Usando uma escada rolante Split-cinto para avaliar a generalização de adaptação de locomoção humana

Resumo

Descreveremos um protocolo para a investigação de adaptação de locomoção humana usando o treadmill split-correia, que tem dois cintos que podem conduzir cada perna em uma velocidade diferente. Focalizamos especificamente um paradigma concebido para testar a generalização de padrões de locomoção adaptados aos diferentes contextos curta (por exemplo, velocidades de marcha, andando de ambientes).

Resumo

Compreender os mecanismos de aprendizagem motora subjacente ajuda pesquisadores e clínicos otimizar marcha reciclagem como parte da reabilitação de motor. No entanto, estudando a aprendizagem motora humana pode ser um desafio. Durante a infância e a infância, o sistema neuromuscular é muito imaturo, e é improvável que aprendizagem motora durante as fases iniciais de desenvolvimento é regulada pelos mesmos mecanismos como na idade adulta. Pelos seres humanos tempo atingir a maturidade, são tão eficientes a curta que é difícil de arranjar uma tarefa suficientemente nova para estudar a aprendizagem motora de novo . A esteira de separação-cinto, que tem dois cintos que podem conduzir cada perna em uma velocidade diferente, permite o estudo de dois curtas-(ou seja, imediata) e a longo prazo (ou seja, nos minutos-dias; uma forma de aprendizagem motora) marcha modificações em resposta a um nova mudança no ambiente ambulante. Indivíduos facilmente podem ser selecionados para exposição anterior a esteira separação-cinto, garantindo assim que todos os participantes experimentais não têm (ou equivalente) experiência prévia. Este artigo descreve um protocolo de adaptação de esteira de separação-cinto típico que incorpora os métodos de ensaio para quantificar a aprendizagem motora e generalização deste aprendizado para outros contextos ambulante. Uma discussão de considerações importantes para a concepção de divisão-cinto esteira segue, incluindo fatores como esteira correia velocidades, intervalos de descanso e desviadores de experiências. Além disso, potencial mas pouco estudado confundimento variáveis (por exemplo, os movimentos do braço, experiência prévia) são consideradas na discussão.

Introdução

Uma esteira de separação-cinto tem dois cintos que podem guiar cada perna em uma velocidade diferente ou em uma direção diferente. Este dispositivo foi usado primeiramente mais de 45 anos atrás como uma ferramenta para estudar a coordenação entre as pernas (ou seja, coordenação interlimb) durante a marcha¹. Este e outros estudos iniciais usada principalmente gatos como um modelo experimental^1,2,3, mas os insetos também foram estudados⁴. As primeiras investigações de locomoção de split-cinto em bebês humanos e adultos foram publicadas em 1987 e 1994, respectivamente,^5,6. Estes estudos iniciais em animais humanos e não humanos principalmente investigaram a curto prazo (ou seja, imediata) ajustes na coordenação interlimb para preservar a estabilidade e progressão para a frente, quando as pernas são conduzidas em diferentes velocidades. Um estudo de 1995 observou que períodos mais longos (vários minutos) de divisão-cinto andando diminuída a capacidade dos humanos adultos com precisão perceber a velocidade da correia de esteira e fazer ajustes para igualar as velocidades de cada lado. Isto sugere que o mapeamento sensório-motor de andar tinha sido recalibrada⁷. No entanto, não foi até 2005, que o primeiro cinemático relatório detalhado da adaptação motor humano mais de 10 minutos de esteira de separação-cinto andando foi publicado⁸.

Adaptação motor refere-se a um processo orientado em erro, durante o qual mapeamentos sensório-motor dos movimentos bem aprendidos são ajustados em resposta a uma demanda previsível, Nova⁹. É uma forma de aprendizagem motora que ocorre durante um período prolongado de prática (minutos a horas) e resulta em efeitos secundários, que são as alterações no padrão de movimento quando a demanda é removida e/ou condições de voltar ao normal. Por exemplo, andar na divisão-cintos inicialmente faz com que as pessoas andem com coordenação interlimb assimétrica, assemelhando-se a coxear. Ao longo de vários minutos de split-cinto andando, pessoas adaptarem sua coordenação ambulante assim sua marcha torna-se mais simétrica. Quando os dois cintos retornam posteriormente para a mesma velocidade (ou seja, amarrado-correias), restaurando assim condições normais ambulante, as pessoas demonstram sequelas andando com coordenação assimétrica. Estes efeitos devem ser ativamente de adaptados ou aprendido ao longo de vários minutos de cinto amarrado a andar antes de coordenação pé normal é restaurada⁸.

