En utilisant un tapis roulant de courroies pour évaluer la généralisation de l’Adaptation locomotion humaine

Résumé

Les auteurs décrivent un protocole pour l’étude de l’adaptation humaine locomotrice utiliser le tapis roulant de courroies, qui a deux ceintures qui peuvent de piloter chaque jambe à un rythme différent. Plus précisément, nous nous concentrons sur un paradigme visant à tester la généralisation des patrons locomotrices adaptés aux différents contextes à pied (p. ex., démarche vitesses, marche des environnements).

Résumé

La compréhension des mécanismes sous-jacents locomotrice apprentissage aide les chercheurs et cliniciens optimiser la démarche recyclage dans le cadre de la rééducation motrice. Toutefois, il peut être difficile d’étudier l’apprentissage humain locomotrice. Au cours de la petite enfance et l’enfance, le système neuromusculaire est assez immature, et il est peu probable que locomotrice apprentissage durant les premiers stades du développement est régi par les mêmes mécanismes que dans l’âge adulte. Par les humains de temps arriver à maturité, ils sont donc compétents à marcher qu’il est difficile d’aboutir à une tâche suffisamment originale pour étudier l’apprentissage locomotrice de novo . Le tapis de course de courroies, qui a deux ceintures qui peuvent de piloter chaque jambe à un rythme différent, permet l’étude de deux court-(c.-à-d.immédiate) et à long terme (c'est-à-dire, ces minutes-jours ; une forme d’apprentissage moteur) modifications en réponse à la démarche une nouveau changement dans l’environnement à pied. Individus peuvent facilement projetés pour une exposition antérieure au tapis roulant courroies, assurant ainsi que tous les participants expérimentales n’ont pas (ou équivalent) une expérience antérieure. Cet article décrit un protocole d’adaptation typique courroies tapis roulant qui intègre des méthodes d’essai afin de quantifier l’apprentissage locomotrice et généralisation de cet apprentissage dans d’autres contextes à pied. Une discussion des considérations importantes pour la conception de tapis roulant courroies expériences suit, y compris des facteurs comme le tapis roulant courroie vitesses, pauses et distracteurs. En outre, potentiel mais peu étudiée des variables confondantes (p. ex., des mouvements de bras, une expérience antérieure) sont considérés dans la discussion.

Introduction

Un tapis roulant les courroies a deux ceintures qui peuvent de piloter chaque jambe à un rythme différent, ou dans une autre direction. Ce dispositif a été utilisé tout d’abord il y a comme un outil de plus de 45 ans afin d’étudier la coordination entre les jambes (c.-à-d., coordination interlimb) durant la marche¹. Cela et autres études au début principalement utilisaient les chats comme un modèle expérimental^1,2,3, mais les insectes ont été également étudiés⁴. Les premières enquêtes de courroies de locomotion chez les bébés humains et adultes ont été publiées en 1987 et 1994, respectivement de^5,6. Ces premières études chez les animaux humains et non-humains étudié principalement à court terme (c'est-à-direimmédiat) Rajustements en coordination interlimb pour préserver la stabilité et la progression vers l’avant lorsque les jambes sont conduits à des vitesses différentes. Une étude réalisée en 1995 a fait remarquer que plus longues périodes (plusieurs minutes) courroies marche affaibli la capacité des humains adultes perçoivent la vitesse du tapis de course tapis avec précision et de faire des ajustements pour égaliser les vitesses de chaque côté. Ceci suggère que la cartographie sensorimotrice de marche a été recalibré⁷. Cependant, ce n’est que 2005 que le premier rapport cinématique de l’adaptation humaine moteur détaillé plus de 10 minutes de courroies tapis de course à pied a été publiée⁸.

