인간의 운동 적응의 일반화를 평가 하는 분할 벨트 디딜 방 아를 사용 하 여

요약

우리는 인간의 운동 적응 분할 벨트 디딜 방 아, 다른 속도에 각 다리를 운전할 수 있는 두 개의 벨트를 사용 하 여 조사에 대 한 프로토콜을 설명 합니다. 우리는 특별히 다른 걷는 컨텍스트 (예를 들어, 환경 걷는 걸음 걸이 속도)에 적응된 운동 패턴의 일반화를 테스트 하도록 설계 된 패러다임에 초점.

초록

메커니즘을 이해 기본 운동 학습 연구와 임상 최적화 모터 재활의 일환으로 재교육 걸음 걸이. 그러나, 인간의 운동 학습을 공부 하 고 전하실 수 있습니다. 초기와 어린 시절, 동안 신경 근육 학 시스템은 매우 성숙 하 고 운동 학습 개발의 초기 단계 동안 성인에서 동일한 메커니즘에 의해 규율 됩니다 가능성이 크다. 시간 인간으로 성숙에 도달, 그들은 너무 능숙 걷는 데 노 보 운동 학습 연구를 충분히 소설 작업을 같이 어렵다. 분할 벨트 디딜 방 아, 2 개의 벨트는 다른 속도에 각 다리를 구동할 수 있는 수의 두 짧은-(즉, 즉각적인) 연구 및 장기 (즉, 분 일 동안, 모터 학습의 한 형태)에 대 한 응답 수정 걸음 걸이 워킹 환경에 새로운 변화입니다. 개인 수 쉽게 상영 분할 벨트 디딜 방 아에 이전 노출에 대 한 모든 실험 참가자 없다 보장 (또는 동등한) 이전 경험. 이 문서는 운동 학습과 다른 걷는 컨텍스트에이 학습의 일반화를 계량 테스트 방법을 통합 하는 일반적인 분할 벨트 디딜 방 아 적응 프로토콜을 설명 합니다. 분할-벨트 디딜 방 아를 설계에 대 한 중요 한 고려 사항에 대 한 논의 다음과, 디딜 방 아 벨트 속도, 휴식, 그리고 항목 같은 요소를 포함 하 여 실험. 또한, understudied 하지만 잠재적인 혼란 변수 (예를 들어, 팔의 움직임, 이전 경험) 여겨진다 토론에.

서문

분할-벨트 디딜 방 아 두 벨트 다른 속도로 또는 다른 방향에서 각 다리를 구동할 수 있다. 이 장치 처음¹을 걷는 동안 다리 (즉, interlimb 조정) 사이 조정 연구 도구로 서 전 45 년 동안 사용 되었습니다. 하지만이, 그리고 다른 초기 연구는 실험 모델^,12,3, 고양이 사용 주로 곤충은 또한 공부⁴. 인간 유아와 성인에서 분할 벨트 운동의 첫 번째 조사는 1987에 1994, 각각^5,6출판 되었다. 인간 및 비인간적인 동물에서 이러한 초기 연구는 주로 단기 (즉, 즉각적인) 조정 때 다리는 서로 다른 속도에서 안정성과 앞으로 진행을 보존 하기 위해 interlimb 조정에 조사. 1995 연구 장기간 (몇 분) 분할-벨트 산책의 각 측면에서 속도 맞춰야 정확 하 게 인식 하는 디딜 방 아 벨트 속도 조정을 하 인간 성인 수 장애인 지적 했다. 이 걷는 sensorimotor 매핑 recalibrated⁷있었다 나왔다. 그러나, 그것은 2005 년 첫 번째 상세한 인간 모터 적응의 운동학 보고서 10 분 이상 분할 벨트 디딜 방 아 산책은 출판된⁸까지 했다.

