JoVE Journal > Behavior
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Resultados
Discussion
Declarações
Acknowledgements
Materials
Referências
Tadução automática
Comportamento

Ved hjælp af en Split-bælte løbebånd at evaluere generalisering af menneskelige bevægeapparatet tilpasning

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

Vi beskriver en protokol for at undersøge menneskelige bevægeapparatet tilpasning ved hjælp af split-bælte løbebånd, som har to bælter, der kan drive hvert ben på en anden hastighed. Vi fokuserer specifikt på et paradigme, der er designet til at teste generalisering af tilpasset bevægeapparatet mønstre til forskellige omvandrende sammenhænge (fxgangart hastigheder, walking miljøer).

Abstract

Forstå mekanismerne underliggende bevægeapparatet læring hjælper forskere og klinikere optimere gangart omskoling som en del af motor rehabilitering. Men at studere menneskers bevægeapparatet læring kan være udfordrende. Under spædbarnsalder og barndom, det neuromuskulære system er ganske umodne, og det er usandsynligt, at bevægeapparatet læring i tidlige stadier af udvikling er underlagt de samme mekanismer som i voksenalderen. Af tid menneskene bliver kønsmodne, de er så dygtige til at gå, at det er vanskeligt at komme med en tilstrækkelig roman opgave at studere de novo bevægeapparatet læring. Split-bælte løbebånd, som har to bælter, der kan drive hvert ben på en anden hastighed, giver mulighed for undersøgelse af både kort-(dvs.umiddelbar) og lang sigt (dvs.over minutter-dage, en form for motoriske læring) gangart ændringer som reaktion på en Roman ændring i den omvandrende miljø. Enkeltpersoner kan nemt screenes for tidligere eksponering for split-bælte løbebånd, hvilket sikrer at alle eksperimentelle deltagere ingen har (eller tilsvarende) forudgående erfaring. Dette papir beskriver en typisk split-bælte løbebånd tilpasning protokol, der inkorporerer testmetoder for at kvantificere bevægeapparatet læring og generalisering af denne læring til andre walking sammenhænge. En drøftelse af vigtige overvejelser for design split-bælte løbebånd eksperimenter følger, herunder faktorer som løbebånd bælte hastigheder, pauser og forkerte. Derudover potentielle men forsømt konfunderende variabler (fxarmbevægelser, forudgående erfaring) betragtes i diskussionen.

Introduction

En split-bælte løbebånd har to bælter, der kan drive hvert ben på en anden hastighed eller i en anden retning. Denne enhed blev første gang brugt over 45 år siden som et redskab til at studere koordinering mellem benene (dvs, interlimb koordinering) under gang1. Dette og andre tidlige undersøgelser primært brugt katte som en eksperimentel model1,2,3, men insekter blev også undersøgt4. De første undersøgelser af split-bælte bevægelse i menneskelige spædbørn og voksne blev offentliggjort i 1987 og 1994, henholdsvis5,6. Disse indledende undersøgelser i både menneskelige og ikke-menneskelige dyr undersøges for det meste kort sigt (dvs.umiddelbar) justeringer i interlimb koordinering for at bevare stabilitet og frem progression, når benene er drevet med forskellige hastigheder. En 1995 undersøgelse bemærkes, at længere perioder (flere minutter) af split-bælte walking forringet evne til voksne mennesker til præcist opfatter løbebånd bælte hastighed og foretage justeringer for at udligne hastigheder på hver side. Dette tyder på, at sensorimotor kortlægning af walking havde været rekalibrerede7. Men det var ikke indtil 2005, først detaljerede kinematiske betænkning af menneskelige motor tilpasning over 10 minutter af split-bælte løbebånd walking blev udgivet8.

Motor tilpasning henviser til en fejl-drevet proces, hvorunder sensorimotor tilknytninger af godt lærde bevægelser justeres som svar på en ny og forudsigelig efterspørgsel9. Det er en form for motordrevne læring, der opstår over en udvidet praksis periode (minutter til timer) og resultater i eftervirkninger, som ændringer i bevægelse når efterspørgslen er fjernet og/eller betingelser vende tilbage til normal. For eksempel, får gå på split-bælter i første omgang folk til at gå med asymmetriske interlimb koordinering, der ligner en halte. Over flere minutter af split-bælte walking tilpasse folk deres omvandrende koordinering således at deres gangart bliver mere symmetrisk. Når de to bælter senere vende tilbage til den samme hastighed (dvs. bundet-remme), vise dermed genoprette normal omvandrende betingelser, mennesker eftervirkninger ved at gå med asymmetriske koordinering. Disse eftervirkninger skal være aktivt de-tilpasset eller ulærde over flere minutter af bundet bælte gå før normal walking koordinering er restaureret8.