Adaptation moteur désigne un processus pilotée par erreur au cours de laquelle des mappages sensorimotrices des mouvements bien savants sont ajustés en réponse à une demande nouvelle, prévisible⁹. C’est une forme d’apprentissage moteur qui se produit sur une période de champ d’exercice élargi (minutes et heures) et entraîne des effets secondaires, qui sont des changements dans le modèle de mouvement lorsque la demande est retirée et/ou les conditions revienne à la normale. Par exemple, marcher sur split-ceintures initialement pousse les gens à marcher avec une coordination interlimb asymétrique, ressemblant à une boiterie. Avec quelques minutes de marche des courroies, les gens s’adaptent leur coordination marche afin que leur démarche devient plus symétrique. Lorsque les deux ceintures revenir ultérieurement à la même vitesse (c.-à-d. lié-ceintures), rétablissant ainsi les conditions normales de marche, gens démontrent séquelles en marchant avec coordination asymétrique. Ces séquelles doivent être activement hors adaptés ou désappris sur plusieurs minutes de ceinture attachée marche avant coordination marche normale est restaurée⁸.

Après les 2005 Reisman et al. ⁸ analyse cinématique de ceinture de split à pied chez les humains, utilisation du tapis roulant courroies en recherches publiées a augmenté d’environ dix fois par rapport à la décennie précédente. Pourquoi le tapis de course courroies devient plus populaire comme un outil expérimental ? Courroies ambulation est clairement une tâche de laboratoire – l’analogue de monde réel plus proche est tournant ou à pied dans un cercle serré, mais le tapis de course courroies induit une version beaucoup plus extrême de se transformer, avec une jambe conduite deux à quatre fois plus vite que l’autre. Le fait que le tapis roulant de courroies est qu'une tâche très inhabituelle de marche offre plusieurs avantages pour l’étude d’apprentissage locomotrice. Tout d’abord, c’est nouveau pour la plupart des gens indépendamment de l’âge et indépendant de la marche d’expérience ; Il est facile aux participants expérimental écran de nouveauté de la marche des courroies. Deuxièmement, le tapis roulant de courroies induit des changements considérables en coordination interlimb qui ne sont pas résolus rapidement. Le taux relativement faibles de l’adaptation et dé-adaptation nous permette d’étudier comment les différentes formation interventions peuvent modifier ces tarifs sans aborder un plafond. Troisièmement, la cinématique^8,10, cinétique^11,12,13,14, électromyographique^6,15,16 , et perceptuelles^7,17,18,19 modifications qui se produisent avec adaptation de courroies tapis de course ont été bien étudiées, comme a le contrôle neural de cette tâche^{20 ,21,22}. En d’autres termes, des adaptations au tapis roulant courroies ont été documentées et répliquées par plusieurs groupes différents, ce qui en fait une tâche d’apprentissage locomotrice bien caractérisés.

Au cours des dix dernières années, plusieurs études ont démontré la nature de la tâche - et spécifique au contexte de l’adaptation de courroies. Séquelles après adaptation de courroies sont considérablement réduits en amplitude si elles sont testées dans des conditions différentes de la condition de formation. Par exemple, les séquelles sont plus faibles si la personne est amenée dans un environnement différent (par exemple, sur sol marche²³), effectue une tâche locomoteur différente (par exemple, vers l’arrière marche ou course^13, ( ²⁴), ou même se promène à une vitesse différente de la vitesse de la courroie plus lente au cours de l’adaptation,²⁵. Les efforts pour établir des paramètres qui régissent la généralisation de l’adaptation locomotrice se poursuivent.

L’objectif de cet article est de décrire un protocole pour l’utilisation du tapis de course de courroies pour étudier l’adaptation humaine locomotrice et généralisation du modèle adapté à d’autres contextes de marche (c'est-à-dire, différentes vitesses de marche et environnements). Alors que le protocole décrit ici est le plus directement dérivée de celle utilisée dans Hamzey et al. ²⁵ (figure 1a), il est à noter que ce protocole a été informé par un certain nombre d’études qui l’ont précédée,^{8,23,24,26, 27,},²⁸. La méthode a été initialement développée pour vérifier l’hypothèse que maintenir la constance de la vitesse de marche entre le tapis de course et de milieux de terrain améliorerait la généralisation des courroies marchant à travers ces différents environnements²⁵. Dans la section protocole ci-dessous, nous donnons des instructions sur la façon de reproduire cette version de la méthode de courroies tapis de course, avec des notes qui indiquent comment certaines étapes du protocole peuvent être modifiées à des fins différentes méthode.

