Здесь мы предлагаем протокол, который позволяет пользователю выборочно изменять доступность и/или ограничения на движения, которые имеют отношение к восстановлению баланса после постурального возмущения.
Оценка реактивного баланса традиционно налагает некоторый тип возмущения на верную позицию или походку с последующим измерением результирующего корректирующего поведения. Эти меры включают мышечные реакции, движения конечностей, силы реакции грунта, и даже прямые нейрофизиологические меры, такие как электроэнцефалография. Используя этот подход, исследователи и клиницисты могут сделать вывод о некоторых основных принципах относительно того, как нервная система контролирует баланс, чтобы избежать падения. Одно из ограничений, связанных с тем, как эти оценки используются в настоящее время, заключается в том, что они в значительной степени подчеркивают рефлекторные действия без необходимости пересмотра автоматических постуральных реакций. Такое исключительное внимание к этим весьма стереотипным реакциям не позволит адекватно рассмотреть вопрос о том, каким образом мы можем изменить эти реакции в случае необходимости (например, избегая препятствия с шагом восстановления). Это представляется вопиющим упущением, если учесть огромную сложность сред, с которыми мы сталкиваемся ежедневно. В целом, статус-кво при оценке нейронного контроля баланса не может действительно разоблачить, как более высокие ресурсы мозга способствуют предотвращению падений в сложных условиях. Настоящий протокол предлагает способ потребовать подавления автоматических, но неуместных корректирующих реакций баланса, и заставить выбор среди альтернативных вариантов действий, чтобы успешно восстановить баланс после постуральной возмущения.
Несмотря на признанную корреляцию между падениями и когнитивным снижением1,2,3, основной разрыв сохраняется в понимании того, что мозг на самом деле делает, чтобы помочь нам избежать падения.3 Теоретически, когнитивные требования будут подчеркнуты по мере роста экологической сложности и в ситуациях, когда нам необходимо пересмотреть инстинктивное поведение. Тем не менее, большинство тестов баланса не в состоянии эффективно облагать налогом более высокую функцию мозга, вместо этого подчеркивая рефлексивные реакции исправив. Хотя такие факторы, как скорость реагирования, имеют важное значение для предотвращения падения, дополнительные когнитивные факторы, такие как ингибиторный контроль и/или способность выбирать соответствующие действия на основе данного контекста, также могут иметь важное значение в определенных ситуациях. В результате, одна из причин, мы можем не понять роль мозга в реактивном балансе из-за протоколов исследований в настоящее время используется. Rogers et al. недавно обобщили различные способы оценки контроля баланса с использованием внешнего возмущения4. Эти методы включают в себя перевод платформы, наклоны и/или капли, а также использование автоматизированных систем, которые толкают, тянут или удаляют постуральную поддержку. Несмотря на большое разнообразие методов, используемых для нарушения вертикального равновесия, последующие корректирующие реакции почти всегда производятся в беспрепятственной среде, тем самым сводящк свести к минимуму ограничения на движение. Здесь мы предлагаем метод, при котором когнитивные процессы необходимы для переопределения предпособных действий и выбора подходящих ответов среди альтернатив в задаче реактивного баланса.
Распространенный способ проверить реактивный баланс заключается в том, чтобы навязать относительно небольшие постуральные возмущения, которые могут быть отменены с помощью фиксированной поддержки (обычно ноги в месте) реакция5,6,,7,8,9. Сравнительно меньше исследований были сосредоточены на изменении поддержки баланс реакции в ответ на возмущения через талии тянет, платформа перевода, и релиз от поддержки кабеля В качестве примера, см. Mansfield и др.10. Важность последней группы можно оценить, признавая, что, когда возмущения являются большими, изменение поддержки реакции являются единственным вариантом для восстановления стабильности11. В самом деле, даже для небольших возмущений, которые можно управлять с помощью ног на месте (т.е., бедра и / или лодыжки) стратегии, люди часто предпочитают шаг, когда данный выбор11. Ценность при изучении таких реакций на изменение поддержки заключается не только в том, что необходимо противодействовать большей масштабности возмущения, но и в проблемах, возникающих при перемещении конечностей для создания новой базы поддержки. Наличие доступности и/или ограничений на действия является регулярной частью многих реальных настроек. Это заставляет процесс отбора создать новую базу поддержки, когда происходит потеря равновесия. Чтобы адаптировать поведение к сложным средам, существует повышенный спрос на более высокие ресурсы мозга. Это особенно верно в тех случаех, когда конечности должны создать новую базу поддержки. Чтобы подчеркнуть и разоблачить когнитивные роли в реактивном балансе необходимость вновь беспорядок и заставить изменить поддержку стратегии с конечностями кажется логичным.
