Een gewijzigde lean- en releasetechniek om reactieremming en actieselectie in reactieve balans te benadrukken
Summary
Hier bieden we een protocol waarmee de gebruiker selectief affordances en/of beperkingen op bewegingen kan wijzigen die relevant zijn voor het herstellen van evenwicht na posturale verstoring.
Abstract
Beoordeling van reactieve balans legt traditioneel een soort verstoring op om rechtop houding of gang gevolgd door het meten van het resulterende corrigerende gedrag. Deze maatregelen omvatten spierreacties, ledematen bewegingen, grondreactie krachten, en zelfs directe neurofysiologische maatregelen zoals elektro-encefalografie. Met behulp van deze aanpak, onderzoekers en clinici kunnen afleiden sommige basisprincipes met betrekking tot hoe het zenuwstelsel controleert evenwicht om een val te voorkomen. Een beperking met de manier waarop deze beoordelingen momenteel worden gebruikt, is dat ze reflexieve acties sterk benadrukken zonder dat automatische posturale reacties hoeven te worden herzien. Een dergelijke exclusieve focus op deze zeer stereotiepe reacties zou niet adequaat ingaan op de vraag hoe we deze reacties kunnen wijzigen als dat nodig is (bijvoorbeeld het vermijden van een obstakel met een herstelstap). Dit lijkt een flagrante omissie wanneer men kijkt naar de enorme complexiteit van de omgevingen waarmee we dagelijks worden geconfronteerd. Over het algemeen, de status quo bij de evaluatie van de neurale controle van het evenwicht niet echt bloot te leggen hoe hogere hersenen middelen bijdragen aan het voorkomen van vallen in complexe instellingen. Het huidige protocol biedt een manier om onderdrukking van automatische, maar ongepaste corrigerende balansreacties te vereisen en een selectie uit alternatieve actiekeuzes te dwingen om het evenwicht na posturale verstoring met succes te herstellen.
Introduction
Ondanks de erkende correlatie tussen vallen en cognitieve achteruitgang1,2,3, een grote kloof blijft bestaan in het begrijpen van wat de hersenen eigenlijk doet om ons te helpen voorkomen dat een val. In theorie zouden cognitieve eisen worden geaccentueerd naarmate de complexiteit van het milieu toeneemt en in situaties waarin we instinctief gedrag moeten herzien. Echter, de meeste balans tests niet effectief belasting hogere hersenfunctie, in plaats daarvan nadruk reflexieve rechtse reacties. Hoewel factoren zoals reactiesnelheid essentieel zijn om een val te voorkomen, kunnen aanvullende cognitieve factoren, zoals remmende controle en/of het vermogen om passende actie te selecteren op basis van een bepaalde context, in bepaalde situaties ook belangrijk zijn. Als gevolg hiervan, een reden waarom we misschien niet begrijpen van de rol van de hersenen in reactieve evenwicht is te wijten aan onderzoek protocollen die momenteel in gebruik. Rogers et al. hebben onlangs de verschillende manieren samengevat waarop de balanscontrole is beoordeeld met behulp van externe verstoring4. Deze methoden omvatten platformvertaling, kantelt en/of druppels, evenals het gebruik van geautomatiseerde systemen die posturale ondersteuning duwen, trekken of verwijderen. Ondanks de grote verscheidenheid aan technieken die worden gebruikt om het rechtopstaande evenwicht te verstoren, worden de daaruit voortvloeiende corrigerende reacties bijna altijd gemaakt in een onbelemmerde omgeving, waardoor bewegingsbeperkingen worden geminimaliseerd. Hier stellen we een methode voor waarbij cognitieve processen nodig zijn om prepotente actie te overschrijven en geschikte antwoorden te selecteren tussen alternatieven in een reactieve balanstaak.
