Con una cinta de cinturón de Split para evaluar la generalización de la adaptación humana Aparato Locomotor

Resumen

Se describe un protocolo para la investigación de adaptación humana aparato locomotor utilizando la cinta de cinturón de split, que tiene dos correas que pueden manejar cada pierna a una velocidad diferente. Específicamente nos enfocamos en un paradigma diseñado para probar la generalización de patrones locomotores adaptados a diferentes contextos a pie (por ejemplo, velocidades de marcha, pocos entornos).

Resumen

Comprensión de los mecanismos subyacentes de aprendizaje locomotor ayuda a los investigadores y los clínicos optimización paso reciclaje como parte de la rehabilitación del motor. Sin embargo, puede ser difícil estudiar aprendizaje locomotor humano. Durante la infancia y la niñez, el sistema neuromuscular es muy inmaduro y es poco probable que aprendizaje locomotor durante etapas tempranas del desarrollo se rige por los mismos mecanismos que en la edad adulta. Por el tiempo los seres humanos alcanzan la madurez, son tan competentes en el caminar que es difícil llegar a una tarea lo suficientemente novedosa para el estudio de aprendizaje locomotor de novo . La cinta de cinturón de split, que tiene dos correas que pueden manejar cada pierna a diferentes velocidad, permite el estudio de ambos cortos (es decir, inmediata) y a largo plazo (es decir, en minutos días; una forma de aprendizaje motor) marcha modificaciones en respuesta a una nuevo cambio en el entorno a pie. Individuos pueden fácilmente ser defendidos para exposición previa a la cinta de cinturón de split, garantizando que todos los participantes experimentales no tienen (o equivalente) experiencia previa. Este papel describe un protocolo de adaptación típico split-cinta caminadora que incorpora métodos de pruebas para cuantificar el aprendizaje locomotor y generalización de este aprendizaje a otros contextos a pie. Una discusión de consideraciones importantes para el diseño de split-banda caminadora experimentos sigue, incluyendo factores como caminadora banda velocidades, descansos y elementos interactivos. Además, potencial pero escasamente variables confusoras (p. ej., movimientos de brazos, experiencia previa) son consideradas en la discusión.

Introducción

Una cinta de cinturón de split tiene dos correas que pueden manejar cada pierna a una velocidad diferente o en una dirección diferente. Este dispositivo fue utilizado primero hace como una herramienta más de 45 años para el estudio de coordinación entre las piernas (es decir, coordinación interlimb) durante la marcha¹. Este y otros estudios iniciales utilizan principalmente gatos como un modelo experimental^1,2,3, pero insectos fueron también estudiados⁴. Las primeras investigaciones de split-cinturón de locomoción en los infantes y adultos fueron publicadas en 1987 y 1994, respectivamente de^5,6. Estos estudios iniciales en animales humanos y no humanos investigan sobre todo a corto plazo (es decir, inmediata) ajustes en coordinación interlimb para preservar la estabilidad y la progresión hacia adelante cuando las piernas son conducidas a velocidades diferentes. Un estudio de 1995 señaló que períodos más prolongados (varios minutos) de split-cinta caminar deterioraron la capacidad de humanos adultos para percibir la velocidad de la cinta caminadora y hacer los ajustes exactamente para igualar velocidades en cada lado. Esto sugiere que la asignación sensoriomotora de caminar ha sido recalibrado⁷. Sin embargo, no fue hasta 2005 que el primer informe detallado de cinemática de adaptación humana motor durante 10 minutos de split-banda caminadora caminar fue publicado⁸.

Adaptación de motor se refiere a un proceso impulsado por el error que asignaciones sensoriomotoras de movimientos bien aprendidas se ajustan en respuesta a una demanda nueva, previsible⁹. Es una forma de aprendizaje motor que se produce durante un período de práctica prolongado (minutos a horas) y resultados en efectos secundarios, que son cambios en el patrón de movimiento cuando se retira la demanda y condiciones de volver a la normalidad. Por ejemplo, caminar en split-correas inicialmente causa gente caminar con coordinación interlimb asimétrica, que se asemeja a una cojera. Durante varios minutos a pie de split-correa, personas adaptan su poca coordinación para que su andar se vuelve más simétrica. Cuando los dos cinturones de volver posteriormente a la misma velocidad (es decir, atado correas), así restablecer condiciones normales de a pie, gente demostrar efectos caminando con coordinación asimétrica. Estas secuelas deben adaptarse activamente eliminar o ignorantes durante varios minutos de cinturón atado a pie antes de coordinación caminar normal sea restaurado⁸.

