BWS:n soveltaminen on lupaava lähestymistapa keskushermoston häiriöistä, kuten iSCI:stä tai aivohalvauksesta kärsivien potilaiden kävelyn kuntoutuksessa. FLOAT voi tarjota läpinäkyvää BWS:ää minimaalisilla vuorovaikutusvoimilla niiden potilaiden ryhmässä, jotka hallitsevat alaraajojaan tahdonalaisesti, mutta jotka eivät kuitenkaan kykene kävelemään vapaasti. Jopa 50 prosentin BWS:n soveltaminen CiSCI:hen maanpäällisen kävelyn aikana johti hienovaraisiin muutoksiin kävelyn kinematiikassa, jotka ovat pitkälti verrattavissa terveillä kontrolleilla havaittuihin muutoksiin. Vaikka nämä BWS:n aiheuttamat muutokset olivat ilmeisiä spatio-temporaalisissa parametreissa, kuten askeleen pituudessa ja suhteellisen seisomavaiheen kestossa, nivelten liikemallit ja intralimbojen välinen koordinaatio muokkautuivat iSCI:llä vähäisemmässä määrin kuin kontrolleilla. Nämä tulokset ovat vastoin alkuperäisiä odotuksiamme, joiden mukaan BWS:llä olisi suurempi vaikutus CiSCI:n kävelyn kinematiikkaan verrattuna kontrolleihin. Tämä osoittaa, että maanpäällisen BWS:n käyttäminen enintään 20 %:n BW-kuormituksen poistamiseen ei vaikuta havaittavasti kävelymalleihin, eivätkä suuretkaan 50 %:n BW-kuormituksen poistamiset vääristä olennaisesti kävelyn kinematiikkaa. Lisäksi erot raajojen sisäisen koordinaation modulaatiossa voivat tarjota mahdollisuuden kohdistaa iSCI-kuntoutus erityisesti tälle alueelle.
Spatio-temporaalinen adaptaatio
Asioiden pituuden ja askelajan mukauttaminen ovat kävelyolosuhteiden muutosten hallinnan edellytyksiä, sillä ne ovat yksi kävelyn keskeisistä ominaisuuksista. Kuormituksen lisääntyessä askelaika pitenee asteittain sekä kontrollihenkilöillä että iSCI-henkilöillä. Vastaavat kirjallisuudessa tehdyt havainnot eivät ole johtaneet ratkaisevaan selitykseen maan päällä tai juoksumatolla . Yksi mahdollinen selitys perustuu dynaamiseen samankaltaisuuskehykseen, jossa oletetaan, että Frouden luvun, joka on anatomiasta riippumaton, jalan pituudesta ja painovoimasta riippuvainen nopeuden mitta, optimiarvo on noin 0 .25 kävelyä varten.
Fr: Frouden luku, m: massa, v: nopeus, h: jalan pituus, g: gravitaatiovakio, sl: askelpituus, sf: askeltaajuus.
Vähentämällä ”painovoimaa” kuormituksen purkamisen avulla säilyttäen kävelynopeuden ei pitäisi häiritä askelpituuden ja askeltiheyden välistä suhdetta. Kuormittamattomuuden kohdistaminen vartaloon johtaa kuitenkin mielenkiintoiseen vuorovaikutukseen: heiluvaan jalkaan vaikuttava painovoima pysyy normaalilla tasolla (9,81 ms- 2 ), kun taas askelvaiheen dynamiikkaan kohdistuu alentunut painovoima sekä mahdolliset robotin vuorovaikutusvoimat . Tämä johtaa tyypillisesti käyttökertoimen pieneen mutta voimakkaaseen pienenemiseen, joka johtuu pääasiassa askelajan pidentymisestä seisonta-ajan pysyessä samana. Tietyn nopeuden ylläpitämiseksi suhteellista askelpituutta on lisättävä, mikä häiritsee askelpituuden, askeltiheyden ja kävelynopeuden välisiä kehitystasolla vakaita suhteita. Kontrollihenkilöt omaksuvat tämän käyttäytymisen. CiSCI:llä on toisaalta havaittavissa vähentynyt työjakso, mutta he eivät kuitenkaan moduloi askelpituutta yhtä tarkoituksenmukaisesti kuin kontrollihenkilöt, mikä johtaa myös kävelynopeuden lievään alenemiseen 50 %:n BWS:n kohdalla (taulukko 2).
