استخدام حلقة مفرغة سبليت-حزام لتقييم تعميم التكيف الحركي البشري
Summary
يمكننا وصف بروتوكول لتحقق التكيف الحركي البشري باستخدام المطحنة حزام سبليت، التي قد حزامين التي يمكن أن تدفع كل ساق بسرعة مختلفة. نحن تركز تحديداً على نموذج مصممة لاختبار تعميم تكييف أنماط الحركي لسياقات المشي مختلفة (مثلاً، مشيه بسرعة، المشي البيئات).
Abstract
فهم الآليات الكامنة وراء التعلم الحركي يساعد الباحثين والأطباء تحسين مشيه إعادة التدريب كجزء من إعادة التأهيل الحركي. ومع ذلك، دراسة التعلم الحركي البشري يمكن أن يكون تحديا. خلال مرحلة الرضاعة والطفولة، النظام العصبي العضلي غير ناضجة تماما، وأنه من غير المرجح أن التعلم الحركي خلال المراحل الأولى من التنمية تحكمها نفس الآليات كما هو الحال في مرحلة البلوغ. بالبشر وقت الوصول إلى مرحلة النضج، وهم حتى يبرع في المشي أنه من الصعب الخروج بمهمة رواية بما فيه الكفاية لدراسة التعلم الحركي حيثياته . المطحنة حزام سبليت، التي لديها حزامين التي يمكن أن تدفع كل ساق بسرعة مختلفة، تمكن الدراسة من كلا قصيرة-(أيفورا) وطويلة الأجل (أي، على مدى الأيام دقيقة؛ شكلاً من أشكال التعلم الحركي) مشيه التعديلات استجابة رواية التغيير في البيئة سيرا على الأقدام. يمكن بسهولة أن فحص الأفراد للتعرض السابق لتقسيم حزام حلقة مفرغة، وبالتالي ضمان أن جميع المشاركين التجريبية ليس لديهم (أو ما يعادلها) الخبرة السابقة. وتصف هذه الورقة بروتوكول تكيف مطحنة حزام تقسيم نموذجي يتضمن أساليب الاختبار لقياس التعلم الحركي وتعميم هذا التعليم إلى سياقات أخرى سيرا على الأقدام. مناقشة لاعتبارات هامة لتصميم المطحنة حزام تقسيم التجارب فيما يلي، بما في ذلك عوامل مثل سرعة حزام المطحنة والراحة ديستراكتورس. بالإضافة إلى ذلك، احتمال لكن المداريين المتغيرات المؤثرة الأخرى (مثلاً، حركات الذراع، خبرة سابقة) تعتبر في المناقشة.
Introduction
وقد حلقة مفرغة حزام تقسيم حزامين التي يمكن أن تدفع كل ساق بسرعة مختلفة أو في اتجاه مختلف. واستخدمت هذا الجهاز أولاً قبل 45 عاماً كأداة لدراسة التنسيق بين الساقين (أي، التنسيق إينتيرليمب) أثناء المشي1. هذا، وغيرها من الدراسات المبكرة أساسا كالقطط نموذج تجريبي1،2،3، ولكن الحشرات كانت أيضا درس4. ونشرت التحقيقات الأولى لتحرك الحزام انقسام البشرية عند الرضع والكبار في عامي 1987 و 1994، على التوالي5،6. هذه الدراسات الأولية في الحيوانات سواء البشرية أو غير البشرية التحقيق في معظمها قصيرة الأجل (أيفورا) التعديلات بالتنسيق إينتيرليمب للحفاظ على الاستقرار والتقدم إلى الأمام عندما تكون مدفوعة الساقين سرعات مختلفة. ولاحظت دراسة عام 1995 أن فترات أطول (عدة دقائق) لتقسيم حزام المشي ضعف القدرة البشرية من الكبار لدقة تصور سرعة حزام المطحنة وإجراء تعديلات لتحقيق التعادل بسرعة على كل جانب. وهذا يوحي بأن تعيين حسي حركي المشي كان المعدلة7. ومع ذلك، لم يكن حتى عام 2005 أن الأول الحركية تقرير تفصيلي لتكييف موتور البشرية ما يزيد على 10 دقائق لتقسيم حزام المطحنة المشي كان ينشر8.
تكييف السيارات يشير إلى عملية يحركها خطأ خلالها يتم ضبط تعيينات حسي حركي من تحركات المستفادة جيدا في الاستجابة ل طلب الجديد، ويمكن التنبؤ به9. هو شكل من أشكال التعلم الحركي الذي يحدث على مدى فترة ممتدة من ممارسة (دقائق إلى ساعات) والنتائج في الآثار، وهي تغييرات في نمط الحركة عند إزالة الطلب و/أو شروط العودة إلى وضعها الطبيعي. على سبيل المثال، المشي على تقسيم الأحزمة في البداية يؤدي الناس على سيرا على الأقدام مع التنسيق إينتيرليمب غير المتناظر، تشبه يعرج. خلال عدة دقائق من المشي سبليت-الحزام، تكييف الناس التنسيق فيما بينها المشي حتى يصبح على مشيه أكثر متماثل. عندما حزامين العودة في وقت لاحق بنفس السرعة (أي ربط أحزمة)، وبالتالي إعادة الأوضاع الطبيعية سيرا على الأقدام، الناس تثبت الآثار اللاحقة بالمشي مع التنسيق غير المتناظر. يجب أن يكون نشاط إزالة الألغام تكييف هذه الآثار أو نستوعبها خلال عدة دقائق لربط حزام المشي قبل التنسيق المشي العادي هو استعادة8.
