Reaktif Dengede Yanıt İnhibisyonu ve Eylem Seçimini Vurgulamak Için Modifiye Yalın ve Serbest Bırakma Tekniği
Summary
Burada, kullanıcının postural pertürbasyon sonrası dengeyi kurtarmak için uygun fiyatlı ve/veya kısıtlamaları seçici olarak değiştirmesine olanak tanıyan bir protokol sunuyoruz.
Abstract
Reaktif dengenin değerlendirilmesi geleneksel olarak dik duruş veya yürüyüş için bir tür tedirginlik ve ardından ortaya çıkan düzeltici davranışın ölçülmesi de yüklenir. Bu önlemler kas yanıtları, ekstremite hareketleri, yer reaksiyon kuvvetleri ve hatta elektroensefalografi gibi doğrudan nörofizyolojik önlemleri içerir. Bu yaklaşımı kullanarak, araştırmacılar ve klinisyenler sinir sisteminin bir düşüşü önlemek için dengeyi nasıl kontrol ettiğini bazı temel ilkeler çıkarabilirsiniz. Bu değerlendirmelerin şu anda kullanılma şekliyle ilgili bir sınırlama da, otomatik postural reaksiyonları gözden geçirmeye gerek kalmadan refleksif eylemleri yoğun bir şekilde vurgulamalarıdır. Bu son derece basmakalıp tepkilere bu kadar özel bir odaklanma, ihtiyaç duyulması halinde bu reaksiyonları nasıl değiştirebileceğimizi yeterince ele almakta başarısız olacaktır (örneğin, bir kurtarma adımı ile bir engelden kaçınmak). Bu, her gün karşılaştığımız ortamların muazzam karmaşıklığı nı göz önüne alındığında göz kamaştırıcı bir ihmal gibi görünüyor. Genel olarak, dengenin nöral kontrolünü değerlendirirken statüko, daha yüksek beyin kaynaklarının karmaşık ortamlarda ki düşmeleri önlemeye nasıl katkıda bulundurduğuna gerçekten maruz kalmaktadır. Bu protokol, otomatik, ancak uygun olmayan düzeltici denge reaksiyonlarının bastırılmasını gerektiren bir yol sunar ve postural tedirginlik sonrasında dengeyi başarılı bir şekilde kurtarmak için alternatif eylem seçenekleri arasında bir seçim yapmaya zorlar.
Introduction
Düşme ve bilişsel gerileme arasındaki bilinen korelasyon rağmen1,2,3, büyük bir boşluk beyin aslında bize bir düşüş önlemek için ne yaptığını anlamada devam ediyor. Teoride, çevresel karmaşıklık arttıkça ve içgüdüsel davranışı gözden geçirmemiz gereken durumlarda bilişsel talepler vurgulanır. Ancak, çoğu denge testleri etkili yüksek beyin fonksiyonu vergi başarısız, bunun yerine refleksif düzeltme reaksiyonları vurgulayarak. Bir düşüşü önlemek için yanıt hızı gibi faktörler gerekli olmakla birlikte, inhibitör kontrolü ve/veya belirli bir içeriğe dayalı uygun eylemi seçme becerisi gibi ek bilişsel faktörler de bazı durumlarda önemli olabilir. Sonuç olarak, beynin reaktif dengedeki rolünü anlamamızın bir nedeni şu anda kullanılmakta olan araştırma protokolleridir. Rogers ve ark. son zamanlarda denge kontrolü dış pertürbasyon4kullanılarak değerlendirildi hangi farklı şekillerde özetlenmiştir. Bu yöntemler arasında platform çevirisi, eğimler ve/veya düşmelerin yanı sıra postural desteği iten, çeken veya kaldıran otomatik sistemlerin kullanımı yer almaktadır. Dik dengeyi bozmak için kullanılan çok çeşitli tekniklere rağmen, takip eden düzeltici reaksiyonlar hemen hemen her zaman engelsiz bir ortamda yapılır ve böylece hareket üzerindeki kısıtlamalar en aza indirilir. Burada, bilişsel süreçlerin güçlü eylemi geçersiz kılmak ve reaktif denge görevinde alternatifler arasında uygun yanıtları seçmek için gerekli olan bir yöntem öneriyoruz.
