Die Anwendung von BWS ist ein vielversprechender Ansatz für die Rehabilitation des Gehens bei Patienten mit ZNS-Erkrankungen wie iSCI oder Schlaganfall. In der Schwerpunktgruppe der Patienten, die über eine freiwillige Kontrolle über ihre unteren Gliedmaßen verfügen, aber nicht frei gehen können, kann das FLOAT eine transparente BWS mit minimalen Interaktionskräften bieten. Die Anwendung von bis zu 50 % BWS bei CiSCI während des Gehens auf dem Boden führte zu subtilen Veränderungen der Gehkinematik, die weitgehend mit denen vergleichbar sind, die bei gesunden Kontrollpersonen beobachtet wurden. Während diese BWS-induzierten Veränderungen bei räumlich-zeitlichen Parametern wie der Schrittlänge und der relativen Dauer der Standphase offensichtlich waren, wurden die Gelenkbewegungsmuster und die intralimbische Koordination bei iSCI in geringerem Maße moduliert als bei den Kontrollpersonen. Diese Ergebnisse stehen im Gegensatz zu unseren anfänglichen Erwartungen, dass BWS einen größeren Effekt auf die Gehkinematik von CiSCI im Vergleich zu Kontrollen haben würde. Dies deutet darauf hin, dass eine oberirdische BWS mit einer Entlastung von bis zu 20 % des Körpergewichts keine erkennbare Auswirkung auf das Gangbild hat und selbst hohe Entlastungen von 50 % des Körpergewichts die Gangkinematik nicht grundlegend verändern. Darüber hinaus könnten die Unterschiede in der Modulation der Koordination zwischen den Gliedmaßen eine Möglichkeit bieten, diesen Bereich in der iSCI-Rehabilitation gezielt zu behandeln.
Raum-zeitliche Anpassung
Als eines der hervorstechenden Merkmale des Gangs sind die Anpassung der Schrittlänge und der Schrittzeit Voraussetzungen für die Bewältigung von Veränderungen der Gehbedingungen. Mit zunehmender Entlastung verlängert sich die Schrittzeit sowohl bei den Kontrollpersonen als auch bei den iSCI-Patienten progressiv. Ähnliche Beobachtungen in der Literatur haben keine schlüssige Erklärung für das Gehen auf dem Boden oder auf dem Laufband ergeben. Eine mögliche Erklärung ergibt sich aus dem Rahmen der dynamischen Ähnlichkeit, der davon ausgeht, dass die Froude-Zahl, ein anatomieunabhängiges Maß für die Geschwindigkeit in Abhängigkeit von der Beinlänge und der Schwerkraft, einen optimalen Wert von etwa 0.25 für das Gehen hat.
Fr: Froude-Zahl, m: Masse, v: Geschwindigkeit, h: Schenkellänge, g: Gravitationskonstante, sl: Schrittlänge, sf: Schrittfrequenz.
Die Verringerung der „Schwerkraft“ durch Entlastung bei gleichbleibender Gehgeschwindigkeit sollte das Verhältnis zwischen Schrittlänge und Schrittfrequenz nicht stören. Die Entlastung des Rumpfes führt jedoch zu einer interessanten Wechselwirkung: Die auf das Schwungbein wirkende Schwerkraft bleibt auf einem normalen Niveau (9,81 ms- 2), während die Dynamik der Standphase einer reduzierten Schwerkraft plus potenziellen Roboter-Interaktionskräften ausgesetzt ist. Dies führt in der Regel zu einer geringen, aber robusten Verringerung des Tastverhältnisses, die hauptsächlich durch eine Verlängerung der Schrittzeit unter Beibehaltung der Standzeit bewirkt wird. Um eine bestimmte Geschwindigkeit beizubehalten, muss die relative Schrittlänge erhöht werden, wodurch die entwicklungsbedingten stabilen Beziehungen zwischen Schrittlänge, Frequenz und Gehgeschwindigkeit gestört werden. Dieses Verhalten wird von den Kontrollpersonen übernommen. CiSCI hingegen zeigen einen reduzierten Duty Cycle, modulieren jedoch die Schrittlänge nicht so angemessen wie die Kontrollpersonen, was auch zu der bei 50 % BWS registrierten leichten Verringerung der Gehgeschwindigkeit führt (Tabelle 2).