Een veel voorkomende manier om reactieve balans te testen is het opleggen van relatief kleine posturale verstoringen die kunnen worden tegengegaan met behulp van een vaste steun (meestal voeten-in-plaats) reactie5,6,7,8,9. Relatief minder studies hebben zich gericht op change-of-support balans reacties in reactie op verstoringen via taille trekt, platform vertaling, en release van een steunkabel Als voorbeeld, zie Mansfield et al.10. Het belang van deze laatste groep kan worden gewaardeerd door te erkennen dat wanneer verstoringen groot zijn, verandering-van-steun reacties de enige optie zijn om stabiliteit te herstellen11. In feite, zelfs voor kleinere verstoringen die kunnen worden beheerd met behulp van voeten-in-plaats (dat wil zeggen, heup en / of enkel) strategieën, mensen vaak de voorkeur aan stap wanneer de keuze11. De waarde bij het bestuderen van dergelijke change-of-support reacties ligt niet alleen in het feit dat een grotere omvang van verstoring moet worden tegengegaan, maar ook de uitdagingen die ontstaan bij het herpositioneren van de ledematen om een nieuwe draagvlak te vestigen. De aanwezigheid van affordances en/of beperkingen op actie zijn een vast onderdeel van vele real-world settings. Dit dwingt een selectieproces om een nieuwe basis van ondersteuning te vestigen wanneer een verlies van evenwicht optreedt. Om gedrag aan te passen aan complexe omgevingen, is er een verhoogde vraag naar hogere hersenbronnen. Dit geldt vooral wanneer de ledematen een nieuwe basis van steun moeten vestigen. Om cognitieve rollen in reactieve balans te benadrukken en bloot te leggen lijkt de noodzaak om rommel opnieuw in te voeren en een change-of-support-strategie met de ledematen te forceren logisch.
Een eenvoudige manier om een extern geïnduceerde posturale verstoring te leveren is de lean & release techniek, waarbij een individu plotseling wordt bevrijd van een ondersteunde voorwaartse lean. Deze aanpak maakt het mogelijk compenserende reacties te beoordelen om een voorwaartse val te voorkomen en is met succes gebruikt in zowel gezonde als klinische populaties12,13,14. Hoewel de lean & release techniek enigszins basic is, biedt het waardevol inzicht in reactieve balanscapaciteit (bijvoorbeeld hoe snel iemand een herstelstap kan initiëren, of om het aantal stappen te bepalen dat nodig is om de stabiliteit te herwinnen). Voor de huidige doeleinden, de lean & release techniek biedt een eenvoudige manier om cognitieve rollen te verkennen in reactieve balans, omdat veel van de verstoring kenmerken constant worden gehouden. Dit biedt een grotere experimentele controle over variabelen die specifiek relevant zijn voor actieselectie en responsremming. Terwijl andere modi van posturale verstoring meestal vertrouwen op onvoorspelbaarheid in termen van verstoring srichting, amplitude, en timing, de omgeving is altijd constant. Zelfs in studies waar beenblokken zijn gebruikt om reach-to-grasp reacties te benadrukken15 de blokken zijn vastgesteld op zijn plaats zonder noodzaak om snel aan te passen intensivering gedrag op basis van de aanwezigheid of afwezigheid van een been blok. Met de momenteel voorgestelde methode kunnen we de omgeving veranderen op een manier die gedragsaanpassing vereist om een val te voorkomen.
Naast laboratoriuminstellingen die cognitieve rollen in reactieve balans onvoldoende blootleggen, is een ander belangrijk probleem een zware afhankelijkheid van externe maatregelen zoals spieraanzettingen, grondreactiekrachten en videomotion capture om neurale processen af te leiden. Hoewel deze maatregelen waardevol zijn, biedt exclusieve afhankelijkheid van dergelijke maatregelen geen direct inzicht in de onderliggende neurale mechanismen die bijdragen aan het evenwicht. Dit probleem wordt verergerd bij het overwegen dat veel van wat de hersenen kunnen doen om een val in complexe omgevingen te voorkomen waarschijnlijk gebeurt vóór de val. Voorspellende rollen in valpreventie zijn onlangs uitgebreider besproken16. Onderzoeksrichtingen omvatten het voorspellen van toekomstige instabiliteit17, het bouwen van visuospatiale kaarten als we bewegen door onze omgeving18, en eventueel de vorming van onvoorziene gebeurtenissen op basis van het milieu, zelfs zonder voorkennis van een val19. Het onthullen van een dergelijke voorbereiding zou volledig ontoegankelijk zijn zonder gebruik van directe neurofysiologische sondes.