Askeleen leveyden muutokset eivät olleet yksiselitteisiä sekä kontrollihenkilöillä että CiSCI:llä; vaikka BWS:n ja ryhmän välinen vuorovaikutus havaittiin, kuormittamattomuuden yksinkertaista pääasiallista vaikutusta ei ollut. Tämä saattaa johtua vuorovaikutuksesta robotin kanssa medio-lateraalisessa suunnassa, mikä viittaa monimutkaiseen vuorovaikutukseen BWS:n, lateraalisen vakauden ja robotin vuorovaikutusvoimien välillä . Läpinäkyvyysanalyysi saa meidät jättämään jonkin verran huomiotta yläpuolisen ripustuksen heilurivaikutuksen , mutta pystysuuntaisen kuormittamattomuuden ja askeleen leveyden sekä muiden kävelyn vakauteen liittyvien parametrien välinen vuorovaikutus ansaitsee lisätutkimuksia terveillä koehenkilöillä. CiSCI säilytti askeleen leveyden suuren vaihtelun kaikissa kuormituksen purkamisolosuhteissa, mikä saattaa peittää alleen kaikki merkitykselliset vasteet kuormituksen purkamiseen. Keskimääräinen askeleen leveys pyrki pienenemään patologisesti korkeasta lähtötilanteesta, mikä viittaa siihen, että kuormittamattomuus antaa CiSCI:lle mahdollisuuden kävellä kapeammalla tukipohjalla.
Kävelyn asentovaikutukset
Kvantitatiivisesti määrittelimme CoM:n siirtymän ja vartalon heilahduksen ymmärtääksemme, miten läpinäkyvä BWS vaikuttaa kävelyn aikaiseen kävelyn aikaiseen kävelyn asentoon ja poikkeaako se CiSCI:n ja kontrolliryhmien välillä. BWS-järjestelmän yksinkertainen päävaikutus ML CoM -liikkeeseen ja AP- ja ML-vartalon heilahdukseen osoittaa, että BWS-järjestelmällä on jonkinlainen vaikutus kävelyasentoon ja vartalon hallintaan. Kun kuormittamattomuus lisääntyy, vartalon huojunta lisääntyy molemmissa tasoissa, kun taas CoM:n ML-liike vähenee ja AP pysyy kontrolleissa muuttumattomana. CiSCI:n reaktiomalli on erilainen molemmissa AP-parametreissa, mikä saattaa johtua lyhyemmästä alkuaskeleen pituudesta, joka vaatii vähemmän momentin siirtymistä vartalosta lantioon painonsiirron aikaansaamiseksi. CiSCI osoitti myös suurempaa vartalon AP-heilahdusta alkutilanteessa, mikä ehkä kompensoi muutoksia vartalon lihasten huippuvoiman tuottamisessa. Lisäksi kävelynopeus väheni hieman enemmän CiSCI:llä kuormituksen purkamisen yhteydessä. Yhteenvetona voidaan todeta, että CiSCI saattaa olla alttiimpi robotin dynamiikalle ja valjaiden rajoituksille – erityisesti suunnissa, joissa tarvitaan suurempia kiihtyvyyksiä. Yläpuolinen muotoilu ja valjaiden sijainti pakottivat mahdollisesti pystympään asentoon ja mahdollistivat vähemmän painon siirtämistä eteenpäin johtavalle jalalle.
