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Verhalten

Verwenden eine Split-Gürtel-Laufband zum Verallgemeinerung des menschlichen Bewegungsapparates Anpassung auswerten

Published: August 23, 2017
doi:
10.3791/55424
, ,
1Physical Therapy, School of Health Technology and Management,Stony Brook University, 2Motor Learning Lab, Moss Rehabilitation Research Institute,Einstein Healthcare Network

Summary

Wir beschreiben ein Protokoll für die Untersuchung von menschlichen Bewegungsapparates Anpassung mit dem Split-Gürtel-Laufband, mit zwei Riemen, die jedes Bein mit einer anderen Geschwindigkeit fahren kann. Wir konzentrieren uns speziell auf ein Paradigma entwickelt, um die Verallgemeinerung der angepasst lokomotorischen Muster zu Fuß Kontexten (z.B.Gang Geschwindigkeiten, Umgebungen zu Fuß) zu testen.

Abstract

Das Verständnis der Mechanismen zugrunde liegenden motorischen Lernens hilft den Forschern und Klinikern optimieren Gangart Umschulung im Rahmen der motorischen Rehabilitation. Studium des menschlichen Bewegungsapparates lernen kann allerdings schwierig sein. Während der Kindheit und Jugend das neuromuskuläre System ist ziemlich unreif, und es ist unwahrscheinlich, dass die gleichen Mechanismen wie im Erwachsenenalter Bewegungsorgane lernen während der frühen Stadien der Entwicklung unterliegt. Von der Zeit Menschen erreichen ihre Reife, sie sind nur wenige so tüchtig, dass es schwierig ist, kommen mit einer ausreichend neuartige Aufgabe de Novo Bewegungsorgane lernen zu studieren. Die Split-Gürtel-Laufband, die zwei Riemen, die jedes Bein mit einer anderen Geschwindigkeit fahren kann, ermöglicht die Untersuchung der beiden kurz-(d.h.sofortige) und langfristige (d. h., in Minuten-Tagen, eine Form des motorischen Lernens) Gang Änderungen als Reaktion auf eine neuartige Änderung in fußläufiger Umgebung. Einzelpersonen können leicht gezeigt werden für frühere Exposition gegenüber dem Split-Gürtel-Laufband, damit alle experimentellen Teilnehmer haben (oder gleichwertiges) Vorkenntnisse. Dieses Whitepaper beschreibt eine typische Split-Gürtel Laufband Anpassungsprotokolls, die Methoden zur Quantifizierung der Bewegungsorgane Lern- und Verallgemeinerung dieses Lernens in andere Kontexte zu Fuß integriert. Eine Diskussion über wichtige Überlegungen für die Gestaltung von Split-Gürtel Laufband Experimente folgt, unter anderem Faktoren wie Laufband Bandgeschwindigkeiten, Ruhepausen und Distraktoren. Darüber hinaus gelten aber erforschten potenzielle konfundierenden Variablen (z. B.Armbewegungen, Vorkenntnisse) in der Diskussion.

Introduction

Ein Split-Gürtel-Laufband verfügt über zwei Riemen, die jedes Bein mit einer anderen Geschwindigkeit oder in eine andere Richtung fahren können. Dieses Gerät wurde erstmals vor 45 Jahren als ein Werkzeug verwendet, Koordination zwischen die Beine während des Gehens1(d.h. interlimb Koordination) zu studieren. Dies und andere frühen Studien vor allem Katzen als ein experimentelles Modell1,2,3verwendet, aber Insekten waren auch studierte4. Die ersten Untersuchungen der Split-Gürtel Fortbewegung im menschlichen Säuglingen und Erwachsenen erschienen 1987 und 1994 jeweils5,6. Diese ersten Studien an menschlichen und nichtmenschlichen Tieren untersucht vor allem kurzfristige (d.h.sofortige) Anpassungen im interlimb Koordination, Stabilität und vorwärts Progression zu bewahren, wenn die Beine mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten gefahren werden. Eine 1995 Studie festgestellt, dass längere Zeiträume (mehrere Minuten) Split-Gürtel zu Fuß die Fähigkeit des erwachsenen Menschen genau wahrnehmen Laufband der Bandgeschwindigkeit und Anpassungen vornehmen beeinträchtigt, Geschwindigkeiten auf jeder Seite auszugleichen. Dies deutet darauf hin, dass die sensomotorische Zuordnung des Gehens neu kalibriert7gewesen sei. Jedoch war es nicht bis 2005, dass die erste detaillierte kinematische Bericht motorische Anpassung des Menschen über 10 Minuten von Split-Gürtel Laufband walking veröffentlichten8Jahre alt war.