모터 적응 기간 동안 잘 배운된 움직임의 sensorimotor 매핑 새로운, 예측 가능한 수요⁹응답에서 조정 오류 기반 프로세스를 가리킵니다. 확장된 연습 기간 (시간 분) 발생 하는 모터 학습의 한 형태 이며 효과, 수요 제거 운동 패턴에 변화 및 조건 하에서 결과 정상으로 반환 합니다. 예를 들어 분할 벨트에 처음 걷는 사람들이 비대칭 interlimb 조정, 다리를 닮은 걸을 발생 합니다. 분할-벨트 걷는 몇 분 동안 사람들이 그들의 걸음 걸이 더 대칭 되도록 걷는 조정 그들의 적응. 두 개의 벨트 이후 동일한 속도 (즉, 연결-벨트) 돌아가려면, 따라서 보통 걷는 상태 복원 사람들 입증 효과 비대칭 조정으로 걸어서. 이러한 효과 드 적극적으로 적응 해야 또는 묶인 벨트 걷는 정상적인 걷는 조정 복원된⁸전에 몇 분 동안 배우지.

다음 2005 Reisman 외. ⁸ 분할 벨트 인간에 걷기의 운동학 적 분석, 출판된 연구에 분할 벨트 디딜 방 아의 사용 약 이전 10 년에 비해 10 배 증가 했다. 왜가 분할 벨트 디딜 방 아 실험 도구로 서 더 많은 인기 되 고? 분할-벨트 ambulation 명확 하 게 실험실 작업-가장 가까운 실제 아날로그 선회 또는 꽉 자리에서 산책 이지만 2 ~ 4 배를 다른 것 보다 더 빠르게 구동 되 고 한 다리와 돌기의 훨씬 더 극단적인 버전을 유도 하는 분할 벨트 디딜 방 아. 사실 분할 벨트 디딜 방 아는 매우 특이 한 걷는 작업 공부 운동 학습에 대 한 몇 가지 장점이. 첫째, 그것은 나이에 대부분의 사람들에 대 한 소설과 독립적인 걷는 경험; 화면 분할-벨트 산책의 참신에 대 한 실험 참가자 들에 게 쉽습니다. 둘째, 분할 벨트 디딜 방 아 신속 하 게 해결 되지 않는 interlimb 조정에 상당한 변화를 유도 합니다. 드 적응과 적응의 상대적으로 느린 속도 어떻게 다른 훈련 공부를 허용 개입 천장에 접근 하지 않고 이러한 속도 변경할 수 있습니다. 세 번째, 운동학^8,10, 키네틱^11,12,,1314, 시^6,15,16 , 그리고 지 각^7,17,,1819 수정 분할 벨트 디딜 방 아 적응에서 발생 하는이 작업^{20의 신경 제어는 잘 공부 되었습니다 ,,2122}. 즉, 분할 벨트 디딜 방 아를 각 색 한 문서화 고이 잘 성격을 나타낸 운동 학습 작업을 만드는 여러 가지 다른 그룹에 의해 복제 되었습니다.

지난 10 년 동안 여러 연구 분할 벨트 적응의 작업 및 상황에 맞는 특성을 증명 하고있다. 효과 다음 분할 벨트 적응 훈련 조건에서 다른 조건 하에서 테스트 하는 경우 진폭에서 크게 감소 된다. 예를 들어 효과 작은 사람이 다른 환경 (예를 들어, 지상²³걷는 동안)로 이동 하는 경우, (예를 들어, 뒤로 걷기 또는^13, 를 실행 다른 운동 작업을 수행 ²⁴), 또는 심지어 적응²⁵동안 느린 벨트의 속도에서 다른 속도로 산책. 노력을 운전 적응의 일반화를 경 세 하는 매개 변수를 설정 하는 진행입니다.

이 문서의 목적은 인간의 운동 적응 및 다른 걷는 컨텍스트 (즉, 다른 걷는 속도 환경)에 적용할된 패턴의 일반화를 조사 하기 위해 분할 벨트 디딜 방 아를 사용 하기 위한 프로토콜을 설명 하기 위해. 프로토콜 설명 하면서 여기는 대부분 직접 Hamzey 외 에 사용에서 파생 ²⁵ (그림 1a),이 프로토콜 앞^8,,2324,26, 연구의 숫자에 의해 통보 했다 주목 해야 한다 ^27,28. 메서드는 걷는 속도 디딜 방 아 사이 및 지상 환경에 있는 불변성을 유지 개선 하는 것이 다른 환경²⁵걸어가는 분할-벨트의 일반화 한 가설 테스트를 원래 개발 되었다. 프로토콜 섹션 아래에서 우리는 어떻게 특정 프로토콜 단계를 수정할 수 있습니다 다른 방법으로 표시 하는 노트와 디딜 방 아 벨트 split 메서드의이 버전을 복제 하는 방법에 대 한 지침을 준다.

