تعديل العجاف وتقنية الإصدار للتأكيد على تثبيط الاستجابة واختيار العمل في التوازن التفاعلي
Summary
هنا نقدم بروتوكول يسمح للمستخدم بتغيير تكاليف و/ أو قيود بشكل انتقائي على الحركات ذات الصلة باسترداد التوازن بعد اضطراب الوضعية.
Abstract
تقييم التوازن التفاعلي يفرض تقليديا نوعا من الاضطرابات إلى موقف تستقيم أو مشية تليها قياس السلوك التصحيحي الناتج. وتشمل هذه التدابير استجابات العضلات، وحركات الأطراف، وقوات رد الفعل الأرضي، وحتى التدابير العصبية الفسيولوجية المباشرة مثل تخطيط الدماغ الكهربائي. باستخدام هذا النهج، يمكن للباحثين والأطباء استنتاج بعض المبادئ الأساسية فيما يتعلق بكيفية تحكم الجهاز العصبي في التوازن لتجنب السقوط. أحد القيود على الطريقة التي تستخدم بها هذه التقييمات حاليًا هو أنها تشدد بشدة على الإجراءات الانعكاسية دون الحاجة إلى مراجعة ردود الفعل الوضعية التلقائية. ومن شأن هذا التركيز الحصري على ردود الفعل النمطية للغاية هذه أن يفشل في معالجة الكيفية التي يمكننا بها تعديل ردود الفعل هذه على نحو ملائم إذا دعت الحاجة إلى ذلك (على سبيل المثال، تجنب عقبة بخطوة انتعاش). ويبدو أن هذا إغفال صارخ عندما ينظر المرء إلى التعقيد الهائل للبيئات التي نواجهها يوميا. وعموما، فإن الوضع الراهن عند تقييم السيطرة العصبية للتوازن يفشل في الكشف حقا عن كيفية ارتفاع موارد الدماغ تسهم في منع السقوط في بيئات معقدة. ويوفر هذا البروتوكول طريقة لاشتراط قمع ردود الفعل التلقائية، ولكن غير الملائمة، على التوازن التصحيحي، وفرض الاختيار بين خيارات العمل البديلة لاسترداد التوازن بنجاح بعد اضطراب الوضعي.
Introduction
على الرغم من الارتباط المعترف بها بين السقوط والتدهور المعرفي1,2,3, فجوة كبيرة لا تزال قائمة في فهم ما يفعله الدماغ في الواقع لمساعدتنا على تجنب السقوط. من الناحية النظرية، سوف تزداد المطالب المعرفية مع زيادة التعقيد البيئي وفي الحالات التي نحتاج فيها إلى مراجعة السلوك الغريزي. ومع ذلك، تفشل معظم اختبارات التوازن في فرض ضرائب فعالة على وظيفة الدماغ الأعلى، وبدلاً من ذلك تؤكد على ردود الفعل الصحيحة الانعكاسية. في حين أن عوامل مثل سرعة الاستجابة ضرورية لمنع السقوط ، فإن العوامل المعرفية الإضافية ، مثل التحكم المثبط و / أو القدرة على اختيار الإجراء المناسب استنادًا إلى سياق معين قد تكون مهمة أيضًا في حالات معينة. ونتيجة لذلك، أحد الأسباب التي قد تفشل في فهم دور الدماغ في التوازن التفاعلي يرجع إلى بروتوكولات البحوث المستخدمة حاليا. وقد لخص روجرز وآخرون مؤخراً الطرق المختلفة التي تم بها تقييم التحكم في التوازن باستخدام الاضطرابات الخارجية4. وتشمل هذه الأساليب ترجمة النظام الأساسي، والميل و/ أو قطرات، فضلا عن استخدام النظم الآلية التي تدفع، سحب، أو إزالة الدعم الوضعي. وعلى الرغم من التنوع الكبير في التقنيات المستخدمة لتعطيل التوازن التستقيم، فإن ردود الفعل التصحيحية المترتبة على ذلك تتم دائماً تقريباً في بيئة خالية من العوائق، مما يقلل من القيود المفروضة على الحركة. هنا، نقترح طريقة حيث العمليات المعرفية مطلوبة لتجاوز العمل قبل القدرة واختيار الاستجابات المناسبة بين البدائل في مهمة التوازن التفاعلي.