Después de los 2005 Reisman et al. ⁸ análisis cinemática de correa dividida en seres humanos, el uso de la cinta de cinturón de split en los estudios publicados ha aumentado aproximadamente diez veces en comparación con la década anterior. ¿Por qué es la cinta de cinturón de fractura cada vez más popular como una herramienta experimental? Split-correa paseo es claramente una tarea de laboratorio, el análogo más cercano de reales es girar o caminar en un círculo apretado, pero la cinta de cinturón de fractura induce una versión más extrema del rodaje, con una pierna es impulsada por dos a cuatro veces más rápido que el otro. El hecho de que la cinta de cinturón de split es que una tarea altamente inusual caminar ofrece varias ventajas para el estudio de aprendizaje locomotor. En primer lugar, es novedoso para la mayoría de las personas independientemente de su edad y de poca experiencia; es fácil a los participantes experimentales pantalla para la novedad de caminar de la correa de split. En segundo lugar, la cinta de cinturón de fractura induce cambios considerables en interlimb coordinación que no se resuelven rápidamente. Las tarifas relativamente lentas de adaptación y la adaptación nos permiten estudiar formación diferentes intervenciones pueden alterar estas tasas sin acercarse a un techo. Tercero, la cinemática^8,10, cinética^11,12,13,14, electromiográficos^6,15,16 , y perceptual^7,17,18,19 modificaciones que ocurren con la adaptación de la cinta de cinturón de split han sido bien estudiados, como tiene el control neural de esta tarea^{20 ,21,22}. En otras palabras, las adaptaciones a la cinta de cinturón de split han sido documentadas y replicada por varios grupos diferentes, lo que lo convierte en una tarea de aprendizaje locomotor bien caracterizado.

En los últimos diez años, varios estudios han demostrado la naturaleza de la tarea y contexto específicos de adaptación de split-correa. Secuelas tras adaptación de split-correa se redujeron significativamente en amplitud si se prueban bajo condiciones distintas de la condición del entrenamiento. Por ejemplo, las secuelas son menores si la persona se traslada a un entorno diferente (por ejemplo, suelo caminar²³), realiza una tarea diferentes locomotrices (por ejemplo, hacia atrás caminando o corriendo^{13, 24}), o incluso camina a una velocidad que es diferente de la velocidad de la cinta más lento durante la adaptación²⁵. Esfuerzos para establecer los parámetros que rigen la generalización de la adaptación del aparato locomotor están en curso.

El objetivo de este trabajo es describir un protocolo para el uso de la cinta de cinturón de split para investigar la adaptación humana aparato locomotor y generalización del patrón adaptado a otros contextos a pie (es decir, poca velocidad y entornos). Mientras que el protocolo descrito aquí es la más directamente derivada de la utilizada en Hamzey et al. ²⁵ (figura 1a), cabe señalar que este protocolo fue informado por un número de estudios que le precedió en^{8,23,24,26, 27,28}. El método fue desarrollado originalmente para probar la hipótesis de que mantener la constancia en la velocidad que camina entre la cinta y en entornos de tierra mejoraría la generalización de split-correa caminar a través de estos diferentes ambientes²⁵. En la siguiente sección del Protocolo, le damos las instrucciones replicar esta versión del método split-cinta caminadora, con notas que indican cómo ciertos pasos de protocolo pueden ser modificadas para fines diferentes.

Protocolo

todos los procedimientos han sido aprobados por la Junta de revisión institucional en la Universidad de Stony Brook.

1. Montaje experimental

Nota: Consulte el Archivo complementario 1-definiciones para definiciones de términos comunes utilizados en los experimentos de split-banda caminadora.

