分割トレッドミルを使用した運動適応の一般化の評価
Summary
異なる速度で各脚をドライブすることができます 2 つのベルトを持っている分割ベルト トレッドミルを用いた人間の運動適応の調査のためのプロトコルについて述べる。具体的には異なった歩行文脈 (例えば、歩行速度、歩行空間) に適応歩行パターンの一般化をテストするように設計パラダイムに着目します。
Abstract
メカニズムを理解運動の基礎となる学習支援研究者、臨床医が歩行運動リハビリの一環として訓練を最適化します。しかし、人間の運動学習を勉強して挑戦することができます。乳児期と幼年期の間に神経筋システム、かなり、成熟と運動学習開発の初期段階中に、成人のように同じメカニズムによって決まることが考えにくい。時間人間が成熟に達する、 de novoの運動学習を勉強する十分な新規性タスクを思い付くことは困難である歩行時とても熟達しています。異なる速度で各脚をドライブすることができます 2 つのベルトを持っている分割ベルト トレッドミルにより両の短い (すなわち、即時) 研究と長期的な (すなわち、分日間; 運動学習の一形態) への応答の変更を歩行、歩行環境の特異な変化。個人はことができますようにすべての実験参加者がない分割のトレッドミルに前の露出のためは上映簡単に (または同等) 経験。本稿では、運動学習と他の歩行のコンテキストにこの学習の一般化を数値化する試験法が組み込まれた典型的な分割 – トレッドミル適応プロトコルについて説明します。分割 – トレッドミルを設計するための重要な考慮事項の議論は実験トレッドミル ベルト速度、休憩時間とディス トラクターのような要因を含む、次のようです。また、流ですが潜在的な交絡変数 (例えば腕の動きの経験) の議論で考慮されます。
Introduction
分割トレッドミルは、または別の方向に異なる速度で各脚をドライブすることができます 2 つのベルトです。このデバイスは、1を歩行時足 (すなわち、すくみ調整) 間の調整を研究するツールとして 45 年以上を初めて使われました。これと他の初期の研究は、主として実験モデル1,2,3猫を使用されます昆虫も、勉強4。人間の幼児と大人で分割ベルト運動の最初の調査は、1987 年と 1994 年に、それぞれ5,6に掲載されました。人間と人間以外の動物にこれらの初期の研究はほとんど足が異なる速度で駆動される場合、安定性と転送の進行を維持するために肢の調整で短期的な (すなわち、即時) 調整を行った1995 年調査は、分割ベルト歩行が長く (数分) にそれぞれの側に速度を均等化するため正確にトレッドミル ベルト速度を感知し、調整を行う人間の大人の能力が損なわれることを指摘しました。これは歩行の感覚のマッピングが再調整7をされていたことを示唆します。しかし、最初分割ベルト トレッドミル歩行の 10 分以上の人間の運動適応の運動報告の詳細 2005 年公開された8までだった。
運動適応は、新しい、予測可能な需要9への応答で、良く学んだ動きの感覚マッピングを調整中に誤り駆動型のプロセスを指します。それは拡張の練習期間 (時間分) を介した運動学習の形態と効果は、需要が削除されたときの運動パターンの変化および/または条件の後で結果を正常に返します。たとえば、最初分割ベルトの上を歩いてぐったりに似た非対称のすくみ調整で歩く人々 になります。分割ベルト歩いて数分以上の歩行より対称になるように、彼らの歩行の調整をしつらえます。2 つのベルトはその後同じ速度 (すなわち縛らしベルト) に戻る、従って通常の歩行状態を復元人は非対称コーディネートとウォーキングで後遺症を示しています。これらの後遺症積極的に解除適応する必要があります。 または関連付けられてベルト歩行正常歩行調整が復元された8前に数分以上無学します。
