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Behavior

Una técnica de lean y liberación modificada para enfatizar la inhibición de la respuesta y la selección de acción en el equilibrio reactivo

Published: March 19, 2020
doi:
10.3791/60688
,
1Department of Kinesiology & Health Science,Utah State University, 2Department of Electrical & Computer Engineering,Utah State University

Summary

Aquí ofrecemos un protocolo que permite al usuario cambiar selectivamente las prestaciones y/o restricciones en los movimientos que son relevantes para recuperar el equilibrio después de la perturbación postural.

Abstract

La evaluación del equilibrio reactivo tradicionalmente impone algún tipo de perturbación a la postura o marcha vertical seguida de la medición del comportamiento correctivo resultante. Estas medidas incluyen respuestas musculares, movimientos de las extremidades, fuerzas de reacción del suelo e incluso medidas neurofisiológicas directas como la electroencefalografía. Usando este enfoque, los investigadores y los médicos pueden inferir algunos principios básicos con respecto a cómo el sistema nervioso controla el equilibrio para evitar una caída. Una limitación con la forma en que se utilizan actualmente estas evaluaciones es que enfatizan en gran medida las acciones reflexivas sin necesidad de revisar las reacciones posturales automáticas. Un enfoque tan exclusivo en estas reacciones altamente estereotipadas no abordaría adecuadamente cómo podemos modificar estas reacciones en caso de que surja la necesidad (por ejemplo, evitar un obstáculo con un paso de recuperación). Esto parecería ser una omisión evidente cuando se tiene en cuenta la enorme complejidad de los entornos a los que nos enfrentamos a diario. En general, el status quo al evaluar el control neuronal del equilibrio no expone realmente cómo los recursos cerebrales más altos contribuyen a prevenir caídas en entornos complejos. El presente protocolo ofrece una manera de requerir la supresión de las reacciones automáticas, pero inapropiadas del equilibrio correctivo, y forzar una selección entre las opciones de acción alternativas para recuperar con éxito el equilibrio después de la perturbación postural.

Introduction

A pesar de la correlación reconocida entre las caídas y el deterioro cognitivo1,2,3, una brecha importante persiste en la comprensión de lo que el cerebro realmente hace para ayudarnos a evitar una caída. En teoría, las demandas cognitivas se acentuarían a medida que aumenta la complejidad ambiental y en situaciones en las que necesitamos revisar el comportamiento instintivo. Sin embargo, la mayoría de las pruebas de equilibrio no logran gravar eficazmente la función cerebral más alta, en lugar de enfatizar las reacciones reflexivas de la derecha. Si bien factores como la velocidad de respuesta son esenciales para prevenir una caída, factores cognitivos adicionales, como el control inhibitorio y/o la capacidad de seleccionar una acción adecuada basada en un contexto determinado también pueden ser importantes en ciertas situaciones. Como resultado, una razón por la que podemos no entender el papel del cerebro en el equilibrio reactivo se debe a los protocolos de investigación actualmente en uso. Rogers y otros resumieron recientemente las diferentes formas en que se ha evaluado el control del equilibrio utilizando la perturbación externa4. Estos métodos incluyen la traducción de la plataforma, inclinaciones y / o caídas, así como el uso de sistemas automatizados que empujan, tiran o eliminan el soporte postural. A pesar de la gran variedad de técnicas utilizadas para alterar el equilibrio vertical, las reacciones correctivas subsiguientes casi siempre se realizan en un entorno sin obstáculos, minimizando así las restricciones al movimiento. Aquí, proponemos un método donde se requieren procesos cognitivos para anular la acción prepotente y seleccionar respuestas adecuadas entre las alternativas en una tarea de equilibrio reactivo.

Una forma común de probar el equilibrio reactivo es imponer perturbaciones posturales relativamente pequeñas que se pueden contrarrestar utilizando una reacción de soporte fijo (normalmente pies en el lugar)5,6,7,8,9. Comparativamente, menos estudios se han centrado en las reacciones de equilibrio de cambio de soporte en respuesta a perturbaciones a través de tiradas de cintura, traducción de plataforma y liberación de un cable de soporte Como ejemplo, véase Mansfield et al.10. La importancia de este último grupo se puede apreciar reconociendo que cuando las perturbaciones son grandes, las reacciones de cambio de soporte son la única opción para recuperar la estabilidad11. De hecho, incluso para perturbaciones más pequeñas que podrían ser manejadas usando estrategias pies en el lugar (es decir, cadera y/o tobillo), la gente frecuentemente prefiere dar un paso cuando se le da la opción11. El valor en el estudio de estas reacciones de cambio de apoyo radica no sólo en el hecho de que se debe contrarrestar una mayor magnitud de perturbación, sino también en los desafíos que surgen al reposicionar las extremidades para establecer una nueva base de apoyo. La presencia de prestaciones y/o restricciones a la acción son una parte regular de muchos entornos del mundo real. Esto obliga a un proceso de selección a establecer una nueva base de apoyo cuando se produce una pérdida de equilibrio. Para adaptar el comportamiento a entornos complejos, hay una mayor demanda de mayores recursos cerebrales. Esto es especialmente cierto cuando las extremidades deben establecer una nueva base de apoyo. Para enfatizar y exponer los roles cognitivos en equilibrio reactivo la necesidad de reintroducir el desorden y forzar una estrategia de cambio de apoyo con las extremidades parece lógico.

