Anvendelse af BWS udgør en lovende tilgang til rehabilitering af gangen hos patienter, der lider af CNS-sygdomme som f.eks. iSCI eller slagtilfælde. Inden for den fokusgruppe af patienter, der har frivillig kontrol over deres nedre lemmer, men som mangler evnen til at gå frit, kan FLOAT give gennemsigtig BWS med minimale interaktionskræfter. Anvendelse af op til 50 % BWS på iSCI under gang over jorden resulterede i subtile ændringer af gangkinematikken, som stort set er sammenlignelige med dem, der er observeret hos raske kontroller. Mens disse BWS-inducerede ændringer var tydelige i spatio-temporale parametre såsom skridtlængde og relativ standfasevarighed, blev ledbevægelsesmønstre og intraalimb-koordination moduleret i en lavere grad hos iSCI end hos kontroller. Disse resultater er i modstrid med vores oprindelige forventninger om, at BWS ville have en større effekt på gangkinematikken hos iSCI sammenlignet med kontroller. Dette indikerer, at brug af overjordisk BWS for op til 20% BW-aflastning ikke har nogen mærkbar effekt på gangmønstre, og selv høje aflastninger på 50% BW forvrider ikke fundamentalt gangkinematikken. Desuden kan forskellene i modulering af intra-limb-koordinationen give mulighed for specifikt at målrette dette domæne i iSCI-rehabilitering.
Spatio-temporal tilpasning
Som et af de fremtrædende karakteristika ved gang er tilpasningen af skridtlængde og skridttid forudsætninger for at håndtere ændringer i gangforhold. Ved øget aflastning øges trintiden gradvist hos både kontroller og iSCI-personerne. Lignende observationer fra litteraturen har ikke resulteret i en afgørende forklaring hverken på jorden eller på løbebånd . En mulig forklaring hænger sammen med den dynamiske lighedsramme, idet det antages, at Froude-tallet, et anatomiuafhængigt mål for hastighed, der afhænger af benlængde og tyngdekraft, har en optimal værdi på omkring 0 .25 for gang .
Fr: Froude-tal, m: masse, v: hastighed, h: benlængde, g: gravitationskonstant, sl: trinlængde, sf: trinfrekvens.
En reduceret “tyngdekraft” gennem aflastning, samtidig med at ganghastigheden opretholdes, bør ikke forstyrre forholdet mellem skridtlængde og skridtfrekvens. Aflastning af bagkroppen resulterer imidlertid i en interessant interaktion: tyngdekraften, der virker på svingbenet, forbliver på et normalt niveau (9,81 ms- 2), mens dynamikken i standfasen udsættes for reduceret tyngdekraft plus potentielle robotinteraktionskræfter . Dette resulterer typisk i en lille, men robust reduktion af arbejdsfaktoren, som hovedsagelig skyldes en forøgelse af trintiden, samtidig med at standtiden opretholdes. For at opretholde en given hastighed skal den relative skridtlængde øges, hvilket forstyrrer de udviklingsmæssigt stabile forhold mellem skridtlængde, frekvens og ganghastighed . Denne adfærd overtages af kontrolpersoner. CiSCI på den anden side viser den reducerede duty cycle, men de modulerer ikke skridtlængden så hensigtsmæssigt som kontrolpersoner, hvilket også fører til den lille reduktion i ganghastighed, der er registreret ved 50 % BWS (tabel 2).
Ændringer i skridtbredde var ikke entydige hos både kontrolpersoner og CiSCI; selv om der blev påvist en interaktion mellem BWS og gruppe, var der ingen simpel hovedeffekt af aflastning. Dette kunne skyldes interaktion med robotten i medio-lateral retning, hvilket hentyder til den komplekse interaktion mellem BWS, lateral stabilitet og robotinteraktionskræfter . Gennemsigtighedsanalysen får os til i nogen grad at udelukke pendeleffekten af overheadophæng , men samspillet mellem vertikal aflastning og skridtbredde og andre parametre, der er forbundet med gangstabilitet, fortjener yderligere undersøgelse hos raske forsøgspersoner. CiSCI bevarede en stor variabilitet i skridtbredden under alle aflastningsbetingelser, hvilket potentielt maskerer alle meningsfulde reaktioner på aflastning. Gennemsnitlig skridtbredde havde en tendens til reduktion fra en patologisk høj baseline, hvilket antyder, at aflastning gør CiSCI i stand til at gå med en smallere base af støtte.