Seguindo a. Reisman et al 2005 ⁸ análise cinemática da divisão correia andando em seres humanos, o uso da esteira separação-cinto na pesquisa publicada aumentou aproximadamente dez vezes em comparação com a década anterior. Por que a esteira de separação-cinto está se tornando mais popular como uma ferramenta experimental? Split-cinto deambulação é claramente uma tarefa de laboratório – o analógico mundo real mais próximo está virando ou andando em círculo apertado, mas a esteira de separação-cinto induz uma versão muito mais extrema de viragem, com uma perna sendo conduzida duas a quatro vezes mais rápido do que o outro. O fato de que a esteira de separação-cinto é que uma tarefa altamente incomum ambulante oferece diversas vantagens para estudar a aprendizagem motora. Primeiro, é a novela para a maioria das pessoas, independentemente da idade e independente de curta experiência; é fácil aos participantes experimental de tela para a novidade de dividir-cinto andar. Em segundo lugar, a esteira de separação-cinto induz mudanças consideráveis na coordenação interlimb que não são resolvidas rapidamente. As taxas relativamente lentas de adaptação e de adaptação nos permitem estudar a formação como diferente intervenções podem alterar estas taxas sem se aproximando de um teto. Terceiro, a cinemática^8,10, cinética^11,12,13,14, eletromiográfica^6,15,16 , e perceptual^7,17,18,19 modificações que ocorrem com adaptação de cinto de separação da esteira foi bem estudadas, e tem o controle neural desta tarefa^{20 ,21,22}. Em outras palavras, adaptações para a esteira de separação-cinto foram documentadas e replicadas por vários grupos diferentes, esta fazendo uma tarefa de aprendizagem motora bem caracterizadas.

Nos últimos dez anos, diversos estudos têm demonstrado a natureza específicos do contexto e tarefa de adaptação de cinto de divisão. Sequelas após separação-cinto de adaptação são significativamente reduzidas em amplitude se eles são testados em condições diferentes a partir da condição de treinamento. Por exemplo, os efeitos são menores, se a pessoa for movida para um ambiente diferente (por exemplo, sobre o chão andar²³), executa uma tarefa diferente de locomoção (por exemplo, para trás caminhar ou correr^{13, 24}), ou mesmo anda a uma velocidade que difere da velocidade da correia mais lenta durante a adaptação,²⁵. Esforços para estabelecer parâmetros que regem a generalização de adaptação de locomoção estão em andamento.

O objetivo deste trabalho é descrever um protocolo para o uso da esteira de separação-cinto para investigar de adaptação de locomoção humana e generalização do padrão adaptada para outros contextos ambulante (ou seja, diferentes velocidades ambulante e ambientes). Enquanto o protocolo descrito aqui é mais diretamente derivada do utilizado no Hamzey et al . ²⁵ (Figura 1a), deve-se notar que este protocolo foi informado por um número de estudos que o precederam^{8,23,24,26, 27,28}. O método foi originalmente desenvolvido para testar a hipótese de que mantendo a constância na velocidade de caminhada entre a esteira e ambientes de chão melhoraria a generalização da divisão-cinto atravessando esses diferentes ambientes²⁵. Na seção protocolo abaixo, damos instruções sobre como replicar esta versão do método split-correia da escada rolante, com notas que indicam como determinadas etapas de protocolo podem ser modificadas para fins diferentes do método.

Protocolo

todos os procedimentos foram aprovados pelo Conselho de revisão institucional da Universidade Stony Brook.

1. Montagem experimental

Nota: consulte Arquivo complementar 1-definições para definições de termos comuns utilizados em experiências de divisão-cinto esteira.