프로토콜

모든 절차 스토 니 브 룩 대학에서 기관 검토 위원회에 의해 승인 되었습니다.

1. 실험 설정

참고: 분할 벨트 디딜 방 아 실험에 사용 되는 일반적인 용어의 정의 대 한 보충 파일 1-정의를 참조 하십시오.

분할-벨트 디딜 방 아와 이전 경험에 대 한

1. 화면 모든 참가자.
   참고: 사람들이 표시 되었습니다 그것에 이전 노출에 따라 분할 벨트 디딜 방 아에 더 빨리 readapt ^{29 , 30}. 어떤 사람들 날짜 표시줄 " 잊지 " 분할 벨트 디딜 방 아 현재 알려져 있지 않다; 따라서, 분할 벨트 디딜 방 아와 사전 경험 제어 되지 않는 경우 혼란 변수가 있을 수 있습니다.
2. 조용한 환경에서 모든 테스트를 수행 하 고 시험장에 활동 최소화.
3. 세트 분할 벨트 디딜 방 아에와 이상에 기록 움직임 추적 시스템 (시스템 지침)에 따라 모션을 지상 보도.
   참고: 예를 들어 현재 프로토콜 모션 활성 LED 마커 추적 시스템 사용. 4 삼각대 마운트 센서 단위 2 단위 양쪽 (오른쪽과 왼쪽에 디딜 방 아의)와 지상 보도 통해 7 m의 양쪽에 두에 활성 마커의 3 차원 위치 감지.
4. 모션 추적 마커, 전도 등으로 참가자를 옷.
5. 고려 contralateral 벨트를 건너에서 다리를 방지 하기 위해 분할 벨트 디딜 방 아의 2 개의 벨트 사이 파티션을 포함 하 여. 이 파티션은 신경학 그대로 성인에 대 한 엄격 하 게 필요 하지 않습니다 하지만 테스트 또는 임상 인구에 대 한 도움이 될 수 있습니다. 참고 분할 가능성이 존재 단계 폭; 증가 그러나,는 분할 벨트 적응에 영향을 하는 정도 알.
6. 안전 장치에 설치 디딜 방 아 디딜 방 아 산책 하는 동안 떨어지는에서 참가자를 보호 하기 위해.
   참고: 마구 이것이 연구 질문의 일부 않는 한 몸 무게를 지원 해야 하지. 디딜 방 아 산책 하는 동안 떨어지는 것은 상당히 드문, 하지만 많은 연구 윤리 보드 필요 안전 하네스 사용.
7. 유지 일관성 팔에서 운동 실험 패러다임 및 참가자에 걸쳐. 고려 팔 운동 (예를 들어, 난 간, 자연스럽 게 팔을 스윙을 들고)의 유형에 결정 하는 경우 어떤 주제 그룹에 대 한 편안 하 게 될 것입니다 여부 전형적인 팔 스윙 모션에 사용 되는 중요 한 마커의 표시 모호한 것 포착 ( 예를 들어, 표시자에 대 한 배치는 엉덩이에).
   1. 팔 운동에 지시 하는 시작 하 고 안전에 대 한 디딜 방 아를 중지 하는 동안 손잡이 잡고 모든 참가자.
8. 실험 패러다임 경사에 일관성 유지.
   참고: 우리의 지식, 현재 하나를 포함 하 여 모든 게시 된 분할 벨트 디딜 방 아 프로토콜 사용 제로 경사 디딜 방 아에 대 한 그리고 지상 산책.

