol. 111 (7), 1444-1454 (2014).