Una forma sencilla de ofrecer una perturbación postural inducida externamente es la técnica de lean & release, donde un individuo es liberado repentinamente de una inclinación hacia adelante apoyada. Este enfoque permite evaluar las reacciones compensatorias para evitar una caída hacia adelante y se ha utilizado con éxito en poblaciones sanas y clínicas12,,13,,14. Aunque la técnica lean & release es algo básica, ofrece información valiosa sobre la capacidad de equilibrio reactivo (por ejemplo, la rapidez con la que alguien puede iniciar un paso de recuperación o para determinar el número de pasos necesarios para recuperar la estabilidad). Para los propósitos actuales, la técnica lean & release proporciona una manera sencilla de explorar los roles cognitivos en el equilibrio reactivo porque muchas de las características de perturbación se mantienen constantes. Esto proporciona un mayor control experimental sobre las variables específicamente relevantes para la selección de acciones y la inhibición de la respuesta. Mientras que otros modos de perturbación postural normalmente se basan en la imprevisibilidad en términos de dirección de perturbación, amplitud y sincronización, el entorno circundante siempre es constante. Incluso en estudios donde los bloques de piernas se han utilizado para enfatizar las reacciones de alcance a agarre15 los bloques se fijan en su lugar sin necesidad de adaptar rápidamente los comportamientos escalonados basados en la presencia o ausencia de un bloque de piernas. Con el método actualmente propuesto, podemos cambiar el entorno de una manera que exija adaptación conductual para evitar una caída.

Más allá de los entornos de laboratorio que exponen inadecuadamente los roles cognitivos en el equilibrio reactivo, otro problema importante es una gran dependencia de medidas externas como la oncos muscular, las fuerzas de reacción en tierra y la captura de movimiento de vídeo para inferir los procesos neuronales. Si bien estas medidas son valiosas, la dependencia exclusiva de esas medidas no proporciona una visión directa de los mecanismos neuronales subyacentes que contribuyen al equilibrio. Este problema se agrava al considerar que gran parte de lo que el cerebro puede hacer para prevenir una caída en ambientes complejos probablemente ocurre antes de la caída. Los roles predictivos en la prevención de caídas se han discutido recientemente más ampliamente16. Las direcciones de la investigación incluyen predecir la inestabilidad futura17,construir mapas visuospatiales a medida que avanzamos a través de nuestro entorno18,y posiblemente formar contingencias basadas en el medio ambiente incluso sin conocimiento previo de un otoño19. Revelar tal preparación sería totalmente inaccesible sin el uso de sondas neurofisiológicas directas.

El enfoque de lean & release modificado como se propone actualmente ofrece un medio para superar algunas de las limitaciones existentes mencionadas. Esto se hace mediante el uso de un escenario de prueba donde las extremidades son necesarias para establecer una nueva base de soporte en un entorno que requiere opciones. Este enfoque se incrementa mediante la inclusión de medidas directas de la actividad cerebral (por ejemplo, estimulación magnética transcraneal, TMS) tanto antes como después de la perturbación postural, que pueden complementar las medidas externas de producción de fuerza y captura de movimiento. Esta combinación de características experimentales representa una innovación importante en el campo para exponer cómo el cerebro contribuye al equilibrio en entornos complejos donde se requiere la inhibición de la respuesta y la selección de acciones entre las opciones para evitar una caída. Aquí demostramos un método novedoso para probar el equilibrio reactivo en un entorno que hace hincapié en la necesidad de procesos cognitivos para adaptar el comportamiento con el fin de evitar una caída. La combinación de obstáculos y asequibilidades para la acción obliga a la necesidad de inhibición de la respuesta, acción específica y selección de respuesta entre las opciones. Además, demostramos un control temporal preciso sobre el acceso visual, el tiempo de las sondas neuronales, el cambio del entorno de respuesta y el inicio de la perturbación postural.

