BWS は脊髄損傷や脳卒中の患者の歩行リハビリに有望なアプローチとなる。 下肢の随意的な制御は可能であるが、自由な歩行ができない患者に対して、フロートは最小限の相互作用力で透明なBWSを提供することが可能である。 地上歩行中のCiSCIに最大50%のBWSを適用したところ、健常対照者とほぼ同等の歩行運動量の微妙な変化が見られた。 このようなBWSによる変化は、歩幅や相対立脚相時間などの時空間的なパラメータで顕著であったが、関節運動パターンや肢内協調性は対照群よりも低い程度に変調をきたした。 これらの結果は、BWSがCiSCIの歩行運動量に対照群より大きな影響を与えるという当初の予想に反していた。 このことから、地上型BWSを使用して20％BWまで除荷しても歩行パターンに明確な影響はなく、50％BWの高除荷でも歩行運動学に根本的な歪みを与えないことがわかった。 さらに、手足内の協調運動の調節の違いは、脊髄損傷リハビリテーションにおいてこの領域を特にターゲットとする機会を提供する可能性がある。
時空間適応
歩行の顕著な特徴の1つとして、歩幅と歩時間の調節は、歩行条件の変化に対応するための必要条件である。 歩幅と歩幅時間の調節は、歩行条件の変化に対応するための必須条件であり、負荷の軽減に伴い、歩幅は対照群、SCI群ともに徐々に増加した。 文献から得られた同様の観察結果は、地上またはトレッドミル上での決定的な説明には至っていない。 1つの可能な説明は、脚長と重力に依存する解剖学的に独立した速度の指標であるFroude数が、約0.5の最適値を有すると仮定する動的類似性の枠組みに依存する。25は歩行に最適な値である。
Fr: Froude数、m：質量、v：速度、h：脚長、g：重力定数、sl：ステップ長、sf：ステップ頻度。
歩行速度を維持したまま除荷を行い「重力」を小さくしても、歩幅と歩数の関係は乱れないはずである。 しかし、体幹に除荷を施すと、興味深い相互作用が生じる。遊脚に作用する重力は通常レベル（9.81ms-2）のままだが、立脚相の力学には重力減少に加えて潜在的なロボットとの相互作用力が作用するのだ。 このため、立脚相のダイナミクスは、重力の減少に加えて潜在的なロボットとの相互作用力を受けることになり、通常、立脚時間を維持しながら主にステップ時間を増加させることにより、デューティ係数が小さいながらもしっかりと減少することになります。 そのため、歩幅を大きくする必要があり、歩幅、歩数、歩行速度の間に発達上安定した関係が保たれなくなる。 このような行動は、コントロール被験者が採用している。 一方、CiSCIはデューティサイクルの減少を示すが、対照群ほど適切に歩幅を調節せず、BWS50％で記録された歩行速度のわずかな減少にもつながっている（表2）。 このことは、BWS、横方向の安定性、ロボットとの相互作用の複雑さを示唆しており、内側-外側方向でのロボットとの相互作用によるものである可能性がある。 しかし、垂直方向の免荷と歩幅や歩行安定性に関連する他のパラメータとの相互作用は、健常者においてさらに調査する価値がある。 CiSCIでは、すべてのアンロード条件において、歩幅に大きなばらつきがあり、アンロードに対する有意な反応を隠している可能性がある。 平均歩幅は、病的な高さのベースラインから減少する傾向にあり、除荷によりCiSCIはより狭い支持基盤で歩行できることが示唆された。 BWSの単純な主効果がML CoM運動とAPおよびML体幹動揺に及ぼすことから、BWSシステムが歩行姿勢と体幹制御に何らかの影響を及ぼすことが示された。 アンロードが増加すると、CoMのML運動が減少する一方で、体幹の動揺は両平面において増加し、コントロールのAPは変化しない。 CiSCIは、両APパラメータにおいて異なる反応パターンを示したが、これはおそらく、体重移動を引き起こすために体幹から骨盤への運動量伝達をより必要とする、最初のステップ長が短いことに起因すると思われる。 また、CiSCIは初期状態において体幹の揺れが大きく、おそらく体幹筋の最大筋力発生量の変化を補償していると思われる。 さらに、CiSCIでは無負荷時の歩行速度がやや大きく低下した。 以上のことから、CiSCIはロボットのダイナミクスやハーネスの制約の影響を受けやすく、特に高い加速度が必要な方向で影響を受けやすい可能性がある． その結果、両群とも、無負荷状態において、より直立した姿勢を強いられ、前方への体重移動が少なくなることが判明した。 これは、対照群では20％BWSで局所的な最小値を示し、CiSCIでは有意ではないが漸進的に減少したステップ幅と対照的であった。 このことは、両群ともBWSの増加に伴い、CoMを支持基底面の内側端により近い位置に保持する傾向が強まっていることを示しており、除荷と前頭面動態との複雑な相互作用を暗示している。 