Reaktif dengeyi test etmek için ortak bir yol sabit bir destek (genellikle ayak-in-place) reaksiyonu,6,,7,8,9kullanarak karşı olabilir nispeten küçük postural pertürbasyonlar empoze etmektir. Nispeten daha az çalışma bel çeker, platform çeviri yoluyla tedirginliklere yanıt olarak destek dengesi reaksiyonları değişim odaklanmıştır ve bir örnek olarak bir destek kablosu serbest, Mansfield ve ark10bakın . İkinci grubun önemi, tedirginlikler büyük olduğunda, destek değişimi reaksiyonlarının stabiliteyi geri kazanmak için tek seçenek olduğunu kabul ederek takdir edilebilir11. Aslında, ayak-in-place (yani, kalça ve / veya ayak bileği) stratejileri kullanılarak yönetilebilir küçük pertürbations için bile, insanlar sık sık seçim verildiğinde adım tercih11. Bu tür destek değişim tepkilerini incelemenin değeri sadece daha büyük bir tedirginlik büyüklüğüne karşı koymakla kalmıyor, aynı zamanda yeni bir destek tabanı oluşturmak için uzuvları yeniden konumlandırırken ortaya çıkan zorluklarda da yatacaktır. Uygun fiyatlı ve/veya eylem kısıtlamalarının varlığı birçok gerçek dünya ayarlarının düzenli bir parçasıdır. Bu, denge kaybı olduğunda yeni bir destek üssü oluşturmaya bir seçim süreci zorlar. Karmaşık ortamlara davranış adapte etmek için, yüksek beyin kaynakları üzerinde artan bir talep vardır. Bu özellikle uzuvlar destek yeni bir temel kurmak gerekir doğrudur. Reaktif dengede bilişsel rolleri vurgulamak ve ortaya çıkarmak için dağınıklığı yeniden ortaya koyma ve uzuvlarla destek değiştirme stratejisini zorlama ihtiyacı mantıklı görüner.
Harici kaynaklı postural pertürbasyon sunmak için basit bir yolu yalın & serbest bırakma tekniği, bir birey aniden desteklenen bir ileri yalın serbest bırakılır. Bu yaklaşım, ileri bir düşüş önlemek için telafi edici reaksiyonların değerlendirilmesi sağlar ve başarıyla hem sağlıklı hem de klinik popülasyonlarda kullanılmıştır12,13,14. Yalın ve serbest bırakma tekniği biraz temel olmasına rağmen, reaktif denge kapasitesi (örneğin, bir kurtarma adımını ne kadar hızlı başlatabilir veya kararlılığı yeniden kazanmak için gereken adımların sayısını belirlemek için) hakkında değerli bilgiler sunar. Mevcut amaçlar için, yalın ve serbest bırakma tekniği reaktif dengebilişsel rolleri keşfetmek için basit bir yol sağlar çünkü pertürbasyon özellikleri nin çoğu sabit tutulur. Bu, özellikle eylem seçimi ve yanıt inhibisyonu ile ilgili değişkenler üzerinde daha fazla deneysel kontrol sağlar. Postural pertürbasyonun diğer modları genellikle tedirginlik yönü, genlik ve zamanlama açısından öngörülemezliğe dayansa da, çevre deki ortam her zaman sabittir. Bacak bloklarının kavrama tepkilerini vurgulamak için kullanıldığı çalışmalarda bile15 blok, bir bacak bloğunun varlığına veya yokluğuna bağlı olarak adım atma davranışlarını hızlı bir şekilde uyarlamaya gerek kalmadan sabitlenir. Şu anda önerilen yöntemle, düşmeyi önlemek için çevreyi davranışsal adaptasyon gerektiren bir şekilde değiştirebiliriz.
Reaktif dengede bilişsel rolleri yetersiz bir şekilde ortaya çıkaran laboratuvar ayarlarının ötesinde, bir diğer önemli konu da kas setleri, yer tepki kuvvetleri ve nöral süreçleri ortaya çıkarmak için video çekimi gibi dış önlemlere aşırı derecede güvenmektir. Bu önlemler değerli olmakla birlikte, bu tür önlemlere özel güven dengeye katkıda bulunan temel sinirsel mekanizmalar hakkında doğrudan bilgi sağlamaz. Bu sorun, beynin karmaşık ortamlarda bir düşüşü önlemek için neler yapabileceğini göz önünde bulundurarak daha da karmaşık bir şekilde düşmeden önce meydana gelebilir. Sonbahar önlemede tahmine dayalı roller son zamanlarda daha kapsamlı bir şekilde tartışılmıştır16. Araştırma yönleri gelecekteki istikrarsızlık tahmin içerir17, çevremiz de hareket olarak visuospatial haritalar bina18, ve muhtemelen bir sonbahar19önceden bilmeden bile çevreye dayalı olası durumlar oluşturma . Bu tür hazırlıkların ortaya çıkması doğrudan nörofizyolojik problar kullanılmadan tamamen erişilemez olacaktır.