Motorische Anpassung bezieht sich auf eine Fehler-gesteuerten Prozess während, den sensomotorische Zuordnungen von gut erlernten Bewegungen in Reaktion auf eine neue, vorhersehbare Nachfrage9angepasst werden. Es ist eine Form des motorischen Lernens, das über einen erweiterten Praxis Zeitraum (Minuten bis Stunden) auftritt und Ergebnisse in after Effects sind Änderungen in der Bewegungsmuster, wenn die Nachfrage entfernt wird und/oder Bedingungen wieder zur Normalität zurückkehren. Zu Fuß zunächst auf Split-Gürtel verursacht beispielsweise Menschen mit asymmetrischen interlimb Koordinierung, ähnlich wie ein hinken gehen. Über mehrere Minuten des Gehens Split-Gürtel anpassen Menschen ihren Fuß Koordination so, dass ihre Gangart mehr symmetrisch wird. Wenn die beiden Gurte später in der gleichen Geschwindigkeit (d.h. gebunden-Gurte) zurückkehren, zeigen Normalbedingungen zu Fuß damit die Wiederherstellung, Menschen Nachwirkungen zu Fuß mit asymmetrischen Koordination. Diese Nachwirkungen aktiv de angepasst werden müssen oder über mehrere Minuten gebunden-Gürtel zu Fuß vor normalen walking Koordination restaurierten8verlernt.

Nach 2005 Reisman Et Al. 8 kinematische Analyse der Split-Gürtel zu Fuß beim Menschen, stieg Benutzung des Laufbandes Split-Gürtel in veröffentlichten Forschungsergebnisse rund um das Zehnfache im Vergleich zu den letzten zehn Jahren. Warum wird die Split-Gürtel-Laufband beliebter als ein experimentelles Werkzeug? Split-Gürtel Gehfähigkeit ist eindeutig eine Labor-Aufgabe-der nächsten realen analogen drehen oder zu Fuß in einem engen Kreis, aber die Split-Gürtel-Laufband induziert eine viel extremere Version drehen, mit einem Bein getrieben zwei-bis vier – Mal schneller als der andere. Die Tatsache, dass die Split-Gürtel-Laufband bietet eine höchst ungewöhnliche Aufgabe zu Fuß mehrere Vorteile für das Studium der Bewegungsorgane lernen. Erstens ist es neu für die meisten Menschen unabhängig vom Alter und unabhängig von Wandererfahrung; Es ist leicht zu Bildschirm experimentelle Teilnehmer für die Neuheit des Split-Gürtel zu Fuß. Zweitens, induziert das Split-Gürtel-Laufband beträchtliche Änderungen in interlimb Abstimmung, die nicht schnell behoben werden. Die relativ langsame Sätze Anpassungs-und de-Anpassung erlauben Sie uns, wie unterschiedliche Ausbildung studieren Interventionen können diese Sätze verändern, ohne Annäherung an eine Decke. Dritte, die kinematische8,10, kinetische11,12,13,14, elektromyographische6,15,16 , und Wahrnehmungs-7,17,18,19 Änderungen, die mit Split-Gürtel Laufband Anpassung auftreten wurden gut untersuchte, wie die neuronale über diese Aufgabe20 Kontrolle ,21,22. Mit anderen Worten haben Anpassungen an das Split-Gürtel-Laufband dokumentiert und durch verschiedene Gruppen, so dass dies ein gut charakterisierten Bewegungsorgane Lernaufgabe repliziert wurden.

In den letzten zehn Jahren haben mehrere Studien die Aufgabe und Kontext-spezifische Art der Split-Gürtel Anpassung gezeigt. Nachwirkungen nach Split-Gürtel Anpassung sind in Amplitude deutlich reduziert, wenn sie unter verschiedenen Bedingungen aus dem Trainingszustand geprüft werden. Zum Beispiel Nachwirkungen sind kleiner, wenn die Person in eine andere Umgebung (z. B.über Boden zu Fuß23) verschoben wird, führt eine andere Bewegungsorgane Aufgabe (z.B., rückwärts gehen oder laufen13, ( 24), oder sogar mit einer Geschwindigkeit, die unterscheidet sich von der Geschwindigkeit des langsameren Bandes während Anpassung25geht. Bemühungen um die Parameter für die Verallgemeinerung der Bewegungsorgane Anpassung sind im Gange.