Protocol

Todos los procedimientos recibieron la aprobación de la Junta de Revisión Institucional de la Universidad Estatal de Utah y se llevaron a cabo de conformidad con la Declaración de Helsinki. 1. Examen de participantes Pida a los participantes que proporcionen consentimiento informado por escrito a los procedimientos antes de la prueba. Para las pruebas con TMS, los participantes de la pantalla antes de las pruebas para evaluar su idoneidad para TMS usando las pautas desarrolladas por un grupo de expertos20. 2. Adquisición de datos: electromiografía (EMG) Grabar EMG utilizando electrodos de superficie y señales de amplificación (ganancia 1.000; ver Tabla de Materiales). Adquirir datos y filtro de paso de banda (10–1.000 Hz) utilizando una interfaz de adquisición de datos y un software adecuado (consulte Tabla de materiales). Utilice este dispositivo y software para controlar los diversos motores, liberación de cables y gafas de oclusión como se describe más adelante en los métodos. Abra suavemente la superficie de la piel y limpie con alcohol sobre las ubicaciones musculares objetivo. Fije los electrodos EMG de la superficie en los músculos de destino usando cinta adhesiva de dos lados, y aseguro aún más usando el preenvolto para asegurarque que los electrodos permanezcan fijos, especialmente durante las respuestas rápidas con los brazos y las piernas. Recoger datos de EMG de dos músculos intrínsecos de la mano en la mano derecha (primer interoseo dorsal, IED y opponens pollicus, OP) y dorsiflexores de tobillo en ambas piernas (tibialis anterior, TA).NOTA: Estos músculos en particular fueron seleccionados en función de su relevancia para una acción de alcance a agarre o un paso hacia adelante, pero otros músculos podrían ser seleccionados según sea necesario. 3. Equipo de prueba de equilibrio Figura 1. Configuración ajustada y de liberación con bloques de patas. En este ejemplo, un bloque de pierna se establece en la posición abierta, mientras que el otro se establece para evitar un paso. Estos bloques se mueven a través de motores controlados por ordenador (cajas grises conectadas a los postes de soporte). Las cubiertas de las manijas también se mueven a bloque o permiten una respuesta de alcance a agarre. Aquí, las cubiertas se separan para permitir la vista completa del mango. El imán de liberación es visible en la pared posterior. Todo el cableado se alimenta a través de la plataforma de madera en sí y entra en la caja de circuito gris situada en la esquina posterior. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 2. Ajuste de inclinación y liberación con placas de fuerza. Esta figura muestra cómo tres placas de fuerza se pueden incrustar opcionalmente en la plataforma de madera. Si no se requieren placas de fuerza, se pueden colocar tapones de madera en su lugar. Estos tapones son visibles, apoyados en la pared lateral. Esta imagen también muestra el arnés de seguridad usado por los participantes. Este arnés se fija al techo para actuar como un mecanismo de seguridad en caso de que el participante no recupere su equilibrio por sí mismo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Sistema de lean y liberación modificado Utilice un sistema de cable hecho a medida, lean & release para imponer perturbaciones hacia adelante (véase la Figura 1 y la Figura 2). Haga que los participantes se pongan de pie en una posición inclinada hacia adelante con los pies aproximadamente separados del ancho de la cadera (ver Figura 3). Mantenga esta inclinación hacia adelante usando un arnés de carrocería unido a un cable, que luego se fija a la pared detrás de ellos. Fije el cable a la parte posterior del arnés (aproximadamente nivel mediotorácico). Fije el cable de soporte a la pared por un imán. El imán se desactivará brevemente para liberar el cable. Haga que los procedimientos de prueba específicos (es decir, cuando se libera el cable y el inicio de la liberación del cable) sean impredecibles para el participante. Controle la sincronización precisa de la liberación del cable a través de los comandos de ordenador preestablecidos en una configuración de software. Esta configuración permitirá el control de la sincronización de la liberación del cable de modo que pueda ser aleatorizado a través de las pruebas.NOTA: La configuración de software que controla todos los dispositivos experimentales (por ejemplo, activar el motor para colocar un bloque de piernas) establece la condición de prueba específica (por ejemplo, si hay un bloque de piernas presente o no). Esto se puede programar para aleatorizar condiciones o entregarlas en bloques para controlar el nivel de previsibilidad. Además de este cable de liberación unido a la parte posterior del arnés, también asegure a los participantes a un cable de soporte que cuelga del techo. Este cable a prueba de fallos no proporciona soporte para el peso corporal a menos que sea absolutamente necesario. Si un participante no puede recuperar el equilibrio por sí solo, el cable los atrapa antes de caer al suelo. Debido a la importancia de la información visual confiable, verifique que los participantes puedan ver realmente el mango y el bloque de piernas al usar las gafas. Comience cada ensayo instruyendo a los participantes a