Один простой способ доставить внешне индуцированных постуральной возмущения является худой и релиз техники, где человек вдруг освобожден от поддержки вперед худой. Такой подход позволяет оценить компенсационные реакции, чтобы избежать форвардного падения и успешно используется как в здоровой, так и в клинической популяции12,,13,,14. Хотя техника бережливости и выпуска является несколько основной, она дает ценную информацию о способности реактивного баланса (например, как быстро кто-то может инициировать шаг восстановления, или определить количество шагов, необходимых для восстановления стабильности). Для нынешних целей, худой и релиз техника обеспечивает простой способ изучить когнитивные роли в реактивном балансе, потому что многие из характеристик возмущения проводятся постоянно. Это обеспечивает больший экспериментальный контроль над переменными, непосредственно относящимися к отбору действий и ингибированию ответов. В то время как другие режимы постуральной возмущения обычно полагаются на непредсказуемость с точки зрения направления возмущения, амплитуды и времени, окружающая среда всегда постоянна. Даже в исследованиях, где блоки ног были использованы, чтобы подчеркнуть досягаемости к захвату реакции15 блоков фиксируются на месте без необходимости быстро адаптировать шагая поведения на основе наличия или отсутствия блока ноги. С нынешним предлагаемым методом, мы можем изменить окружающую среду таким образом, что требует поведенческой адаптации, чтобы избежать падения.
Помимо лабораторных настроек, которые недостаточно разоблачают когнитивные роли в реактивном балансе, другой серьезной проблемой является большая зависимость от внешних показателей, таких как мышечные нагрузки, силы реакции грунта и захват движения видео, чтобы сделать вывод нейронных процессов. Хотя эти меры являются ценными, исключительная опора на такие меры не может дать прямого понимания основных нейронных механизмов, которые способствуют балансу. Эта проблема усугубляется, если учесть, что многое из того, что мозг может сделать, чтобы предотвратить падение в сложных средах, вероятно, произойдет до падения. Прогнозивные роли в осенней профилактике в последнее время обсуждались более подробно16. Направления исследования включают прогнозирование будущей нестабильности17, строительство visuospatial карты, как мы движемся через нашу окружающую среду18, и, возможно, формирование непредвиденных обстоятельств на основе окружающей среды, даже без предвидения падения19. Выявление такой подготовки было бы полностью недоступно без использования прямых нейрофизиологических зондов.
Модифицированный подход к оферте и выпуску в том виде, в каком он предлагается в настоящее время, предлагает средства преодоления некоторых из упомянутых ограничений. Это делается с помощью сценария тестирования, где конечности необходимы для создания новой базы поддержки в среде, требующей выбора. Этот подход дополняется включением прямых показателей мозговой активности (например, транскраниальной магнитной стимуляции, TMS) как до, так и после постурального возмущения, которые могут дополнять внешние показатели производства силы и захвата движения. Такое сочетание экспериментальных функций представляет собой важное новшество в этой области, чтобы разоблачить, как мозг способствует баланс в сложных условиях, где ингибирование реакции и выбор действий среди вариантов, необходимых для предотвращения падения. Здесь мы демонстрируем новый метод для тестирования реактивного баланса в обстановке, которая подчеркивает необходимость когнитивных процессов для адаптации поведения, чтобы избежать падения. Сочетание препятствий и возможностей для действий обуведает необходимость ингибирования ответных мер, целенаправленных действий и выбора ответных мер между вариантами. Кроме того, мы демонстрируем точный временный контроль над визуальным доступом, сроки нейронных зондов, изменение среды реагирования, и начало постурального возмущения.
Эта модифицированная система бережливости и выпуска предоставляет новый способ оценки когнитивных ролей в реактивном балансе. Как и в стандартной процедуре худощавого и высвобождения, направление и амплитуда постуральной возмущения предсказуемы для субъекта, в то время как сроки выпуска кабеля непредсказуемы. Уникальность нынешнего подхода заключается в том, что доступ к зрению точно контролируется, в то время как объект остается фиксированным, а окружающая их среда реагирования изменяется для создания различных возможностей действий и/или ограничений. Манипулируя наличием препятствий и доступности, этот метод подчеркивает когнитивные процессы, такие как принятие решений (т.е. отбор действий) и ингибирование реакции в связи с восстановлением баланса.