1. Tela todos os participantes para uma experiência prévia com a esteira de separação-cinto.
   Nota: As pessoas têm sido mostradas para se readaptarem mais rápido para a esteira de separação-cinto seguindo uma exposição prévia a ele ^{29 , 30}. A escala de tempo sobre o qual as pessoas " se esqueça " split-cinto esteira atualmente não é conhecida; assim, experiência prévia com a esteira de separação-cinto pode ser uma variável de confundimento, se não for controlada.
2. Realizar todos os testes em um ambiente tranquilo e minimizar as atividades na sala de teste.
3. Conjunto até um rastreamento sistema (de acordo com as instruções do sistema) para gravar movimento sobre uma esteira de separação-cinto e um excesso de movimento à terra passarela.
   Nota: por exemplo, o protocolo atual usado um sistema de rastreamento com marcadores de LED ativos de movimento. Quatro unidades de tripé montado sensor detectou a posição tridimensional dos marcadores de ativo, com duas unidades colocadas em ambos os lados (direita e esquerda da esteira) e dois de cada lado de um 7M sobre passarela do chão.
4. Equipar o participante com movimento de rastreamento de marcadores, eletromiografia, etc.
5. Considere incluindo uma divisória entre os dois cintos de esteira separação-cinto para evitar que as pernas da passagem para o cinto contralateral. Esta partição não é estritamente necessária para adultos neurologicamente intacto, mas pode ser útil para testar crianças ou populações clínicas. Observe que a presença de uma partição provável aumenta a largura de passo; no entanto, na medida em que isso afeta split-cinto adaptação é desconhecida.
6. Configurar um arnês de segurança sobre a esteira para proteger o participante de cair durante a esteira andando.
   Nota: O arnês não devem apoiar o peso corporal, a menos que isto é parte da pergunta da pesquisa. Embora a queda durante a caminhada de esteira é extremamente raro, muitos conselhos de ética de pesquisa exigem o uso de cinto de segurança.
7. Manter consistência no braço de movimento entre o paradigma experimental e entre os participantes. Quando decidir sobre o tipo de movimento do braço (por exemplo, segurando o corrimão, balançando os braços naturalmente), considera que vai ser confortável para o grupo de assunto e se balanço típico de braço irá obscurecer a visibilidade dos marcadores críticos utilizados para movimento capturam ( por exemplo, para os marcadores colocados nos quadris).
   1. Independentemente do movimento do braço, instruir a todos os participantes para segurar o corrimão enquanto iniciar e parar a esteira para segurança.
8. Manter a consistência em declive entre o paradigma experimental.
   Nota: Para o nosso conhecimento, todos os protocolos de esteira de separação-cinto publicados, incluindo a atual, utilizaram zero inclinação para esteira e sobre a terra caminhando.

2. Período de base

Nota: o período de base visa estabelecer que coordenação pé normal é para cada pessoa. Coordenação de linha de base deve ser testada em todas as condições em que as sequelas são testadas. Por exemplo, no actual protocolo, sequelas foram testadas durante a escada rolante e pelo chão, andar em diferentes velocidades (0,7 e 1,4 m/s). Portanto, a linha de base sobre ensaios de solo e esteira em 0,7 e 1,4 m/s foram incluídos. Isto permite uma comparação direta de sequelas para coordenação ambulante de linha de base na mesma velocidade e contexto. Pelo chão, andando de base julgamentos podem ser eliminados quando os objetivos experimentais não incluem a generalização para mais chão andando.

1. Para sobre ensaios de solo de base, instruir o participante a caminhar sobre a terra em uma passarela onde podem ser coletados dados de captura de movimento. Recolha um mínimo de 10 ciclos de passo para estabelecer a linha de base sobre chão andando.
   1. Se o movimento captura o sistema só permite para captura de movimento dentro de um espaço limitado, ter o participante a executar várias passagens (por exemplo, ensaios) através do espaço de captura de movimento. No final de cada julgamento, instruir o participante a parar, girar no lugar e prepare-se para o pesquisador ' deixa de s para começar o próximo julgamento.
   2. Para cada julgamento, certifique-se de que pelo menos dois ciclos de passo são executados dentro do espaço de captura de movimento, não incluindo os primeiro e o último passo ciclos.
      Nota: Estes ciclos de passo inicial e final serão descartados da análise como eles são avanços de aceleração/desaceleração, não estabilizado andando.
   3. Ter os participantes executar várias (normalmente 10) sobre chão andando de ensaios.
      1. Se desejar uma velocidade específica, tem a caminhada participante nessa velocidade na esteira (em cintos amarrados) lhe familiarizar com a tarefa. Em seguida, voltar para a passarela, instruir o participante a andar na mesma velocidade, como fez na esteira e tempo o participante durante cada tentativa de sobre chão andando. Dê feedback verbal entre cada tentativa para acelerar ou abrandar para baixo, se necessário ²⁵.
2. Para testes de linha de base da esteira, instruir o participante a andar sobre cintos amarrados de 1-5 min.
   Nota: Este constitui um processo único de base. Se o participante não familiarizado com esteira caminhando, este período pode ser aumentado para permitir que a pessoa se sentem confortáveis com a tarefa. Ensaios de
   1. a velocidade da linha de base de partida para a velocidade em que as consequências serão testadas, para permitir a comparação de coordenação de pré e pós adaptação da marcha em velocidades equivalentes.
      Nota: Vários ensaios de linha de base (ou seja, blocos de 1-5 min) em diferentes velocidades de cinto amarrado podem ser necessários; por exemplo, no actual protocolo, ensaios de base em velocidades de cinto amarrado de 0,7 m/s e 1.4 m/s foram recolhidos porque aqueles eram as velocidades usadas para avaliar sequelas.