mirar directamente a un punto fijo en el suelo, a unos 3 m delante de ellos, mientras sostienen la cabeza en una posición cómoda. Coloque a los participantes de tal manera que su mirada esté configurada para ver el mango en el campo visual periférico y la parte superior del obstáculo. Coloque el cuerpo para asegurarse de que el mango está dentro del rango comprensible. Pida al participante que se incline hacia adelante mientras mantiene ambos pies en contacto con el suelo. Esto requerirá rotación alrededor del tobillo mientras que el resto del cuerpo permanece en línea recta. Determine la posición de inclinación específica como el ángulo de inclinación mínimo donde es necesario un paso hacia adelante para recuperar el equilibrio cuando se suelta el cable. Este es un proceso iterativo para encontrar un ángulo de inclinación umbral en la articulación del tobillo, que es el ángulo donde el participante ya no es capaz de prevenir una caída hacia adelante usando una reacción de pies en el lugar. Una vez que esto se establece, verifique el ángulo de inclinación a lo largo de las pruebas usando goniometría. Asequibilidades y limitaciones en las respuestas compensatorias del balance Fije un mango de seguridad en la pared junto a los participantes en su lado derecho. Utilice una cubierta motorizada para controlar el acceso a esta manija. Si el manejador está descubierto, cuando los participantes son liberados de su inclinación hacia adelante apoyada se puede utilizar para recuperar el equilibrio. Durante las pruebas en las que se cubre el mango, coloque un bloque de piernas delante de las piernas del participante. El bloque de la pierna impide un paso, pero no se establece rígidamente en su lugar, lo que significa que se puede desplazar cuando se patea. Programe el bloque de piernas para permitir la libre circulación y construirlo con material compatible para evitar lesiones.NOTA: Los bloques de las piernas se han construido para forzar una decisión de paso “todo o ninguno”, dado que se elevan casi 30 pulgadas del suelo (nivel medio del muslo en la mayoría de los individuos). Para los investigadores interesados en un bloqueo más matizado de un paso de recuperación, estos dispositivos podrían ser modificados para utilizar un obstáculo más pequeño / más corto que luego permitiría un paso adaptado para eliminarlos. Utilice una lona negra para cubrir el mango y bloquearlo de la vista en ciertos ensayos. El mango permanecerá montado en el mismo lugar, pero estará cubierto físicamente para evitar el acceso visual directo y evitar cualquier agarre de apoyo. Cuando este mango de soporte esté cubierto, retire el bloque de la pierna para permitir una reacción de paso si es necesario. Control de la visión Limite la visión al marco temporal justo antes de la perturbación postural y el control a través de gafas de cristal líquido (ver Tabla de Materiales). Cuando se cierran, las gafas impiden el acceso a la escena visual para que los participantes no sean conscientes de la próxima condición de respuesta. Cambie la configuración específica del bloque de piernas y maneje la disponibilidad para cada prueba mientras las gafas están cerradas para que los participantes necesiten percibir rápidamente el entorno una vez que se abran las gafas. Mueva la cubierta de la manija y el bloque de la pierna en su posición a través de servomotores activados por ordenador al inicio de cada prueba. Pida a los participantes que usen tapones para los oídos y que los motores se muevan continuamente durante el período de oclusión visual para evitar cualquier indicación avanzada para la próxima condición. 4. Diseño experimental Antes de las pruebas, familiarice brevemente a los participantes con cómo llegar al mango y dar un paso adelante desde una posición inclinada. Proporcione a los participantes un conocimiento completo de la próxima condición de práctica y asegúrese de que no haya incertidumbre. Indique a los participantes que una vez que las gafas estén abiertas, verán el mango cubierto, y el camino de paso será claro. Poco después, el cable de soporte se liberará y tendrán que dar un paso rápido para evitar caer hacia adelante. Utilice instrucciones similares con respecto a si el mango está disponible o no para agarrar para evitar un paso. A lo largo de las pruebas y la práctica, indique a los participantes que permanezcan relajados a menos que se les pida que se muevan mediante una liberación repentina del cable.NOTA: En promedio, los participantes requieren aproximadamente 10 intentos de práctica antes de que comiencen las pruebas formales. Cambie aleatoriamente la configuración de respuesta entre ensayos. Si se libera del cable de soporte, los participantes deben recuperar la estabilidad alcanzando el mango de seguridad montado en la pared o dando un paso adelante si la trayectoria del paso es clara. Cierre siempre las gafas de oclusión al comienzo de cada ensayo, momento en el que se modificará el ajuste de respuesta. Cierre las gafas durante un período aleatorio (generalmente de 3 a 4 s) para permitir que el ajuste cambie. Cuando las gafas se abran, proporcione uno de los dos ajustes de respuesta posibles: (1) el bloque de piernas está presente y el mango de soporte está presente, o (2) no hay ningún