Для оценки обобщение адаптации человека опорно-двигательного аппарата с использованием Сплит ремня беговой дорожке
Summary
Мы описываем протокол для расследования адаптации человека опорно-двигательного аппарата, с помощью Сплит ремня беговой дорожке, которая имеет два пояса, которые могут управлять каждой ветви с другой скоростью. Мы специально сосредоточиться на парадигмы, предназначенных для проверки обобщение адаптированы опорно шаблонов для различных пешеходных контекстах (например, походка скорости, ходьба средах).
Abstract
Понимание механизмов базового обучения опорно помогает исследователей и клиницистов оптимизировать походка переподготовки как часть двигательной реабилитации. Однако изучая опорно обучения человека может быть сложным. Во время младенчества и детства нервно-мышечной системы довольно незрелые, и маловероятно, что опорно обучения во время ранних стадиях развития регулируется тем же механизмам как в зрелом возрасте. По времени люди достигают зрелости, они владеют так при ходьбе трудно прийти вверх с достаточно Роман задача изучения de novo опорно обучения. Сплит ремня беговой дорожке, которая имеет два пояса, которые могут управлять каждой ветви с другой скоростью, включает изучение обоих краткосрочного (т.е., немедленное) и долгосрочные (т.е., через минут дней; форма Мотор обучения) походка изменения в ответ на новые изменения в пешеходных окружающей среды. Лица могут легко проверяться для предыдущего воздействия Сплит ремня беговой дорожки, таким образом обеспечение всех участников экспериментальных нет (или эквивалент) предыдущего опыта. Эта статья описывает типичный Сплит ремня беговой дорожке адаптации протокол, который включает в себя методы тестирования для количественного определения двигательного обучения и обобщение этого обучения в других контекстах, пешком. Обсуждение важных соображений для проектирования Сплит ремня беговой дорожке экспериментов следует, включая такие факторы, как беговая дорожка скорости ленты, перерывы на отдых и дистракторов. Кроме того потенциал но малоисследованный смешанных переменных (например, движения рукоятки, предыдущий опыт) рассматриваются в ходе обсуждения.
Introduction
Сплит пояса беговая дорожка имеет два пояса, которые могут управлять каждой ветви с другой скоростью или в другом направлении. Это устройство было впервые использовано более 45 лет назад в качестве инструмента для изучения координации между ног (то есть, interlimb координации) во время ходьбы1. Это и другие ранние исследования главным образом использовали кошек как экспериментальная модель1,2,3, но насекомые были также изучены4. Первые исследования локомоции Сплит пояса в человеческих младенцев и взрослых были опубликованы в 1987 и 1994 годах, соответственно,5,6. Эти первоначальные исследования как человеческого, так и не человеком животных главным образом расследованы краткосрочные корректировки (т.е., немедленное) в interlimb координации для сохранения стабильности и прямой прогрессией, когда ноги находятся на разных скоростях. В 1995 году исследовании отмечается, что длительный (несколько минут) Сплит-пояса ходьба подрывают способность взрослых людей точно воспринимать скорость ремня беговой дорожки и внести коррективы для выравнивания скоростей на каждой стороне. Это свидетельствует о том, что сенсомоторной сопоставление ходьбы реструктурированных7. Однако он не был до 2005 года, что первый подробный кинематической доклад адаптации человека мотор свыше 10 минут Сплит ремня беговой дорожке ходить было опубликовано8.
Мотор адаптации относится к ошибка управляемый процесс, во время которого сенсомоторной сопоставления хорошо известных движений корректируются в ответ на новые, предсказуемого спроса9. Это форма Мотор обучения, что происходит в течение расширенной практике (от минут до часов) и результаты в последствиями, которые изменения в движение при удалении спрос и/или условий вернуться к нормальной жизни. Например ходьба на Сплит ремни первоначально заставляет людей идти с асимметричной interlimb координация, напоминающие вялым. За несколько минут ходьбы Сплит пояса люди адаптировать их ходьбы координации так что их походка становится более симметричным. Когда два пояса впоследствии вернуться к той же скоростью (то есть связали ремнями), таким образом, восстановление нормальных условий пешком, люди демонстрируют последствия пешком с асимметричной координации. Эти последствия должны быть активно де адаптированы или невыученные через несколько минут привязали ремень ходьбы до нормальной прогулки координации восстановленный8.