Предлагаемый метод имеет потенциал, чтобы обеспечить уникальный взгляд на нейронный контроль баланса, но создает определенные ограничения. Например, при использовании метода худой и релиз, кабель релиз инициируется от вперед худой, что требует выраженного шага восстановления баланса по сравнению с другими методами внешнего постурального возмущения10. Кроме того, направление и величина возмущения предсказуемы, что может привести к упреждающее активации мышц, которые обычно не будут участвовать в более реалистичных сценариях падения. Наконец, зрение временно окклюзии до выпуска кабеля, который также отклоняется от индивидуального опыта в день. Эти особенности делают нашу оценку баланса несколько искусственной и могут исключать обобщение различных режимов возмущения. Важно признать, что обобщаемость реального мира всегда вызывает озабоченность при составлении выводов о том, как контролируется баланс с помощью какого-либо одного конкретного метода оценки. Действительно, общепризнанный всеобъемлющий тест на способность к балансу в настоящее время не существует4. Для нынешних целей, набор вперед падение позволяет возмущения характеристики и настройки реагирования, которые будут проводиться постоянно, манипулируя конкретными когнитивными требованиями, которые часто игнорируются или недоступны в традиционных оценках баланса. Такой экспериментальный контроль является полезным, но следует принимать во внимание при интерпретации результатов.
В качестве второго ограничения, строительство испытательного оборудования и необходимые инженерные навыки могут представлять собой проблему для реализации этого метода. Три студента электротехники из Университета штата юта построили платформу, создали электронику и запрограммировали микроконтроллеры для привода сервомоторов для ручки крышки и блока ног. Затраты на строительство были скромными (т.е. 15 000 долл. США без учета силовых пластин, установленных на платформе). Тем не менее это может создать проблему в зависимости от имеющихся ресурсов.
С помощью этого подхода были получены конкретные сведения о нейронном контроле баланса. Эти примеры указывают на то, что неинвазивная стимуляция мозга может быть использована для захвата двигательного набора на основе просмотра объектов в постуральном контексте и предлагает метод для оценки ингибирования реакции с помощью мышечных реакций. Примечательно, что модифицированный метод бережливости и высвобождения может быть легко адаптирован для включения других нейрофизиологических зондов, таких как электроэнцефалография и функциональная ближнеинфраграфическая спектроскопия. Даже без включения прямых нейронных мер, исследования конструкций, которые сосредоточены исключительно на внешние силы, активации мышц, и кинематики может обеспечить важное понимание поведенческих маркеров когнитивных дефицитов. Например, интересное применение для использования силовых пластин для захвата упреждающих постуральных сдвигов во время реактивной задачи шага было продемонстрировано Коэном и др.26. В их изучении, дефицитв в ингибировании реакции в более старых взрослых были показаны ненадлежащим переносом веса, которое в свою очередь вело к задержкам в временах шага выбора-реакции. Такой подход можно было бы применить к нынешней парадигме для получения чувствительных показателей изменения веса и ошибок в шагах.
Этот новый метод строится на установленном реактивном тесте баланса, где участники освобождаются от поддерживаемого мяса, и теперь включает сценарии, которые требуют поведенческой гибкости. Тестовые проекты, подходящие для разоблачения ингибирования реакции и выбора действий, позволяют нам применить концепции от когнитивной психологии к области контроля баланса. Такой подход необходим для того, чтобы опираться на признание того, что когнитивное снижение и распространенность падения коррелируют, и получить механистическое понимание того, как когнитивные ресурсы предотвращают падения. Предположительно, эта установка может быть использована не только в качестве исследовательского инструмента, но и в качестве средства для обучения когнитивных ролей в балансе. Важная цель текущей работы нашей лаборатории заключается в том, чтобы понять, как мозг использует контекстную информацию для обновления, какое движение было бы наиболее подходящим для предотвращения падения с учетом окружения. Подсказки, такие как наличие стабильного поручни или потенциального барьера шаг может направлять, какие ответные меры, чтобы сделать, если возникнет необходимость и может тайно формировать прогностические процессы мозга16. Примечательно, что способность надлежащим образом использовать эту информацию может ухудшаться с возрастом, если требуется умственные способности, такие как контроль ингибирующих интерференций или зрительно-пространственная память. Учитывая взаимосвязь между когнитивным снижением и падением1-3, реализация исследований, которые подчеркивают необходимость интеграции контекстуальной актуальности может обеспечить ценное понимание дефицита баланса во многих уязвимых групп населения.
The authors have nothing to disclose.
Исследование, о проислизиваемые в этой публикации, было поддержано Национальным институтом по проблемам старения Национальных институтов здравоохранения под номером премии R21AG061688. Содержание является исключительно ответственностью авторов и не обязательно отражает официальные взгляды Национальных институтов здравоохранения.
CED Power1401 | Cambridge Electronic Design | Data acquisition interface | |
Delsys Bagnoli-4 amplifier | Delsys | EMG equipment | |
Figure-eight D702 Coil | Magstim Company Ltd | TMS coil | |
Kistler Force Plates | Kistler Instrument Corp. | Multicomponent Force Plate Type 9260AA | Force plates |
Magstim 200 stimulator | Magstim Company Ltd | TMS stimulation units | |
PLATO occlusion spectacles | Translucent Technologies Inc | visual occlusion | |
Signal software | Cambridge Electronic Design | Version 7 |