Veränderungen der Schrittweite waren sowohl bei den Kontrollpersonen als auch bei den CiSCI nicht schlüssig; obwohl eine Wechselwirkung zwischen BWS und Gruppe festgestellt wurde, gab es keinen einfachen Haupteffekt der Entlastung. Dies könnte auf die Interaktion mit dem Roboter in medio-lateraler Richtung zurückzuführen sein, was auf die komplexe Interaktion zwischen BWS, lateraler Stabilität und Roboter-Interaktionskräften hindeutet. Die Transparenzanalyse führt uns dazu, den Pendel-Effekt der Aufhängung über dem Kopf etwas zu vernachlässigen, aber das Zusammenspiel zwischen vertikaler Entlastung und Schrittweite und anderen Parametern, die mit der Gehstabilität in Verbindung stehen, sollte bei gesunden Probanden weiter untersucht werden. CiSCI behielt eine große Variabilität in der Schrittweite über alle Entlastungsbedingungen hinweg bei, was möglicherweise aussagekräftige Reaktionen auf die Entlastung maskiert. Die mittlere Schrittweite tendierte von einem pathologisch hohen Ausgangswert zu einer Verringerung, was darauf hindeutet, dass die CiSCI durch die Entlastung in der Lage sind, mit einer schmaleren Basis zu gehen.
Auswirkungen auf die Gehhaltung
Wir haben die Verschiebung des CoM und das Schwanken des Rumpfes quantifiziert, um zu verstehen, wie transparent die BWS die Haltung beim Gehen beeinflusst und ob es Unterschiede zwischen CiSCI und Kontrollen gibt. Der einfache Haupteffekt von BWS auf die ML-KoM-Bewegung und die AP- und ML-Rumpfschwankung deutet darauf hin, dass das BWS-System einen gewissen Einfluss auf die Gehhaltung und die Rumpfkontrolle hat. Mit zunehmender Entlastung nimmt die Rumpfschwankung in beiden Ebenen zu, während die ML-Bewegung der CoM reduziert wird und die AP bei den Kontrollen unverändert bleibt. CiSCI zeigt bei beiden AP-Parametern ein anderes Reaktionsmuster, was möglicherweise auf die kürzere Anfangsschrittlänge zurückzuführen ist, die eine geringere Impulsübertragung vom Rumpf auf das Becken erfordert, um die Gewichtsverlagerung einzuleiten. CiSCI zeigten auch ein größeres AP-Rumpfschwanken in der Ausgangsbedingung, was möglicherweise Veränderungen in der Spitzenkraftgenerierung der Rumpfmuskulatur kompensiert. Außerdem war die Gehgeschwindigkeit bei CiSCI unter Entlastung etwas stärker reduziert. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass CiSCI möglicherweise anfälliger für die Dynamik des Roboters und die Zwänge des Gurtzeugs ist – insbesondere in Richtungen, in denen höhere Beschleunigungen erforderlich sind. Das Überkopfdesign und die Lage des Gurtzeugs erzwangen möglicherweise eine aufrechtere Haltung und ermöglichten eine geringere Gewichtsverlagerung nach vorne auf den vorderen Fuß.
Die Veränderungen der medio-lateralen Parameter mit zunehmender Entlastung spiegelten sich in beiden Gruppen wider. Im Gegensatz dazu zeigte sich bei der Schrittweite ein lokales Minimum bei 20 % BWS bei den Kontrollen und eine progressive, aber nicht signifikante Reduktion bei CiSCI. Dies deutet darauf hin, dass sich beide Gruppen mit zunehmender BWS zunehmend dafür entscheiden, ihre CoM näher am medialen Rand ihrer Stützbasis zu halten, was auf eine komplexe Interaktion zwischen Entlastung und Dynamik der Frontalebene hindeutet. Auch die superior-inferiore Bewegungsgeschwindigkeit des BWS-Roboters macht die Interaktion noch komplexer, da die Spannung nicht zu allen Zeitpunkten vollkommen gleich ist. Dies führt zu subtilen Veränderungen in den Unterstützungsniveaus und Impulsübertragungen in verschiedenen Phasen des Gangs, die wahrscheinlich die räumlich-zeitliche Struktur der Gehstabilität beeinflussen, aber diese Wechselwirkungen sind schwierig genau zu quantifizieren.