Mediolateraalisten parametrien muutokset kuormittamattomuuden lisääntyessä näkyivät molemmissa ryhmissä. Tämä oli ristiriidassa askeleen leveyden kanssa, joka osoitti paikallista minimiä 20 %:n BWS:n kohdalla kontrolleilla ja asteittaista, mutta ei merkitsevää vähenemistä CiSCI:ssä. Tämä osoittaa, että molemmat ryhmät valitsevat yhä useammin säilyttää CoM:nsä lähempänä tukipohjan mediaalista reunaa BWS:n kasvaessa, mikä viittaa monimutkaiseen vuorovaikutukseen kuormittamattomuuden ja otsatason dynamiikan välillä. Myös BWS-robotin superior-inferior-liikkeen nopeus monimutkaistaa vuorovaikutusta entisestään, koska jännitys ei ole täysin yhtä suuri kaikissa aikapisteissä. Tämä johtaa hienovaraisiin muutoksiin tukitasoissa ja vauhdinsiirroissa kävelyn eri vaiheissa, jotka todennäköisesti vaikuttavat kävelyn vakauden spatio-temporaaliseen rakenteeseen, mutta näitä vuorovaikutuksia on kuitenkin haastavaa kvantifioida tarkasti.
Nivelen liikemallit
Kuormittamattomuuden kasvaessa havaitsimme lisääntyviä ajallisia siirtymiä kulma-aikajäljitelmissä sekä CiSCI:ssä että kontrolleissa. Jotta nivelten liikekuvioita voitiin verrata asianmukaisesti, seisonta- ja heilahdusvaihe normalisoitiin ja interpoloitiin erikseen ajallisten vaikutusten poistamiseksi säilyttäen kuitenkin aika-aste- ja amplituditiedot. Tämä mahdollisti kuormituksen purkamisen aiheuttamien liikeradan muodon erojen havaitsemisen. Vaikka polvinivelet osoittivat yksinkertaista pääasiallista kuormittamattomuusvaikutusta erityisesti varpaiden lähdön ja asennon aikana, vuorovaikutusvaikutusta ei ollut. Tämä osoittaa, että tutkitussa otoksessa emme pystyneet havaitsemaan erilaisia polvistrategioita CiSCI:n ja kontrolliryhmien välillä kuormituksen purkamisen seurauksena. Lonkkanivelessä kuormittamattomuus aiheutti yksinkertaisen päävaikutuksen, joka keskittyi varpaiden lähdön ympärille, ja vuorovaikutusvaikutus oli voimakas erityisesti heilahduksen aikana ja kantaiskun jälkeen. Tämä yhteisvaikutus voi johtua CiSCI:n lyhyemmästä askelpituudesta ja kävelyasennon muutoksista. Nilkkanivelessä vuorovaikutusvaikutus ilmeni erityisesti myöhäisessä askelluksessa, jossa kontrolliryhmät korostivat työntöliikkeitään, kun taas CiSCI ei osoittanut sopeutumista. CiSCI:n kuormituksen purkaminen BWS-järjestelmässä ei aiheuttanut havaittavaa muutosta nivelten liikemalleissa, kun taas kontrolleilla oli havaittavissa hienovaraista mukautumista erityisesti nilkkanivelessä suurilla kuormituksen purkamistasoilla. Kontrolleilla nilkkanivelen liikkeen muutokset voitaisiin tulkita tehtäväkohtaiseksi sopeutumiseksi, joka on tarpeen tietyn nopeuden ylläpitämiseksi samalla kun optimoidaan muut merkittävät kävelyn osatekijät. Se, että emme havainneet näitä sopeutumisia kohortissamme, jossa oli ensisijaisesti aistihäiriöinen CiSCI, voisi liittyä muutoksiin kuormitustiedon integroimisessa efferenttiin komentorakenteeseen . Mallit selkäydinverkon aktiivisuudesta kävelyn aikana osoittavat, että jalkapohjan kuormitus- ja leikkausherkät mekanoreseptorit yhdessä Golgin jänne-elinten ja lihaskara-afferenttien kanssa vaikuttavat merkittävästi kävelyn onnistuneeseen säätelyyn . Kuitenkin iSCI:n jälkeen afferentin tiedon käsittely muuttuu monella tasolla ja korvataan osittain korvaavalla, redundantilla tiedolla, joka on peräisin muista lähteistä, kuten visuaalisesta ohjauksesta.