1. Pantalla de todos los participantes de experiencia previa con la cinta de cinturón de split.
   Nota: Las personas han demostrado readaptar más rápido a la caminadora de split-cinturón después de una exposición previa a ella ^{29 , 30}. El plazo en que las personas " olvidar " la cinta de cinturón de split no se conoce en la actualidad; así, la experiencia previa con la cinta de cinturón de split puede ser una variable de confusión si no se controla.
2. Llevar a cabo todas las pruebas en un entorno tranquilo y reducir al mínimo la actividad en el cuarto de prueba.
3. Sistema para arriba un movimiento sistema (según las instrucciones del sistema) de seguimiento al movimiento de registro en una cinta de cinturón de split y en una calzada de tierra.
   Nota: por ejemplo, el protocolo actual utiliza un movimiento de sistema de seguimiento con marcadores de LED activados. Cuatro unidades de trípode montado sensor detectaron la posición tridimensional de los marcadores activos, con dos unidades a cada lado (derecho e izquierdo de la cinta) y dos a cada lado de una 7 m sobre la calzada de tierra.
4. Equipar al participante con movimiento de seguimiento de marcadores, electromiografía, etcetera.
5. Considerar como una partición entre las dos correas de la cinta de cinturón de split para evitar que las piernas de cruzar a la banda contralateral. Esta partición no es estrictamente necesaria para adultos neurológicamente intacto pero puede ser útil para las pruebas de los niños o las poblaciones clínicas. Tenga en cuenta que la presencia de una partición probablemente aumenta la anchura de paso; sin embargo, se desconoce la magnitud que esto afecta a split-correa adaptación.
6. Crear un arnés de seguridad sobre la cinta de correr para proteger el participante caiga durante la cinta para correr caminar.
   Nota: El arnés no debe soportar su propio peso, a menos que esto es parte de la pregunta de investigación. Aunque caer durante la marcha de la cinta de correr es excesivamente raro, muchos consejos de ética de investigación requieren uso de arnés de seguridad.
7. Mantener consistencia en el brazo de movimiento a través del paradigma experimental y de los participantes. Cuando decidir sobre el tipo de movimiento del brazo (p. ej., con pasamanos, haciendo pivotar los brazos naturalmente), lo que será cómodo para el grupo de tema y si swing típico brazo será ocultar la visibilidad de críticas marcadores utilizados para el movimiento capturan) por ejemplo, para los marcadores colocados en las caderas).
   1. Independientemente del movimiento del brazo, encomendamos a todos los participantes sujetar barandillas al arranque y la parada de la cinta de seguridad.
8. Mantener la uniformidad en la inclinación en el paradigma experimental.
   Nota: A nuestro conocimiento, todos los protocolos publicados split-cinta caminadora, incluyendo el actual, han utilizado cero pendiente para caminadora y poca tierra.

2. Período de línea base

Nota: el propósito del período base es establecer qué coordinación caminar normal es para cada persona. Coordinación de la línea de base debe analizarse en todas las condiciones que se analizan secuelas. Por ejemplo, en el protocolo actual, secuelas fueron probados durante la caminadora y en terreno caminar a diferentes velocidades (0,7 y 1,4 m/s). Por lo tanto, se incluyeron referencia sobre ensayos de suelo y caminadora en 0,7 y 1,4 m/s. Esto permite una comparación directa de secuelas a coordinación poca referencia a la misma velocidad y contexto. Sobre el suelo a poca base ensayos pueden eliminarse cuando los objetivos experimentales no incluyen generalización sobre suelo caminar.

1. Para sobre ensayos de referencia tierra, instruir a los participantes a caminar sobre la tierra en una pasarela donde se recogerán los datos de captura de movimiento. Recoger un mínimo de 10 ciclos de zancada para establecer la línea base sobre suelo caminar.
   1. Si el sistema de captura de movimiento sólo permite la captura de movimiento en un espacio limitado, que el participante realice varias pasadas (p. ej., ensayos) a través del espacio de captura de movimiento. Al final de cada ensayo, el participante que pare, gire en su lugar y preparar para el investigador ' cue s para comenzar el ensayo siguiente.
   2. Para cada ensayo, asegúrese de que al menos dos ciclos de zancada se realizan dentro del espacio de captura de movimiento, no incluyendo los ciclos de primera y la última zancada.
      Nota: Estos ciclos inicial y final de la zancada se descartarán de análisis como son pasos de aceleración/desaceleración, estado no estacionario caminando.
   3. Que los participantes realizan varias (normalmente 10) sobre suelo pocos ensayos.
      1. Si se desea una velocidad específica, que el participante a pie a esa velocidad en la caminadora (en correas de atado) familiarizar a éste con la tarea. Luego, volver a la pasarela, instruir a los participantes a caminar a la misma velocidad como ella lo hizo en la cinta y tiempo al participante durante cada ensayo de sobre la tierra caminando. Dar feedback verbal entre cada ensayo a velocidad lenta o hasta abajo, si es necesario ²⁵.
2. Caminadora base de ensayos, instruir a los participantes a caminar sobre las correas de atado 1-5 min
   Nota: Esto constituye una prueba de referencia solo. Si el participante no está familiarizado con la cinta para correr caminar, este período puede ser alargado para permitir que la persona se siente cómodo con la tarea. Ensayos de
   1. partido speed(s) de línea de base para la speed(s) en el que se probarán los efectos secundarios, para permitir la comparación de la coordinación de la marcha de pre- y post-adaptación a velocidades equivalentes.
      Nota: Múltiples ensayos de línea de base (es decir, bloques de 1-5 min) a diferentes velocidades de correa atado pueden ser necesarios; por ejemplo, en el actual protocolo, ensayos de línea de base a velocidades de correa atado de 0,7 m y 1,4 m/s se colectaron porque eran las velocidades que se utiliza para evaluar efectos.