bloque de pierna presente y no hay ningún asa de soporte presente.NOTA: En la primera condición, un mango de soporte está disponible a una distancia de alcance cómoda y el bloque de la pierna evita un paso. Esta configuración impone un contexto donde la única opción disponible es captar rápidamente el mango de soporte disponible con su brazo derecho. La segunda condición permite un paso de recuperación mientras impide el uso del identificador de soporte. En las pruebas en las que se produce una perturbación, suelte el cable poco después de que se abran las gafas. Este período de retraso variará según los requisitos del estudio, pero oscila entre 200 y 1.000 ms. Para algunas pruebas, no se libere para actuar como un ensayo de captura. Esto ayuda a evitar respuestas anticipadas basadas únicamente en la visión. Tenga cada prueba de los últimos 10 s, con una breve pausa entre las pruebas para permitir a los participantes la oportunidad de restablecerse según sea necesario. Dé a los participantes un breve período de descanso entre cada bloque de prueba y permítales sentarse. El diseño experimental básico se muestra en la Figura 3 (abajo).NOTA: El número total de prueba es variado para adaptarse a las necesidades de cada estudio, pero tiende a incluir aproximadamente 100 ensayos divididos en tres a cuatro bloques de prueba. Figura 3. Método basado en TMS para investigar el impacto de percibir las prestaciones ambientales y/o las restricciones en la preparación del motor. ARRIBA. Un aparato de liberación y liberación liberó a los participantes de una manera impredecible (solo bloques de prueba de perturbación). La magnitud de la perturbación requirió una reacción rápida de cambio de apoyo, utilizando el brazo o la pierna para restablecer una base estable de apoyo, ya sea llegando a un punto de mano seguro, o dando un paso adelante. Entre ensayos, la visión se ocluyó utilizando gafas de oclusión de cristal líquido y los objetos en primer plano se reorganizaron al azar. ABAJO. La línea de tiempo representa cuando el acceso visual al entorno estuvo disponible y el tiempo de las sondas TMS en relación con el acceso visual y la perturbación. La amplitud de pico a pico de la respuesta muscular a TMS (es decir, potencial evocado motor, MEP) proporcionó un índice de excitabilidad corticoespinal en el período de tiempo antes de la perturbación. Esta figura presenta datos de respuesta teóricos para demostrar el impacto hipotética de una asequibilidad para la acción manual (sólido, línea azul) frente a un ensayo donde el mango está cubierto (punto, línea roja). En esta figura, ambos ensayos/condiciones se superponen para ilustrar el hipotética efecto de preparar la producción del motor para facilitar o suprimir la acción potencial basada en un contexto ambiental particular. Adaptado de la Figura 1 en Bolton et al.21. Tenga en cuenta que TMS se utilizó para sondear la excitabilidad corticoespinal en este ejemplo. Sin embargo, esto sólo está pensado para proporcionar una representación básica de la secuencia de eventos mediante esta versión lean y de configuración modificada. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. 5. Protocolo TMS (opcional) Proporcione TMS de un solo pulso sobre la representación cortical del motor de mano mientras los participantes son apoyados en una inclinación hacia adelante. Proporcione pulsos TMS poco después de abrir las gafas, pero antes de cualquier movimiento para investigar cómo la visión del entorno afecta al conjunto de motores. Vea el cuadro 3 para visualizar la secuencia de eventos durante una prueba, incluyendo cuando se entrega TMS. Fije el tiempo para la entrega TMS de acuerdo con la pregunta de la investigación. En los resultados representativos, la estimulación varió entre 100 ms y 200 ms después de la visión. Además de los ajustes de respuesta enumerados anteriormente, intercalar aleatoriamente los ensayos de referencia “sin visión” a lo largo de las pruebas para entregar TMS sin abrir las gafas. El propósito de esta condición es proporcionar una línea de base para cualquier cambio relacionado con la tarea en la actividad motora (por ejemplo, aumento de la excitación).NOTA: Se pueden encontrar más detalles sobre los procedimientos específicos de TMS en Bolton et al.21 y Goode et al.22. Entregar estímulos magnéticos a la corteza motora primaria (M1) con la bobina estimulante orientada aproximadamente 45o al plano sagital (ver Tabla de Materiales). Aplique estímulos en la posición óptima para obtener un potencial evocado motor (MEP) en el músculo de iED en la mano derecha (es decir, el “punto de acceso” del motor). Una vez que se encuentra el ‘punto de acceso’, determinar se determina una intensidad de estímulo de prueba se determina. Para los propósitos actuales de la investigación, esta es la intensidad de estímulo donde el meP promedio es de aproximadamente 1-1,5 mV pico a pico. Fije la bobina TMS en esta ubicación y reajuste la posición de la bobina si ocurre el movimiento de la cabeza (por ejemplo, después de la liberación del cable). Determinar la intensidad del estímulo de la prueba mientras que los sujetos se apoyan en adelante magros para tener en cuenta cualquier influencia del estado postural en la excitabilidad corticoespinal.