2. 초기 계획 기간

참고: 기준선의 목적은 어떤 정상적인 걷는 조정 각 사람에 대 한 설정. 초기 조정 효과 테스트는 모든 조건에서 시험 되어야 한다. 예를 들어 현재 프로토콜 효과 동안 디딜 방 아 및 다른 속도 (0.7와 1.4 m/s)에 산책 하는 지상에 시험 되었다. 따라서, 0.7에서 지상 및 디딜 방 아 시험에 기준선과 1.4 m/s 포함 되었습니다. 이 같은 속도와 컨텍스트 기준 도보 조정 후 효과의 직접 비교 가능 그라운드 베이스 라인을 걷는 동안 재판 제거 될 수 있습니다 때 실험 목표 지상 걷는 동안에 일반화를 포함 하지 않습니다.

에 대 한 지상 기준선 시험, 위에 지시 참가자가 걸어 지상 보도에 모션 캡처 데이터를 수집할 수 있습니다. 10 보 폭 사이클 지상 산책에 기준선을 설정 하는 최소를 수집 합니다.
1. 모션 캡처 시스템 경우만 허용 제한 된 공간 내에서 모션 캡처에 대 한 모션 캡처 공간을 통해 (예를 들어, 재판) 여러 패스를 수행 하는 참가자는. 각 시험의 끝에, 장소에 차례를 중지, 참가자를 지시 및 연구원에 대 한 준비 ' 다음 재판 하려면 s 큐.
2. 각 재판에 대 한 확인 적어도 두 다리 주기 성과 보 폭 주기를 포함 하 여 아닙니다 모션 캡처 공간 내에서 수행 됩니다.
   참고:이 초기와 최종 보 폭 주기에서에서 삭제 됩니다 분석은 가속/감속 진보 하지 정상 산책.
3. 여러 (일반적으로 10) 이상 수행 하는 참가자가 지상 재판을 걸어.
   1. 특정 속도 원하는 경우는 참가자 도보 (공동-벨트)에 디딜 방 아에 그 속도에서 작업/그녀를. 다음, 그/그녀는 디딜 방 아에 마찬가지로 같은 속도로 걸어 참가자 지시 산책로, 다시 이동 하 고 지상 걷기에 참가자의 각 시험 기간 동안 시간. ²⁵ 필요한 경우 각 재판 최대 또는 느린 다운 속도 사이 구두 피드백을 제공.
1. 디딜 방 아 기준선 시험 지시 1-5 분에 대 한 묶인 벨트에 걸어 참가자
   참고:이 단일 기준 재판을 구성합니다. 디딜 방 아 산책으로 참가자를 잘 알고 하지 경우이 기간 사람이 편안 하 게 작업 될 수 있도록 하 길어 수 있습니다. 효과 시험 될 것 이다, 동일한 속도에서 사전 및 사후 적응 걸음 걸이 조정의 비교를 허용 하는 속도를
   1. 일치 기준의 속도 실험.
      참고: 다른 연결 벨트 속도에서 여러 초기 시험 (즉, 1-5 분 블록) 해야; 예를 들어 현재 프로토콜에서 0.7 m/s 및 1.4 m/s의 묶인 벨트 속도에서 기준선 시험 수집 했다 때문에 그 효과 평가 하는 데 사용 하는 속도.

3. 적응 기간

참고: 참가자 약 분할 벨트에 걸을 다는 것을 지시할 수 필요가 없습니다. 현재 하나를 포함 하 여 많은 실험에서 참가자 라고 하지 않습니다 여부 벨트 묶인-또는 분할-; 그들은 단순히 디딜 방 아 시작 되거나 중지 될 때 말입니다. 그러면 걷는 환경에서 예기치 않은 변경의 효과 측정 하는 실험.

