Модифицированный бережливой и релиз Техника, чтобы подчеркнуть ингибирование ответов и выбор действий в реактивном балансе

Резюме

Здесь мы предлагаем протокол, который позволяет пользователю выборочно изменять доступность и/или ограничения на движения, которые имеют отношение к восстановлению баланса после постурального возмущения.

Аннотация

Оценка реактивного баланса традиционно налагает некоторый тип возмущения на верную позицию или походку с последующим измерением результирующего корректирующего поведения. Эти меры включают мышечные реакции, движения конечностей, силы реакции грунта, и даже прямые нейрофизиологические меры, такие как электроэнцефалография. Используя этот подход, исследователи и клиницисты могут сделать вывод о некоторых основных принципах относительно того, как нервная система контролирует баланс, чтобы избежать падения. Одно из ограничений, связанных с тем, как эти оценки используются в настоящее время, заключается в том, что они в значительной степени подчеркивают рефлекторные действия без необходимости пересмотра автоматических постуральных реакций. Такое исключительное внимание к этим весьма стереотипным реакциям не позволит адекватно рассмотреть вопрос о том, каким образом мы можем изменить эти реакции в случае необходимости (например, избегая препятствия с шагом восстановления). Это представляется вопиющим упущением, если учесть огромную сложность сред, с которыми мы сталкиваемся ежедневно. В целом, статус-кво при оценке нейронного контроля баланса не может действительно разоблачить, как более высокие ресурсы мозга способствуют предотвращению падений в сложных условиях. Настоящий протокол предлагает способ потребовать подавления автоматических, но неуместных корректирующих реакций баланса, и заставить выбор среди альтернативных вариантов действий, чтобы успешно восстановить баланс после постуральной возмущения.

Введение

Несмотря на признанную корреляцию между падениями и когнитивным снижением^1,2^,3, основной разрыв сохраняется в понимании того, что мозг на самом деле делает, чтобы помочь нам избежать падения.³ Теоретически, когнитивные требования будут подчеркнуты по мере роста экологической сложности и в ситуациях, когда нам необходимо пересмотреть инстинктивное поведение. Тем не менее, большинство тестов баланса не в состоянии эффективно облагать налогом более высокую функцию мозга, вместо этого подчеркивая рефлексивные реакции исправив. Хотя такие факторы, как скорость реагирования, имеют важное значение для предотвращения падения, дополнительные когнитивные факторы, такие как ингибиторный контроль и/или способность выбирать соответствующие действия на основе данного контекста, также могут иметь важное значение в определенных ситуациях. В результате, одна из причин, мы можем не понять роль мозга в реактивном балансе из-за протоколов исследований в настоящее время используется. Rogers et al. недавно обобщили различные способы оценки контроля баланса с использованием внешнего возмущения⁴. Эти методы включают в себя перевод платформы, наклоны и/или капли, а также использование автоматизированных систем, которые толкают, тянут или удаляют постуральную поддержку. Несмотря на большое разнообразие методов, используемых для нарушения вертикального равновесия, последующие корректирующие реакции почти всегда производятся в беспрепятственной среде, тем самым сводящк свести к минимуму ограничения на движение. Здесь мы предлагаем метод, при котором когнитивные процессы необходимы для переопределения предпособных действий и выбора подходящих ответов среди альтернатив в задаче реактивного баланса.

Распространенный способ проверить реактивный баланс заключается в том, чтобы навязать относительно небольшие постуральные возмущения, которые могут быть отменены с помощью фиксированной поддержки (обычно ноги в месте) реакция^5,6,,7,8,9. Сравнительно меньше исследований были сосредоточены на изменении поддержки баланс реакции в ответ на возмущения через талии тянет, платформа перевода, и релиз от поддержки кабеля В качестве примера, см. Mansfield и др.¹⁰. Важность последней группы можно оценить, признавая, что, когда возмущения являются большими, изменение поддержки реакции являются единственным вариантом для восстановления стабильности¹¹. В самом деле, даже для небольших возмущений, которые можно управлять с помощью ног на месте (т.е., бедра и / или лодыжки) стратегии, люди часто предпочитают шаг, когда данный выбор¹¹. Ценность при изучении таких реакций на изменение поддержки заключается не только в том, что необходимо противодействовать большей масштабности возмущения, но и в проблемах, возникающих при перемещении конечностей для создания новой базы поддержки. Наличие доступности и/или ограничений на действия является регулярной частью многих реальных настроек. Это заставляет процесс отбора создать новую базу поддержки, когда происходит потеря равновесия. Чтобы адаптировать поведение к сложным средам, существует повышенный спрос на более высокие ресурсы мозга. Это особенно верно в тех случаех, когда конечности должны создать новую базу поддержки. Чтобы подчеркнуть и разоблачить когнитивные роли в реактивном балансе необходимость вновь беспорядок и заставить изменить поддержку стратегии с конечностями кажется логичным.