После 2005 года Рейсман и др. 8 кинематический анализ Сплит пояс, ходить в организме человека, использование Сплит ремня беговой дорожке в опубликованных исследований возросло примерно в десять раз по сравнению с предыдущим десятилетием. Почему это Сплит пояса беговая дорожка становится все более популярным как экспериментальный инструмент? Сплит пояса передвигаться, несомненно, задача лаборатории – ближайший аналог реального мира поворота или ходить в узкий круг, но Сплит ремня беговой дорожке вызывает гораздо более экстремальной версии поворота, с одной ногой, гонят два – в четыре раза быстрее, чем другие. Тот факт, что Сплит ремня беговой дорожки является весьма необычным пешеходных задачи предлагает ряд преимуществ для изучения опорно обучения. Во-первых это роман для большинства людей независимо от возраста и независимо от ходьбы опыт; Это легко экспериментальной участникам экрана для новизна Сплит пояса пешком. Во-вторых Сплит ремня беговой дорожке вызывает значительные изменения в interlimb координации, которые не решены быстро. Относительно медленные темпы адаптации и де адаптации позволяют нам учиться как различные учебные мероприятия может изменить эти ставки без приближается к потолку. Третий, кинематическая8,10, кинетическая11,12,13,14, электромиографической6,15,16 , и восприятия7,17,18,19 изменения, которые происходят с Сплит ремня беговой дорожке адаптации были хорошо изучена, как нейронные управления этой задачи20 ,21,22. Другими словами адаптации к Сплит ремня беговой дорожки были задокументированы и реплицируются на несколько различных групп, что делает задачу хорошо изученных опорно обучения.
За последние десять лет несколько исследований продемонстрировали характер конкретных задач и контекст адаптации Сплит пояса. Последствия после Сплит пояса адаптации значительно уменьшается в амплитуде если они проверены в различных условиях, от состояния профессиональной подготовки. К примеру последствия меньше, если человек перемещается в другой среде (например, над землей Прогулка23), выполняет различные опорно задачу (например, обратной ходьбы или бега13, 24), или даже прогулки со скоростью, которая отличается от скорость медленнее пояса во время адаптации25. Предпринимаются усилия для установления параметров, управляющих обобщение опорно адаптации.
Цель настоящего документа заключается в описать протокол для использования на беговой дорожке Сплит пояса расследовать опорно адаптации человека и обобщение адаптированный шаблон для других пешеходных контекстах (то есть, различные скорости ходьбы и средах). Хотя протокол, в описанный здесь является наиболее непосредственно производным от используемого в Hamzey и др. 25 (рис. 1), следует отметить, что этот протокол сообщил ряд исследований, которые ей предшествовали,8,23,24,26, 27,28. Метод был первоначально разработан для проверки гипотезы, что поддержание постоянства в скорость ходьбы между беговой дорожки и над землей среды позволит улучшить обобщение Сплит пояса пешком через эти различные среды25. В разделе протокол мы даем инструкции о том, как повторить эту версию метода Сплит ремня беговой дорожки, с примечаниями, которые указывают, как определенные шаги протокол могут быть изменены в целях другой метод.
Protocol
Representative Results
Discussion
Теперь, многочисленные исследования показали, что люди приспосабливаются походка координации на беговой дорожке Сплит пояс для того чтобы восстановить симметрии в interlimb координации таких параметров, как длина шага и двойной поддержки продолжительность. Когда природные условия пешех?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа финансировалась американской сердца ассоциации ученый развития Грант (#12SDG12200001) на е. Васудеван. R. Hamzey текущего принадлежность является Департамента машиностроения, Бостонского университета, Бостон, MA, США. Е. Кирк текущего принадлежность является MGH института здравоохранения Департамент физической терапии.
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).