Protocole

toutes les procédures ont été approuvées par la Commission de révision institutionnelle à l’Université de Stony Brook.

1. montage expérimental

Remarque : reportez-vous aux 1-définitions de fichier supplémentaire pour les définitions des termes couramment utilisés dans les expériences de tapis roulant courroies.

1. Écran tous les participants pour une expérience antérieure avec le tapis de course courroies.
   Remarque : Les gens auraient dû être divulgués à se réadapter plus vite au tapis roulant courroies suite à une exposition antérieure au il ^{29 , 30}. L’échelle de temps au cours de laquelle les gens " oublier " le tapis roulant les courroies ne connaît pas actuellement ; ainsi, une expérience antérieure avec le tapis roulant les courroies peut-être être une variable confusionnelle si elle n’est pas contrôlée.
2. Effectuer tous les tests dans un environnement calme et de minimiser l’activité dans la salle d’examen.
3. Ensemble vers le haut une motion tracking système (selon les instructions du système) au mouvement record sur un tapis roulant de courroies et une plus au sol passerelle.
   NOTE : par exemple, le protocole actuel utilisé une motion système de suivi avec des marqueurs LED actifs. Quatre unités montées sur trépied capteur détecté la position tridimensionnelle des marqueurs actifs, avec deux unités placées de chaque côté (à droite et à gauche du tapis roulant) et deux de chaque côté d’un passage couvert 7 m.
4. Équiper le participant avec le mouvement suivi de marqueurs, électromyographie, etc..
5. Examiner notamment une partition entre les deux ceintures du tapis roulant courroies pour empêcher les jambes de passage sur la courroie controlatérale. Cette partition n’est pas strictement nécessaire pour les adultes neurologiquement intacte mais peut s’avérer utile pour tester les enfants ou les populations cliniques. Notez que la présence d’une partition probable augmente largeur d’étape ; Toutefois, on ignore l’ampleur à laquelle cela affecte les courroies adaptation.
6. Mis en place un harnais de sécurité sur le tapis roulant pour protéger le participant de tomber pendant le tapis de course à pied.
   Remarque : Le harnais ne devrait pas soutenir de poids corporel, à moins que cela fait partie de la question de recherche. Bien que tombant au cours de la marche sur tapis roulant est extrêmement rare, de nombreux comités d’éthique de recherche exigent des harnais de sécurité pour utilisation.
7. Conserver cohérence dans les bras de mouvement selon le paradigme expérimental et les participants. Quand décider sur le type de mouvement du bras (p. ex., tenant les mains courantes, balançant les bras naturellement), considère ce qui sera confortable pour le groupe sujet et si typique bras swing masquent la visibilité des critiques marqueurs utilisés pour le mouvement de capture) par exemple, pour les marqueurs placés sur les hanches).
   1. Indépendamment de mouvement du bras, demander à tous les participants à tenir mains courantes tout en démarrant et en arrêtant le tapis roulant pour sécurité.
8. Maintenir la cohérence dans la pente à travers le paradigme expérimental.
   Remarque : À notre connaissance, tous les protocoles de tapis roulant les courroies publiées, y compris l’actuel, ont utilisé zéro pente pour tapis de course et de marche au sol.