3. Período de adaptação

Nota: os participantes não precisam ser instruídos que estão prestes a entrar na divisão-cintos. Em muitos experimentos, incluindo a atual, os participantes não são disse sejam cintos amarrado - ou split-; Eles são simplesmente disse quando a esteira vai ser iniciar ou parar. Isso permite que o experimentador medir os efeitos de uma alteração inesperada no ambiente ambulante.

1. , Enquanto o participante está de pé sobre os cintos de escada rolante estacionária, começar a esteira de separação-cinto com um cinto de correr mais rápido que o outro e permitir que o participante a pé pelo menos 7 min (10-15 min é mais comum).
   1. Instruir o participante a olhar em frente, não para baixo a seus pés.
   2. Definir um cinto de velocidade mais rápido do que o outro (por exemplo, 2-3 dobra as diferenças entre velocidades de correia).
      Nota: Percentagens mais elevadas de velocidade têm sido utilizadas na últimos ^{8 , 31}. O protocolo atual usa 0.7:1.4 m/s para uma proporção de 2:1.
      1. Ou randomize que perna é impulsionada pelo cinto mais lento ou consistentemente escolher uma perna (dominante ou não-dominante) como a perna que é conduzida pelo cinto mais lento.
      Diferencial de
      2. a velocidade da correia pode ser introduzido gradualmente (cinto rápido velocidade é cinto incrementalmente aumentada e/ou lenta velocidade incrementalmente diminuída sobre vários min) ou abruptamente (da posição de parado, cintos de aceleram a velocidade do alvo em segundos).
         Nota: O caminho que dividir-cintos são introduzidos pode afetar como os indivíduos se adaptar, quão bem eles transferem o padrão adaptado aos diferentes ambientes ambulante, e como bem re-adaptam-se a separação-cintos 24 h depois ^{27 , 32}. atualmente, a maioria dos protocolos de ambulante split-correia (incluindo a atual) introduzir os divisão-cintos abruptamente.
      3. Se antecipa que quebras serão necessários (por exemplo, para crianças jovens, idosos ou pessoas com mobilidade limitada), adicionar quebras de resto predeterminado do protocolo para todos os participantes. Certifique-se de que o comprimento destas quebras é consistente; quebras de imprevistos devem ser registradas e cronometradas, como isso pode ser um fator a considerar na análise de ³³.

4. Pegar o julgamento

Nota: Catch ensaios são realizados na esteira (cintos amarrados) e são usados para testar rapidamente o participante ' sequelas s até agora no protocolo, indicando o quanto eles se adaptaram. Um ensaio de captura é um curto-circuito (geralmente < 20 s) período de cinto amarrado caminhando para avaliar rapidamente o desenvolvimento de sequelas durante o período de adaptação de split-cinto.

1. Uma vez o participante adaptou-se totalmente para dividir-cintos (mínimo de 7 min caminhando do split-cinto), brevemente parar os cintos e reiniciar a esteira com ambos os cintos correr na mesma velocidade. Realizar o julgamento de capturas, iniciando a esteira na mesma velocidade como o cinto mais lento durante a adaptação de split-cinto ²⁸ como sequelas será maiores aqui.
   1. Para maximizar a amplitude do pós-efeito split-cinto de adaptação a 0.7:1.4 m/s, a seguir realizar o julgamento de captura a 0,7 m/s.
2. Para atenuar a adaptação, acabar com o julgamento de captura (ou seja, parar a esteira) uma vez que o participante levou cerca de cinco passos para o desejado pegar velocidade experimental (~ 10-15 s).
3. Para avaliar sequelas em ensaios de capturas realizadas em várias velocidades diferentes de andar (ou outras alterações em contextos, por exemplo, para a frente e andando para trás ²⁴ a andar), re-adaptar o participante pelo menos 2 min na cintos de separação entre cada pegar julgamento.
   Nota: A ordem dos ensaios de captura deve ser randomizados ²⁵ e/ou o primeiro julgamento de captura deve ser re-testado perto do final do período de adaptação para determinar se houve uma diminuição sistemática no tamanho de After-efeito com comutação repetidas entre cintos amarrados (pegar os ensaios) e split-cintos (readequação) ²⁸.
4. Após o último julgamento de pegar, parar a esteira e reiniciá-lo com split-cintos (mesma configuração como adaptação - ver passo 3.1.2) por 2-5 min permitir que o participante se re-adaptar.