Gelenkbewegungsmuster
Mit zunehmender Entlastung beobachteten wir zunehmende zeitliche Verschiebungen der Winkel-Zeit-Spuren sowohl bei CiSCI als auch bei den Kontrollen. Um die Bewegungsmuster der Gelenke angemessen vergleichen zu können, wurden die Stand- und Schwungphase normalisiert und separat interpoliert, um zeitliche Effekte zu entfernen, während die Informationen über Zeitrang und Amplitude erhalten blieben. Dies ermöglichte die Erkennung von Unterschieden in der Trajektorienform, die durch die Entlastung verursacht wurden. Während die Kniegelenke einen einfachen Hauptentlastungseffekt zeigten, vor allem um das Absetzereignis und während des Standes, gab es keinen Interaktionseffekt. Dies deutet darauf hin, dass wir in der untersuchten Stichprobe keine unterschiedlichen Kniestrategien zwischen CiSCI und Kontrollen als Reaktion auf die Entlastung feststellen konnten. Im Hüftgelenk verursachte die Entlastung einen einfachen Haupteffekt, der sich auf das Absetzen der Zehen konzentrierte, und es gab einen starken Interaktionseffekt, insbesondere während des Schwungs und nach dem Fersenauftritt. Dieser Interaktionseffekt könnte auf die kürzere Schrittlänge der CiSCI in Verbindung mit der veränderten Gehhaltung zurückzuführen sein. Im Sprunggelenk zeigte sich ein Interaktionseffekt vor allem in der späten Standphase, in der die Kontrollen ihre Abstoßbewegung betonten, während CiSCI keine Anpassung zeigten. Die Entlastung von CiSCI im BWS-System führte zu keiner nachweisbaren Veränderung der Gelenkbewegungsmuster, während die Kontrollen bei hohen Entlastungswerten subtile Anpassungen insbesondere im Sprunggelenk zeigten. Bei den Kontrollen könnten die Veränderungen in der Bewegung des Sprunggelenks als aufgabenspezifische Anpassung interpretiert werden, die notwendig ist, um eine bestimmte Geschwindigkeit beizubehalten und gleichzeitig andere, wichtige Gangdeterminanten zu optimieren. Die Tatsache, dass wir diese Anpassungen in unserer Kohorte von primär sensorisch beeinträchtigten CiSCI nicht feststellen konnten, könnte mit Veränderungen bei der Integration von Belastungsinformationen in die efferente Befehlsstruktur zusammenhängen. Modelle der Aktivität des spinalen Netzwerks während des Gehens deuten darauf hin, dass last- und scherempfindliche Mechanorezeptoren an der Fußsohle zusammen mit Golgi-Sehnenorganen und Muskelspindel-Afferenzen wesentlich zur erfolgreichen Regulierung des Gehens beitragen. Nach einer iSCI ist die afferente Informationsverarbeitung jedoch auf vielen Ebenen verändert und wird teilweise durch redundante Ersatzinformationen ersetzt, die aus nicht beeinträchtigten Quellen wie der visuellen Kontrolle stammen.
Intralimbische Koordination
Intralimbische Koordinationsmuster haben sich bei iSCI-Patienten wiederholt als empfindliche Indikatoren für die Bewegungskontrolle erwiesen. Die Erkenntnisse aus Experimenten an den oberen und unteren Gliedmaßen des Menschen führen dazu, dass wir die Mehrgelenkkoordination als ein Produkt der propriozeptiven Integration im Rückenmark auf verschiedenen Ebenen in Kombination mit supraspinalen efferenten Antrieben interpretieren. Intralimbische Koordinationsmuster können als Formdifferenz zu einer Referenzform (SSD; eine Form der prokrustischen Formanalyse) quantifiziert werden. Die Variabilität dieser Muster kann durch die Winkelkomponente des Korrespondenzkoeffizienten (ACC; eine spezielle Form der Vektorkodierung) erfasst werden, der die mittlere Streuung aller sequentiellen Punktpaare im Zyklus beschreibt. Eine erhöhte Variabilität in der Bewegungskopplung von Segmenten wird als Abnahme des ACC (Bereich: 0-1) erkannt. Erhöhte Bewegungsvariabilität, insbesondere hinsichtlich der Kopplung benachbarter intralimbischer Segmente, kann als erhöhtes neuronales Rauschen bei der Erzeugung synergistischer Muskelaktivierungsmuster interpretiert werden. Unter Entlastung zeigten die Kontrollpersonen progressive Veränderungen in der intralimbischen Kopplung durch erhöhte Formdifferenz und Variabilität (Tabelle 2 und Abb. 2) in beiden Kopplungen (Hüfte-Knie und Knie-Knöchel). Bei CiSCI hingegen blieb die SSD sowohl in der proximalen als auch in der distalen Kopplung unverändert. Für ACC beider Couplets wurde kein Interaktionseffekt festgestellt, jedoch führte die Entlastung zu einer höheren Kopplungsvariabilität in beiden Gruppen. Die fehlende Modulation der intralimbischen Kopplung bei Patienten unter Entlastung könnte einen Zugang zur Untersuchung und Überprüfung dieses Aspekts nach iSCI bieten.