Intralimb-koordinaatio
Intralimb-koordinaatiomallien on toistuvasti raportoitu olevan herkkiä lukemia liikkumisen hallinnasta iSCI-henkilöillä . Yläraaja- ja alaraajakokeista ihmisillä saatu tieto saa meidät tulkitsemaan moninivelkoordinaation selkäytimen eri tasoilla tapahtuvan proprioseptiivisen integraation tuotteeksi yhdistettynä supraspinaaliseen efferenttiohjaukseen . Raajojen sisäiset koordinaatiomallit voidaan kvantifioida muotoerona referenssimuotoon nähden (SSD; eräänlainen prokrustealainen muotoanalyysi) . Näiden kuvioiden vaihtelevuutta voidaan kuvata vastaavuuskertoimen kulmakomponentilla (ACC; vektorikoodauksen erikoistunut muoto ), joka kuvaa syklin kaikkien peräkkäisten pisteparien keskimääräistä hajontaa. Segmenttien liikekytkennän lisääntynyt vaihtelu havaitaan ACC:n pienenemisenä (vaihteluväli: 0-1). Lisääntynyt liikkeen vaihtelu, erityisesti vierekkäisten intralimb-segmenttien kytkeytymisen osalta, voidaan tulkita lisääntyneeksi neuraaliseksi kohinaksi synergististen lihasaktivaatiomallien synnyttämisessä. Kuormituksen purkautuessa kontrollihenkilöillä havaittiin progressiivisia muutoksia intralimb-sisäisessä kytkennässä lisääntyneen muotoeron ja vaihtelun kautta (taulukko 2 ja kuva 2) molemmissa pareissa (lonkka-polvi ja polvi-nilkka). CiSCI:ssä SSD pysyi kuitenkin muuttumattomana sekä proksimaalisissa että distaalisissa pareissa. Molempien parien ACC:n osalta ei havaittu yhteisvaikutusta, mutta kuormittamattomuus johti kuitenkin suurempaan parien vaihteluun molemmissa ryhmissä. Potilaiden puute intralimb-kytkennän modulaatiosta kuormituksen purkamisen yhteydessä voi tarjota pääsyn tämän näkökohdan tutkimiseen ja kyseenalaistamiseen iSCI:n jälkeen.
Intralimb-koordinaatio kontrolleilla ja potilailla, joilla on ollut BWS-oireyhtymää. a Intralimb-koordinaatiomallien vaste kuormituksen purkamiseen potilailla ja kontrolleilla. Vertailuna keskimääräiset lähtötason kontrollitiedot on esitetty jatkuvana mustana viivana. Potilaiden ja kontrollien keskimääräiset vasteet on esitetty katkoviivoilla 10, 30 ja 50 %:n BWS:n kohdalla kasvavilla harmaan sävyillä. Potilaiden keskimääräiset perustason tiedot esitetään katkoviivana. b Raajojen sisäisen koordinaation kvantitatiiviset mittarit. Kuormituksen purkaminen johtaa SSD:n muutokseen kontrolleissa (musta) sekä lonkka-polvi- että polvi-nilkka-nivelparien osalta. Tämä koordinaatiomalli pysyy muuttumattomana potilailla (harmaa) molemmissa pareissa. Muodon johdonmukaisuus (ACC) heikkenee yhä enemmän molemmissa ryhmissä kuormittamattomuuden kasvaessa. Palkit kuvaavat ryhmien keskiarvoja ja 1SD:tä. Merkitsevyys on eritelty *: p < 0.05