2. Période de référence

Remarque : l’objectif de la période de base est d’établir quelle coordination normale de marche est pour chaque personne. Coordination de base devrait être testée dans toutes les conditions dans lesquelles les séquelles sont testés. Par exemple, dans le protocole actuel, les séquelles ont été testés durant le tapis roulant et sur fond de marche à différentes vitesses (0,7 et 1,4 m/s). Par conséquent, base sur des essais au sol et tapis roulant à 0,7 et 1,4 m/s ont été inclus. Cela permet une comparaison directe des séquelles de coordination marche de base à la même vitesse et contexte. Sur sol à base de marche essais peuvent être éliminées lorsque les objectifs expérimentaux n’incluent pas de généralisation à sur sol marche.

1. Pour sur les essais de terrain de base, demander au participant de marcher sur le sol sur une passerelle où les données de capture de mouvement peuvent être collectées. Recueillir un minimum de 10 cycles de stride pour établir la ligne de base sur terrain à pied.
   1. Si la motion capture système ne permet que de capture de mouvement dans un espace limité, ont le participant à effectuer plusieurs passes (p. ex., essais) par le biais de l’espace de capture de mouvement. À la fin de chaque essai, demander au participant d’arrêter, mettre en place et se préparer pour le chercheur ' cue s afin de commencer le prochain procès.
   2. Pour chaque essai, s’assurer qu’au moins deux cycles de foulée sont effectués au sein de l’espace de capture de mouvement, sans compter les cycles de la première et la dernière foulée.
      Remarque : Ces cycles stride initiaux et finaux seront éliminées de l’analyse car ils sont enjambées d’accélération/décélération, marche pas stabilisées.
   3. Que les participants effectue plusieurs (typiquement 10) plus quelques essais de sol.
      1. Si vous désirez une vitesse spécifique, ont la participants de la marche à cette vitesse sur le tapis de course (sur les ceintures attachées) pour que lui puisse se familiariser avec la tâche. Puis, revenir à la passerelle, demander au participant de marcher à la même vitesse, comme il l’a fait sur le tapis roulant et temps du participant au cours de chaque essai d’au-dessus de sol marche. Donner une rétroaction verbale entre chaque essai pour accélérer jusqu'à ou lentement vers le bas, si nécessaire ²⁵.
2. Pour les essais de référence de tapis roulant, demander au participant de marcher sur les ceintures attachées pour 1-5 min.
   Remarque : Il s’agit d’un procès de base unique. Si le participant n’est pas familier avec le tapis de course à pied, ce délai peut être prolongé pour permettre à la personne à devenir à l’aise avec la tâche. Essais
   1. match les vitesses de base pour les vitesses au cours de laquelle les séquelles seront testés, pour permettre une comparaison de la coordination de la démarche avant et après adaptation à des vitesses équivalentes.
      Remarque : Plusieurs essais de base (c.-à-d., des blocs de 1-5 min) à des vitesses différentes de ceinture attachée peuvent être exigés ; par exemple, dans le protocole actuel, les essais de base à des vitesses de ceinture attachée de 0,7 m/s et 1,4 m/s ont été prélevés parce que ce sont les vitesses utilisés pour évaluer les séquelles.

3. Stage d’adaptation

Remarque : les Participants n’ont pas besoin d’être avisés qu’ils sont sur le point de marcher sur les ceintures de split. Dans de nombreuses expériences, y compris celui en cours, les participants ne sont pas racontées si les ceintures seront attachés - ou split- ; ils sont simplement dit lorsque le tapis de course vont être démarrage ou d’arrêt. Cela permet à l’expérimentateur de mesurer les effets d’un changement imprévu dans l’environnement marche.