De gewijzigde lean & release aanpak zoals momenteel voorgesteld biedt een middel om een aantal van de genoemde bestaande beperkingen te overwinnen. Dit wordt gedaan door gebruik te maken van een testscenario waarbij de ledematen nodig zijn om een nieuwe basis van ondersteuning in een keuze-veeleisende omgeving vast te stellen. Deze aanpak wordt aangevuld door directe metingen van hersenactiviteit (bijvoorbeeld transcraniële magnetische stimulatie, TMS) zowel voor als na posturale verstoring op te nemen, die externe maatregelen van krachtproductie en motion capture kan aanvullen. Deze combinatie van experimentele functies is een belangrijke innovatie in het veld om bloot te leggen hoe de hersenen bijdragen aan evenwicht in complexe omgevingen waar responsremming en het selecteren van acties tussen opties nodig zijn om een val te voorkomen. Hier tonen we een nieuwe methode voor het testen van reactieve balans in een omgeving die de noodzaak voor cognitieve processen om gedrag aan te passen benadrukt om een val te voorkomen. De combinatie van obstakels en affordances voor actie kracht de noodzaak van reactie remming, gerichte actie, en respons selectie tussen opties. Bovendien tonen we nauwkeurige temporele controle over visuele toegang, timing van neurale sondes, het veranderen van de responsomgeving en het begin van de posturale verstoring.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dit gewijzigde lean & release systeem biedt een nieuwe manier om cognitieve rollen in reactieve balans te beoordelen. Net als bij de standaard lean & release procedure, de richting en amplitude van posturale verstoring zijn voorspelbaar voor het onderwerp, terwijl de timing van de kabel release is onvoorspelbaar. Wat uniek is in de huidige aanpak is dat de toegang tot visie nauwkeurig wordt gecontroleerd, terwijl het onderwerp vast blijft staan en de responsomgeving om hen heen wordt gewijzigd om verschillende actiemogelijkheden en/of beperkingen te creëren. Door het manipuleren van de aanwezigheid van obstakels en affordances benadrukt deze methode cognitieve processen zoals besluitvorming (d.w.z. actieselectie) en responsremming in relatie tot evenwichtsherstel.
De voorgestelde methode heeft potentieel om een unieke blik in de neurale controle van evenwicht te bieden, maar vormt bepaalde beperkingen. Bijvoorbeeld, bij het gebruik van de lean & release methode, de kabel release wordt gestart vanaf een voorwaartse mager, die een uitgesproken balans herstel stap in vergelijking met andere methoden van externe posturale verstoring10vereist . Ook de richting en omvang van de verstoring zijn voorspelbaar, wat kan leiden tot anticiperende activering van spieren die normaal gesproken niet zouden worden betrokken bij meer realistische valscenario’s. Ten slotte wordt het gezichtsvermogen tijdelijk afgesloten voorafgaand aan de kabelontgrendeling, die ook afwijkt van de dagelijkse ervaring van een individu. Deze kenmerken maken onze beoordeling van het evenwicht enigszins kunstmatig en kunnen generalisatie over verschillende vormen van verstoring uitsluiten. Het is belangrijk om te erkennen dat generalizability aan echte werelddalingen altijd een zorg is wanneer het trekken van conclusies over hoe het saldo van om het even welke bepaalde beoordelingsmethode wordt gecontroleerd. Een algemeen erkende uitgebreide test voor evenwichtsbekwaamheid bestaat momenteel namelijk niet4. Voor de huidige doeleinden, een set forward val maakt verstoring kenmerken en respons-instellingen constant worden gehouden, terwijl het manipuleren van specifieke cognitieve eisen die vaak verwaarloosd of ontoegankelijk in de traditionele balans beoordelingen. Een dergelijke experimentele controle is gunstig, maar moet in aanmerking worden genomen bij de interpretatie van de resultaten.