2005 リースマンらに続く8分割ベルト人間の歩行の運動解析、研究発表で分割トレッドミルの使用は約以前の 10 年間に比べて 10 倍増加しました。分割のトレッドミルはより実験的なツールとして人気になっている理由分割ベルト歩行は明らかに研究所タスク-最も近いリアルなアナログを回すやタイトなサークルでウォーキングしますが、分割トレッドミルは片足走らなくて 2-4 回は他よりも高速で回転のより極端なバージョンを誘導します。分割のトレッドミルは、非常に珍しい歩行作業運動学習を勉強するためのいくつかの利点を提供しています事実。最初に、それは年齢に関係なくほとんどの人にとって新しい経験を歩いてから独立しています。画面分割ベルト歩行の目新しさの実験参加者に簡単です。第二に、分割のトレッドミルは、迅速に解決されていない肢の調整でかなりの変化を誘導します。解消の適応と適応の比較的遅い速度は私たちにどのように異なるトレーニングを勉強を許可介入は天井を接近することがなくこれらのレートを変更できます。第三に、キネマティック8,10、キネティック11,12,13,14, 筋電図学的6,15,16、タスク20 のニューラル制御があり、分割トレッドミル適応で発生する知覚7,17,18,19変更はよく研究されていると ,21,22。つまり、分割のトレッドミルに適応済みの文書化これによ特徴付けられた運動学習課題を作るいくつかの異なるグループによってレプリケートされます。
過去 10 年間、いくつかの研究は、分割ベルト適応のタスク、コンテキストに固有の性質を実証しています。トレーニング条件違う条件で試練を受ける場合振幅分割ベルト順応効果が大幅に削減します。たとえば、後遺症が小さい人はさまざまな環境 (例えば、23を歩く地面の上) に移動した場合、(例えば、後方歩行や13,を実行している別の運動タスクを実行24) または適応25の間に、遅いベルトの速度からも異なる速度で歩きます。運動適応の一般化を支配するパラメーターを確立する努力を行っております。
本稿の目的は、分割のトレッドミルを使用して人間の運動適応と他の歩行のコンテキスト (すなわち、歩行速度が異なる、環境) に適応パターンの一般化を調査するためのプロトコルを説明します。ここではほとんど記述されているプロトコル中 Hamzeyらで使用から直接派生25 (図 1、)、このプロトコルがそれに8,23,24,26,を先行研究の数によって知らされたことに注意してください27,28。メソッドは、歩行速度、トレッドミルの間と地盤環境の恒常性を維持すること分割ベルトを横切ってこれら異なる環境25の一般化を高める仮説をテストするのには元々 開発されました。以下のプロトコル セクションで、別の方法の目的のために特定のプロトコルの手順を変更ことがある方法を示すノートを分割 – トレッドミル メソッドのこのバージョンをレプリケートする方法の指示を与える.
Protocol
Representative Results
Discussion
数多くの研究は、ステップ長とダブル サポート期間のようなすくみ調整パラメーターの対称性を回復するために分割トレッドミル歩行調整をしつらえる示されています。自然な歩行状態は復元された次の分割-ベルト歩いて、参加者は通常歩行調整に戻るために無学後遺する必要がありますにつながる適応歩行パターンを使用を続行します。研究者は、主にこの新しい歩行パターンを学ぶこ?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この作品は、アメリカ心臓協会の科学者開発への交付金 (#12SDG12200001) E. 書いたこのによって賄われています。R. Hamzey の現在の所属は、機械工学科、ボストン大学、ボストン、MA、アメリカ合衆国です。E. カークの現在の所属は、MGH 保健所理学療法学科です。
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 |
References
- Kulagin, A. S., Shik, M. L. Interaction of symmetric extremities during controlled locomotion. Biofizika. 15 (1), 164-170 (1970).
- Halbertsma, J. M. The stride cycle of the cat: the modelling of locomotion by computerized analysis of automatic recordings. Acta Physiol Scand Suppl. 521, 1-75 (1983).
