JoVE Journal > Behavior
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Resultados
Discussion
Declarações
Acknowledgements
Materials
Referências
Tadução automática
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Comportamento

Met behulp van een Split-riem loopband te evalueren veralgemening van menselijke Locomotor aanpassing

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

Beschrijven we een protocol voor het onderzoeken van menselijke locomotor aanpassing met behulp van de split-riem loopband, die heeft twee riemen die elk been met een andere snelheid rijden kunnen. We richten specifiek op een paradigma ontworpen voor het testen van de generalisatie van aangepast motorische patronen aan verschillende contexten lopen (bijvoorbeeldgait snelheden, wandelen omgevingen).

Abstract

Inzicht in de mechanismen onderliggende locomotor leren helpt onderzoekers en clinici optimaliseren gait omscholing als onderdeel van de motorische revalidatie. Menselijke locomotor leren studeren kan echter uitdagend. Tijdens de peutertijd en kinderjaren, de neuromusculaire systeem is vrij onvolwassen, en het is onwaarschijnlijk dat locomotor leren tijdens de vroege stadia van ontwikkeling wordt beheerst door dezelfde mechanismen als in de volwassenheid. Door de tijd mensen geslachtsrijp, ze zijn zo bedreven in het lopen dat het moeilijk is te komen met een voldoende nieuwe taak te bestuderen van DOVO locomotor leren. De split-riem loopband, die twee riemen die elk been met een andere snelheid rijden heeft kunnen, kan de studie van zowel korte-(dat wil zeggenonmiddellijke) en lange termijn (dat wil zeggen, in minuten-dagen, een vorm van motorisch leren) gait wijzigingen in reactie op een verandering van de roman van de wandel omgeving. Individuen kunnen gemakkelijk worden gescreend voor eerdere blootstelling aan de split-riem loopband, zodat dat alle experimentele deelnemers geen hebben (of gelijkwaardig) voorafgaande ervaring. Dit witboek beschrijft een typische split-riem loopband aanpassing protocol waarin testmethoden om te kwantificeren locomotor leren en veralgemening van dit leren aan andere lopen contexten. Een bespreking van de belangrijkste overwegingen bij het ontwerpen van split-riem loopband experimenten volgt, met inbegrip van factoren zoals loopband bandsnelheden, pauzes en afleiders. Bovendien, potentiële maar understudied storende variabelen (bijvoorbeeldarmbewegingen, voorafgaande ervaring) worden beschouwd als in de discussie.

Introduction

Een split-riem loopband heeft twee riemen die elk been met een andere snelheid of in een andere richting rijden kunnen. Dit apparaat werd eerst gebruikt voor meer dan 45 jaar geleden als een instrument om te bestuderen van de coördinatie tussen de benen (dat wil zeggen, interlimb coördinatie) tijdens het wandelen van1. Dit, en andere vroege studies voornamelijk gebruikt katten als een experimenteel model1,2,3, maar insecten waren ook bestudeerde4. Het eerste onderzoek van split-riem voortbewegen in de menselijke baby’s en volwassenen werden gepubliceerd in 1987 en 1994, respectievelijk5,6. Deze aanvankelijke studies in zowel menselijke en niet-menselijke dieren onderzocht meestal op korte termijn (dat wil zeggenonmiddellijke) aanpassingen in interlimb coördinatie voor het behoud van de stabiliteit en de voorwaartse progressie wanneer de benen worden gedreven op verschillende snelheden. Een 1995-studie opgemerkt dat langere tijd (enkele minuten) van split-gordel lopen het vermogen van de menselijke volwassenen verminderde aan nauwkeurig waarnemen van de snelheid van de draaiband loopband en aanpassingen te egaliseren snelheden aan elke kant. Dit suggereert dat de sensomotorische toewijzing van wandelen passen7was geweest. Het was echter pas in 2005 dat de eerste gedetailleerde kinematische verslag van menselijke motor aanpassing meer dan 10 minuten van split-riem loopband wandelen was gepubliceerd8.

Motor aanpassing heeft betrekking op een fout-gedreven proces waarin sensomotorische toewijzingen van goed geleerd bewegingen worden aangepast naar aanleiding van een nieuwe, voorspelbare vraag9. Het is een vorm van motorisch leren dat zich een periode van uitgebreide praktijk (minuten tot uren voordoet) en resultaten in de na-effecten, die veranderingen in het bewegingspatroon wanneer de vraag wordt verwijderd en/of voorwaarden weer normaal. Bijvoorbeeld wandelen op split-riemen in eerste instantie zorgt ervoor dat mensen lopen met asymmetrische interlimb coördinatie, die lijkt op een slap. Op enkele minuten van het split-gordel lopen passen mensen hun wandel coördinatie zodat hun gang meer symmetrische wordt. Wanneer de twee riemen vervolgens teruggaat naar dezelfde snelheid (d.w.z. gebonden-snaren), tonen dus het herstellen van normaal lopen, mensen nawerkingen wandelend met asymmetrische coördinatie. Deze nawerkingen moeten actief-aangepast of over enkele minuten van het gebonden-riem lopen voordat normale voet coördinatie gerestaureerd8 isafgeleerd.

