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

Med en Split-belt löpband att utvärdera generalisering av mänskliga rörelseapparaten anpassning

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 ett protokoll för att undersöka mänskliga rörelseapparaten anpassning med hjälp av split-bälte löpbandet, som har två remmar som kan köra varje ben i olika takt. Vi fokuserar särskilt på ett paradigm som syftar till att testa generalizationen av anpassade rörelseapparaten mönster till olika promenader sammanhang (t.ex., gånganalys hastigheter, promenader miljöer).

Abstract

Förstå mekanismerna underliggande motoriskt lärande hjälper forskare och kliniker optimera gait omskolning som en del av motor rehabilitering. Dock kan att studera mänskliga rörelseapparaten lärande vara utmanande. Under spädbarnsåldern och barndomen, neuromuskulära systemet är ganska omogen, och det är osannolikt att rörelseapparaten lärande under tidiga stadier av utveckling styrs av samma mekanismer som i vuxen ålder. Av de tid människorna nå mognad, de är så skickliga på promenader att det är svårt att komma med en tillräckligt roman uppgift att studera de novo motoriskt lärande. Split-bälte löpbandet, som har två remmar som kan köra varje ben i olika takt, möjliggör studier av både kort-(dvsomedelbar) och långsiktiga (dvs.över minuter-dagar, en form av motoriskt lärande) gång ändringar som svar på en romanen förändring i gångavstånd miljön. Individer kan lätt undersökas för tidigare exponering för split-bälte löpbandet, vilket säkerställer att alla experimentella deltagare ingen har (eller motsvarande) tidigare erfarenhet. Detta dokument beskriver en typisk split-bälte löpband anpassningsprotokollet som innehåller metoder för att kvantifiera motoriskt lärande och generalisering av detta lärande till andra promenader sammanhang. En diskussion om viktiga överväganden för att utforma split-bälte löpband experiment följer, inklusive faktorer som löpband bälte hastigheter, raster och distraktorer. Dessutom kan potentiella men understudied störande variabler (t.ex., armrörelser, tidigare erfarenhet) anses i diskussionen.

Introduction

En split-bälte löpband har två remmar som kan köra varje ben i olika hastighet eller i en annan riktning. Denna enhet användes först över 45 år sedan som ett verktyg för att studera samordning mellan benen (dvs, interlimb samordning) under promenader1. Detta och andra tidiga studier används främst katter som en experimentell modell1,2,3, men insekter fanns också studerade4. De första utredningarna av split-bälte locomotion i mänskliga spädbarn och vuxna publicerades 1987 och 1994, respektive5,6. Dessa inledande studier i både mänskliga och icke-mänskliga djur undersökte mestadels kortsiktiga (dvsomedelbar) justeringar i interlimb samordning för att bevara stabiliteten och framåt progression när benen drivs med olika hastigheter. En 1995 studie konstaterade att längre perioder (flera minuter) av split-bälte walking försämras förmågan hos vuxna människor att korrekt uppfatta löpband bälte hastighet och göra justeringar att utjämna hastigheter på varje sida. Detta tyder på att den sensomotoriska kartläggningen av promenader hade varit omkalibrerade7. Det var dock inte förrän 2005 att först detaljerade kinematisk rapport av mänskliga motoriska anpassning över 10 minuter av split-bälte löpband walking var publicerade8.

Motor anpassning avser en fel-driven process under vilken justeras sensomotoriska mappningar av väl inlärda rörelser som svar på en ny, förutsägbar efterfrågan9. Det är en form av motoriskt lärande som sker över en förlängd praktik period (minuter till timmar) och resultat i efterverkningar, som kan förändringar i rörelse mönstret när efterfrågan tas bort eller villkor återgå till det normala. Exempelvis orsakar gå på split-bälten initialt människor att gå med asymmetrisk interlimb samordning, som liknar en hälta. Över flera minuter av split-bälte promenader anpassa människor deras vandrande samordning så att deras rörelser blir mer symmetriska. När två bälten återvänder därefter till samma hastighet (dvs. bundet-bälten), demonstrera således återställa normala promenader förhållanden, människor efterverkningarna av promenader med asymmetrisk samordning. Dessa efterverkningar måste anpassas aktivt de eller okunniga över flera minuter av bundna-bälte promenader innan normala promenader samordning är restaurerade8.