عقب رايزمان 2005 et al. 8 تحليل الحركية لتقسيم حزام المشي في البشر، ازداد استخدام المطحنة سبليت-الحزام في الأبحاث المنشورة حوالي عشرة إضعاف مقارنة بالعقد السابق. لماذا أصبحت حلقة مفرغة حزام تقسيم أكثر شعبية كأداة تجريبية؟ أمبوليشن سبليت-حزام من الواضح أن مهمة مختبر – التناظرية العالم الحقيقي الأقرب هو تحول أو المشي في دائرة ضيقة، ولكن يدفع المطحنة حزام تقسيم إصدار كثير أكثر تطرفاً من تحول، مع ساق واحدة يجري مدفوعة سنتين إلى أربع مرات أسرع من غيرها. حقيقة أن المطحنة حزام تقسيم مهمة قريبة جداً عادية ويوفر العديد من المزايا لدراسة التعلم الحركي. أولاً، أنها رواية لمعظم الناس بغض النظر عن العمر ومستقلة عن المشي الخبرة؛ فمن السهل على المشاركين الشاشة التجريبية للجدة من سبليت-حزام المشي. ثانيا، يستحث المطحنة حزام تقسيم تغييرات كبيرة في التنسيق إينتيرليمب التي لم يتم حلها بسرعة. معدلات بطيئة نسبيا للتكيف والتكيف دي تسمح لنا بدراسة تدريبية مختلفة كيف التدخلات يمكن أن يغير هذه المعدلات دون الاقتراب من الحد أقصى. الثالثة، والحركية8،10، الحركية11،،من121413،، اليكتروميوجرافيك6،15،16 ، و الإدراك الحسي7،17،18،19 التعديلات التي تحدث مع تكييف سبليت-حزام المطحنة كانت مدروسة، كما يحتوي على عنصر تحكم العصبية لهذه المهمة20 ،،من2122. وبعبارة أخرى، تم توثيق التكييف إلى حلقة مفرغة سبليت-حزام وتكرارها عدة مجموعات مختلفة، مما يجعل هذه مهمة جيدا يتسم تعلم الحركي.
على مدى السنوات العشر الماضية، أظهرت عدة دراسات الطبيعة المحددة للمهمة وسياق التكيف سبليت-الحزام. هي الآثار اللاحقة بعد تكييف سبليت-حزام انخفاضا كبيرا في السعة إذا أنها يتم اختبارها تحت ظروف مختلفة من حالة التدريب. على سبيل المثال، الآثار هي أصغر إذا تم نقل الشخص إلى بيئة مختلفة (مثلاً، على أرض الواقع المشي23)، ويقوم بتنفيذ مهمة الحركي مختلفة (مثلاً، إلى الوراء المشي أو الجري13، 24)، أو حتى يمشي بسرعة تختلف عن سرعة الحزام أبطأ من خلال التكيف25. يجري بذل جهود وضع معايير تحكم تعميم التكيف الحركي.
والهدف من هذه الورقة وصف بروتوكول لاستخدام المطحنة سبليت-حزام للتحقيق في التكيف الحركي البشرية وتعميم نمط تكييفها إلى سياقات أخرى قريبة (أيسرعة المشي المختلفة والبيئات). بينما البروتوكول الموصوفة هنا هو معظم مشتقة مباشرة من تلك المستخدمة في هامزيي et al. 25 (الشكل 1)، تجدر الإشارة إلى أن هذا البروتوكول قد أبلغت بعدد من الدراسات التي سبقته8،23،،من2426، 27،28. الطريقة التي وضعت أصلاً لاختبار الفرضية القائلة بأن المحافظة على الثبات في المشي السرعة بين المطحنة وأكثر البيئات الأرضية من شأنه أن يحسن التعميم من سبليت-حزام المشي عبر هذه البيئات المختلفة25. في المقطع بروتوكول أدناه، نعطي تعليمات بشأن كيفية إجراء نسخ متماثل هذا الإصدار من الأسلوب سبليت-حزام حلقة مفرغة، مع الملاحظات التي تبين كيف يجوز تعديل بعض الخطوات البروتوكول لأغراض أسلوب مختلف.
Protocol
Representative Results
Discussion
وقد أظهرت العديد من الدراسات الآن أن الشعب التكيف مع التنسيق مشيه في حلقة مفرغة سبليت-الحزام من أجل استعادة التماثل في معلمات التنسيق إينتيرليمب مثل طول الخطوة ومدة الدعم المزدوج. عندما تكون الشروط المشي الطبيعية المستعادة التالي تقسيم حزام المشي، يواصل المشاركون استخدام نمط مشيه تكييف?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم تمويل هذا العمل من “أمريكية قلب جمعية العلماء التنمية منحة” (#12SDG12200001) فاسوديفان هاء. ر. هامزيي الانتماء الحالي هو قسم الهندسة الميكانيكية، جامعة بوسطن، بوسطن، ماجستير، الولايات المتحدة الأمريكية. هاء كيرك الانتماء الحالي هو إدارة “معهد MGH للمهن الصحية” للعلاج الطبيعي.
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 |
Referências
- 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).