Na de 2005 Reisman et al. 8 Kinematische analyse van split riem lopen bij de mens, gebruik van de split-riem loopband in gepubliceerde onderzoeken is toegenomen ongeveer tien keer ten opzichte van het vorige decennium. Waarom is de split-riem loopband steeds populairder als een experimentele rol? Split-gordel ambulation is duidelijk de taak van een laboratorium-de dichtstbijzijnde levensechte analoge is draaien of wandelen in een strakke cirkel, maar de split-riem loopband induceert een veel meer extreme versie van draaien, met één been verdreven twee – tot vier – keer sneller dan de andere. Het feit dat de loopband split-riem dat een hoogst ongebruikelijke wandelen taak biedt een aantal voordelen is voor de studie van locomotor leren. Eerste plaats is het boek voor de meeste mensen ongeacht hun leeftijd en onafhankelijk zijn van het wandelen ervaring; het is gemakkelijk te scherm experimentele deelnemers voor de nieuwheid van het split-riem lopen. Ten tweede, de split-riem loopband induceert aanzienlijke veranderingen in interlimb coördinatie die niet snel worden opgelost. De relatief trage tarieven aanpassings-en ambtshalve aanpassing toestaan ons te bestuderen hoe de verschillende opleiding interventies kunnen deze tarieven te wijzigen zonder het naderen van een plafond. Derde, de kinematische8,10, kinetische11,12,13,14, Electromyografische6,15,16 , en perceptuele7,17,18,19 wijzigingen die zich met split-riem loopband aanpassing voordoen geweest goed bestudeerde, zoals de neurale controle over deze taak20 heeft ,21,22. Met andere woorden, zijn aanpassingen aan de split-riem loopband gedocumenteerd en gerepliceerd door verscheidene verschillende groepen, waardoor dit een goed gekarakteriseerd locomotor Leeropdracht.

In de afgelopen tien jaar, hebben verschillende studies aangetoond de taak – en context-specifieke aard van split-riem aanpassing. Nawerkingen na aanpassing van de split-gordel zijn aanzienlijk verkleind in amplitude als ze zijn getest onder verschillende omstandigheden van de voorwaarde van de opleiding. Bijvoorbeeld, nawerkingen zijn kleiner als de persoon wordt verplaatst naar een andere omgeving (bijvoorbeeldover de grond lopen van23), voert een andere motorische taak (b.v., achteruit lopen of rennen13, 24), of zelfs wandelingen met een snelheid die verschilt van de snelheid van de langzamere gordel tijdens aanpassing25. Inspanningen om parameters inzake de veralgemening van locomotor aanpassing zijn aan de gang.

Het doel van deze paper is om te beschrijven van een protocol voor het gebruik van de split-riem loopband om menselijke locomotor aanpassing en veralgemening van de aangepast patroon aan andere lopen contexten (d.w.z., verschillende wandel snelheden en omgevingen) te onderzoeken. Terwijl het protocol beschreven hier is het meest direct afgeleid van die in Hamzey et al. gebruikt 25 (Figuur 1een), hierbij moet worden opgemerkt dat dit protocol was geïnformeerd door een aantal studies die eraan voorafging8,23,24,26, 27,28. De methode is oorspronkelijk ontwikkeld om het testen van de hypothese dat het behoud van standvastigheid in wandelen snelheid tussen de loopband en over grond omgevingen veralgemening van split-riem lopen over deze verschillende omgevingen25zou verbeteren. In het protocol hieronder geven we instructies over het repliceren van deze versie van de methode split-riem loopband met notities die hoe bepaalde stappen protocol kunnen worden aangepast aangeven om voor verschillende methode doeleinden.

Protocol

alle procedures zijn goedgekeurd door de institutionele Review Board aan de Stony Brook University. 1. experimentele opstelling Opmerking: verwijzen naar Aanvullende bestand 1-definities voor definities van gemeenschappelijke termen gebruikt in split-riem loopband experimenten. Scherm alle deelnemers voor voorafgaande ervaring met de split-riem-loopband. Opmerking: Mensen hebben aangetoond hoe sneller naar de split-riem loopband …

Representative Results

Lopen op een loopband split-riem in eerste instantie veroorzaakt grote ongelijkheden in interlimb coördinatie. Over een periode van 10-15 min, wordt symmetrie in veel van deze maatregelen geleidelijk hersteld. Gedetailleerde beschrijvingen van hoe kinematische wandelen parameters wijzigen over de loop van de split-riem loopband aanpassing geweest gepubliceerd elders8,10. Dit document richt zich o…

Discussion

Talrijke studies hebben nu aangetoond dat mensen gait coördinatie op een loopband split-gordel om te herstellen van de symmetrie in interlimb coördinatieparameters zoals slaglengte en dubbele ondersteuning duur aanpassen. Wanneer natuurlijke wandel omstandigheden gerestaureerde volgende split-gordel lopen zijn, blijven deelnemers met behulp van het patroon aangepast gait, leidt tot nawerkingen moeten worden afgeleerd om terug te keren naar normale voet coördinatie. Onderzoekers gebruiken voornamelijk aanpassing tarief…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dit werk werd gefinancierd door een Amerikaanse Heart Association wetenschapper ontwikkeling Grant (#12SDG12200001) aan E. Vasudevan. R. Hamzey de huidige aansluiting is faculteit Werktuigbouwkunde, Universiteit van Boston, Boston, MA, USA. E. Kirk’s huidige aansluiting is het MGH Instituut van gezondheidsberoepen departement van fysiotherapie.

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