Один простой способ доставить внешне индуцированных постуральной возмущения является худой и релиз техники, где человек вдруг освобожден от поддержки вперед худой. Такой подход позволяет оценить компенсационные реакции, чтобы избежать форвардного падения и успешно используется как в здоровой, так и в клинической популяции^12,,13,,14. Хотя техника бережливости и выпуска является несколько основной, она дает ценную информацию о способности реактивного баланса (например, как быстро кто-то может инициировать шаг восстановления, или определить количество шагов, необходимых для восстановления стабильности). Для нынешних целей, худой и релиз техника обеспечивает простой способ изучить когнитивные роли в реактивном балансе, потому что многие из характеристик возмущения проводятся постоянно. Это обеспечивает больший экспериментальный контроль над переменными, непосредственно относящимися к отбору действий и ингибированию ответов. В то время как другие режимы постуральной возмущения обычно полагаются на непредсказуемость с точки зрения направления возмущения, амплитуды и времени, окружающая среда всегда постоянна. Даже в исследованиях, где блоки ног были использованы, чтобы подчеркнуть досягаемости к захвату реакции¹⁵ блоков фиксируются на месте без необходимости быстро адаптировать шагая поведения на основе наличия или отсутствия блока ноги. С нынешним предлагаемым методом, мы можем изменить окружающую среду таким образом, что требует поведенческой адаптации, чтобы избежать падения.

Помимо лабораторных настроек, которые недостаточно разоблачают когнитивные роли в реактивном балансе, другой серьезной проблемой является большая зависимость от внешних показателей, таких как мышечные нагрузки, силы реакции грунта и захват движения видео, чтобы сделать вывод нейронных процессов. Хотя эти меры являются ценными, исключительная опора на такие меры не может дать прямого понимания основных нейронных механизмов, которые способствуют балансу. Эта проблема усугубляется, если учесть, что многое из того, что мозг может сделать, чтобы предотвратить падение в сложных средах, вероятно, произойдет до падения. Прогнозивные роли в осенней профилактике в последнее время обсуждались более подробно¹⁶. Направления исследования включают прогнозирование будущей нестабильности¹⁷, строительство visuospatial карты, как мы движемся через нашу окружающую среду¹⁸, и, возможно, формирование непредвиденных обстоятельств на основе окружающей среды, даже без предвидения падения¹⁹. Выявление такой подготовки было бы полностью недоступно без использования прямых нейрофизиологических зондов.

Модифицированный подход к оферте и выпуску в том виде, в каком он предлагается в настоящее время, предлагает средства преодоления некоторых из упомянутых ограничений. Это делается с помощью сценария тестирования, где конечности необходимы для создания новой базы поддержки в среде, требующей выбора. Этот подход дополняется включением прямых показателей мозговой активности (например, транскраниальной магнитной стимуляции, TMS) как до, так и после постурального возмущения, которые могут дополнять внешние показатели производства силы и захвата движения. Такое сочетание экспериментальных функций представляет собой важное новшество в этой области, чтобы разоблачить, как мозг способствует баланс в сложных условиях, где ингибирование реакции и выбор действий среди вариантов, необходимых для предотвращения падения. Здесь мы демонстрируем новый метод для тестирования реактивного баланса в обстановке, которая подчеркивает необходимость когнитивных процессов для адаптации поведения, чтобы избежать падения. Сочетание препятствий и возможностей для действий обуведает необходимость ингибирования ответных мер, целенаправленных действий и выбора ответных мер между вариантами. Кроме того, мы демонстрируем точный временный контроль над визуальным доступом, сроки нейронных зондов, изменение среды реагирования, и начало постурального возмущения.

протокол

Все процедуры получили одобрение Совета по институциональному обзору при Государственном университете штата юта и проводились в соответствии с Хельсинкской декларацией.

1. Скрининг участников

1. Предоставьте участникам письменное информированное согласие на процедуры до тестирования.
2. Для тестирования с TMS, участники экрана до тестирования для того, чтобы оценить их пригодность для TMS с помощью руководящих принципов, разработанных группой экспертов²⁰.