طريقة شائعة لاختبار التوازن التفاعلي هو فرض اضطرابات الوضعية الصغيرة نسبيا التي يمكن مواجهتها باستخدام دعم ثابت (عادة القدمين في مكان) رد فعل5،6 ،77،8،9., وقد ركزت دراسات أقل نسبيا على ردود فعل التوازن تغيير الدعم ردا على الاضطرابات عبر سحب الخصر، وترجمة منصة، والإفراج عن كابل الدعم كمثال، انظر مانسفيلد وآخرون10. ويمكن تقدير أهمية المجموعة الأخيرة من خلال الاعتراف بأنه عندما تكون الاضطرابات كبيرة، فإن ردود فعل تغيير الدعم هي الخيار الوحيد لاستعادة الاستقرار11. في الواقع ، حتى بالنسبة للاضطرابات الصغيرة التي يمكن إدارتها باستخدام استراتيجيات القدمين في المكان (أي الورك و / أو الكاحل) ، يفضل الناس في كثير من الأحيان الخطوة عندما تعطى الخيار11. ولا تكمن القيمة في دراسة ردود الفعل المتعلقة بتغيير الدعم هذه في حقيقة أنه يجب التصدي لحجم أكبر من الاضطرابات فحسب، بل تكمن أيضا في التحديات التي تنشأ عند إعادة وضع الأطراف لإنشاء قاعدة دعم جديدة. ووجود تكاليف و/أو قيود على العمل جزء منتظم من العديد من البيئات في العالم الحقيقي. هذا يفرض عملية اختيار لإنشاء قاعدة جديدة من الدعم عند حدوث فقدان التوازن. لتكييف السلوك مع البيئات المعقدة، هناك طلب متزايد على موارد الدماغ الأعلى. ويصدق هذا بصفة خاصة عندما يجب على الأطراف أن تنشئ قاعدة جديدة للدعم. للتأكيد على الأدوار المعرفية وفضحها في التوازن التفاعلي ، تبدو الحاجة إلى إعادة إدخال الفوضى وفرض استراتيجية تغيير الدعم مع الأطراف منطقية.
إحدى الطرق البسيطة لتقديم اضطراب موضعي مستحث خارجيًا هي تقنية الطرح والإفراج ، حيث يتم إطلاق الفرد فجأة من العجاف إلى الأمام المدعوم. يسمح هذا النهج بتقييم ردود الفعل التعويضية لتجنب السقوط إلى الأمام وقد تم استخدامه بنجاح في كل من السكان الأصحاء والسريريين12،13،14. على الرغم من أن تقنية الالهزيل والإفراج أساسية إلى حد ما ، إلا أنها توفر رؤية قيمة في قدرة التوازن التفاعلي (على سبيل المثال ، مدى سرعة بدء شخص ما خطوة استرداد ، أو لتحديد عدد الخطوات المطلوبة لاستعادة الاستقرار). للأغراض الحالية، توفر تقنية الالهزيل والإفراج طريقة بسيطة لاستكشاف الأدوار المعرفية في التوازن التفاعلي لأن العديد من خصائص الاضطرابات ثابتة. وهذا يوفر تحكماً تجريبياً أكبر على المتغيرات ذات الصلة على وجه التحديد باختيار العمل وتثبيط الاستجابة. في حين أن طرق أخرى من اضطراب الوضعية تعتمد عادة على عدم القدرة على التنبؤ من حيث اتجاه الاضطرابات والسعة والتوقيت ، فإن البيئة المحيطة ثابتة دائمًا. حتى في الدراسات التي تم فيها استخدام كتل الساق للتأكيد على ردود الفعل الوصول إلى الفهم15 يتم إصلاح كتل في مكان مع عدم الحاجة إلى التكيف بسرعة السلوكيات خطوة على أساس وجود أو عدم وجود كتلة الساق. مع الطريقة المقترحة حاليا، يمكننا تغيير البيئة بطريقة تتطلب التكيف السلوكي لتجنب السقوط.
وراء الإعدادات المختبرية التي تكشف بشكل غير كاف الأدوار المعرفية في التوازن التفاعلي، هناك قضية رئيسية أخرى هي الاعتماد الشديد على التدابير الخارجية مثل أطقم العضلات، وقوات رد الفعل الأرضية، والتقاط حركة الفيديو لاستنتاج العمليات العصبية. وفي حين أن هذه التدابير قيّمة، فإن الاعتماد الحصري على هذه التدابير لا يوفر نظرة مباشرة إلى الآليات العصبية الأساسية التي تسهم في تحقيق التوازن. وتتفاقم هذه المشكلة عند النظر في أن الكثير من ما قد يفعله الدماغ لمنع السقوط في البيئات المعقدة من المرجح أن يحدث قبل السقوط. وقد نوقشت مؤخرا الأدوار التنبؤية في الوقاية من السقوط على نطاق أوسع16. اتجاهات البحث تشمل التنبؤ بعدم الاستقرار في المستقبل17، وبناء خرائط visuospatial ونحن نتحرك من خلال بيئتنا18، وربما تشكيل حالات الطوارئ على أساس البيئة حتى من دون معرفة مسبقة من سقوط19. الكشف عن مثل هذا الإعداد سيكون من الممكن الوصول إليها تماما دون استخدام المسابير العصبية الفسيولوجية المباشرة.