Synteesissä CiSCI ja kontrollit osoittivat samankaltaisia vasteita kuormittamattomuuteen spatio-temporaalisten ja kävelyasentoparametrien osalta. CiSCI säilytti kuitenkin perusraajojen sisäisen koordinaationsa, kun taas kontrollit muuttivat sitä vastauksena kuormituksen purkamiseen optimoimalla nivelten kytkentämallejaan sopeutuakseen kuormituksen purkamiseen säilyttäen samalla tietyn nopeuden. Näyttää siltä, että terveessä keskushermostossa intralimbusmalleja ei välitetä pelkästään selkärangan tasolla, vaan ne myös integroivat supraspinaalisten keskusten voimakkaan vaikutuksen. Kun segmenttien kytkentä on kuitenkin muuttunut keskushermoston vamman seurauksena, se on osoittautunut huomattavan joustavaksi muutoksille. Esimerkiksi Awai ja Curt raportoivat, että iSCI-potilaiden kävelykuvioiden muodot pysyivät muuttumattomina iSCI-potilaiden koko kuntoutuksen ajan, vaikka kävelynopeus kasvoi ja intralimbusvaihtelu väheni. Vastaavasti Tepavac ja Field-Fote raportoivat 14 iSCI-potilaan peroneaalisen stimulaation ja harjoittelun jälkeen parantuneesta johdonmukaisuudesta, mutta ei systemaattisesta muodonmuutoksesta jalkojen sisäisessä kytkennässä. Analogisia havaintoja on tehty aivohalvauksesta selvinneillä henkilöillä, joilla on alaraajojen vajaatoiminta .
Nämä havainnot voivat johtua efferentin käyttövoiman muutoksista, jotka johtuvat supraspinaalisen prosessoinnin muutoksista, mukaan lukien afferenttien signaalien osittainen menetys ja korvaaminen. Vaihtoehtoisesti segmenttien kytkentä voi olla pääasiassa koodattu rytmisillä selkäydinverkoilla ja siten vaikeasti muokattavissa efferentin draivin kautta, varsinkin kun tämä draivi on heikentynyt vaurion kautta. Molemmat näistä kahdesta mallista osoittavat, että optimoitaessa kävelyn fenotyyppiä, erityisesti raajojen sisäistä koordinaatiota, ympäristön rajoituksiin tai kohdattaessa uusia tehtäviä, CiSCI:ssä esiintyvä muuttunut prosessointi ei voi täysin kompensoida heikentynyttä afferenttia informaatiota. Tästä näkökulmasta CiSCI:n vasteprofiili kuormituksen purkamiseen; mukautetut spatio-temporaaliset parametrit, muuttumattomat nivelten liikemallit ja raajojen välinen koordinaatio voivat viitata liikkumisen hallinnan hierarkiaan. Tällöin neuraalisia resursseja varataan tehtävän kannalta kriittisille parametreille, kuten kävelyn ja tasapainon hallinnan spatio-temporaaliselle organisoinnille, kun taas vähemmän kriittisiä parametreja, kuten raajojen sisäistä koordinaatiota, ei ehditä moduloida. Toiminnan paranemisen ajatellaan johtuvan korkeamman tason prosessien sopeutumisesta, kun taas vastaperustetut motoriset ekvivalentit primitiivit pysyvät muuttumattomina . Tietojemme mukaan ei kuitenkaan ole ollut mitään sellaista harjoitteluparadigmaa, joka olisi kohdistunut erityisesti intralimb-koordinaatioon iSCI:n jälkeen. Kuormittamattomuus saattaa olla ainutlaatuinen harjoittelupolku, joka kohdistuu tähän melko spesifiseen vajeeseen.