Als tweede beperking kunnen de bouw van de testapparatuur en de vereiste technische vaardigheden een uitdaging vormen om deze methode uit te voeren. Drie elektrotechnische studenten van Utah State University bouwden het platform, zetten de elektronica op en programmeerden microcontrollers om servomotoren te besturen voor de handgreepenklep en beenblok. De bouwkosten waren bescheiden (d.w.z., <$15.000 exclusief de krachtplaten die in het platform werden gemonteerd). Toch kan dit een uitdaging vormen, afhankelijk van de beschikbare middelen.
Specifieke inzichten in de neurale controle van evenwicht werden verkregen met behulp van deze aanpak. Deze voorbeelden geven aan dat niet-invasieve hersenstimulatie kan worden gebruikt om motorische set vast te leggen op basis van het bekijken van objecten in een posturale context en bieden een techniek om responsremming te beoordelen met behulp van spierreacties. Met name de gewijzigde lean & release techniek kan gemakkelijk worden aangepast aan andere neurofysiologische sondes zoals elektro-encefalografie en functionele nabij-infrarood spectroscopie op te nemen. Zelfs zonder de opname van directe neurale maatregelen, studie ontwerpen die zich volledig richten op externe krachten, spieractivering, en kinematica kan belangrijk inzicht in gedragsmarkers van cognitieve tekorten. Bijvoorbeeld, een interessante toepassing voor het gebruik van kracht platen om anticiperende posturale verschuivingen vast te leggen tijdens een reactieve stepping taak is aangetoond door Cohen et al.26. In hun studie, tekorten in reactieremming bij oudere volwassenen werden geopenbaard door ongepaste gewichtsverschuiving, die beurtelings tot vertragingen in keus-reactiestaptijden leidde. Een dergelijke benadering zou kunnen worden toegepast op het huidige paradigma om gevoelige maatregelen van gewichtsverschuiving en stappenfouten te krijgen.
Deze nieuwe methode bouwt voort uit een gevestigde reactieve balanstest waarbij deelnemers worden vrijgelaten uit een ondersteunde lean, en bevat nu scenario’s die gedragsflexibiliteit vereisen. Testontwerpen die geschikt zijn voor het blootstellen van responsremming en actieselectie laten ons een manier om concepten uit de cognitieve psychologie toe te passen op het domein van balanscontrole. Een dergelijke aanpak is noodzakelijk om voort te bouwen op de erkenning dat cognitieve achteruitgang en dalingprevalentie gecorreleerd zijn, en om een mechanistisch begrip te krijgen voor hoe cognitieve hulpbronnen valpartijen voorkomen. Vermoedelijk kan deze setup niet alleen worden gebruikt als een onderzoeksinstrument, maar ook als een middel voor het trainen van cognitieve rollen in balans. Een belangrijk doel van de lopende werkzaamheden ons laboratorium is om te begrijpen hoe de hersenen maakt gebruik van contextuele informatie bij te werken welke beweging het meest geschikt zou zijn om een val gezien de omgeving te voorkomen. Signalen zoals de beschikbaarheid van een stabiele handgreep of een potentiële stapbarrière kunnen bepalen welke reactie moet worden gegeven indien de noodzaak zich voordoet en kunnen voorspellende hersenprocessen heimelijk vormgeven16. Met name de capaciteit om deze informatie op de juiste manier te gebruiken, kan met de leeftijd verslechteren als mentale vermogens zoals remmende interferentiecontrole of visueel-ruimtelijk geheugen vereist zijn. Gezien de relatie tussen cognitieve achteruitgang en dalingen1-3,kan het implementeren van studieontwerpen die de noodzaak benadrukken om contextuele relevantie te integreren, waardevol inzicht bieden in de balanstekorten in veel kwetsbare bevolkingsgroepen.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Onderzoek gemeld in deze publicatie werd ondersteund door het National Institute on Aging van de National Institutes of Health onder Award Number R21AG061688. De inhoud valt uitsluitend onder de verantwoordelijkheid van de auteurs en vertegenwoordigt niet noodzakelijkerwijs de officiële standpunten van de National Institutes of Health.
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).
