在这里,我们提供一个协议,允许用户有选择地改变负担和/或限制运动,与恢复平衡后姿势扰动。
对反应平衡的评估传统上对直立姿势或步态施加某种扰动,然后测量由此产生的矫正行为。这些措施包括肌肉反应、肢体运动、地面反应力,甚至直接的神经生理测量,如脑电图。使用这种方法,研究人员和临床医生可以推断出一些关于神经系统如何控制平衡以避免跌倒的基本原则。目前使用这些评估方式的一个限制是,它们严重强调反身行为,无需修改自动姿势反应。这种对这些高度陈规定型反应的独到注意力,将不能充分解决在出现需要时我们如何改变这些反应的问题(例如,通过恢复步骤避免障碍)。当人们考虑到我们每天面临的环境的巨大复杂性时,这似乎是一个明显的疏忽。总体而言,评估平衡的神经控制时的现状无法真正揭示大脑资源越高对防止复杂环境中跌倒的贡献。本议定书提供了一种方法,要求抑制自动但不适当的矫正平衡反应,并强制在替代行动选择中做出选择,以在姿势扰动后成功恢复平衡。
尽管公认的跌倒和认知衰退之间的相关性11,2,3,2,3一个主要的差距仍然存在于理解大脑实际上做什么,以帮助我们避免跌倒。从理论上讲,随着环境复杂性的增加,以及我们需要修正本能行为的情况,认知需求会更加突出。然而,大多数平衡测试未能有效地对更高的大脑功能征税,而是强调反射右反应。虽然反应速度等因素对于防止跌倒至关重要,但在某些情况下,其他认知因素(如抑制控制和/或根据给定上下文选择适当操作的能力)可能也很重要。因此,我们可能不了解大脑在反应平衡中的作用的一个原因是目前使用的研究协议。罗杰斯等人最近总结了使用外部扰动4评估平衡控制的不同方式。这些方法包括平台转换、倾斜和/或跌落,以及使用自动系统推动、拉动或删除姿势支持。尽管使用各种技术来破坏直立平衡,但随后的矫正反应几乎总是在一个畅通无阻的环境中进行的,从而最大限度地减少了对运动的限制。在这里,我们提出了一种方法,其中需要认知过程来覆盖特权行动,并在反应平衡任务中的备选方案中选择适当的响应。
测试反应平衡的一种常见方法是施加相对较小的姿势扰动,可以使用固定支撑(通常就地英尺)反应55、6、7、86,7,8、99进行反击。相对较少的研究侧重于通过腰部拉扯、平台翻译和从支撑电缆释放的扰动来响应支持平衡反应。10后一组的重要性可以认识到,当扰动很大时,改变支持反应是恢复稳定性的唯一选择11。事实上,即使对于可以使用就地脚(即臀部和/或脚踝)策略进行管理的较小扰动,人们也常常喜欢在选择11时步步。研究这种支助反应变化的价值不仅在于必须应对更大的扰动,而且还要考虑到在重新定位四肢以建立新的支助基础时出现的挑战。对行动的承受和/或限制是许多实际环境中的常规部分。这强制选择过程在出现余额损失时建立新的支持基础。为了适应复杂的环境,对更高大脑资源的需求更高。当四肢必须建立新的支持基础时,情况尤其如此。强调和暴露被动平衡中的认知角色,需要重新引入杂乱,用四肢迫使改变支持策略,这似乎是合乎逻辑的。
提供外部诱导姿势扰动的一种简单方法是精益和释放技术,即个人突然从支持的正向精益中释放出来。这种方法允许评估补偿反应,以避免向前下降,并已成功地用于健康和临床人群12,13,14。12,13,14尽管精益和释放技术有些基本,但它为被动平衡能力提供了有价值的见解(例如,某人启动恢复步骤的速度,或确定恢复稳定性所需的步骤数)。就目前而言,精益和释放技术提供了一种探索反应平衡中的认知角色的简单方法,因为许多扰动特征保持不变。这为与动作选择和响应抑制特别相关的变量提供了更大的实验控制。虽然其他姿势扰动模式通常依赖于扰动方向、振幅和时序方面的不可预测性,但周围的环境始终保持不变。即使在研究中,腿块已经被用来强调接触到抓握的反应15块固定到位,无需根据腿块的存在或不存在快速调整步进行为。通过目前提出的方法,我们可以以一种要求行为适应的方式改变环境,以避免跌倒。
除了实验室设置没有充分暴露反应平衡中的认知作用之外,另一个主要问题是严重依赖外部措施,如肌肉启动、地面反应力和视频运动捕捉来推断神经过程。虽然这些措施是有价值的,但仅仅依赖这些措施不能直接洞察有助于平衡的基本神经机制。当考虑到大脑在复杂环境中可能采取的大部分措施可能在坠落之前发生,这个问题就更加复杂了。秋季预防中的预测作用最近得到了更广泛的讨论。研究方向包括预测未来不稳定17,在我们通过环境18时建造视觉空间地图,以及可能根据环境形成应急,即使事先不知道秋天19。如果不使用直接的神经生理探针,揭示这种制剂将是完全无法访问的。