- Forssberg, H., Grillner, S., Halbertsma, J., Rossignol, S. The locomotion of the low spinal cat. II. Interlimb coordination. Acta Physiol Scand. 108 (3), 283-295 (1980).
- Foth, E., Bassler, U. Leg movements of stick insects walking with five legs on a treadwheel and with one leg on a motor-driven belt. II. Leg coordination when step-frequencies differ from leg to leg. Biol Cybern. 51 (5), 319-324 (1985).
- Thelen, E., Ulrich, B. D., Niles, D. Bilateral coordination in human infants: stepping on a split-belt treadmill. J Exp Psychol Hum Percept Perform. 13 (3), 405-410 (1987).
- Dietz, V., Zijlstra, W., Duysens, J. Human neuronal interlimb coordination during split-belt locomotion. Exp Brain Res. 101 (3), 513-520 (1994).
- Jensen, L., Prokop, T., Dietz, V. Adaptational effects during human split-belt walking: influence of afferent input. Exp Brain Res. 118 (1), 126-130 (1998).
- Reisman, D. S., Block, H. J., Bastian, A. J. Interlimb coordination during locomotion: what can be adapted and stored?. J Neurophysiol. 94 (4), 2403-2415 (2005).
- Martin, T. A., Keating, J. G., Goodkin, H. P., Bastian, A. J., Thach, W. T. Throwing while looking through prisms. II. Specificity and storage of multiple gaze-throw calibrations. Brain. 119 (Pt 4), 1199-1211 (1996).
- Malone, L. A., Bastian, A. J., Torres-Oviedo, G. How does the motor system correct for errors in time and space during locomotor adaptation?. J Neurophysiol. 108 (2), 672-683 (2012).
- Lauziere, S., et al. Plantarflexion moment is a contributor to step length after-effect following walking on a split-belt treadmill in individuals with stroke and healthy individuals. J Rehabil Med. 46 (9), 849-857 (2014).
- Mawase, F., Haizler, T., Bar-Haim, S., Karniel, A. Kinetic adaptation during locomotion on a split-belt treadmill. J Neurophysiol. 109 (8), 2216-2227 (2013).
- Ogawa, T., Kawashima, N., Obata, H., Kanosue, K., Nakazawa, K. Distinct motor strategies underlying split-belt adaptation in human walking and running. PLoS One. 10 (3), e0121951 (2015).
- Roemmich, R. T., Hack, N., Akbar, U., Hass, C. J. Effects of dopaminergic therapy on locomotor adaptation and adaptive learning in persons with Parkinson’s disease. Behav Brain Res. 268, 31-39 (2014).
- Betschart, M., Lauziere, S., Mieville, C., McFadyen, B. J., Nadeau, S. Changes in lower limb muscle activity after walking on a split-belt treadmill in individuals post-stroke. J Electromyogr Kinesiol. 32, 93-100 (2017).
- Maclellan, M. J., et al. Muscle activation patterns are bilaterally linked during split-belt treadmill walking in humans. J Neurophysiol. 111 (8), 1541-1552 (2014).
- Hoogkamer, W., et al. Gait asymmetry during early split-belt walking is related to perception of belt speed difference. J Neurophysiol. 114 (3), 1705-1712 (2015).
- Vazquez, A., Statton, M. A., Busgang, S. A., Bastian, A. J. Split-belt walking adaptation recalibrates sensorimotor estimates of leg speed but not position or force. J Neurophysiol. 114 (6), 3255-3267 (2015).
- Wutzke, C. J., Faldowski, R. A., Lewek, M. D. Individuals Poststroke Do Not Perceive Their Spatiotemporal Gait Asymmetries as Abnormal. Phys Ther. 95 (9), 1244-1253 (2015).
- Jayaram, G., Galea, J. M., Bastian, A. J., Celnik, P. Human locomotor adaptive learning is proportional to depression of cerebellar excitability. Cereb Cortex. 21 (8), 1901-1909 (2011).