1. 참가자 고정 디딜 방 아 벨트에 서 있는 동안 분할 벨트 디딜 방 아 한 벨트 다른 것 보다 더 빨리 실행 시작 하 고 적어도 7 분 도보 참가자를 허용 (10-15 분은 더 일반적인).
   1. 보고 똑바로, 참가자를 지시 하지 그들의 발에 아래로.
   2. 다른 (예를 들어, 2-3 배 차이 벨트 속도) 보다 빠르게 한 벨트 속도 설정.
      참고: 높은 속도 비율 지난 ^{8 , 31}에서 사용 되었습니다. 현재 프로토콜은 2:1 비율에 대 한 0.7:1.4 m/s를 사용합니다.
      1. 어느 다리 느린 벨트에 의해 구동 됩니다 무작위 또는 일관 되 게 느린 벨트에 의해 구동 다리 한 다리 (지배 또는 비 지배적인) 선택.
      2. 벨트 속도 미분 점차적으로 도입 될 수 있습니다 (빠른 벨트 속도가 점차적으로 증가 또는 느린 벨트 속도 incre정신적으로 몇 분 동안 감소) 또는 갑자기 (중지 된 위치에서 벨트를 가속 대상 속도 초 이내).
         참고: 분할 벨트 소개 하는 방법은 영향을 미칠 수 어떻게 개인 적응, 얼마나 잘 그들은 서로 다른 도보 환경에 적응된 패턴을 전송 하 고 다시 그들은 분할 벨트 24 h 나중 ^{27 ,} 얼마나 잘 적응 ³². 현재, 대부분 분할 벨트 워킹 프로토콜 (를 포함 하 여 현재) 갑자기 분할 벨트 소개.
      3. 그것 휴식 필요 (예를 들어, 어린 아이, 노인, 또는 한정 된 기동성을 가진 개인에 대 한), 될 것으로 예상 되는 경우 미리 정해진된 휴식 프로토콜에 대 한 추가 모든 참가자. 이러한 휴식의 길이 일치; 인지 확인 예기치 못한 휴식 기록 되어야 하 고 초과,이 분석 ³³에서 고려해 야 할 요인이 될 수 있습니다.

4. 재판을 잡을

참고: Catch 재판 디딜 방 아 (묶인 벨트)에 수행 하 고 간단히 참가자를 테스트 하는 데 사용 됩니다 ' 지금까지 그들이 얼마나 적응을 나타내는 프로토콜에에서 s 효과. 잡기 재판은 짧은 (보통 < 20 s) 연결 벨트 벨트 split 적응 기간 동안 효과의 개발을 신속 하 게 평가를 걷는 기간.

1. 번 참가자는 완전히 분할-벨트 (최소 7 분 분할 벨트 산책)에 맞게, 간단히 벨트를 중지 하 고 동일한 속도로 실행 하는 두 벨트와 디딜 방 아를 다시 시작. 효과 큰 것 여기 분할 벨트 적응 ²⁸ 동안 느린 벨트로 동일한 속도에 디딜 방 아를 시작 하 여 catch 시도 수행 합니다.
   1. 0.7:1.4 m/s, 분할 벨트 적응 다음 후 효과 진폭을 극대화 하기 위해 0.7 m에서 캐치 재판 수행/미
2. 드 적응, 완화 캐치 재판 종료 (즉, 디딜 방 아를 중지) 일단 참가자는 원하는에 약 5 진보를 촬영 하고있다 잡을 시험 속도 (~ 10-15 s).
3. 캐치 실험에서 효과 평가 하기 위해 여러 다른 걷는 속도 (또는 컨텍스트, 예를 들어, 전달 및 뒤로 걷는 ²⁴에서 다른 변경)에서 수행, 다시에 적어도 2 분 동안 참가자를 적응 각 사이 분할 벨트 잡아 재판.
   참고: 캐치 실험의 순서는 무작위 ²⁵ 이어야 한다 또는 첫 번째 catch 재판 반복 스위칭 후 효과 크기에 체계적인 감소 했는지 확인 하는 적응 기간의 끝의 가까이 다시 테스트 해야 연결 벨트 (잡을 재판) 사이 분할-벨트 (다시 적응) ²⁸.
4. 마지막 다음 재판을 잡아, 디딜 방 아를 중지 하 고 분할 벨트 (적응-동일한 구성 단계 3.1.2 참조) 다시 적응 참가자 수 있도록 2-5 분 동안 그것을 다시 시작.

5. 포스트 적응-효과 동안에 지상 산책 테스트

참고:이 단계는 선택 사항이 며 실험의 목표에 따라 달라 집니다. 현재 프로토콜에서 목표 지상 걷는 동안 일반화 하의 평가 포함, 따라서 지상 테스트를 통해 후 적응 기간 포함 했다.