3. Período de adaptación

Nota: los participantes no necesitan ser instruidos que están a punto de caminar en cinturones de split. En muchos experimentos, incluyendo el actual, los participantes no se dijeron si cinturones será atado o split-; simplemente se les dice cuando la cinta se va arrancar o parar. Esto permite que el experimentador medir los efectos de un cambio imprevisto en el ambiente poca.

1. Mientras que el participante está de pie sobre las bandas de caminadora estacionaria, Inicio la cinta de cinturón de split con un cinturón de correr más rápido que el otro y permitir que el participante caminar por al menos 7 min (10-15 minutos es más común).
   1. Instruir a los participantes a mirar recto hacia delante, no hacia abajo a sus pies.
   2. Establecer una velocidad de banda más rápido que el otro (p. ej., 2-3 veces las diferencias entre velocidades de correa).
      Nota: Coeficientes de velocidad más altos se han utilizado en el pasado de ^{8 , 31}. El protocolo actual utiliza 0.7:1.4 m/s para una proporción 2:1.
      1. Aleatorias que pierna es impulsada por la correa más lento o elegir constantemente una pierna (ya sea dominante o no dominante) como la pierna que es conducida por la correa más lento.
      Diferencial de
      2. la velocidad de la cinta se puede introducir poco a poco (velocidad rápida de la banda es banda incrementalmente mayor o lenta velocidad incrementalmente disminuido durante varios minutos) o bruscamente (desde posición de parado, correas de acelerar a velocidad de objetivo dentro de segundos).
         Nota: La forma en que se introducen los cinturones de split puede afectar a cómo los individuos se adaptan, así transfieren el patrón adaptado a diferentes ambientes poca y así volver a adaptarse a split-correas 24 h más tarde ^{27 , 32}. en la actualidad, mayoría de los protocolos del caminar de split-correa (incluida la actual) introduce los cinturones de split abruptamente.
      3. Si se prevé que se rompe será necesario (p. ej., para niños, adultos mayores o personas con movilidad reducida), añadir descansos predeterminado en el protocolo para todos los participantes. Asegurarse de que la duración de estas pausas es constante; roturas imprevistas deben ser grabadas y programados, como puede ser un factor a considerar en el análisis ³³.

4. Coger juicio

Nota: ensayos de captura se realizan en la caminadora (correas de atado) y se utilizan para probar brevemente el participante ' efectos s hasta ahora en el protocolo, que indica cuánto se han adaptado. Un ensayo de captura es un cortocircuito (generalmente < 20 s) período de cinturón atado a pie para evaluar rápidamente el desarrollo de efectos secundarios durante el periodo de adaptación de split-banda.

1. Una vez el participante ha adaptado completamente a split-correas (mínimo de 7 min caminando de split-correa), brevemente detener los cinturones y reiniciar la caminadora con ambos cinturones de la corriente a la misma velocidad. Realizar el ensayo de captura a partir de la cinta a la misma velocidad como la banda más lento durante la adaptación de split-correa ²⁸ como secuelas más grande aquí.
   1. Para maximizar la amplitud de la secuela después de split-correa adaptación a 0.7:1.4 m/s, realizar el juicio captura a 0,7 m/s.
2. Para mitigar la adaptación, terminar la prueba de captura (es decir, deje la caminadora) una vez que el participante ha dado cinco pasos en el deseado coger velocidad de prueba (~ 10-15 s).
3. Para evaluar efectos secundarios en los ensayos de captura realizada a varias diversas velocidades a pie (u otros cambios en pocos contextos, por ejemplo, remite y caminar hacia atrás ²⁴), volver a adaptarse al participante por al menos 2 min en Split-correas entre cada uno coger juicio.
   Nota: El orden de los ensayos de captura debe ser al azar ²⁵ o el primer ensayo de captura debe ser re-probado cerca del final del período de adaptación para determinar si hubo una sistemática disminución de tamaño de la secuela con el cambio repetido de entre correas atadas (ensayos de captura) y split-correas (readaptación) ²⁸.
4. Tras el último coger juicio, deje la caminadora y reiniciar con split-correas (misma configuración como adaptación - ver paso 3.1.2) 2-5 minutos permitir que el participante vuelva a adaptar.