Intralimbische Koordination bei Kontrollen und Patienten unter BWS. a Reaktion der intralimbischen Koordinationsmuster auf Entlastung bei Patienten und Kontrollen. Als Referenz sind die mittleren Ausgangsdaten der Kontrollen als durchgehende schwarze Linie dargestellt. Die mittleren Reaktionen von Patienten und Kontrollen sind als gepunktete Linien bei 10 %, 30 % und 50 % BWS in zunehmenden Grautönen dargestellt. Die mittleren Basisdaten des Patienten sind als gestrichelte Linie dargestellt. b Quantifizierungsmetriken der intralimbischen Koordination. Die Entlastung führt zu einer Veränderung der SSD bei den Kontrollen (schwarz) für die Gelenkpaare Hüfte-Knie und Knie-Knöchel. Dieses Koordinationsmuster bleibt bei Patienten (grau) in beiden Paaren unverändert. Die Formkonsistenz (ACC) verschlechtert sich in beiden Gruppen mit zunehmender Entlastung. Die Balken zeigen die Gruppenmittelwerte mit 1SD. Die Signifikanz ist mit * angegeben: p < 0,05
In der Synthese zeigten CiSCI und Kontrollen ähnliche Reaktionen auf die Entlastung in Bezug auf die räumlich-zeitlichen Parameter und die Gehhaltung. CiSCI behielten jedoch ihre Grundkoordination der Gliedmaßen bei, während die Kontrollpersonen diese als Reaktion auf die Entlastung modifizierten und ihre Gelenkkopplungsmuster optimierten, um sich an die Entlastung anzupassen und dabei eine bestimmte Geschwindigkeit beizubehalten. Es scheint, dass in einem gesunden ZNS die intralimbischen Muster nicht nur auf spinaler Ebene vermittelt werden, sondern auch einen starken Einfluss supraspinaler Zentren integrieren. Die Kopplung von Segmenten, die nach einer ZNS-Verletzung verändert wurde, erweist sich jedoch als bemerkenswert widerstandsfähig gegenüber Veränderungen. So berichteten Awai und Curt bei iSCI-Patienten über unveränderte intralimbische Gangmuster während der gesamten Rehabilitation, obwohl die Gehgeschwindigkeit zunahm und die intralimbische Variabilität abnahm. In ähnlicher Weise berichteten Tepavac und Field-Fote bei 14 iSCI-Patienten von einer verbesserten Konsistenz, aber keiner systematischen Veränderung der Form der intralimbischen Kopplung nach Peronealstimulation in Verbindung mit Training. Ähnliche Beobachtungen wurden bei Schlaganfallüberlebenden mit Beeinträchtigungen der unteren Gliedmaßen gemacht.
Diese Beobachtungen könnten auf eine Veränderung des efferenten Antriebs zurückzuführen sein, die durch Veränderungen in der supraspinalen Verarbeitung, einschließlich des teilweisen Verlusts und Ersatzes afferenter Signale, verursacht wird. Alternativ könnte die Kopplung von Segmenten hauptsächlich durch rhythmische spinale Netzwerke kodiert werden und damit schwer über den efferenten Antrieb zu modulieren sein, insbesondere wenn dieser Antrieb durch eine Läsion beeinträchtigt ist. Beide Modelle deuten darauf hin, dass bei der Optimierung des Gangphänotyps, insbesondere der intralimbischen Koordination, in Bezug auf Umweltbedingungen oder neue Aufgaben, die veränderte Verarbeitung in CiSCI die verminderte afferente Information nicht vollständig kompensieren kann. Unter diesem Gesichtspunkt könnte das Reaktionsprofil von CiSCI auf Entlastung – angepasste räumlich-zeitliche Parameter, unveränderte gemeinsame Bewegungsmuster und Koordination zwischen den Gliedmaßen – auf die Hierarchie der Kontrolle bei der Fortbewegung hinweisen. Hier sind die neuronalen Ressourcen für aufgabenkritische Parameter wie die räumlich-zeitliche Organisation des Gangs und die Gleichgewichtskontrolle reserviert, während weniger kritische Parameter wie die Koordination zwischen den Gliedmaßen nicht moduliert werden. Man geht davon aus, dass jede Funktionsverbesserung auf die Anpassung von Prozessen auf höherer Ebene zurückzuführen ist, während die neu geschaffenen motorischen Äquivalenzprimitive unverändert bleiben. Allerdings gibt es unseres Wissens nach kein Trainingsparadigma, das speziell auf die intralimbische Koordination nach iSCI abzielt. Entlastung könnte ein einzigartiger Trainingsweg sein, um dieses spezifische Defizit zu beheben.