Representative Results

Todos los estudios ejemplares presentados se llevaron a cabo con mujeres y hombres jóvenes de entre 18 y 30 años de edad. El tamaño total de la muestra para cada estudio fue el siguiente: El ejemplo 1 (Rydalch et al.23) incluía 12 participantes, el ejemplo 2 (Bolton et al.21)incluía 63 participantes, y el ejemplo 3 (Goode et al.22)incluía 19 participantes. El lector debe consultar los estudios completos para obtener más información sobre los métodos y análisis. Ejemplo 1El bloqueo de un paso de recuperación rápida, especialmente cuando el paso se hizo automático por repetición frecuente, permitió evaluar la inhibición de la respuesta en un contexto postural. Aquí, comparamos la respuesta muscular de la pierna cuando se permitió u obstruyó un paso hacia adelante23. La respuesta muscular de la pierna escalonada se comparó entre los ensayos donde el participante debe llegar frente a los ensayos donde deben paso . Esto se logró comparando la magnitud de respuesta de los dorsiflexores de tobillo (tibialis anterior) durante los ensayos de alcance a manejar frente a los pasos. Específicamente, el EMG integrado en una ventana de 200 ms (es decir, 100 ms a 300 ms después de la perturbación) se utilizó para calcular una relación de respuesta muscular. Un valor más pequeño indicaba una mayor capacidad para abstenerse de pisar, como se describe en detalle en Rydalch et al.23. Mediante el uso de la magnitud de la respuesta muscular, nuestra intención era proporcionar un medidor sensible para una tendencia a responder con la pierna. En este ejemplo, el objetivo de nuestro estudio era determinar si la inhibición de la respuesta se midió con una prueba cognitiva sentada (es decir, la tarea de stop signal, SST) se correlacionó con el rendimiento en una tarea de equilibrio reactivo donde se requería la supresión de un paso de recuperación de equilibrio. En la tarea de equilibrio, se recogieron un total de 256 ensayos, de los cuales el 30% utilizó un bloque de piernas. En la Figura 4A,resaltamos las formas de onda promediadas de los individuos que estaban en extremos opuestos del continuo para suprimir la actividad de las piernas relacionadas con los pasos. La gráfica de dispersión en la Figura 4B representa una correlación pequeña, pero significativa entre la capacidad de suprimir un paso bloqueado y la inhibición de la respuesta medida por el tiempo de reacción de la señal de parada. Al interpretar estos resultados, es importante reconocer que el SST (descrito en el Apéndice), y de hecho la mayoría de las pruebas cognitivas, se basan en respuestas simplistas (a menudo movimientos de dedos) hechas por los participantes sentados en respuesta a las señales imperativas que se muestran en la pantalla de una computadora. Este estudio de Rydalch y otros abordó si la capacidad de detener una respuesta prepotente se conservó a través de una prueba de inhibición de la respuesta sentada estándar en comparación con una prueba de equilibrio reactivo en la que las medidas compensatorias deben suprimirse ocasionalmente23. Los resultados mostraron una correlación entre el resultado de la prueba cognitiva (tiempo de reacción de la señal de parada) y el paso compensatorio, lo que sugiere que la capacidad de parada de un individuo generaliza a través de diversas tareas. Figura 4. Respuesta media. de la pierna de paso . (A) Se muestran formas de onda medias para los tibialis anteriores en la pata escalonada. Las pruebas escalonadas se muestran en rojo y alcanzan las pruebas en negro. Datos de respuesta muscular ejemplares mostrados para dos participantes con un tiempo de reacción de señal de parada rápida (arriba) o de parada lenta (abajo). Este tiempo de reacción de la señal de parada ofrece una medida de milisegundos de la capacidad de detención. La respuesta muscular temprana (EMG integrada) se midió de 100 a 300 ms (región sombreada de color amarillo claro). (B) Gráfico de dispersión que muestra la correlación entre la relación de respuesta muscular y el tiempo de reacción de la señal de parada (SSRT) en el retardo visual de 400 ms, r a 0,561; p a 0,029. Adaptado de las Figuras 3 y 5, Rydalch et al.23. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Ejemplo 2Este estudio ejemplifica cómo nuestra configuración de lean & release modificada cuando se combina con TMS se puede utilizar para estudiar la preparación motora basada en la visión. El concepto de asequibilidades (originalmente propuesto por Gibson24)fue probado en un contexto postural de pie, para determinar si la excitabilidad corticoespinal de un músculo de la mano (utilizado para agarrar) se facilitó al ver un mango de apoyo. La clave de este enfoque fue evaluar cómo el estado excitatorio del sistema motor se vio afectado por la visión por sí solo. Específicamente, los pulsos TMS fueron entregados poco después de que las gafas se abrieran, pero antes de cualquier cue para el movimiento (es decir, la liberación del cable). De esta manera sólo se analizó la actividad motora relacionada con la escena visual mientras la respuesta conductual a la perturbación era secundaria. A