2. Приобретение данных: электромиография (ЭМГ)

1. Запись ЭМГ с использованием поверхностных электродов и усиливайте сигналы (прибыль 1000 евро; см. Таблица материалов).
2. Приобретение фильтра данных и полосного прохода (10–1000 Гц) с помощью интерфейса для сбора данных и соответствующего программного обеспечения (см. Таблицу Материалов). Используйте это устройство и программное обеспечение для управления различными двигателями, выпуск кабеля, и окклюзионные очки, как описано позже в методах.
3. Аккуратно абрадировать поверхность кожи и протрите алкоголем над целевыми местами мышцы. Исправьте поверхностные электроды ЭМГ на мышцы мишени с помощью двусторонней ленты и защитите их с помощью претока, чтобы гарантировать, что электроды остаются фиксированными, особенно во время быстрых реакций с руками и ногами.
4. Сбор данных ЭМГ из двух внутренних мышц рук на правой руке (первый спинной интеросеус, ПИИ и opponens pollicus, OP) и лодыжки dorsiflexors на обеих ногах (tibialis передней, TA).
   ПРИМЕЧАНИЕ: Эти конкретные мышцы были выбраны на основе их актуальности для достижения к захвату действий или шаг вперед, но другие мышцы могут быть выбраны по мере необходимости.

3. Оборудование для тестирования баланса

Рисунок 1. Lean и релиз установки с ног блоков. В этом примере один блок ноги устанавливается в открытом положении, в то время как другой установлен для предотвращения шага. Эти блоки перемещаются с помощью управляемых компьютером двигателей (серые ящики, прикрепленные к опорным столбам). Ручки крышки также перемещаются в блок или позволяют достичь досягаемости к захвату ответа. Здесь крышки отделены, чтобы обеспечить полное представление о ручке. Магнит релиза виден на задней стенке. Вся проводка проходит через саму деревянную платформу и входит в серую цепную коробку, расположенную на заднем углу. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Рисунок 2. Lean и релиз установки с силой пластин. На этой рисунке изображено, как три силовые пластины могут быть дополнительно встроены в деревянную платформу. Если силовые пластины не требуются, деревянные пробки могут быть установлены на месте. Эти пробки видны, опираясь на боковую стену. На этом снимке также показан ремень безопасности, который носят участники. Этот ремень закреплен до потолка, чтобы выступать в качестве механизма безопасности, если участник не сможет восстановить свой баланс самостоятельно. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

1. Модифицированная система худощавого и выпускаемого
   1. Используйте заказной, худой и релиз кабельной системы, чтобы навязать вперед возмущения (см. Рисунок 1 и Рисунок 2).
   2. Поимеют участники стоять в переднем худом положении с ногами примерно шириной бедра друг от друга (см. Рисунок 3). Поддерживайте это вперед худой с помощью тела ремень прилагается к кабелю, который затем крепится к стене позади них. Прикрепите кабель к задней части упряжи (приблизительно мидторакальный уровень). Закрепите опорный кабель к стене магнитом. Магнит будет кратко деактивирован для выпуска кабеля.
   3. Сделайте непредсказуемыми для участника конкретные пробные процедуры (т.е. при выходе кабеля и начале выпуска кабеля). Управление точными сроками выпуска кабеля с помощью компьютерных команд, предустановленных в конфигурацию программного обеспечения. Эта конфигурация позволит контролировать сроки выпуска кабеля, так что он может быть рандомизированным в ходе испытаний.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Конфигурация программного обеспечения, которая управляет всеми экспериментальными устройствами (например, запуск двигателя для размещения блока ноги) устанавливает конкретное состояние испытания (например, если блок ноги присутствует или нет). Это может быть запрограммировано на рандомизацию условий или доставку их в блоки для контроля уровня предсказуемости.
   4. В дополнение к этому кабелю релиза, прикрепленному к задней части ремня безопасности, также закрепите участников к поддерживающим кабелю, свисающего с потолка. Этот отказоустойчивый кабель не обеспечивает поддержку веса тела, если это абсолютно необходимо. Если участник не может восстановить баланс самостоятельно, кабель ловит его перед падением на землю.
   5. Из-за важности надежной визуальной информации, убедитесь, что участники могут увидеть ручку и блок ног при ношении очков. Начните каждое испытание, поручив участникам смотреть прямо в фиксированную точку на полу, около 3 м перед ними, удерживая голову в удобном положении. Расположите участников таким образом, что их взгляд настроен на просмотр ручки в периферийном поле зрения и верхней части препятствия.
   6. Расположите тело, чтобы убедиться, что ручка находится в пределах понятного диапазона. Поимеет сярювперед участник вперед, удерживая обе ноги в контакте с полом. Это потребует вращения о лодыжке в то время как остальная часть тела остается в прямой линии.
   7. Определите конкретное худой позиции в качестве минимального наклонного угла, где передний шаг необходим для восстановления баланса при освобождении кабеля. Это итеративный процесс, чтобы найти порог худой угол на голеностопного сустава, который является угол, где участник больше не в состоянии предотвратить падение вперед с помощью ноги в месте реакции. Как только это установлено, проверить наклонный угол на протяжении всего тестирования с помощью гониометрии.
2. Доступность и ограничения на компенсационные меры по балансу
   1. Закрепите ручку безопасности на стене рядом с участниками на их правой стороне. Используйте моторизованную крышку для управления доступом к этой ручке. Если ручка раскрыта, когда участники освобождаются от поддерживаемого вперед, она может быть использована для восстановления баланса.
   2. Во время испытаний, где ручка раскрыта, поместите блок ноги перед ног участника. Блок ноги препятствует шаг, но не жестко установлен на месте, а это означает, что он может быть смещен, когда ногами. Программа блок ноги, чтобы свободное движение и построить его с совместимым материалом, чтобы избежать травм.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Ноги блоки были построены, чтобы заставить "все или никто" шаг решение, учитывая, что они поднимаются почти на 30 дюймов от земли (средний уровень бедра на большинство людей). Для исследователей, заинтересованных в более тонкой блокады шага восстановления, эти устройства могут быть изменены, чтобы использовать меньше / короче препятствие, которое затем позволит адаптированный шаг, чтобы очистить их.
   3. Используйте черный брезент, чтобы покрыть ручку и заблокировать его из поля зрения на определенных испытаниях. Ручка будет оставаться установленной в том же месте, но будет физически покрыта, чтобы предотвратить прямой визуальный доступ и предотвратить любые поддерживающие захвата. Когда эта ручка поддержки покрыта, удалите блок ноги, чтобы при необходимости обеспечить реакцию шага.
3. Контроль зрения
   1. Ограничьте зрение к таймфрейму как раз перед постуральным возмущением и управлением через жидкостные хрустальные очки (см. Таблица материалов). При закрытии очки препятствуют доступу к визуальной сцене, чтобы участники не знали о предстоящем состоянии ответа.
   2. Измените определенную конфигурацию блока ноги и обукройте доступность для каждого испытания, пока очки закрыты, так что участникам необходимо быстро воспринимать окружающую среду после открытия очков. Переместите крышку ручки и блок ноги в положение с помощью компьютерных серводвигателей в начале каждого испытания. Попросите участников носить затычки для ушей и заставить двигатели постоянно двигаться в период визуального окклюзии, чтобы избежать каких-либо передовых кий для предстоящего состояния.