Walking posture effects
Vi kvantificerede CoM forskydning og trunk sway for at forstå, hvordan transparent BWS påvirker kropsholdning under gang, og om dette er forskelligt mellem CiSCI og kontroller. Den simple hovedeffekt af BWS på ML CoM-bevægelse og AP- og ML-bunksvingning indikerer, at BWS-systemet har en vis effekt på gangstilling og bunk-kontrol. Efterhånden som aflastningen øges, øges bålsvingningen i begge planer, mens ML-bevægelsen af CoM reduceres, og AP hos kontrollerne forbliver uændret. CiSCI antager et andet reaktionsmønster i begge AP-parametre, måske på grund af den kortere indledende skridtlængde, hvilket ville kræve mindre momentumoverførsel fra bagagerummet til bækkenet for at fremkalde vægtforskydningen. CiSCI udviste også et større AP-sving i bagkroppen i den indledende tilstand, hvilket måske kompenserer for ændringer i den maksimale kraftgenerering i bagkropsmuskulaturen. Desuden blev ganghastigheden reduceret i lidt højere grad hos CiSCI under aflastning. Sammenfattende kan CiSCI være mere modtagelig over for robottens dynamik og selens begrænsninger – især i retninger, hvor højere accelerationer er nødvendige . Overheaddesignet og selens placering tvang potentielt til en mere oprejst kropsholdning og tillod mindre fremadrettet overførsel af vægt til den forreste fod.
Forandringerne i de medio-laterale parametre med øget aflastning blev afspejlet i begge grupper. Dette stod i kontrast til skridtbredden, som viste et lokalt minimum ved 20%BWS for kontroller og en progressiv, men ikke-signifikant reduktion i CiSCI. Dette indikerer, at begge grupper i stigende grad vælger at fastholde deres CoM tættere på den mediale kant af deres base of support med stigende BWS, hvilket tyder på et komplekst samspil mellem aflastning og frontalplanets dynamik . Desuden kompleksiserer BWS-robottens superior-inferior bevægelseshastighed interaktionen yderligere, da spændingen ikke er helt lige stor på alle tidspunkter. Dette fører til subtile ændringer i støtteniveauer og momentumoverførsler i forskellige faser af gangen, der sandsynligvis påvirker den spatio-temporale struktur af gangstabilitet, men disse interaktioner er udfordrende at kvantificere nøjagtigt.
Joint bevægelsesmønstre
Med stigende aflastning observerede vi stigende tidsmæssige forskydninger af vinkel-tidssporene i både CiSCI og kontroller. For at kunne sammenligne ledbevægelsesmønstre på passende vis blev stand- og svingfasen normaliseret og interpoleret separat for at fjerne tidsmæssige effekter og samtidig bevare tidsrang- og amplitudeoplysninger. Dette gjorde det muligt at påvise forskelle i banens form, der er fremkaldt af aflastning. Mens knæleddene viste en simpel hovedaflastningseffekt, især omkring toe-off-hændelsen og under stance, var der ingen interaktionseffekt. Dette indikerer, at vi i den undersøgte prøve ikke kunne påvise forskellige knæstrategier mellem CiSCI og kontroller som reaktion på aflastningen. I hofteleddet fremkaldte aflastning en simpel hovedeffekt centreret omkring tåafsætningen, og der var en stærk interaktionseffekt, især under svinget og efter hælslag. Denne interaktionseffekt kan være drevet af CiSCI’s kortere skridtlængde kombineret med ændringerne i gangstillingen . Ved ankelleddet var der en interaktionseffekt, især i den sene stand, hvor kontrollerne lagde vægt på deres push off-bevægelse, mens CiSCI ikke viste nogen tilpasning. Aflastning af CiSCI i BWS-systemet medførte ingen påviselig ændring i ledbevægelsesmønstre, mens kontrollerne udviste subtile tilpasninger, især i ankelleddet ved høje aflastningsniveauer. Hos kontrollerne kunne ændringerne i ankelledets bevægelse fortolkes som en opgavespecifik tilpasning, der er nødvendig for at opretholde en given hastighed og samtidig optimere andre, fremtrædende gangdeterminanter . At vi ikke påviste disse tilpasninger i vores kohorte af primært sensorisk påvirkede CiSCI kunne være forbundet med ændringer i integrationen af belastningsinformation i den efferente kommandostruktur . Modeller af spinal netværksaktivitet under gang indikerer, at belastnings- og shear-følsomme mekanoreceptorer på fodsålen sammen med Golgi-seneorganer og muskelspindelafferenter bidrager væsentligt til den vellykkede regulering af gangen . Efter iSCI er afferent informationsbehandling imidlertid ændret på mange niveauer og erstattes delvist af surrogat, redundant information, der stammer fra ikke-påvirkede kilder som f.eks. visuel kontrol .