Efter den 2005 Reisman o.a. 8 kinematisk analys av split bälte promenader i människor, användningen av split-bälte löpbandet i publicerad forskning har ökat cirka tio gånger jämfört med det föregående årtiondet. Varför är split-bälte löpbandet allt populärare som en experimentell verktyg? Split-bälte förflyttningar är tydligt ett laboratorium uppgift – den närmaste verkliga analogt att vrida eller promenader i en snäv cirkel, men split-bälte löpbandet inducerar en mycket mer extrem version av svarvning, med ena benet drivs två till fyra gånger snabbare än den andra. Det faktum att split-bälte löpbandet är en mycket ovanlig gångavstånd uppgift erbjuder flera fördelar för att studera motoriskt lärande. Det första är romanen för de flesta oavsett ålder och oberoende av walking erfarenhet; Det är lätt att skärmen experimentella deltagare för nyhet split-bälte Walking. Split-bälte löpbandet inducerar andra betydande förändringar i interlimb samordning som inte löses snabbt. De relativt långsamma priserna av anpassning och avinstallation anpassning tillåter oss att studera hur olika utbildning insatser kan förändra dessa priser utan närmar sig ett tak. Tredje, kinematisk8,10, kinetic11,12,13,14, elektromyografisk6,15,16 , och perceptuella7,17,18,19 ändringar som sker med split-bälte löpband anpassning har varit väl studerat, har neurala kontroll av denna uppgift20 ,21,22. Med andra ord, har anpassningar till split-bälte löpbandet dokumenterat och replikeras av flera olika grupper, vilket gör detta till en välkarakteriserad motoriskt lärande aktivitet.

Under de senaste tio åren, har flera studier visat uppgift – och sammanhangsberoende arten av split-bälte anpassning. Efterverkningar efter split-bälte anpassning minskas avsevärt i amplitud om de testas under olika förhållanden från villkoret utbildning. Till exempel efterverkningar är mindre om personen flyttas till en annan miljö (t.ex., över marken promenader23), utför en annan motorisk aktivitet (t.ex., bakåt går eller springer13, ( 24), eller ens går med en hastighet som skiljer sig från hastigheten på långsammare bältet under anpassning25. Ansträngningarna att upprätta parametrar som styr generalizationen av rörelseapparaten anpassning pågår.

Syftet med denna uppsats är att beskriva ett protokoll för att använda split-bälte löpbandet för att undersöka mänskliga rörelseapparaten anpassning och generalisering av anpassade mönster till andra promenader sammanhang (dvs, olika vandrings hastigheter och miljöer). Medan det protokoll som beskrivs här är de flesta direkt härlett från det som används i Hamzey et al. 25 (figur 1pt), det bör noteras att detta protokoll informerades av ett antal studier som föregick den8,23,24,26, 27,28. Metoden utvecklades ursprungligen för att testa hypotesen att upprätthålla kontinuitet i gånghastighet mellan löpbandet och över marken miljöer skulle förbättra generalisering av split-bälte går över dessa olika miljöer25. I avsnittet protokoll nedan ger vi instruktioner om hur du replikerar denna version av metoden split-bälte löpband, med noter som anger hur vissa protokollstegen kan ändras till annan metod syfte.

Protocol

alla förfaranden har godkänts av den institutionella Review Board vid Stony Brook University. 1. experimental Set-up Obs: se Kompletterande fil 1-definitioner för definitioner av gemensamma termer som används i split-bälte löpband experiment. Skärmen alla deltagare för tidigare erfarenhet med split-bälte löpbandet. Obs: Människor har visat att homogenisera snabbare till split-bälte löpbandet efter en tidigare exponer…

Representative Results

Gå på en split-bälte löpband initialt orsakar stora asymmetrier i interlimb samordning. Under en period på 10-15 min återställs gradvis symmetri i många av dessa åtgärder. Detaljerade beskrivningar av hur kinematisk gångavstånd parametrar förändring över loppet av split-bälte löpband anpassning har varit publicerad någon annanstans8,10. Denna uppsats fokuserar på två åtgärder…

Discussion

Många studier har nu visat att människor anpassa gait samordning på en split-bälte löpband för att återställa symmetri i interlimb samordningsparametrar som steglängd och support för double varaktighet. När promenader naturförhållanden är återställd följande split-bälte promenader, fortsätta deltagarna använda anpassade gait mönster, leder till efterverkningar som måste vara okunniga för att återgå till normala promenader samordning. Forskare använder främst anpassning takt och efter effekt amp…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Detta arbete har finansierats av en amerikansk hjärtat Association vetenskapsman utveckling Grant (#12SDG12200001) till E. Vasudevan. R. Hamzeys nuvarande tillhörighet är Institutionen för maskinteknik, Boston University, Boston, MA, USA. E. Kirks nuvarande tillhörighet är MGH Institute av vårdyrken Institutionen för sjukgymnastik.

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