また、BWSロボットの上下運動速度は、すべての時点において張力が完全に等しくないため、相互作用をさらに複雑にしています。 このことは、歩行の異なる局面における支持レベルや運動量移動の微妙な変化をもたらし、歩行安定性の時空間構造に影響を及ぼすと考えられるが、これらの相互作用を正確に定量化することは困難である。 関節運動パターンを適切に比較するために、立脚相と遊脚相を別々に正規化し、時間順位と振幅情報を保持したまま時間的影響を除去するために補間した。 これにより、除荷によって誘発される軌道形状の違いを検出することができた。 膝関節は、特につま先離床時および立脚時に単純な主除去効果を示したが、交互効果は見られなかった。 このことは、CiSCIと対照群との間で、除荷に対する膝の戦略の違いを検出できないことを示している。 股関節では、除荷はつま先立ちを中心とした単純な主効果を示し、特に遊脚時および踵打撃後に強い交互作用が見られた。 この交互作用は、CiSCI の歩幅が短いことと、歩行姿勢の変化によるものと思われる。 足関節では、特に立脚後期において、CiSCIが適応を示さず、対照群が押し出し動作を重視するのに対し、相互作用効果が認められた。 BWSシステムでCiSCIを除荷すると、関節運動パターンに検出可能な変化が生じなかったが、対照群では特に高除荷レベルにおいて足関節に微妙な適応が見られた。 足首の関節運動の変化は、歩容を決定する他の要素を最適化しながら一定の速度を維持するために必要な、課題特異的な適応と解釈できる。 このような適応が感覚障害のあるCiSCIのコホートで検出されなかったのは、遠心性コマンド構造への荷重情報の統合における変化と関連する可能性がある。 歩行中の脊髄ネットワーク活動のモデルから、足底の荷重とせん断に敏感な機械受容器とゴルジ腱器官、筋紡錘求心性神経が、歩行の正常な制御に大きく寄与していることがわかった。
Intralimb coordination
Intralimb coordination patternsは、iSCI被験者における運動制御の敏感な読み出しであることが繰り返し報告されている … ヒトの上肢と下肢の実験から得られた知見から、多関節の協調は、脊髄の異なるレベルでの固有感覚統合と、脊髄上部の遠心性駆動との組み合わせによるものと解釈される。 手足内の協調運動パターンは、基準形状からの形状差（SSD；プロクラステス形状分析の一種）として定量化することができる。 これらのパターンの変動は、対応係数(ACC; a specialized form of vector coding )の角度成分で捉えることができ、これはサイクル内のすべての連続した点のペアの平均分散を記述する。 セグメントの運動結合の変動が大きくなると、ACCの減少として検出される（範囲：0～1）。 運動変動の増大は、特に隣接する肢内セグメントの連結に関するものであり、相乗的な筋活動パターンの生成における神経ノイズの増大と解釈することができる。 無負荷時、対照者は両カップル（股関節-膝関節、膝関節-足首）で形状差と変動性の増加（表2、図2）を通じて肢内カップリングに漸進的な変化を示した。 しかし、CiSCIでは、近位および遠位の両カップルにおいてSSDは変化しなかった。 両 coupletsのACCでは交互作用は検出されなかったが、除荷により両群でカップリングの変動が大きくなった。
BWS下のコントロールと患者における手足内協調性 a 患者とコントロールにおける除荷に対する手足内協調パターンの反応。 参考として、平均ベースライン対照データは連続した黒線で示されている。 患者と対照者の平均反応は、10%、30%、50%のBWSにおける点線で描かれ、グレーの濃淡が大きくなっている。 平均的な患者のベースラインデータは破線で示されている。 負荷解除により、股関節-膝関節および膝関節-足首関節の連関において、対照群（黒）ではSSDが変化している。 この協調運動パターンは、患者（灰色）では両カップルとも影響を受けていない。 形状の一貫性（ACC）は、両群とも除荷量の増加に伴い、次第に低下している。 棒グラフは群平均と1SDを示す。 有意差は*：p< 0.05