Intralimsekoordination
Intralimsekoordineringsmønstre er gentagne gange blevet rapporteret som følsomme aflæsninger af lokomotorisk kontrol hos iSCI-emner . Viden fra eksperimenter med øvre lemmer og nedre lemmer hos mennesker får os til at fortolke koordination af flere led som et produkt af proprioceptiv integration i rygmarven på forskellige niveauer kombineret med supraspinal efferent drev . Koordineringsmønstre i lemmerne kan kvantificeres som formforskellen i forhold til en referenceform (SSD; en form for procrustean formanalyse) . Variabiliteten af disse mønstre kan indfanges af vinkelkomponenten af korrespondancekoefficienten (ACC; en specialiseret form for vektorkodning ), som beskriver den gennemsnitlige spredning af alle sekventielle punktpar i cyklusen. Øget variabilitet i bevægelseskoblingen af segmenter registreres som et fald i ACC (interval: 0-1). Øget bevægelsesvariabilitet, især med hensyn til koblingen af tilstødende segmenter inden for lemmerne, kan fortolkes som øget neural støj i genereringen af synergistiske muskelaktiveringsmønstre. Under aflastning viste kontrolpersoner progressive ændringer i intralimb-koblingen gennem øget formforskel og variabilitet (tabel 2 og fig. 2) i begge koblinger (hofte-knæ og knæ-ankel). Hos CiSCI forblev SSD imidlertid uændret i både proximale og distale koblinger. Der blev ikke påvist nogen interaktionseffekt for ACC i begge koblinger, men aflastning resulterede dog i en højere koblingsvariabilitet i begge grupper. Patienternes manglende modulation af intralimb-kobling under aflastning kan give adgang til at undersøge og udfordre dette aspekt efter iSCI.
Intralimb-koordination i kontroller og patienter under BWS. a Respons af intralimb-koordineringsmønstre på aflastning hos patienter og kontroller. Som reference er de gennemsnitlige baseline-kontroldata vist som en kontinuerlig sort linje. Patienternes og kontrollernes gennemsnitlige responser er afbildet som stiplede linjer ved 10 %, 30 % og 50 % BWS i stigende gråtoner. Patientens gennemsnitlige basislinjedata er vist som en stiplet linje. b Kvantificeringsmetrikker for intralimb-koordinationen. Aflastning resulterer i en ændring i SSD hos kontroller (sort) for både hofte-knæ- og knæ-ankel-ledkoblinger. Dette koordinationsmønster forbliver upåvirket hos patienterne (grå) i begge koblinger. Formkonsistensen (ACC) forringes i stigende grad i begge grupper med stigende aflastning. Søjlerne angiver gruppernes gennemsnit med 1SD. Signifikans er detaljeret som *: p < 0,05
I sammenfatning viste CiSCI og kontroller lignende reaktioner på aflastning med hensyn til spatio-temporale parametre og parametre for gangstilling. CiSCI beholdt imidlertid deres baseline intralimb-koordinering, mens kontroller ændrede denne som reaktion på aflastning og optimerede deres ledkoblingsmønstre for at tilpasse sig aflastningen og samtidig opretholde en given hastighed. Det ser ud til, at i et sundt CNS formidles intralimb-mønstre ikke kun på rygmarvsniveau, men også integrerer en stærk indflydelse fra supraspinale centre . Når først koblingen af segmenter er ændret efter en skade på CNS, har det imidlertid vist sig, at den er bemærkelsesværdigt modstandsdygtig over for ændringer. Hos iSCI-patienter rapporterede Awai og Curt f.eks. om uændrede intralimb-mønsterformer hos iSCI-patienter under hele deres rehabilitering på trods af stigninger i ganghastighed og reduktioner i intralimb-variabiliteten. Tilsvarende rapporterede Tepavac og Field-Fote forbedret konsistens, men ingen systematisk ændring af formen i intralimb-koblingen efter peroneal stimulering kombineret med træning hos 14 iSCI-patienter. Analoge observationer er blevet gjort hos overlevende efter slagtilfælde med nedsat funktionsevne i de nedre lemmer .