diferencia del estudio anterior, que hizo hincapié en la necesidad de inhibición de la respuesta presentando la respuesta de paso con más frecuencia, este estudio utilizó una probabilidad igual de mango (alcance) frente a no-manicomial (paso) para centrarse en el cebado visual de la acción de la mano. Los resultados indicaron que la visualización del mango dio lugar a la facilitación de un músculo de mano intrínseca (es decir, agarre) pero sólo en la condición de observación pura (Figura 5)21. NOTA: Para obtener datos ejemplares, adquisición y código de software de análisis, junto con notas de orientación, consulte el marco de ciencia abierta (https://osf.io/9z3nw/). Los ejemplos 1 y 3 utilizaban código y procedimientos similares, con modificaciones en estados específicos. Figura 5. Datos que muestran la diferencia en la excitabilidad corticoespinal para los ensayos REACH (es decir, mango) frente a STEP (es decir, sin mango) en un músculo de mano intrínseco mientras los participantes estaban en una magra apoyada. Esto mostró una mayor actividad en la mano cuando el mango estaba presente y los participantes simplemente vieron el mango (OBS) pero este efecto estaba ausente durante un balance separado (BAL) bloques de pruebas donde el cable fue liberado periódicamente. Las barras de error muestran el error estándar de la media. Medidas repetidas bidireccionales ANOVA reveló una interacción entre la condición y #la asequibilidad, F1, 62 a 5,69,p a 0,020. Para abordar nuestras hipótesis específicas, utilizamos comparaciones planificadas previas para determinar si la amplitud del MEP en la IED era mayor cuando el mango estaba presente dentro de cada condición por separado. Para la hipótesis 1, se utilizaron comparaciones planificadas para comparar los niveles de asequibilidad (STEP, REACH) dentro de la condición OBS y revelaron un aumento significativo en la amplitud cuando el mango era visible, t121 a 2,62, *p a 0,010. Para la hipótesis 2, originalmente habíamos predicho una interacción, pero en la dirección opuesta a lo que se encontró. La comparación planificada de la asequibilidad dentro de la condición balonado no mostró ninguna diferencia significativa relacionada con la presencia de un mango, t121 a -0,46, p a 0,644. Adaptado de la Figura 5, Bolton et al.21. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Ejemplo 3Este último ejemplo enfatiza cómo adaptamos este dispositivo para estudiar una vez más la preparación motora de un músculo de la mano basado en la visión, pero centrado en la necesidad de suprimir rápidamente la acción de las piernas. En esta versión, la cubierta del mango estaba cubierta permanentemente, mientras que sólo el bloque de la pierna se movía. Al igual que en el ejemplo 1, se manipuló la probabilidad de detener frente a las condiciones de paso para fomentar un paso automático. Dado que el mango ya no era una opción en este estudio, el grado de inclinación hacia adelante medido en el tobillo se redujo ligeramente (6o frente a 10o como en los dos estudios anteriores) para permitir una reacción de soporte fija. El uso específico de esta versión de la tarea fue investigar el concepto de supresión global, que previamente se ha explorado en tareas sentadas donde se utilizaron pulsaciones de botón focal en respuesta a los estímulos visuales presentados en una pantalla de ordenador25. Al igual que en el ejemplo 2, TMS se entregó para evaluar la excitabilidad corticoespinal en un músculo de la mano intrínseca inmediatamente después del acceso al entorno de respuesta (es decir, bloque o sin bloque), pero antes de cualquier señal para moverse (es decir, liberación del cable). La razón para probar un músculo de la mano intrínseca en una tarea que sólo utilizaba respuestas de las piernas era ver si una tarea irrelevante músculo mostraría evidencia de una supresión general en todo el sistema motor. Los resultados que se describen a continuación en la Figura 6 muestran evidencia de un apagado generalizado a través del sistema de motor cuando un paso automático se detiene abruptamente22. Figura 6. Tarea ajustada y de liberación modificada solo con bloque de pierna (es decir, no hay opción para agarrar un asa de soporte). (A) Esta figura representa la supresión de la amplitud del MEP en un músculo de la mano intrínseca cuando se presentó un bloque de piernas (es decir, condición NO-STEP). (B) A partir de las medidas repetidas ANOVA, la condición de paso x interacción de latencia, F1,18 a 4,47, p a 0,049, fue significativa. La inspección visual del gráfico de líneas 2 revela la disminución de la amplitud meP con el tiempo solo para la condición NO-STEP y esto se confirmó con comparaciones de seguimiento. Específicamente, estas comparaciones revelaron una disminución significativa en 200 ms en comparación con 100 ms t18 a 2,595, *p a 0,009 para la condición NO-STEP. Por el contrario, una comparación similar entre 200 ms y 100 ms para la condición STEP no revela ninguna diferencia t18 a 0,346, p a 0,367. Adaptado de las Figuras 1 y 2, Goode et al.22. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Discussion