合成では、CiSCIとコントロールは、時空間および歩行姿勢パラメータの点で除荷に対して類似の反応を示した。 しかし、CiSCIはベースラインの肢内協調性を維持したのに対し、コントロールは除荷に応じてこれを修正し、一定の速度を維持しながら除荷に適応するために関節結合パターンを最適化した。 このことから、健常な中枢神経系では、手足内のパターンは脊髄レベルだけでなく、脊髄上部の中枢の強い影響も統合的に作用していると考えられる。 しかし、中枢神経系の損傷によって一旦変化すると、セグメントの結合は変化に対して驚くほど回復力があることが証明されている。 例えば、AwaiとCurtは、iSCI患者において、歩行速度が増加し、肢内変動が減少したにもかかわらず、リハビリテーションを通して肢内歩行パターン形状が変化しないことを報告している。 同様に、TepavacとField-Foteは、14名のiSCI患者において、訓練と組み合わせた腓骨刺激により、一貫性は改善したが、肢内カップリングの形状に系統的な変化はなかったと報告している。 これらの観察結果は、求心性信号の部分的な喪失と置換など、脊髄上部の処理の変化によって誘発される求心性駆動の変化によってもたらされた可能性がある。 あるいは、セグメントの結合は主にリズミカルな脊髄ネットワークによってコード化されるため、特に病変によってこのドライブが損なわれた場合、求心性ドライブによって調節することが困難である可能性もある。 これらの2つのモデルから、歩行の表現型、特に手足内の協調性を環境の制約に最適化する場合、あるいは新しい課題に遭遇した場合、CiSCIに存在する変化した処理では、低下した求心性情報を完全に補うことができないことが示された。 このような観点から、CiSCIのアンロードに対する反応プロファイル（時空間パラメータの適合、関節運動パターンおよび肢間協調の不変）は、ロコモーションにおける制御の階層性を示唆していると考えられる。 ここでは、神経資源は歩行の時空間構成やバランス制御などのタスククリティカルなパラメータに確保され、一方、手足内の協調運動などのクリティカルではないパラメータは変調を受けるのを回避される。 このため、運動機能の向上は、新たに確立された運動等価プリミティブを維持したまま、高次のプロセスを適応させることに起因すると考えられている。 しかし、我々の知る限り、iSCI後の手足内の協調性に特化したトレーニングパラダイムは存在しない。 しかし、私たちの知る限りでは、iSCI後の手足内の協調性に特化した訓練パラダイムはなく、アンローディングはこの特異な障害を対象としたユニークな訓練経路となる可能性がある。 このことは、四肢の自発的な制御は可能であるが、体重を支えることができないCiSCIにとって、透明なBWSは、早い時期に安全で支持され、制約のない地上歩行を開始する機会を提供することを意味する。 また,患者の上達に合わせ,サポート量を減らし,さらにセラピストによる妨害力を加えることで難しいトレーニング環境を維持することができます. さらに, 階段昇降, 障害物横断, バランス, カーブ歩行, 床からの物取り, 座位から立位への移行などの日常生活動作の訓練時にも使用することができます. 地上でのBWS訓練は、依然として多くのリハビリテーションツールの1つに過ぎないが、トレッドミルによるリハビリテーション環境からより実世界的な環境への移行を可能にする。
展望
我々の結論は、約1時間の測定で歩行補助具なしで2km/hで歩くことができるという制約のため、主に感覚障害を持つ比較的小規模で不均一なiSCI被験者サンプルに基づいています。 この歩行速度は、CiSCIの歩行可能速度であり、CiSCIの教師なし室内歩行の閾値（0.6m/s）に近いことから選択された。 さらに、この速度では、年齢や性別に応じた典型的な歩行速度よりもはるかに遅い（〜50％）ものの、対照者は依然としてリズミカルで対称的な歩行を行う。 各 BWS レベルで慣らし期間を設けたが、CiSCI とコントロールは実験中、許容範囲を超えることなく一貫して目標速度で歩行し、十分な順応が得られたと言える。 好みの歩行速度や異なる歩行速度の効果も分析することは興味深いが、そうするとCiSCIの評価プロトコルが非常に長くなってしまうためである。 ベースラインの歩行測定値は群間で異なり、年齢差も有意にあった。 しかし、統計モデルに年齢を共変量として含めることは、BWSへの歩行パターンの適応がこの要因によって力づけられなかったことを示している。 CiSCIと対照群との間の異なる反応は、複数の速度で歩行するCNS障害を持つより広範囲の個人において、さらなる調査が必要である。 3名のCiSCIはTSIが1年未満であったため、慢性というよりは亜急性に近いと思われる。 この3名は、傷害が比較的軽度であったため、機能的なプラトーに達していたため、対象とした。 機能的には、このコホートで最も優れた人々の一人である。 しかし、この効果が障害のレベル、重症度、慢性度によってどのように現れるかは、より具体的な組み入れ基準を用いなければ分からない。 このため、今回の実験では、潜在的なメカニズムの説明には限界がある。 今後、より正確に定義されたコホートを評価し、除荷に対する生物学的反応から機械的効果をより明確に分離することに関心がある。