- Morton, S. M., Bastian, A. J. Cerebellar contributions to locomotor adaptations during splitbelt treadmill walking. J Neurosci. 26 (36), 9107-9116 (2006).
- Jayaram, G., et al. Modulating locomotor adaptation with cerebellar stimulation. J Neurophysiol. 107 (11), 2950-2957 (2012).
- Reisman, D. S., Wityk, R., Silver, K., Bastian, A. J. Split-belt treadmill adaptation transfers to overground walking in persons poststroke. Neurorehabil Neural Repair. 23 (7), 735-744 (2009).
- Choi, J. T., Bastian, A. J. Adaptation reveals independent control networks for human walking. Nat Neurosci. 10 (8), 1055-1062 (2007).
- Hamzey, R. J., Kirk, E. M., Vasudevan, E. V. Gait speed influences aftereffect size following locomotor adaptation, but only in certain environments. Exp Brain Res. 234 (6), 1479-1490 (2016).
- Torres-Oviedo, G., Bastian, A. J. Seeing is believing: effects of visual contextual cues on learning and transfer of locomotor adaptation. J Neurosci. 30 (50), 17015-17022 (2010).
- Torres-Oviedo, G., Bastian, A. J. Natural error patterns enable transfer of motor learning to novel contexts. J Neurophysiol. 107 (1), 346-356 (2012).
- Vasudevan, E. V., Bastian, A. J. Split-belt treadmill adaptation shows different functional networks for fast and slow human walking. J Neurophysiol. 103 (1), 183-191 (2010).
- Malone, L. A., Vasudevan, E. V., Bastian, A. J. Motor adaptation training for faster relearning. J Neurosci. 31 (42), 15136-15143 (2011).
- Musselman, K. E., Roemmich, R. T., Garrett, B., Bastian, A. J. Motor learning in childhood reveals distinct mechanisms for memory retention and re-learning. Learn Mem. 23 (5), 229-237 (2016).
- Yang, J. F., Lamont, E. V., Pang, M. Y. Split-belt treadmill stepping in infants suggests autonomous pattern generators for the left and right leg in humans. J Neurosci. 25 (29), 6869-6876 (2005).
- Roemmich, R. T., Bastian, A. J. Two ways to save a newly learned motor pattern. J Neurophysiol. 113 (10), 3519-3530 (2015).
- Malone, L. A., Bastian, A. J. Age-related forgetting in locomotor adaptation. Neurobiol Learn Mem. 128, 1-6 (2016).
- Malone, L. A., Bastian, A. J. Thinking about walking: effects of conscious correction versus distraction on locomotor adaptation. J Neurophysiol. 103 (4), 1954-1962 (2010).
- Vasudevan, E. V., Torres-Oviedo, G., Morton, S. M., Yang, J. F., Bastian, A. J. Younger is not always better: development of locomotor adaptation from childhood to adulthood. J Neurosci. 31 (8), 3055-3065 (2011).
- Alexander, R. M. Optimization and gaits in the locomotion of vertebrates. Physiol Rev. 69 (4), 1199-1227 (1989).
- Vasudevan, E. V., Patrick, S. K., Yang, J. F. Gait Transitions in Human Infants: Coping with Extremes of Treadmill Speed. PLoS One. 11 (2), e0148124 (2016).
- Eikema, D. J., et al. Optic flow improves adaptability of spatiotemporal characteristics during split-belt locomotor adaptation with tactile stimulation. Exp Brain Res. 234 (2), 511-522 (2016).
- Mukherjee, M., et al. Plantar tactile perturbations enhance transfer of split-belt locomotor adaptation. Exp Brain Res. 233 (10), 3005-3012 (2015).
- Finley, J. M., Statton, M. A., Bastian, A. J. A novel optic flow pattern speeds split-belt locomotor adaptation. J Neurophysiol. 111 (5), 969-976 (2014).