5. Adaptación post-prueba secuelas durante sobre suelo caminar

Nota: este paso es opcional y depende de los objetivos del experimento. En el presente Protocolo, los objetivos incluyen evaluación de generalización sobre suelo caminar, así una adaptación posterior sobre ensayos en tierra era período incluida.

1. Detener la cinta y transferencia al participante a la calzada de tierra utilizando una silla de ruedas, para evitar que los participantes dando pasos sin registrar antes de llegar a la zona de grabación.
2. Instruir a los participantes a caminar por la pasarela de la superficie, como en el paso 2.1.
   1. Si se desea una velocidad de marcha específica, instruir individuos para replicar la base de referencia a poca velocidad ²⁵.
   2. a totalmente lavado-hacia fuera sobre suelo caminar secuelas así que gente regresa a la coordinación de su línea de base, que los participantes realizar los pases a pie 10-15 en una 6 m sobre la calzada de tierra
      Nota: Se ha demostrado ser suficiente ^{26 , 27} y asciende a unos 30 pasos ²⁷. Si en tierra caminando no se registra continuamente (por ejemplo, se toman varias pasadas a través del área de grabación), habrá varios pasos que no se analizan entre cada suelo caminar ensayo, como el participante se ralentiza, se convierte en el lugar, y comienza a caminar en otra dirección. El índice de la adaptación en durante ensayos de la adaptación (OG PA) de tierra debe ser interpretado con cautela a menos que el montaje experimental permite grabación continua de sobre suelo caminar.

6. Adaptación post-prueba secuelas durante la cinta de correr caminar

Nota: como en el paso 5, este paso es opcional y depende de los objetivos del estudio. Si un período de OG PA se incluyó, el periodo de adaptación después de caminadora posteriores pruebas para detectar la presencia de secuelas de caminadora después sobre secuelas de la tierra han sido descoloridas ^{23 , 26 , 27}. Si no ha habido ningún período de OG PA, el periodo de adaptación después de rueda de ardilla puede utilizarse para evaluar las secuelas de la cinta de correr (primer 1-5 pasos de la adaptación) o adaptación la caminadora precios ^{22 , 29 , 34}.

1. Si no hubo PA de OG, al final del período de adaptación, breve parada la cinta y volver a empezar con las correas de atado. Si hubo una tierra periodo caminar, usar la silla de ruedas para el transporte de los participantes a la caminadora estacionaria y volver a empezar con las correas de atado; la silla de ruedas es importante para reducir al mínimo el número de pasos que no son grabados.
   1. a simplemente medir el tamaño de la secuela, cinturón atado a pie por un corto período de registro (por ejemplo, 30 s). Para evaluar las tasas de la adaptación, grabar correa de atado continuo caminando durante un mínimo de 10 minutos para asegurar el completo lavado a efectos.
   2. Ajustar la velocidad de las correas atadas durante el período de post-adaptación según las hipótesis planteadas, como la cinta más grande secuelas ocurren cuando la velocidad de la cinta atada coincide con el de la correa más lento durante la adaptación de split-correa ^{25 , 28}. Si la adaptación se realiza a velocidades split-cinturón de 0,7 y 1,4 m/s, ajustar la velocidad del cinturón atado a 0,7 m/s para observar las secuelas mayores.

Resultados

Caminar sobre una cinta de cinturón de fractura inicialmente provoca grandes asimetrías en coordinación interlimb. Durante un período de 10-15 minutos, poco a poco se restablece simetría en muchas de estas medidas. Detallada descripción de cómo cinemática a pie cambio de parámetros sobre el curso de adaptación de la cinta de cinturón de split ha sido publicado en otra parte^8,10. Este tr...

Discusión

Numerosos estudios han demostrado ahora que personas adaptan coordinación marcha en cinta rodante de una cinturón de split para restaurar la simetría en los parámetros de coordinación interlimb como paso de largo y la duración del doble apoyo. Cuando las condiciones naturales de pie restaurada siguiente split correa caminar, los participantes continúan utilizando el patrón de marcha adaptado, lleva a secuelas que tienen que desaprender para volver a la coordinación normal de a pie. Los investigadores utilizan pr...

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
Split-belt treadmill	Woodway
Codamotion CX1	Charmwood Dynamics, Ltd, Leicestershire, UK