4. Экспериментальный дизайн

1. Перед тестированием кратко ознакомите участников с тем, как достичь ручки и шаг вперед из наклонной позиции.
   1. Предоставьте участникам полное знание предстоящего условия практики и убедитесь, что нет никакой неопределенности. Проинструктируйте участников, что как только очки будут открыты, они увидят, что ручка покрыта, и шагая путь будет ясен. Вскоре после этого, поддержка кабеля будет выпущен, и они должны будут сделать шаг быстро, чтобы избежать падения вперед.
   2. Используйте аналогичные инструкции относительно того, доступна ли ручка для захвата, чтобы избежать шага.
   3. На протяжении всего тестирования и практики, поручить участникам оставаться расслабленным, если не побудило двигаться внезапного выпуска кабеля.
      ПРИМЕЧАНИЕ: В среднем участникам требуется около 10 попыток практики до начала официального тестирования.
2. Случайно измените настройки ответа между испытаниями. При освобождении от опорного кабеля участники должны восстановить стабильность, либо достигнув настенной ручки безопасности, либо шагая вперед, если путь ступеньки ясен.
3. Всегда закрывайте окклюзионные очки в начале каждого испытания, после чего настройка ответа будет изменена. Закройте очки на рандомизированный период (обычно около 3-4 с), чтобы параметр изменился.
4. Когда очки открываются, предоставьте одну из двух возможных настроек ответа: (1) блок ноги присутствует и ручка поддержки присутствует, или (2) нет блока ноги присутствует и нет ручки поддержки присутствует.
   ПРИМЕЧАНИЕ: В первом условии, ручка поддержки доступна на удобном расстоянии досягаемости и блок ноги предотвращает шаг. Эта настройка налагает контекст, в котором единственным доступным вариантом является быстрое понимание доступной ручки поддержки правой рукой. Второе условие позволяет шаг восстановления при предотвращении использования ручки поддержки.
5. На испытаниях, где происходит возмущение, отпустите кабель вскоре после того, как очки открыты. Этот период задержки будет варьироваться в зависимости от требований к обучению, но колеблется от 200-1000 мс.
6. Для некоторых испытаний, не освобождайте действовать как улов суда. Это помогает избежать упреждающих реакций, основанных только на видении.
7. У каждого испытания последние 10 с, с короткой паузой между испытаниями, чтобы позволить участникам возможность сбросить по мере необходимости. Предоставь участникам короткий период отдыха между каждым тестовым блоком и позвольте им сидеть. Основной экспериментальный дизайн изображен на рисунке 3 (внизу).
   ПРИМЕЧАНИЕ: Общее количество испытаний варьируется в соответствии с потребностями каждого исследования, но, как правило, включают в себя около 100 испытаний, разделенных на три-четыре тестовых блока.