目前提议的改进的精益和释放方法提供了克服上述一些现有限制的方法。这是通过使用测试场景来实现的,在这种情况下需要四肢在要求选择的环境中建立新的支持基础。在姿势扰动前后,通过直接测量大脑活动(例如颅内磁刺激、TMS)来增强这种方法,这可以补充力生成和运动捕捉的外部措施。这种实验功能的组合代表了该领域的一项重要创新,旨在揭示大脑如何有助于在复杂环境中平衡,在这种环境中,需要响应抑制和选择选项之间的操作来防止跌倒。在这里,我们演示了一种在强调认知过程需要调整行为以避免跌倒的环境中测试反应平衡的新方法。障碍和行动能力的结合迫使各种选择之间需要反应抑制、有针对性的行动和反应选择。此外,我们演示了对视觉访问、神经探测器计时、改变响应环境以及姿势扰动的开始的精确时间控制。
这种经过修改的精益和释放系统为评估反应平衡中的认知角色提供了一种新方法。与标准精益和释放程序一样,姿势扰动的方向和振幅是可预测的,而电缆释放的时间是不可预测的。当前方法的独特之处是,在主题保持固定且响应环境改变时,对视觉的访问将受到精确控制,从而产生不同的行动机会和/或约束。通过操纵存在障碍和负担,这种方法强调认知过程,如决策(即行动选择)和响应抑制与平衡恢复有关。
该方法有可能对平衡的神经控制提供独特的一瞥,但存在某些局限性。例如,当使用精益和释放方法时,电缆释放是从正向精益启动的,这与其他外部姿势扰动方法相比,需要明显的平衡恢复步骤。此外,扰动的方向和幅度是可预测的,这可能导致肌肉的预计激活,通常不会参与更现实的秋季场景。最后,在电缆释放之前,视力被暂时遮挡,这也偏离了个人的日常体验。这些功能使我们对平衡的评估有些人为,并可能排除不同扰动模式的概括。重要的是要认识到,当从任何特定评估方法推断平衡如何控制时,对现实世界的可概括性总是一个令人关切的问题。事实上,目前不存在一个公认的平衡能力综合测试。目前,一组向前坠落允许保持扰动特性和响应设置不变,同时操纵在传统平衡评估中经常被忽视或无法访问的特定认知需求。这种实验性控制是有益的,但在解释结果时应考虑。
作为第二个限制,测试设备的建造和必要的工程技能可能是实施此方法的挑战。来自犹他州立大学的三名电气工程专业学生搭建了这个平台,设置了电子装置,并编程了微控制器,以驱动伺服电机的手柄盖和腿块。建筑费用微薄(即,15,000美元不包括安装在平台上的力板)。然而,这可能构成挑战,这取决于现有资源。
使用这种方法获得了对平衡神经控制的具体见解。这些例子表明,非侵入性的大脑刺激可用于捕捉基于在姿势上下文中观察物体的运动集,并提供一种技术,使用肌肉反应评估反应抑制。值得注意的是,改进后的精益和释放技术可以很容易地适应,以纳入其他神经生理学探测器,如脑电图和功能近红外光谱。即使没有包含直接的神经测量,完全专注于外力、肌肉激活和运动学的研究设计也能为认知缺陷的行为标记提供重要的见解。例如,Cohen等人26日演示了一个有趣的应用,即使用力板捕捉反应步进任务期间的预计姿势移位。在他们的研究中,老年人反应抑制的不足被不当的体重转移所揭示,这反过来又导致选择反应步骤时间的延迟。这种办法可应用于目前的范式,以获得重量转移和步进误差的敏感衡量标准。
此新方法基于已建立的被动平衡测试构建,参与者从支持的精益中释放,现在包括需要行为灵活性的方案。适合暴露响应抑制和动作选择的测试设计允许我们一种将认知心理学的概念应用于平衡控制领域的方法。这种方法是必要的,以建立认知衰退和下降流行是相关的认识,并获得认知资源如何防止跌倒的机械理解。大概这个设置不仅可以用作研究工具,还可以作为一种平衡训练认知角色的手段。我们的实验室正在进行的工作的一个重要目的是了解大脑如何利用上下文信息来更新哪种运动最适合防止环境下降。线索,如一个稳定的手握或潜在的步障可以指导哪些反应,当需要出现,并可能秘密塑造预测性的大脑过程16。值得注意的是,如果需要抑制干扰控制或视觉空间记忆等心理能力,适当使用这些信息的能力可能会随着年龄的增长而恶化。鉴于认知衰退与下降1-3之间的关系,实施强调需要整合上下文相关性的研究设计,可以为许多弱势群体的平衡缺陷提供有价值的见解。
The authors have nothing to disclose.
本出版物中报告的研究得到了国家卫生研究院国家老龄研究所R21AG061688号奖励的支持。内容完全由作者负责,不一定代表国家卫生研究院的官方观点。
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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 |
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PLATO occlusion spectacles | Translucent Technologies Inc | visual occlusion | |
Signal software | Cambridge Electronic Design | Version 7 |