ويوفر نهج العجاف والإفراج المعدل كما هو مقترح حاليا وسيلة للتغلب على بعض القيود القائمة المذكورة. ويتم ذلك باستخدام سيناريو اختبار حيث الأطراف مطلوبة لإنشاء قاعدة جديدة من الدعم في بيئة تتطلب الاختيار. ويتعزز هذا النهج بإدراج مقاييس مباشرة لنشاط الدماغ (على سبيل المثال، التحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة، TMS) قبل وبعد اضطراب الوضعية، والتي يمكن أن تكمل التدابير الخارجية لإنتاج القوة والتقاط الحركة. هذا المزيج من الميزات التجريبية يمثل ابتكارا هاما في هذا المجال لفضح كيف يساهم الدماغ في تحقيق التوازن في بيئات معقدة حيث تثبيط الاستجابة واختيار الإجراءات بين الخيارات المطلوبة لمنع السقوط. هنا نظهر طريقة جديدة لاختبار التوازن التفاعلي في بيئة تؤكد على الحاجة إلى العمليات المعرفية لتكييف السلوك من أجل تجنب السقوط. إن الجمع بين العقبات والتكاليف من أجل العمل يفرض الحاجة إلى تثبيط الاستجابة، واتخاذ إجراءات محددة الأهداف، واختيار الاستجابة من بين الخيارات. وعلاوة على ذلك، فإننا نظهر السيطرة الزمنية الدقيقة على الوصول البصري، وتوقيت المسابير العصبية، وتغيير بيئة الاستجابة، وبداية الاضطرابات الوضعية.
Protocol
Representative Results
Discussion
هذا تعديل العجاف ونظام الإفراج يوفر طريقة جديدة لتقييم الأدوار المعرفية في التوازن التفاعلي. كما هو الحال مع الإجراء الهزيل والإفراج القياسية ، يمكن التنبؤ باتجاه وسعة اضطراب الوضعية لهذا الموضوع في حين أن توقيت إطلاق الكابل لا يمكن التنبؤ به. والفريد من نوعه في النهج الحالي هو أن الوصول إلى الرؤية يخضع للرقابة الدقيقة بينما يظل الموضوع ثابتا ً وتتغير بيئة الاستجابة من حولهم لخلق فرص عمل و/أو قيود مختلفة. ومن خلال التلاعب بوجود عقبات وتكلفة تحمل هذه الطريقة، تركز هذه الطريقة على العمليات المعرفية مثل صنع القرار (أي اختيار العمل) وتثبيط الاستجابة فيما يتعلق باستعادة التوازن.
الأسلوب المقترح لديه القدرة على تقديم لمحة فريدة من نوعها في السيطرة العصبية للتوازن ولكن يطرح بعض القيود. على سبيل المثال، عند استخدام طريقة العجاف والإفراج، يتم بدء تحرير الكابل من العجاف إلى الأمام، الأمر الذي يتطلب خطوة استرداد التوازن وضوحا بالمقارنة مع أساليب أخرى من اضطراب الوضعية الخارجية10. أيضا، اتجاه وحجم اضطراب يمكن التنبؤ بها، والتي قد تؤدي إلى التنشيط التوقعي للعضلات التي عادة ما لا تشارك في سيناريوهات سقوط أكثر واقعية. وأخيراً، يتم حجب الرؤية مؤقتاً قبل إطلاق الكابل، الذي ينحرف أيضاً عن تجربة الفرد اليومية. هذه الميزات تجعل تقييمنا للتوازن مصطنعًا إلى حد ما وقد تمنع التعميم عبر طرق مختلفة من الاضطرابات. ومن المهم الاعتراف بأن التعميم على السقوط في العالم الحقيقي هو دائما مصدر قلق عند استخلاص استنتاجات بشأن كيفية التحكم في التوازن من أي طريقة تقييم معينة واحدة. في الواقع ، لا يوجد حاليًا اختبار شامل معترف به بشكل عام لقدرة التوازن4. وللأغراض الحالية، يسمح السقوط الأمامي المحدد بالحفاظ على خصائص الاضطرابات وإعدادات الاستجابة ثابتة مع التلاعب بمطالب معرفية محددة غالباً ما يتم إهمالها أو عدم إمكانية الوصول إليها في تقييمات التوازن التقليدية. وهذه الرقابة التجريبية مفيدة ولكن ينبغي أن تؤخذ في الاعتبار عند تفسير النتائج.