- Long, A. W., Roemmich, R. T., Bastian, A. J. Blocking trial-by-trial error correction does not interfere with motor learning in human walking. J Neurophysiol. 115 (5), 2341-2348 (2016).
- Musselman, K. E., Patrick, S. K., Vasudevan, E. V., Bastian, A. J., Yang, J. F. Unique characteristics of motor adaptation during walking in young children. J Neurophysiol. 105 (5), 2195-2203 (2011).
- Gordon, C. R., Fletcher, W. A., Melvill Jones, G., Block, E. W. Adaptive plasticity in the control of locomotor trajectory. Exp Brain Res. 102 (3), 540-545 (1995).
- Savin, D. N., Tseng, S. C., Morton, S. M. Bilateral adaptation during locomotion following a unilaterally applied resistance to swing in nondisabled adults. J Neurophysiol. 104 (6), 3600-3611 (2010).
- Lam, T., Wirz, M., Lunenburger, L., Dietz, V. Swing phase resistance enhances flexor muscle activity during treadmill locomotion in incomplete spinal cord injury. Neurorehabil Neural Repair. 22 (5), 438-446 (2008).
- Yen, S. C., Schmit, B. D., Wu, M. Using swing resistance and assistance to improve gait symmetry in individuals post-stroke. Hum Mov Sci. 42, 212-224 (2015).
- Lam, T., Anderschitz, M., Dietz, V. Contribution of feedback and feedforward strategies to locomotor adaptations. J Neurophysiol. 95 (2), 766-773 (2006).
- Handzic, I., Barno, E. M., Vasudevan, E. V., Reed, K. B. Design and Pilot Study of a Gait Enhancing Mobile Shoe. Paladyn. 2 (4), (2011).
- Haddad, J. M., van Emmerik, R. E., Whittlesey, S. N., Hamill, J. Adaptations in interlimb and intralimb coordination to asymmetrical loading in human walking. Gait Posture. 23 (4), 429-434 (2006).
- Noble, J. W., Prentice, S. D. Adaptation to unilateral change in lower limb mechanical properties during human walking. Exp Brain Res. 169 (4), 482-495 (2006).
- Choi, J. T., Vining, E. P., Reisman, D. S., Bastian, A. J. Walking flexibility after hemispherectomy: split-belt treadmill adaptation and feedback control. Brain. 132 (Pt 3), 722-733 (2009).
- Vasudevan, E. V., Glass, R. N., Packel, A. T. Effects of traumatic brain injury on locomotor adaptation. J Neurol Phys Ther. 38 (3), 172-182 (2014).
- Reisman, D. S., McLean, H., Keller, J., Danks, K. A., Bastian, A. J. Repeated split-belt treadmill training improves poststroke step length asymmetry. Neurorehabil Neural Repair. 27 (5), 460-468 (2013).
- MacLellan, M. J., Qaderdan, K., Koehestanie, P., Duysens, J., McFadyen, B. J. Arm movements during split-belt walking reveal predominant patterns of interlimb coupling. Hum Mov Sci. 32 (1), 79-90 (2013).
- Finley, J. M., Long, A., Bastian, A. J., Torres-Oviedo, G. Spatial and Temporal Control Contribute to Step Length Asymmetry During Split-Belt Adaptation and Hemiparetic Gait. Neurorehabil Neural Repair. 29 (8), 786-795 (2015).
- Roemmich, R. T., Long, A. W., Bastian, A. J. Seeing the Errors You Feel Enhances Locomotor Performance but Not Learning. Curr Biol. 26 (20), 2707-2716 (2016).
- Mawase, F., Shmuelof, L., Bar-Haim, S., Karniel, A. Savings in locomotor adaptation explained by changes in learning parameters following initial adaptation. J Neurophysiol. 111 (7), 1444-1454 (2014).