1. Tandis que le participant se tient sur les courroies de tapis roulant stationnaire, démarrer le tapis de course de courroies avec une ceinture de courir plus vite que l’autre et permettre au participant de marcher pendant au moins 7 min (10-15 min est la plus répandue).
   1. Demander au participant de regarder droit devant, pas vers le bas à leurs pieds.
   2. Définir une vitesse de bande plus vite que l’autre (par exemple, 2-3 pli différences entre les vitesses de ceinture).
      Remarque : Des taux élevés de vitesse ont été utilisés dans le passé de ^{8 , 31}. Le protocole actuel utilise 0.7:1.4 m/s pour un ratio de 2:1.
      1. Aléatoire dont la jambe est entraînée par la courroie plus lente ou choisissez toujours une jambe (dominante ou non dominante) comme la jambe qui est entraînée par la courroie plus lente.
      Prime de
      2. la vitesse de la courroie peut se faire progressivement (vitesse rapide ceinture est ceinture progressivement accru et/ou lente Vitesse incrementalement diminuée sur plusieurs min) ou brutalement (de position arrêtée, ceintures accélérer à la vitesse cible quelques secondes).
         Remarque : Le chemin que split-ceintures sont introduites peut affecter comment les individus s’adaptent, comment bien ils cèdent le modèle adapté aux différents environnements marche et comment ils se réadapter à split-ceintures 24 h plus tard ^{27 , 32}. actuellement, la plupart des protocoles marche de courroies (y compris l’actuel) introduisent les split-ceintures brusquement.
      3. S’il est prévu que les pauses seront nécessaires (par exemple, pour les jeunes enfants, personnes âgées ou des personnes à mobilité réduite), ajouter des pauses prédéterminé au protocole pour tous les participants. S’assurer que la longueur de ces ruptures ; pauses imprévues doivent être enregistrées et chronométrés, car cela peut être un facteur à considérer dans l’analyse ³³.

4. Attraper des procès

Remarque : Catch essais sont effectués sur le tapis roulant (ceintures attachées) et sont utilisés pour tester brièvement le participant ' séquelles s jusqu’ici dans le protocole, indiquant combien ils se sont adaptés. Un essai de capture est une courte (habituellement < 20 s) période de ceinture attachée marche pour rapidement évaluer le développement des séquelles au cours de la période d’adaptation courroies.

1. Une fois que le participant s’est entièrement adapté aux ceintures de split (minimum de courroies de 7 min à pied), brièvement arrêter les ceintures et remettre en marche le tapis de course avec les deux ceintures fonctionnant à la même vitesse. Effectuer l’essai de captures en démarrant le tapis roulant à la même vitesse que la ceinture plus lente au cours de l’adaptation de courroies ²⁸ comme séquelles seront plus grands ici.
   1. Pour maximiser l’amplitude après la cessation d’effet après adaptation de courroies à 0.7:1.4 m/s, effectuer l’essai de catch à 0,7 m/s.
2. Pour atténuer la dé-adaptation, mettre fin à l’instruction catch (c'est-à-dire arrêter le tapis de course) une fois que le participant a pris environ cinq foulées à l’attraper vitesse du procès (~ 10-15 s).
3. Pour évaluer les séquelles dans les essais de prises effectuées à plusieurs différentes vitesses de marche (ou d’autres changements dans quelques contextes, par exemple, en avant et en arrière marche ²⁴), réadapter le participant pendant au moins 2 min sur Split-ceintures entre chaque capture procès.
   Remarque : L’ordre des essais de capture doit être randomisés ²⁵ et/ou du premier procès de prises devraient être testé de nouveau vers la fin de la période d’adaptation pour déterminer s’il y avait une diminution systématique après la cessation d’effet taille avec commutation répétées entre les ceintures attachées (essais des captures) et split-ceintures (réadaptation) ²⁸.
4. Suivant le dernier attraper des procès, arrêter le tapis roulant et redémarrer avec split-ceintures (même configuration que l’adaptation - voir étape 3.1.2) pendant 2-5 min permettre au participant de se réadapter.

5. Après adaptation-tests séquelles durant plus de sol marche

Remarque : cette étape est facultative et dépend des objectifs de l’expérience. Dans le présent protocole, les objectifs comprenaient l’évaluation la généralisation qui sur le terrain à pied, donc une adaptation après au cours d’essais au sol période figurait.