وكقيد ثان، قد يمثل بناء معدات الاختبار والمهارات الهندسية اللازمة تحديا لتنفيذ هذه الطريقة. قام ثلاثة طلاب في الهندسة الكهربائية من جامعة ولاية يوتا ببناء المنصة، وإعداد الإلكترونيات، وبرمجة وحدات التحكم الدقيقة لدفع محركات الأسلاك للغطاء وكتلة الساق. وكانت تكاليف البناء متواضعة (أي 15 ألف دولار لا تشمل لوحات القوة المركبة على المنصة). ومع ذلك، قد يشكل ذلك تحديا ً اعتماداً على الموارد المتاحة.
تم الحصول على رؤى محددة في السيطرة العصبية للتوازن باستخدام هذا النهج. تشير هذه الأمثلة إلى أنه يمكن استخدام تحفيز الدماغ غير الباضع لالتقاط مجموعة المحركات استنادًا إلى عرض الكائنات في سياق وضعي وتقديم تقنية لتقييم تثبيط الاستجابة باستخدام استجابات العضلات. وتجدر الإشارة إلى أن تقنية العجاف والإفراج المعدلة يمكن تكييفها بسهولة لدمج المسابير العصبية الفسيولوجية الأخرى مثل تخطيط الدماغ الكهربائي والطيف الوظيفي شبه بالأشعة تحت الحمراء. حتى من دون إدراج التدابير العصبية المباشرة، يمكن أن توفر تصاميم الدراسة التي تركز بالكامل على القوى الخارجية، وتنشيط العضلات، والحركية نظرة مهمة إلى العلامات السلوكية للعجز المعرفي. على سبيل المثال، أثبت كوهين وآخرون26تطبيقًا مثيرًا للاهتمام لاستخدام لوحات القوة لالتقاط التحولات الوضعية التوقعية أثناء مهمة خطوة تفاعلية. في دراستهم، تم الكشف عن العجز في تثبيط الاستجابة في كبار السن من خلال تحول الوزن غير مناسب، مما أدى بدوره إلى تأخير في أوقات خطوة رد فعل الاختيار. ويمكن تطبيق هذا النهج على النموذج الحالي للحصول على مقاييس حساسة للأخطاء في تحويل الوزن وتصعيده.
يتم إنشاء هذه الطريقة الجديدة من اختبار توازن تفاعلي راسخ حيث يتم تحرير المشاركين من العجاف المدعومة، والآن يتضمن سيناريوهات تتطلب المرونة السلوكية. تصاميم اختبار مناسبة لكشف تثبيط الاستجابة واختيار العمل تسمح لنا وسيلة لتطبيق المفاهيم من علم النفس المعرفي إلى مجال السيطرة على التوازن. وهذا النهج ضروري للبناء على الاعتراف بأن التدهور المعرفي وانتشار السقوط مرتبطان، واكتساب فهم ميكانيكي لكيفية منع الموارد المعرفية من السقوط. يفترض أن هذا الإعداد يمكن استخدامها ليس فقط كأداة بحثية، ولكن أيضا كوسيلة لتدريب الأدوار المعرفية في التوازن. هدف مهم من العمل المستمر مختبرنا هو فهم كيف يستخدم الدماغ المعلومات السياقية لتحديث الحركة التي ستكون الأكثر ملاءمة لمنع السقوط بالنظر إلى المناطق المحيطة بها. يمكن أن توجه الإشارات مثل توفر اليد المستقرة أو حاجز الخطوة المحتملة الاستجابة التي يجب القيام بها إذا نشأت الحاجة وقد تشكل عمليات الدماغ التنبؤية16سرًا. وتجدر الإشارة إلى أن القدرة على استخدام هذه المعلومات على النحو المناسب قد تتدهور مع التقدم في السن إذا كانت القدرات العقلية مثل التحكم في التداخل المثبط أو الذاكرة البصرية المكانية مطلوبة. وبالنظر إلى العلاقة بين التدهور المعرفي والسقوط1-3،فإن تنفيذ تصاميم الدراسة التي تؤكد على الحاجة إلى دمج الصلة السياقية يمكن أن يوفر نظرة ثاقبة قيمة في أوجه القصور في التوازن لدى العديد من الفئات السكانية الضعيفة.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم دعم الأبحاث الواردة في هذا المنشور من قبل المعهد الوطني للشيخوخة التابع للمعاهد الوطنية للصحة تحت رقم الجائزة R21AG061688. المحتوى هو مسؤولية المؤلفين فقط ولا يمثل بالضرورة وجهات النظر الرسمية للمعاهد الوطنية للصحة.
Materials
| 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), 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. , (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).