Disse observationer kunne være drevet af ændring af efferent drev induceret af ændringer i supraspinal behandling, herunder det delvise tab og udskiftning af afferente signaler. Alternativt kan koblingen af segmenter hovedsageligt være kodet af rytmiske spinale netværk og dermed være vanskelig at modulere via efferent drev, især når dette drev er forringet gennem en læsion. Begge disse to modeller tyder på, at når gangfænotypen optimeres, især koordinationen inden for armene, i forhold til miljømæssige begrænsninger eller når man møder nye opgaver, kan den ændrede behandling, der er til stede i CiSCI, ikke fuldt ud kompensere for den nedbrudte afferente information. Inden for dette perspektiv kan CiSCI’s reaktionsprofil på aflastning, tilpassede tids- og rumlige parametre, uændrede fælles bevægelsesmønstre og koordination mellem lemmerne, hentyde til hierarkiet af kontrol i lokomotion . Her er neurale ressourcer reserveret til opgavekritiske parametre som f.eks. spatio-temporal organisering af gang- og balancekontrol, mens mindre kritiske parametre som f.eks. koordination mellem lemmerne forhindres i at blive moduleret. Enhver forbedring af funktionen menes at stamme fra tilpasning af processer på højere niveau, mens de nyligt etablerede motoriske ækvivalente primitiver forbliver invariante . Så vidt vi ved, har der imidlertid ikke været noget træningsparadigme, der specifikt har været rettet mod intralimb-koordination efter iSCI. Aflastning kan være en unik træningsvej til at målrette dette ret specifikke underskud.
Klinisk relevans
Anvendelse af gennemsigtig overhead BWS til iSCI-emner under overjordisk gang har en ubetydelig indvirkning på CiSCI-gangkinematik. Dette indikerer, at for CiSCI, der bevarer den volitive kontrol over deres lemmer, men som ikke er i stand til at støtte deres egen kropsvægt, repræsenterer gennemsigtig BWS en mulighed for at begynde med sikker, støttet, uhindret gang over jorden på et tidligt tidspunkt. Efterhånden som patienterne forbedrer sig, kan mængden af støtte reduceres, og terapeuten kan påføre yderligere forstyrrende kræfter for at opretholde et udfordrende træningsmiljø. Endvidere kan apparatet anvendes til støtte under træning af andre aktiviteter i dagligdagen, f.eks. trappegang, passage af forhindringer, balancering, kurvegang, hentning af genstande fra gulvet, overgang fra siddende til stående stilling osv. Overground BWS-træning er fortsat kun et af mange rehabiliteringsredskaber, men det muliggør en overgang fra et løbebåndsrehabiliteringsmiljø til et mere virkeligt miljø.
Outlook
Vores konklusioner er baseret på et relativt lille og heterogent udsnit af iSCI-forsøgspersoner med primært sensoriske funktionsnedsættelser på grund af begrænsningen om at kunne gå 2 km/t uden hjælpemidler i ca. en times måling. Denne ganghastighed blev valgt, da det er en levedygtig hastighed for CiSCI og er tæt på tærsklen for uovervåget indendørs gang for CiSCI (0,6 m/s) . Ved denne hastighed har kontrollerne desuden stadig en rytmisk, symmetrisk gang, selv om den er langt langsommere (~ 50 %) end deres typiske alders- og kønsspecifikke ganghastighed. Der blev givet en tilvænningsperiode på hvert BWS-niveau, og CiSCI og kontroller gik konsekvent med målhastigheden i løbet af forsøget uden at overskride toleranceområdet, hvilket indikerer tilstrækkelig akklimatisering. Selv om det ville have været interessant også at analysere den foretrukne ganghastighed eller endog virkningerne af forskellige ganghastigheder, ville dette have ført til en meget lang vurderingsprotokol for CiSCI. Baseline-gangmålene var forskellige mellem grupperne, og der var en betydelig aldersforskel. Inddragelse af alder som en kovariat i den statistiske model indikerer imidlertid, at tilpasningen af gangmønstre til BWS ikke var styret af denne faktor. De forskellige reaktioner mellem CiSCI og kontroller berettiger til yderligere undersøgelser hos et bredere udvalg af personer med CNS-sygdomme, der går ved flere hastigheder. Tre CiSCI havde TSI’er på mindre end et år og ville derfor blive betragtet som mere subakutte end kroniske. Disse personer blev medtaget, da de havde nået et funktionelt plateau på grund af den relativt milde karakter af deres skader. Funktionelt set var de blandt de bedste personer i kohorten. Den undersøgte kohorte af patienter med en bred vifte af forskellige funktionsnedsættelser og TSI’er giver en vis indikation af en generaliserbar effekt, men hvordan dette manifesterer sig specifikt i forhold til funktionsnedsættelsens niveau, sværhedsgrad og kronicitet kan kun afgøres ved hjælp af mere specifikke inklusionskriterier. Dette begrænser beskrivelsen af potentielle mekanismer i det aktuelle forsøg. Fremadrettet er vi interesseret i at evaluere mere præcist definerede kohorter og bedre adskille de mekaniske virkninger fra de biologiske reaktioner på aflastning.