Рисунок 3. Метод на основе TMS для изучения влияния воспринимания экологических проблем и/или ограничений на подготовку двигателя. СВЕРХУ. Аппарат бережливого и выпуска выпустил участников непредсказуемым образом (только тест-блоки возмущения). Масштабы возмущения требовали быстрой реакции на изменение поддержки, используя либо руку, либо ногу для восстановления стабильной базы поддержки, либо достигнув надежного поручни, либо сделать шаг вперед. В период между испытаниями, зрение было occluded использованием жидкокристаллических очков окклюзии и объекты на переднем плане были переставлены наугад. ВНИЗУ. Хронология изображает, когда визуальный доступ к окружающей среде стал доступным и сроки TMS зондов по отношению как визуального доступа и возмущения. Пик-к-пика амплитуда мышечной реакции на TMS (т.е. двигатель вызвал потенциал, MEP) при условии, индекс кортикоспинальной возбудимости в период времени до возмущения. На этой цифре представлены теоретические данные ответа, чтобы продемонстрировать гипотетическое воздействие возможности действий в руке (твердая, синяя линия) по сравнению с пробой, в которой ручка покрыта (пунктирная, красная линия). В этой цифре, оба испытания / условия накладываются, чтобы проиллюстрировать гипотетический эффект подготовки двигателя выход либо облегчить или подавить потенциальные действия, основанные на конкретном экологическом контексте. Адаптировано из рисунка 1 в Болтон е и др.²¹. Обратите внимание, что TMS был использован для зондирования возбудимости кортикоспинальной в этом примере. Тем не менее, это только предназначено для обеспечения базового представления последовательности событий с помощью этого модифицированного худой и релиз. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

5. Протокол TMS (необязательно)

1. Доставка одноимпульсных TMS над рукой двигатель корковой представления в то время как участники поддерживаются в вперед мяса. Доставка TMS импульсов вскоре после открытия очки, но до любого движения, чтобы исследовать, как просмотр окружающей среды влияет на двигатель. Смотрите рисунок 3, чтобы визуализировать последовательность событий во время испытания, в том числе при доставке TMS.
2. Установите сроки доставки TMS в соответствии с исследовательским вопросом. В репрезентативных результатах стимуляция варьировалась от 100 мс до 200 мс после видения. В дополнение к настройкам ответа, перечисленным выше, случайно перемежаются "без видения" справочные испытания на протяжении всего тестирования для доставки TMS без открытия очков. Цель этого условия заключается в обеспечении базового исхода для любых связанных с задачами изменений в двигательной активности (например, повышенное возбуждение).
   ПРИМЕЧАНИЕ: Более подробную информацию о конкретных процедурах TMS можно найти в Bolton et al.²¹ и Goode et al.²².
3. Доставка магнитных стимулов в первичную моторную кору (M1) с стимулирующей катушки, ориентированной примерно на 45 градусов по цельсию (см. Таблицу Материалов). Применение стимулов в оптимальном положении для получения двигателя вызвал потенциал (MEP) в мышце ПИИ на правой руке (т.е. двигатель "горячих точек").
4. Как только 'горячая точка' найдена, определите интенсивность стимула испытания обусловлена. Для текущих целей исследования, это интенсивность стимула, где средний MEP составляет примерно 1-1,5 мВ пик-пик. Зафиксировать катушки TMS на этом месте и сбросить положение катушки, если происходит движение головы (например, после выпуска кабеля). Определите интенсивность стимула испытания пока вопросы стоят в передних наклоняются для того чтобы объяснить любое постуральное влияние положения на возбудимости кортикоспинальной.

Результаты

Все представленные образцовые исследования были проведены с молодыми женщинами и мужчинами в возрасте от 18 до 30 лет. Общий размер выборки для каждого исследования был следующим: Пример 1 (Rydalch et al.²³) включал 12 участников, Пример 2 (Bolton et al.²¹) включал 63 участника, а Пример 3 (Goode et al.²²) включал 19 участников. Читателю следует обратиться к полным исследованиям для получения подробной информации о методах и анализах.