Este sistema de lean & release modificado proporciona una forma novedosa de evaluar los roles cognitivos en equilibrio reactivo. Al igual que con el procedimiento estándar lean & release, la dirección y amplitud de la perturbación postural son predecibles para el sujeto, mientras que el tiempo de liberación del cable es impredecible. Lo que es único en el enfoque actual es que el acceso a la visión se controla con precisión mientras el sujeto permanece fijo y el entorno de respuesta se altera a su alrededor para crear diferentes oportunidades de acción y/o restricciones. Mediante la manipulación de la presencia de obstáculos y asequibilidades, este método hace hincapié en procesos cognitivos como la toma de decisiones (es decir, la selección de acciones) y la inhibición de la respuesta en relación con la recuperación del equilibrio.

El método propuesto tiene potencial para proporcionar una visión única del control neuronal del equilibrio, pero plantea ciertas limitaciones. Por ejemplo, cuando se utiliza el método lean & release, la liberación del cable se inicia desde una inclinación hacia adelante, que requiere un paso de recuperación de equilibrio pronunciado en comparación con otros métodos de perturbación postural externa10. Además, la dirección y magnitud de la perturbación son predecibles, lo que puede conducir a la activación anticipada de los músculos que normalmente no estarían involucrados en escenarios de caída más realistas. Por último, la visión se ocluye temporalmente antes de la liberación del cable, lo que también se desvía de la experiencia diaria de un individuo. Estas características hacen que nuestra evaluación del equilibrio sea algo artificial y pueden impedir la generalización en diferentes modos de perturbación. Es importante reconocer que la generalización de las caídas del mundo real siempre es una preocupación a la hora de extraer inferencias sobre cómo se controla el equilibrio a partir de un método de evaluación en particular. De hecho, una prueba integral comúnmente reconocida para la capacidad de equilibrio no existe actualmente4. Para los propósitos actuales, una caída hacia adelante establecida permite que las características de perturbación y los ajustes de respuesta se mantengan constantes mientras se manipulan demandas cognitivas específicas que a menudo son descuidadas o inaccesibles en las evaluaciones de equilibrio tradicionales. Este control experimental es beneficioso, pero debe tenerse en cuenta a la hora de interpretar los resultados.

Como segunda limitación, la construcción del equipo de prueba y las habilidades de ingeniería necesarias pueden representar un desafío para implementar este método. Tres estudiantes de ingeniería eléctrica de la Universidad Estatal de Utah construyeron la plataforma, configuraron la electrónica y programaron microcontroladores para conducir servomotores para la cubierta del mango y el bloque de las piernas. Los costos de construcción fueron modestos (es decir, <$15,000 sin incluir las placas de fuerza montadas en la plataforma). Sin embargo, esto puede suponer un desafío dependiendo de los recursos disponibles.

Se obtuvieron conocimientos específicos sobre el control neuronal del equilibrio utilizando este enfoque. Estos ejemplos indican que la estimulación cerebral no invasiva se puede utilizar para capturar el conjunto de motores basado en la visualización de objetos en un contexto postural y ofrecen una técnica para evaluar la inhibición de la respuesta mediante respuestas musculares. En particular, la técnica de lean & release modificada podría adaptarse fácilmente para incorporar otras sondas neurofisiológicas como la electroencefalografía y la espectroscopia funcional de infrarrojo cercano. Incluso sin la inclusión de medidas neuronales directas, los diseños de estudio que se centran enteramente en las fuerzas externas, la activación muscular y la cinemática pueden proporcionar información importante sobre los marcadores conductuales de los déficits cognitivos. Por ejemplo, Cohen et al.26ha demostrado una interesante aplicación para el uso de placas de fuerza para capturar cambios posturales anticipatorios durante una tarea de paso reactiva. En su estudio, los déficits en la inhibición de la respuesta en adultos mayores fueron revelados por un cambio de peso inapropiado, que a su vez condujo a retrasos en los tiempos de paso de elección-reacción. Tal enfoque podría aplicarse al paradigma actual para obtener medidas sensibles de cambio de peso y errores de paso.

Este nuevo método se basa en una prueba de equilibrio reactiva establecida donde los participantes se liberan de un lean admitido y ahora incluye escenarios que exigen flexibilidad de comportamiento. Los diseños de prueba adecuados para exponer la inhibición de la respuesta y la selección de la acción nos permiten aplicar conceptos de la psicología cognitiva al dominio del control del equilibrio. Tal enfoque es necesario para aprovechar el reconocimiento de que el deterioro cognitivo y la prevalencia de caídas están correlacionados, y para obtener una comprensión mecanicista de cómo los recursos cognitivos previenen caídas. Presumiblemente esta configuración podría ser utilizado no sólo como una herramienta de investigación, sino también como un medio para el entrenamiento de los roles cognitivos en equilibrio. Un objetivo importante del trabajo en curso, nuestro laboratorio es entender cómo el cerebro utiliza información contextual para actualizar qué movimiento sería más adecuado para prevenir una caída dado el entorno. Cues tales como la disponibilidad de un manicomial estable o una barrera escalonada potencial pueden guiar qué respuesta hacer en caso de que surja la necesidad y puede dar forma encubierta a los procesos cerebrales predictivos16. En particular, la capacidad de utilizar adecuadamente esta información puede deteriorarse con la edad si se requieren facultades mentales como el control de interferencias inhibitorias o la memoria visual-espacial. Dada la relación entre el deterioro cognitivo y las caídas1–3,la implementación de diseños de estudios que hagan hincapié en la necesidad de integrar la relevancia contextual podría proporcionar información valiosa sobre los déficits de equilibrio en muchas poblaciones vulnerables.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

La investigación reportada en esta publicación fue apoyada por el Instituto Nacional sobre el Envejecimiento de los Institutos Nacionales de Salud bajo el Número de Premio R21AG061688. El contenido es responsabilidad exclusiva de los autores y no representa necesariamente los puntos de vista oficiales de los Institutos Nacionales de Salud.

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
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Bolton, D. A., Mansour, M. A Modified Lean and Release Technique to Emphasize Response Inhibition and Action Selection in Reactive Balance. J. Vis. Exp. (157), e60688, doi:10.3791/60688 (2020).
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