1. 디딜 방 아를 중지 하 고 참가자 이상 전송 기록 영역에 도달 하기 전에 등록 단계에서 참가자를 방지 하는 휠체어를 사용 하 여 지상 보도.
2. 지시 단계 2.1 에서처럼 오버 그라운드 산책로 따라 걸어 참가자.
   1. 특정 걷는 속도 원하는 경우 걷는 속도 ²⁵ 초기 복제 개인 지시.
   2. 완전히 세척 아웃 그래서 효과 산책 하는 지상에 있는 지상 보도에 6 m에 10-15 걷는 패스를 수행 하는 참가자는 사람들이 그들의 초기 조정에 반환
      참고:이 충분 한 ^{26 , 27} 및 금액 표시 되었습니다 약 30 ²⁷ 진보. 지상 산책 하는 동안은 지속적으로 기록 하는 경우 (예를 들어, 여러 패스 찍힌다 기록 영역을 통해),으로 참가자, 장소에서 회전 각 지상 재판, 걷는 동안에 사이 분석 하지 되는 몇 가지 단계가 있을 것입니다 그리고 다른 방향으로 걷기 시작 합니다. 실험 설정 지상 산책을 통해 지속적인 기록에 대 한 허용 하지 않으면 접지 후 적응 (OG PA) 시험 동안에 드 적응의 비율 신중 하 게 해석 되어야 합니다.

6. 포스트 적응-효과 동안 디딜 방 아 산책 테스트

참고: 5 단계에서이 단계는 선택 사항이 며 연구 목적에 따라 달라 집니다. 및 PA 기간 포함 되어 있었다면, 후속 디딜 방 아 후 적응 기간 후 접지 효과에 디딜 방 아 후 효과의 존재에 대 한 테스트 되었습니다 세탁 아웃 ^{23 , 26 , 27}. 디딜 방 아 후 효과 평가 하 디딜 방 아 후 적응 기간을 사용할 수 없습니다 및 PA 기간 있었다면 (후 적응의 첫 번째 1-5 진보) 또는 디딜 방 아 드 적응 속도 ^{22 , 29 , 34}.

1. 적응 기간의 끝 없는 OG PA 있었다면 짧게 디딜 방 아를 중지 하 고 다시 연결 벨트로 시작. 이상의 도보 기간 땅 있었다면, 휠체어를 사용 하 여 고정 된 디딜 방 아와 다시 연결 벨트; 시작으로 다시 참가자를 수송 휠체어는 기록 되지 않는 단계 수를 최소화 해야 합니다.
   1. 단순히 후 효과 크기를 측정, 연결 벨트는 짧은 기간 동안 걷기 기록 (예를 들어, 30 s). 드 적응의 평가, 지속적인 연결 벨트 걷기 효과의 완전 한 세척 아웃 되도록 10 분의 최소 기록.
   2. 행 세 하는 가설에 의하여 후 적응 기간 동안 묶여 벨트의 속도 설정, 최대 디딜 방 아로 효과 발생 찾을 때 묶인 벨트 속도 느린 벨트의 분할 벨트 적응 ²⁵ 동안 ^{, 28}. 0.7 1.4 m/s의 분할 벨트 속도에 적응을 수행 하는 경우 0.7 m/s는 큰 효과 관찰 하기에 묶인된 벨트 속도 설정.

결과

처음 분할 벨트 디딜 방 아에 걷는 큰 asymmetries interlimb 조정 발생 합니다. 10-15 분 동안, 대칭이이 측정의 많은 것에서 점차적으로 복원 됩니다. 상세한 설명을 어떻게 운동학 걷는 매개 변수 변경 되었습니다 분할 벨트 디딜 방 아 적응의 과정 이상 다른 곳에서^8,10출판. 이 종이 interlimb 조정의 두 가지 조?...

토론

수많은 연구에서는 사람들이 단계 길이 및 이중 지원 기간 interlimb 조정 매개 변수에서 대칭을 복원 하기 위해 걸음 걸이 조정 분할 벨트 디딜 방 아에 적응 지금 나타났습니다. 자연 산책 조건이 복원된 다음 분할-벨트 산책, 참가자 수 있는 효과로 이어지는 적응된 걸음 걸이 패턴을 사용 하 여 배우지 않은 정상적인 걷는 조정에 반환 하기 위해 계속 합니다. 연구원은 주로이 새로운 도보 패턴을 ?...

자료

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