Пример 1
Блокирование быстрого шага восстановления, особенно когда шаг был сделан автоматически частым повторением, позволило для оценки ингибирования ответ в постуральном контексте. Здесь мы сравнили ответ мышц ног, когда вперед шаг был либо разрешено или препятствует²³. Мышечная реакция от ступенчатой ноги была сравнена между испытаниями, где участник должен достичь по сравнению с испытаниями, где они должны шаг. Это было достигнуто путем сравнения величины ответа лодыжки dorsiflexors (tibialis передней) во время достижения к ручке по сравнению со шагом испытаний. В частности, для расчета коэффициента реакции мышц использовалась интегрированная ЕМГ в течение 200 мс (т.е. от 100 мс до 300 мс после возмущения). Меньшее значение указывает на большую способность воздерживаться от шага, как описано подробно в Rydalch и др.²³. Используя величину мышечной реакции, наше намерение состояло в том, чтобы обеспечить чувствительный датчик для тенденции реагировать с ног. В этом примере цель нашего исследования состояла в том, чтобы определить, если ингибирование реакции измеряется сидящим когнитивным тестом (т.е. задача стоп-сигнала, SST) коррелирует с производительностью на реактивной задаче баланса, где требовалось подавление шага восстановления баланса. В задаче баланса было собрано в общей сложности 256 испытаний, из которых 30% использовали блок ноги. На рисунке 4A, мы выделяем усредненные формы волн людей, которые были на противоположных концах континуума для подавления шага, связанных с деятельностью ног. Рассеяние на рисунке 4B изображает небольшую, но значительную корреляцию между способностью подавлять заблокированный шаг и ингибирование множества реакции, измеряемое временем реакции стоп-сигнала.

При интерпретации этих результатов, важно признать, что SST (описанный в приложении), и в самом деле большинство когнитивных тестов, полагаться на упрощенные ответы (часто движения пальцев), сделанные сидящими участниками в ответ на императив сигналы отображаются на экране компьютера. Это исследование Rydalch и др. рассматриваются, если способность остановить домогучий ответ был сохранен через стандартный сидящий тест ингибирования ответа по сравнению с реактивным тест баланса, где компенсационные шаги должны быть иногда подавляется²³. Результаты показали корреляцию между результатами когнитивного теста (время реакции стоп-сигнала) и компенсационным шагом, что позволяет предположить, что способность человека остановить обобщает различные задачи.

Рисунок 4. Средний шаг ноги ответ. (A) Средние формы волны показаны для передней tibialis в ступенчатой ноге. Шаг испытаний показаны красным цветом и достичь испытаний в черном цвете. Примерные данные реакции мышц, показанные для двух участников с быстрым (сверху) или медленной остановкой (внизу) временем реакции сигнала. Это время реакции стоп-сигнала предлагает миллисекундную меру способности остановки. Ранняя реакция мышц (интегрированная ЭМГ) была измерена от 100-300 мс (светло-желтая затененный регион). (B) Scatterplot показывая корреляцию между коэффициентом реакции мышцы и временем реакции стоп-сигнала (SSRT) на 400 ms визуально задержке, r q 0.561; р 0,029. Адаптировано из рисунков 3 и 5, Rydalch и др.²³. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Пример 2
Это исследование иллюстрирует, как наши модифицированные худой и релиз установки в сочетании с TMS могут быть использованы для изучения подготовки двигателя на основе зрения. Концепция affordances (первоначально предложенная Gibson²⁴) была испытана в стоящем постуральном контексте, чтобы определить, была ли кортикоспинальная возбудимость мышц ых рук (используется для захвата) при просмотре поддерживающей ручки. Ключом к этому подходу была оценка того, как возбуждение состояния двигательной системы зависит только от зрения. В частности, импульсы TMS были доставлены вскоре после открытия очков, но до любого сигнала для движения (т.е. выпуска кабеля). Таким образом, была проанализирована только двигательная активность, связанная с визуальной сценой, в то время как поведенческая реакция на возмущение была вторичной. В отличие от вышеупомянутого исследования, в котором подчеркивалась необходимость ингибирования реакции, представляя ответ шага чаще, это исследование использовало равную вероятность ручки (досягаемости) против без ручки (шаг), чтобы сосредоточиться на визуальном грунтовке рук. Результаты показали, что просмотр ручки привел к упрощению внутренней руки (т.е. захвата) мышцы, но только в чистом состоянии наблюдения (Рисунок 5)²¹. ПРИМЕЧАНИЕ: Для примерных данных, приобретения и анализа программного кода, а также руководства отмечает, пожалуйста, обратитесь к открытой научной инфраструктуры (https://osf.io/9z3nw/). Примеры 1 и 3 используют сяповый код и процедуры с изменениями в конкретных состояниях.