Klinische Relevanz
Die Anwendung von transparentem Überkopf-BWS bei iSCI-Personen während des Gehens auf dem Boden hat vernachlässigbare Auswirkungen auf die CiSCI-Gehkinematik. Dies deutet darauf hin, dass für CiSCI, die zwar die willentliche Kontrolle über ihre Gliedmaßen behalten, aber nicht in der Lage sind, ihr eigenes Körpergewicht zu tragen, transparente BWS eine Möglichkeit darstellen, zu einem frühen Zeitpunkt mit dem sicheren, unterstützten, unbehinderten Gehen auf dem Boden zu beginnen. Wenn sich die Patienten verbessern, kann die Unterstützung reduziert werden, und der Therapeut kann zusätzliche, störende Kräfte anwenden, um eine anspruchsvolle Trainingsumgebung zu schaffen. Darüber hinaus kann das Gerät zur Unterstützung beim Training anderer Aktivitäten des täglichen Lebens verwendet werden, wie z. B. Treppensteigen, Überqueren von Hindernissen, Balancieren, Kurvengehen, Aufnehmen von Gegenständen vom Boden, Übergang vom Sitzen zum Stehen usw. Das oberirdische BWS-Training ist nur eines von vielen Rehabilitationsinstrumenten, ermöglicht jedoch den Übergang von einer Rehabilitationsumgebung auf dem Laufband zu einer realistischeren Umgebung.
Ausblick
Unsere Schlussfolgerungen beruhen auf einer relativ kleinen und heterogenen Stichprobe von iSCI-Probanden mit hauptsächlich sensorischen Beeinträchtigungen, da sie in der Lage sein mussten, etwa eine Stunde lang ohne Gehhilfen 2 km/h zu gehen. Diese Gehgeschwindigkeit wurde gewählt, da sie für CiSCI eine brauchbare Geschwindigkeit darstellt und nahe an der Schwelle für unbeaufsichtigtes Gehen in Innenräumen für CiSCI liegt (0,6 m/s). Darüber hinaus zeigen die Kontrollpersonen bei dieser Geschwindigkeit immer noch einen rhythmischen, symmetrischen Gang, obwohl sie weitaus langsamer ist (~ 50 %) als ihre typische alters- und geschlechtsspezifische Gehgeschwindigkeit. Für jede BWS-Stufe wurde eine Eingewöhnungsphase vorgesehen, und CiSCI und die Kontrollpersonen gingen während des Experiments durchgängig mit der Zielgeschwindigkeit, ohne den Toleranzbereich zu überschreiten, was auf eine ausreichende Akklimatisierung hindeutet. Es wäre zwar interessant gewesen, auch die bevorzugte Gehgeschwindigkeit oder sogar die Auswirkungen unterschiedlicher Gehgeschwindigkeiten zu analysieren, doch hätte dies zu einem sehr langen Bewertungsprotokoll für die CiSCI geführt. Die Ausgangswerte für das Gehen unterschieden sich zwischen den Gruppen, und es gab einen signifikanten Altersunterschied. Die Einbeziehung des Alters als Kovariate in das statistische Modell deutet jedoch darauf hin, dass die Anpassung der Gangmuster an die BWS nicht durch diesen Faktor beeinflusst wurde. Die unterschiedlichen Reaktionen zwischen CiSCI und Kontrollpersonen rechtfertigen weitere Untersuchungen bei einer größeren Anzahl von Personen mit ZNS-Störungen, die mit verschiedenen Geschwindigkeiten gehen. Drei CiSCI hatten TSIs von weniger als einem Jahr und sind daher eher als subakut denn als chronisch einzustufen. Diese Personen wurden in die Studie aufgenommen, da sie aufgrund der relativ milden Natur ihrer Verletzungen ein funktionelles Plateau erreicht hatten. Funktionell gehörten sie zu den besseren Personen in der Kohorte. Die untersuchte Kohorte von Patienten mit einem breiten Spektrum unterschiedlicher Beeinträchtigungen und TSI liefert einen gewissen Hinweis auf einen verallgemeinerbaren Effekt, doch wie sich dieser spezifisch in Bezug auf Grad, Schwere und Chronizität der Beeinträchtigung manifestiert, lässt sich nur durch die Verwendung spezifischerer Einschlusskriterien ermitteln. Dies schränkt die Beschreibung möglicher Mechanismen im aktuellen Experiment ein. In Zukunft sind wir daran interessiert, genauer definierte Kohorten zu evaluieren und die mechanischen Effekte von den biologischen Reaktionen auf die Entlastung besser zu trennen.