Efter 2005 Reisman et al. 8 kinematiske analyse af split bælte walking i mennesker, brugen af split-bælte løbebånd i offentliggjort forskning steget ca ti gange i forhold til det foregående årti. Hvorfor bliver split-bælte løbebånd mere populær som en eksperimentel værktøj? Split-bælte ambulation er klart et laboratorium opgave – den nærmeste virkelige analoge at dreje eller gå i en stram cirkel, men split-bælte løbebånd inducerer en langt mere ekstreme version af drejning, med det ene ben bliver drevet to – til fire – gange hurtigere end den anden. Det faktum, at split-bælte løbebånd er et meget usædvanligt omvandrende opgave giver flere fordele for at studere bevægeapparatet læring. For det første er nyt for de fleste mennesker uanset alder og uafhængig af omvandrende erfaring; Det er nemt at skærmen eksperimentelle deltagere til nyhed i split-bælte omvandrende. Andet, split-bælte løbebånd inducerer betydelige ændringer i interlimb koordinering, der ikke hurtigt løses. De relativt langsomme satser for tilpasning og nedtrapning tilpasning tillade os at studere hvordan forskellige uddannelse interventioner kan ændre disse priser uden nærmer sig et loft. Tredje, den kinematiske8,10, kinetic11,12,13,14, Elektromyografi6,15,16 , og perceptuelle7,17,18,19 ændringer, der opstår med split-bælte løbebånd tilpasning har været velundersøgte, som har den neurale kontrol af denne opgave20 ,21,22. Med andre ord, har tilpasning af split-bælte løbebånd været dokumenteret og replikeret af flere forskellige grupper, hvilket gør dette til et godt karakteriseret bevægeapparatet læring opgave.

I de sidste ti år, har flere undersøgelser vist opgave – og kontekst-specifikke karakter af split-bælte tilpasning. Eftervirkninger efter split-bælte tilpasning reduceres betydeligt i amplitude, hvis de er testet under forskellige betingelser fra den uddannelse betingelse. For eksempel eftervirkninger er mindre, hvis personen, der er flyttet til et andet miljø (f.eks.over jorden gå23), udfører en anden bevægeapparatet opgave (f.eks., bagud walking eller ved løb13, 24), eller endda går ved en hastighed, der adskiller sig fra langsommere Båndets hastighed under tilpasning25. Bestræbelser på at indføre parametre vedrørende generalisering af bevægeapparatet tilpasning er igangværende.

Formålet med dette papir er at beskrive en protokol for ved hjælp af split-bælte løbebånd for at undersøge menneskelige bevægeapparatet tilpasning og generalisering af den tilpasset mønster til andre walking sammenhænge (dvs., forskellige omvandrende hastigheder og miljøer). Mens protokollen beskrevet her er de fleste direkte afledt fra, bruges i Hamzey et al. 25 (figur 1pt), det skal bemærkes, at denne protokol blev informeret af en række undersøgelser, der gik forud8,23,24,26, 27,28. Metoden blev oprindeligt udviklet for at teste hypotesen at opretholde uforanderlighed i walking hastighed mellem løbebånd og over jorden miljøer vil forbedre generalisering af split-bælte gå på tværs af disse forskellige miljøer25. I protokollen nedenfor giver vi vejledning i at kopiere denne version af metoden split-bælte løbebånd med noter, der angiver, hvordan bestemte protokol trin kan ændres til forskellige metode henblik.