Рисунок 5. Данные, показывающие разницу в возбудимости кортикоспинальной для REACH (т.е. ручка) по сравнению с STEP (т.е. без ручки) испытаний в внутренней мышцы рук в то время как участники стояли в поддержке худой. Это показало большую активность в руке, когда ручка присутствовала и участники просто рассматривали ручку (OBS), но этот эффект отсутствовал во время отдельных блоков испытаний баланса (BAL), где кабель периодически выпускался. Ошибки баров показывают стандартную ошибку среднего. Двусторонняя повторяющиеся меры ANOVA выявила взаимодействие между условием и доступностью, F_{1, 62} и 5,69, ^стр.p 0,020. Для решения наших конкретных гипотез мы использовали предварительные запланированные сравнения, чтобы определить, была ли амп-мемп в ПИИ больше, когда ручка присутствовала в каждом состоянии отдельно. Для гипотезы 1, запланированные сравнения были использованы для сравнения уровней доступности (STEP, REACH) в состоянии OBS и показали значительное увеличение амплитуды, когда ручка была видна, т₁₂₁ и 2,62,р 0,010. Для гипотезы 2, мы первоначально предсказал и взаимодействия, но в противоположном направлении от того, что было найдено. Запланированное сравнение доступности в состоянии BAL не выявило существенной разницы, связанной с наличием ручки, т₁₂₁ и -0,46, р 0,644. Адаптировано с рисунка 5, Болтон и др.²¹. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Пример 3
Этот заключительный пример подчеркивает, как мы адаптировали это устройство, чтобы еще раз изучить двигательподготовку мышцы рук на основе зрения, но сосредоточены на необходимости быстро подавить действие ног. В этой версии крышка ручки была постоянно покрыта, в то время как только блок ноги переехал. Как и на примере 1, вероятность остановки против условий шага была манипулирована, чтобы стимулировать автоматический шаг. Учитывая, что ручка больше не вариант в этом исследовании, степень вперед худой измеряется на лодыжке была несколько снижена (6 "против" против 10 ", как и в двух вышеуказанных исследованиях), чтобы фиксированная реакция поддержки. Конкретное использование для этой версии задачи было исследовать концепцию глобального подавления, которая ранее была изучена в сидячих задач, где фокусные кнопки нажатия были использованы в ответ на визуальные стимулы, представленные на дисплее компьютера²⁵. Как и в примере 2, TMS была доставлена для оценки возбудимости кортикоспинальной в внутренней мышце рук сразу же после доступа к среде отклика (т.е. блок или нет блока), но до любого сигнала для перемещения (т.е. выпуска кабеля). Обоснование для тестирования внутренней мышцы рук в задаче, которая использовала только ноги ответы, чтобы увидеть, если задача нерелевантных мышц будет показывать доказательства общего подавления всей двигательной системы. Результаты, показанные ниже на рисунке 6, свидетельствуют о широкомасштабном отключении по всей моторной системе, когда автоматический шаг внезапно остановлен²².

Рисунок 6. Модифицированная задача худощавого и выпуска только с блоком ног (т.е. нет возможности для захвата ручки поддержки). (A) Эта фигура изображает MEP амплитуда подавления в внутренней мышцы рук, когда блок ног был представлен (т.е., NO-STEP состояние). (B) Из повторяющихся мер ANOVA, шаг условие х задержки взаимодействия, F_1,18 и 4,47, р 0,049, был значительным. Визуальный осмотр линейного графика 2 показывает уменьшение амплитуды MEP с течением времени только для состояния NO-STEP, и это было подтверждено последующими сравнениями. В частности, эти сравнения показали значительное снижение на 200 мс по сравнению с 100 мс т₁₈ и 2,595,р 0,009 для состояния NO-STEP. В отличие от этого, аналогичное сравнение между 200 мс и 100 мс для состояния STEP не показывает никакой разницы т₁₈ и 0,346, р 0,367. Адаптировано из рисунков 1 и 2, Гуд и др.²². Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Обсуждение

Эта модифицированная система бережливости и выпуска предоставляет новый способ оценки когнитивных ролей в реактивном балансе. Как и в стандартной процедуре худощавого и высвобождения, направление и амплитуда постуральной возмущения предсказуемы для субъекта, в то время как сроки выпуска кабеля непредсказуемы. Уникальность нынешнего подхода заключается в том, что доступ к зрению точно контролируется, в то время как объект остается фиксированным, а окружающая их среда реагирования изменяется для создания различных возможностей действий и/или ограничений. Манипулируя наличием препятствий и доступности, этот метод подчеркивает когнитивные процессы, такие как принятие решений (т.е. отбор действий) и ингибирование реакции в связи с восстановлением баланса.