Kliininen merkitys
Läpinäkyvän yläpuolisen BWS:n soveltaminen iSCI-henkilöihin maanpäällisen kävelyn aikana vaikuttaa vähäpätöisesti CiSCI-kävelyn kinematiikkaan. Tämä osoittaa, että CiSCI:n kohdalla, jotka säilyttävät raajojensa tahdonalaisen hallinnan, mutta eivät kykene tukemaan omaa painoaan, läpinäkyvä BWS tarjoaa mahdollisuuden aloittaa turvallinen, tuettu, rajoittamaton maanpäällinen kävely varhaisessa vaiheessa. Kun potilaat paranevat, tuen määrää voidaan vähentää ja terapeutti voi käyttää lisää häiritseviä voimia haastavan harjoitusympäristön ylläpitämiseksi. Lisäksi laitetta voidaan käyttää tukena harjoiteltaessa muita jokapäiväiseen elämään kuuluvia toimintoja, kuten portaiden kiipeämistä, esteiden ylittämistä, tasapainoilua, kaarikävelyä, esineiden hakemista lattialta, istumasta seisomaan siirtymistä jne. Maanpäällinen BWS-harjoittelu on edelleen vain yksi monista kuntoutusvälineistä, mutta se mahdollistaa kuitenkin siirtymisen juoksumattokuntoutusympäristöstä todellisempaan ympäristöön.
Outlook
Johtopäätöksemme perustuvat suhteellisen pieneen ja heterogeeniseen otokseen iSCI-henkilöitä, joilla oli pääasiassa aistivammoja, koska rajoituksena oli pystyä kävelemään 2 km/t ilman kävelyn apuvälineitä noin yhden mittaustunnin ajan. Tämä kävelynopeus valittiin, koska se on CiSCI:n kannalta käyttökelpoinen nopeus ja lähellä CiSCI:n valvomattoman sisätiloissa liikkumisen kynnysarvoa (0,6 m/s) . Lisäksi tällä nopeudella kontrollihenkilöt kävelevät edelleen rytmikkäästi ja symmetrisesti, vaikkakin huomattavasti hitaammin (~ 50 %) kuin heidän tyypillinen ikä- ja sukupuolikohtainen kävelynopeutensa. Jokaisella BWS-tasolla sallittiin totuttelujakso, ja CiSCI ja kontrollit kävelivät tavoitenopeutta johdonmukaisesti kokeen aikana ylittämättä toleranssialuetta, mikä osoittaa riittävää totuttelua. Vaikka olisi ollut mielenkiintoista analysoida myös suosittua kävelynopeutta tai jopa eri kävelynopeuksien vaikutuksia, tämä olisi johtanut hyvin pitkään CiSCI:n arviointiprotokollaan. Kävelyn lähtötasomittaukset erosivat ryhmien välillä, ja ikäero oli merkittävä. Iän sisällyttäminen tilastolliseen malliin kovariaattina osoittaa kuitenkin, että tämä tekijä ei vaikuttanut kävelymallien sopeutumiseen BWS:ään. CiSCI:n ja kontrolliryhmien erilaiset vasteet edellyttävät lisätutkimuksia laajemmalla joukolla keskushermoston häiriöistä kärsiviä henkilöitä, jotka kävelevät useilla nopeuksilla. Kolmella CiSCI:llä oli alle vuoden pituinen kestoaika, joten niiden voidaan katsoa olevan lähempänä subakuuttia kuin kroonista. Nämä henkilöt otettiin mukaan, koska he olivat saavuttaneet toiminnallisen tasotason vammojensa suhteellisen lievän luonteen vuoksi. Toiminnallisesti he kuuluivat kohortin parempiin henkilöihin. Tutkittu potilaskohortti, johon kuului potilaita, joilla oli laaja valikoima erilaisia vammoja ja TSI:itä, antaa viitteitä yleistettävistä vaikutuksista, mutta se, miten tämä ilmenee erityisesti vamman tason, vakavuuden ja kroonisuuden osalta, voidaan määrittää vain käyttämällä tarkempia sisäänottokriteerejä. Tämä rajoittaa mahdollisten mekanismien kuvaamista tässä kokeessa. Jatkossa olemme kiinnostuneita arvioimaan tarkemmin määriteltyjä kohortteja ja erottamaan paremmin mekaaniset vaikutukset biologisista vasteista kuormituksen purkamiseen.