Protocol

alle procedurer er blevet godkendt af den institutionelle Review Board på Stony Brook University. 1. eksperimentel Set-up Note: der henvises til Supplerende fil 1-definitioner for definition af fælles termer i split-bælte løbebånd eksperimenter. Skærm alle deltagerne for forudgående erfaring med split-bælte løbebånd. Bemærk: Folk har vist til readapt hurtigere at split-bælte løbebåndet efter en forudgående udsætte…

Representative Results

Gå på en split-bælte løbebånd oprindeligt forårsager store asymmetrier i interlimb koordinering. Over en periode på 10-15 min, er symmetri i mange af disse foranstaltninger gradvist genoprettet. Detaljerede beskrivelser af hvordan kinematiske omvandrende parametre Skift over løbet af split-bælte løbebånd tilpasning har været offentliggjort andetsteds8,10. Dette papir fokuserer på to f…

Discussion

Talrige undersøgelser har nu vist, at mennesker tilpasse gangart koordinering på en split-bælte løbebånd for at genoprette symmetrien i interlimb koordineringsparametre som skridt længde og dobbelt støtte varighed. Når walking naturforholdene er restaureret følgende split-bælte walking, fortsat deltagerne brug af tilpasset gangart mønster, fører til eftervirkninger, der må være ulærde for at vende tilbage til normal omvandrende koordinering. Forskere bruger primært tilpasning sats og efter effekt amplitud…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dette arbejde har været finansieret af en American Heart Association videnskabsmand udvikling Grant (#12SDG12200001) til E. hans. R. Hamzey nuværende tilhørsforhold er Institut for Maskinteknik, Boston University, Boston, MA, USA. E. Kirks nuværende tilhørsforhold er MGH Institute for sundhedspersonerne afdelingen for Fysioterapi.

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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

Referências

  1. Kulagin, A. S., Shik, M. L. Interaction of symmetric extremities during controlled locomotion. Biofizika. 15 (1), 164-170 (1970).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. Dietz, V., Zijlstra, W., Duysens, J. Human neuronal interlimb coordination during split-belt locomotion. Exp Brain Res. 101 (3), 513-520 (1994).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. Morton, S. M., Bastian, A. J. Cerebellar contributions to locomotor adaptations during splitbelt treadmill walking. J Neurosci. 26 (36), 9107-9116 (2006).
  22. Jayaram, G., et al. Modulating locomotor adaptation with cerebellar stimulation. J Neurophysiol. 107 (11), 2950-2957 (2012).
  23. 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).
  24. Choi, J. T., Bastian, A. J. Adaptation reveals independent control networks for human walking. Nat Neurosci. 10 (8), 1055-1062 (2007).
  25. 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).
  26. 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).
  27. Torres-Oviedo, G., Bastian, A. J. Natural error patterns enable transfer of motor learning to novel contexts. J Neurophysiol. 107 (1), 346-356 (2012).
  28. 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).
  29. Malone, L. A., Vasudevan, E. V., Bastian, A. J. Motor adaptation training for faster relearning. J Neurosci. 31 (42), 15136-15143 (2011).
  30. 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).
  31. 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).
  32. Roemmich, R. T., Bastian, A. J. Two ways to save a newly learned motor pattern. J Neurophysiol. 113 (10), 3519-3530 (2015).
  33. Malone, L. A., Bastian, A. J. Age-related forgetting in locomotor adaptation. Neurobiol Learn Mem. 128, 1-6 (2016).
  34. 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).
  35. 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).
  36. Alexander, R. M. Optimization and gaits in the locomotion of vertebrates. Physiol Rev. 69 (4), 1199-1227 (1989).
  37. 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).
  38. 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).
  39. Mukherjee, M., et al. Plantar tactile perturbations enhance transfer of split-belt locomotor adaptation. Exp Brain Res. 233 (10), 3005-3012 (2015).
  40. 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).
  41. 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).
  42. 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).
  43. 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).
  44. 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).
  45. 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).
  46. 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).
  47. Lam, T., Anderschitz, M., Dietz, V. Contribution of feedback and feedforward strategies to locomotor adaptations. J Neurophysiol. 95 (2), 766-773 (2006).
  48. 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).
  49. 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).
  50. 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).
  51. 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).
  52. 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).
  53. 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).
  54. 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).
  55. 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).
  56. 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).
  57. 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).

Tags

Artificial IntelligenceAI Writing AssistantAI CopywriterContent GenerationText GenerationLanguage ModelMotor LearningLocomotor AdaptationSplit-belt TreadmillGait RehabilitationMotion CaptureElectromyographyBaseline Gait MeasurementOverground Walking
check_url/pt/55424?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Citar este artigo
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).
Baixar citação
Reimpressões e Permissões

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image