Предлагаемый метод имеет потенциал, чтобы обеспечить уникальный взгляд на нейронный контроль баланса, но создает определенные ограничения. Например, при использовании метода худой и релиз, кабель релиз инициируется от вперед худой, что требует выраженного шага восстановления баланса по сравнению с другими методами внешнего постурального возмущения¹⁰. Кроме того, направление и величина возмущения предсказуемы, что может привести к упреждающее активации мышц, которые обычно не будут участвовать в более реалистичных сценариях падения. Наконец, зрение временно окклюзии до выпуска кабеля, который также отклоняется от индивидуального опыта в день. Эти особенности делают нашу оценку баланса несколько искусственной и могут исключать обобщение различных режимов возмущения. Важно признать, что обобщаемость реального мира всегда вызывает озабоченность при составлении выводов о том, как контролируется баланс с помощью какого-либо одного конкретного метода оценки. Действительно, общепризнанный всеобъемлющий тест на способность к балансу в настоящее время не существует⁴. Для нынешних целей, набор вперед падение позволяет возмущения характеристики и настройки реагирования, которые будут проводиться постоянно, манипулируя конкретными когнитивными требованиями, которые часто игнорируются или недоступны в традиционных оценках баланса. Такой экспериментальный контроль является полезным, но следует принимать во внимание при интерпретации результатов.

В качестве второго ограничения, строительство испытательного оборудования и необходимые инженерные навыки могут представлять собой проблему для реализации этого метода. Три студента электротехники из Университета штата юта построили платформу, создали электронику и запрограммировали микроконтроллеры для привода сервомоторов для ручки крышки и блока ног. Затраты на строительство были скромными (т.е. 15 000 долл. США без учета силовых пластин, установленных на платформе). Тем не менее это может создать проблему в зависимости от имеющихся ресурсов.

С помощью этого подхода были получены конкретные сведения о нейронном контроле баланса. Эти примеры указывают на то, что неинвазивная стимуляция мозга может быть использована для захвата двигательного набора на основе просмотра объектов в постуральном контексте и предлагает метод для оценки ингибирования реакции с помощью мышечных реакций. Примечательно, что модифицированный метод бережливости и высвобождения может быть легко адаптирован для включения других нейрофизиологических зондов, таких как электроэнцефалография и функциональная ближнеинфраграфическая спектроскопия. Даже без включения прямых нейронных мер, исследования конструкций, которые сосредоточены исключительно на внешние силы, активации мышц, и кинематики может обеспечить важное понимание поведенческих маркеров когнитивных дефицитов. Например, интересное применение для использования силовых пластин для захвата упреждающих постуральных сдвигов во время реактивной задачи шага было продемонстрировано Коэном и др.²⁶. В их изучении, дефицитв в ингибировании реакции в более старых взрослых были показаны ненадлежащим переносом веса, которое в свою очередь вело к задержкам в временах шага выбора-реакции. Такой подход можно было бы применить к нынешней парадигме для получения чувствительных показателей изменения веса и ошибок в шагах.

Этот новый метод строится на установленном реактивном тесте баланса, где участники освобождаются от поддерживаемого мяса, и теперь включает сценарии, которые требуют поведенческой гибкости. Тестовые проекты, подходящие для разоблачения ингибирования реакции и выбора действий, позволяют нам применить концепции от когнитивной психологии к области контроля баланса. Такой подход необходим для того, чтобы опираться на признание того, что когнитивное снижение и распространенность падения коррелируют, и получить механистическое понимание того, как когнитивные ресурсы предотвращают падения. Предположительно, эта установка может быть использована не только в качестве исследовательского инструмента, но и в качестве средства для обучения когнитивных ролей в балансе. Важная цель текущей работы нашей лаборатории заключается в том, чтобы понять, как мозг использует контекстную информацию для обновления, какое движение было бы наиболее подходящим для предотвращения падения с учетом окружения. Подсказки, такие как наличие стабильного поручни или потенциального барьера шаг может направлять, какие ответные меры, чтобы сделать, если возникнет необходимость и может тайно формировать прогностические процессы мозга¹⁶. Примечательно, что способность надлежащим образом использовать эту информацию может ухудшаться с возрастом, если требуется умственные способности, такие как контроль ингибирующих интерференций или зрительно-пространственная память. Учитывая взаимосвязь между когнитивным снижением и падением^1-3, реализация исследований, которые подчеркивают необходимость интеграции контекстуальной актуальности может обеспечить ценное понимание дефицита баланса во многих уязвимых групп населения.

Материалы

Name	Company	Catalog Number	Comments
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