5. Adaptação pós-teste sequelas durante mais de chão andando

Nota: este passo é opcional e depende dos objectivos do experimento. No presente protocolo, os objectivos incluíram avaliação de generalização para sobre chão andando, assim, uma pós-adaptação sobre teste de chão período foi incluída.

1. Parar a esteira e transferir o participante para a passarela do chão usando uma cadeira de rodas, para impedir que os participantes dando os passos antes de atingir a área de gravação.
2. Instruir o participante a caminhar ao longo da passarela excessivamente terra, como no passo 2.1.
   1. Se for desejada uma específica velocidade ambulante, instruir indivíduos para replicar a linha de base curta velocidade ²⁵.
   2. Para completamente lavagem-out mais chão andando sequelas então que pessoas retornam para sua coordenação de linha de base, tem os participantes executar passes ambulante de 10-15 em um 6m sobre passarela de chão
      Nota: Isto foi mostrado para ser suficiente ^{26 , 27} e montantes de aproximadamente 30 strides ²⁷. Se sobre chão andando não é continuamente gravada (por exemplo, várias passagens são tomadas através da área de gravação), haverá várias etapas que não são analisadas entre cada terreno andando de julgamento, como o participante desacelera, se transforma no lugar, e começa a andar em outra direção. A taxa de adaptação em mais de ensaios de solo pós-adaptação (OG PA) deve ser interpretada com cautela a menos que a montagem experimental permite gravação contínua de sobre chão andando.

6. Adaptação pós-teste sequelas durante andar de esteira

Nota: como na etapa 5, esta etapa é opcional e depende dos objectivos do estudo. Se um período de OG PA foi incluído, o período de pós-adaptação esteira subsequentes testes para a presença de sequelas esteira depois sobre sequelas de chão tem sido desbotada ^{23 , 26 , 27}. se não houve nenhum período de OG PA, o período de pós-adaptação esteira pode ser usado para avaliar sequelas de esteira (primeiros passos de 1-5 de pós-adaptação) e/ou adaptação de esteira taxas ^{22 , 29 , 34}.

1. Se não houvesse nenhum PA OG, no final do período de adaptação, parar a esteira brevemente e re-iniciar com cintos amarrados. Se houvesse um sobre solo período ambulante, usar cadeira de rodas para transportar o participante volta para a escada rolante estacionária e re-iniciar com cintos amarrados; a cadeira de rodas é importante para minimizar o número de etapas que não são registradas.
   1. Simplesmente medir o tamanho depois do efeito, gravar andar de cinto amarrado por um curto período (por exemplo, 30 s). Para avaliar taxas de adaptação de, gravar contínua cinto amarrado caminhando para um mínimo de 10 min para garantir a completa lavagem-out de sequelas.
   2. Definir a velocidade de cintos amarrados durante o período de pós-adaptação conforme as hipóteses colocadas, como a maior escada rolante sequelas ocorrem quando a velocidade de cinto amarrado coincide com o do cinto mais lento durante a adaptação de split-cinto ^{25 , 28}. Se a adaptação é realizada a uma velocidade de divisão-cinto de 0,7 e 1,4 m/s, definir a velocidade de cinto amarrado a 0,7 m/s para observar os efeitos maiores.

Resultados

Andando em uma esteira de separação-cinto inicialmente provoca grandes assimetrias na coordenação interlimb. Ao longo de um período de 10-15 min, simetria em muitas destas medidas é restaurada gradualmente. Descrições detalhadas de mudanças de parâmetros cinemáticos como ambulante sobre o curso de adaptação de esteira de separação-cinto ter sido publicado em outro lugar^8,10. Este ar...

Discussão

Numerosos estudos têm mostrado agora que as pessoas se adaptar a coordenação da marcha sobre uma esteira de separação-cinto para restabelecer a simetria em parâmetros de coordenação interlimb como o comprimento do passo e a duração do suporte duplo. Quando as condições naturais de pé são restaurado split-cinto seguir andando, participantes continuam usar o padrão de marcha adaptados, levando a sequelas que tem que ser aprendido para retornar ao normal coordenação ambulante. Pesquisadores utilizam princip...

Materiais

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