Das Ziel dieses Papiers ist zu beschreiben, ein Protokoll für die Verwendung von Split-Gürtel-Laufband, um menschlichen Bewegungsapparates Anpassung und Verallgemeinerung des Musters angepasst auf andere zu Fuß Kontexte (d.h., unterschiedlich zu Fuß schnell und Umgebungen) zu untersuchen. Während das Protokoll beschrieben ist hier die meisten direkt abgeleitet, die in Hamzey Et Al. verwendet 25 (Abbildung 1(ein), ist anzumerken, dass dieses Protokoll durch eine Reihe von Studien informiert wurde, die ihr,8,23,24,26, vorausging 27,28. Die Methode wurde ursprünglich entwickelt, um die Hypothese zu testen, dass Pflege Konstanz in Schrittgeschwindigkeit zwischen dem Laufband und über Boden Umgebungen Verallgemeinerung der Split-Gürtel zu Fuß über diesen unterschiedlichen Umgebungen25verbessern würde. Im Abschnitt Protokoll geben wir Anweisungen, wie diese Version der Methode Split-Gürtel Laufband mit Noten zu replizieren, die angeben, wie bestimmte Protokoll Schritte für andere Zwecke geändert werden können.

Protocol

alle Verfahren von der Institutional Review Board an der Stony Brook University genehmigt worden. 1. Versuchsaufbau Hinweis: beziehen sich auf Zusätzliche Datei 1-Definitionen für die Definitionen der Begriffe in Split-Gürtel Laufband Experimente verwendet. Bildschirm alle Teilnehmer für frühere Erfahrungen mit dem Split-Gürtel-Laufband. Hinweis: Menschen haben gezeigt, dass schneller gewöhnen, eine vorherige Aussetzung zu…

Representative Results

Gehen auf einem Split-Gürtel-Laufband zunächst verursacht große Asymmetrien in interlimb Abstimmung. Über einen Zeitraum von 10-15 min ist Symmetrie in viele dieser Maßnahmen schrittweise wiederhergestellt. Detaillierte Beschreibungen wie kinematische walking Parameter-Änderung über der Verlauf der Split-Gürtel Laufband Anpassung wurden an anderer Stelle veröffentlicht8,10. Dieser Beitrag…

Discussion

Zahlreiche Studien haben nun gezeigt, dass Menschen Gangart Koordination auf einem Split-Gürtel-Laufband anzupassen, um Symmetrie in der interlimb Koordination Parameter wie Schrittlänge und Doppelständer Dauer wiederherzustellen. Zu Fuß Naturbedingungen fahren restaurierten folgenden Split-Gürtel zu Fuß, Teilnehmer, dass mit der angepassten Gangbild zu folgen, die sein um wieder normal zu Fuß Koordination verlernt. Forscher verwenden in erster Linie Anpassung Rate und Nachwirkung Amplitude, um die Fähigkeit, die…

Offenlegungen

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Diese Arbeit wurde durch einen American Heart Association Wissenschaftler Entwicklung Grant (#12SDG12200001), E. Vasudevan finanziert. R. Hamzeys aktuelle Zugehörigkeit ist Department of Mechanical Engineering, Boston University, Boston, MA, USA. E. Kirk aktuelle Zugehörigkeit ist der MGH Institute of Health Professions-Abteilung für physikalische Therapie.

Materials

Split-belt treadmill Woodway The WOODWAY SPLIT-BELT is an advanced gate measurement and analysis tool used for synchronous or asynchronous running/walking. With its unique and innovative dual belt system, the "SPLIT-BELT," provides infinitely variable speed control of each leg independently. Used for gait rehab, the gas-assisted, fully adjusted handrail options provide more room for therapists and patients.
Codamotion CX1 Charmwood Dynamics, Ltd, Leicestershire, UK
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Vasudevan, E. V., Hamzey, R. J., Kirk, E. M. Using a Split-belt Treadmill to Evaluate Generalization of Human Locomotor Adaptation. J. Vis. Exp. (126), e55424, doi:10.3791/55424 (2017).
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