Şu anda önerilen değiştirilmiş yalın ve sürüm yaklaşımı, bahsedilen mevcut sınırlamaların bazılarını aşmak için bir araç sunar. Bu, ekstremitelerin seçim gerektiren bir ortamda yeni bir destek tabanı oluşturması gereken bir test senaryosu kullanılarak yapılır. Bu yaklaşım, kuvvet üretimi ve hareket yakalama nın dış salkımlarını tamamlayabilen postural pertürbasyondan önce ve sonra doğrudan beyin aktivitesi (örn. transkraniyal manyetik stimülasyon, TMS) dahil edilerek artırılır. Deneysel özelliklerin bu birleşimi, beynin yanıt inhibisyonu ve seçenekler arasında eylem seçiminin bir düşüşü önlemek için çağrıldığı karmaşık ortamlarda dengeye nasıl katkıda bulunduğuyla ortaya çıkan önemli bir yeniliği temsil eder. Burada, bir düşüşü önlemek için bilişsel süreçlerin davranışı adapte etmesi gereğini vurgulayan bir ortamda reaktif dengeyi test etmek için yeni bir yöntem gösteriyoruz. Engellerin ve eylem için uygun lukların birleşimi, yanıt inhibisyonu, hedefli eylem ve seçenekler arasında yanıt seçimi gereksinimini zorlar. Ayrıca, görsel erişim, nöral probların zamanlaması, yanıt ortamının değiştirilmesi ve postural pertürbasyonun başlangıcı üzerinde kesin zamansal kontrol gösteriyoruz.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu değiştirilmiş yalın ve serbest bırakma sistemi reaktif dengebilişsel rolleri değerlendirmek için yeni bir yol sağlar. Standart yalın ve serbest bırakma prosedüründe olduğu gibi, kablo salınımının zamanlaması tahmin edilemezken, postural pertürbasyonun yönü ve genliği konu için tahmin edilebilir. Mevcut yaklaşımda benzersiz olan şey, özne sabit kalırken vizyona erişimin tam olarak kontrol edilmesi ve farklı eylem fırsatları ve/veya kısıtlamalar oluşturmak için yanıt ortamının etraflarında değiştirilmesidir. Engellerin ve uygun gücün varlığını manipüle ederek bu yöntem, denge geri kazanımıile ilgili olarak karar verme (yani, eylem seçimi) ve yanıt inhibisyonu gibi bilişsel süreçleri vurgular.
Önerilen yöntem dengenin nöral kontrolüne benzersiz bir bakış sağlama potansiyeline sahiptir ancak belirli sınırlamalar oluşturur. Örneğin, yalın ve serbest bırakma yöntemini kullanırken, kablo salınımı, diğer dış postural pertürbasyon yöntemleriile karşılaştırıldığında belirgin bir denge kurtarma adımı gerektiren bir ileri yalından başlatılır10. Ayrıca, yön ve tedirginlik büyüklüğü tahmin edilebilir, normalde daha gerçekçi sonbahar senaryoları meşgul olmaz kasların beklentisiyle aktivasyonuyol açabilir. Son olarak, görme geçici olarak kablo sürümünden önce tıkanır, bu da bireyin günlük deneyiminden sapıyor. Bu özellikler dengeyi biraz yapay hale getirir ve farklı tedirginlik biçimleri arasında genelleştirilmesine engel olabilir. Dengenin belirli bir değerlendirme yönteminden nasıl kontrol edildiğinde gerçek dünyaya genellenebilirliğin her zaman bir endişe kaynağı olduğunu kabul etmek önemlidir. Nitekim, denge yeteneği için yaygın olarak tanınan kapsamlı bir test şu anda4yok. Mevcut amaçlar için, bir set ileri düşüş genellikle ihmal veya geleneksel denge değerlendirmeleri erişilemez belirli bilişsel talepleri manipüle ederken tedirginlik özellikleri ve yanıt ayarları sabit tutulmasını sağlar. Bu tür deneysel kontrol yararlıdır ancak sonuçları yorumlarken dikkate alınmalıdır.