1. Arrêter le tapis roulant et transférer le participant à plus de passage couvert en fauteuil roulant, afin d’empêcher les participants de prendre des mesures non enregistrés avant d’atteindre la zone d’enregistrement.
2. Demander au participant de marcher le long de la promenade trop au sol, comme à l’étape 2.1.
   1. Si vous désirez un rythme de marche spécifique, instruire individus pour répliquer la base marche vitesse ²⁵.
   2. à complètement de wash-out sur sol marche séquelles alors que les gens retournent à la coordination de leur base, ont les participants effectuer 10 à 15 passes à pied sur un passage couvert 6 m
      Remarque : Cela s’est avéré être suffisant ^{26 , 27} et des montants à peu près 30 progrès ²⁷. Si au cours de la marche au sol n’est ne pas en continu enregistrée (par exemple, plusieurs passes sont prises par le biais de la zone d’enregistrement), il y aura plusieurs étapes qui ne sont pas analysés entre chacun sur terre quelques procès, comme le participant ralentit, se transforme en place, et commence à marcher dans l’autre sens. Le taux dé-d’adaptation en plus des essais au sol après adaptation (OG PA) doit être interprété avec prudence sauf si le montage expérimental permet un enregistrement continu de sur sol marche.

6. Après adaptation-tests séquelles durant la marche sur tapis roulant

Remarque : comme à l’étape 5, cette étape est facultative et dépend des objectifs de l’étude. Si une période OG PA a été incluse, la période d’après adaptation ultérieure de tapis roulant tests pour la présence de séquelles de tapis roulant après plus de séquelles de sol ont été délavées ^{23 , 26 , 27}. si il n’y avait aucune période OG PA, la période d’adaptation après tapis roulant peut être utilisée pour évaluer les séquelles du tapis roulant (premières foulées de 1-5 d’après adaptation) et/ou taux dé-d’adaptation tapis de course ^{22 , 29 , 34}.

1. Si il n’y avait aucun PA OG, à la fin de la période d’adaptation, arrêter le tapis de course brièvement puis réamorcez avec ceintures attachées. S’il y avait une terre période marche, utiliser le fauteuil roulant pour transporter les participants vers le tapis roulant stationnaire et re-démarrer avec ceintures attachées ; le fauteuil roulant est important afin de minimiser le nombre d’étapes qui ne sont pas enregistrées.
   1. Pour mesurer simplement après la cessation de l’effet, enregistrer ceinture liés à pied pendant une courte période (par exemple, 30 s). Afin d’évaluer le taux de dé-adaptation, enregistrer continu lié-ceinture marche pendant au moins 10 min pour assurer la complète de wash-out des séquelles.
   2. Régler la vitesse de ceintures de sécurité attachées au cours de la période d’adaptation après selon les hypothèses posées, comme le tapis de course plus importantes séquelles se produisent lorsque la vitesse de la courroie attachée correspond à celui de la ceinture plus lente au cours de l’adaptation de courroies ^{25 , 28}. Si l’adaptation est réalisée à une vitesse de courroies de 0,7 à 1,4 m/s, régler la vitesse de la courroie liée à 0,7 m/s pour observer les plus grandes séquelles.

Résultats

Marcher sur un tapis roulant de courroies initialement provoque grands asymétries en coordination interlimb. Sur une période de 10-15 min, symétrie dans bon nombre de ces mesures est progressivement restauré. Une description des changements de paramètres marche comment cinématique détaillée sur le cours de l’adaptation de courroies tapis de course ont été publiés ailleurs^8,10. Cet art...

Discussion

De nombreuses études ont montré que les personnes s’adaptent coordination marche sur un tapis roulant de courroies afin de rétablir la symétrie dans les paramètres de coordination interlimb comme la longueur de l’étape et support double durée. Lorsque des conditions naturelles à pied sont restauré suivant courroies marche, les participants continuent en utilisant le modèle de démarche adaptée, conduisant à des effets secondaires qui doivent être désappris afin de revenir à la coordination de marche no...

matériels

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