İkinci bir sınırlama olarak, test ekipmanlarının inşası ve gerekli mühendislik becerileri bu yöntemi uygulamak için bir meydan okuma temsil edebilir. Utah State Üniversitesi’nden üç elektrik mühendisliği öğrencisi platformu inşa etti, elektronik cihazları kurdu ve kol kapağı ve bacak bloğu için servo motorları kullanmak için mikrodenetleyicileri programladı. İnşaat maliyetleri mütevazıydı (platforma monte edilen kuvvet plakaları hariç 15.000 $). Yine de, bu mevcut kaynaklara bağlı olarak bir sorun teşkil edebilir.
Bu yaklaşım la dengenin nöral kontrolüne ilişkin özel bilgiler elde edilebildi. Bu örnekler, noninvaziv beyin stimülasyonunun, nesneleri postural bir bağlamda görüntülemeye dayalı olarak motor seti yakalamak için kullanılabileceğini ve kas yanıtlarını kullanarak yanıt inhibisyonunu değerlendirmek için bir teknik sunduğunu göstermektedir. Özellikle, modifiye yalın ve serbest bırakma tekniği kolayca elektroensefalografi ve fonksiyonel yakın kızılötesi spektroskopi gibi diğer nörofizyolojik problar dahil adapte edilebilir. Doğrudan nöral önlemlerin dahil edilmeden bile, tamamen dış güçlere odaklanan çalışma tasarımları, kas aktivasyonu ve kinematik bilişsel açıkların davranışsal belirteçleri hakkında önemli bir içgörü sağlayabilir. Örneğin, bir reaktif atlama görevi sırasında beklentili postural vardiya yakalamak için kuvvet plakaları kullanmak için ilginç bir uygulama Cohen ve ark.26tarafından gösterilmiştir. Çalışmalarında, yaşlı erişkinlerde yanıt inhibisyonu açıkları uygunsuz ağırlık kayması ile ortaya çıktı, hangi sırayla seçim-reaksiyon adım süreleri gecikmelere yol açtı. Böyle bir yaklaşım ağırlık kayması ve atlama hataları hassas önlemler kazanmak için mevcut paradigma uygulanabilir.
Bu yeni yöntem, katılımcıların desteklenen bir yalından serbest bırakıldığı yerleşik bir reaktif denge testinden oluşturulur ve şimdi davranışsal esneklik gerektiren senaryolar içerir. Yanıt inhibisyonu ve eylem seçimini ortaya çıkarmak için uygun test tasarımları, bilişsel psikolojiden denge kontrolü alanına kadar kavramları uygulamanın bir yolunu sağlar. Böyle bir yaklaşım bilişsel gerileme ve düşme yaygınlığı ilişkili olduğunu tanıma üzerine inşa etmek için gereklidir, ve bilişsel kaynakların düşmesini önlemek için nasıl bir mekanistik anlayış kazanmak için. Muhtemelen bu kurulum sadece bir araştırma aracı olarak değil, aynı zamanda denge bilişsel rolleri eğitmek için bir araç olarak kullanılabilir. Devam eden çalışmaların önemli bir amacı, beynin çevreye verilen bir düşüşü önlemek için hangi hareketin en uygun olacağını güncellemek için bağlamsal bilgileri nasıl kullandığını anlamaktır. Sabit bir el tutma veya potansiyel bir adım bariyerdurumu gibi ipuçları, ihtiyaç ortaya çıkması halinde hangi yanıtı yapmak için kılavuz olabilir ve öngörücü beyin süreçlerini gizlice şekillendirebilir16. Özellikle, inhibitör girişim kontrolü veya görsel-uzamsal bellek gibi zihinsel yetenekler gerekli olduğunda, bu bilgileri uygun şekilde kullanma kapasitesi yaşla birlikte bozulabilir. Bilişsel gerileme ve1-3düşme arasındaki ilişki göz önüne alındığında, bağlamsal alaka entegre için bir ihtiyaç vurgulamak çalışma tasarımları uygulanması birçok savunmasız popülasyonlarda denge açıkları içine değerli bir fikir sağlayabilir.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu yayında bildirilen araştırma, R21AG061688 Ödül Numarası altında Ulusal Sağlık Enstitüleri Yaşlanma Ulusal Enstitüsü tarafından desteklenmiştir. İçerik sadece yazarların sorumluluğundadır ve Ulusal Sağlık Enstitüleri’nin resmi görüşlerini temsil etmek zorunda değildir.
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).
