Användning av BWS är ett lovande tillvägagångssätt för rehabilitering av gångförmåga hos patienter som lider av CNS-sjukdomar, t.ex. iSCI eller stroke. Inom den fokusgrupp av patienter som har frivillig kontroll över sina nedre extremiteter, men som saknar förmåga att gå fritt, kan FLOAT ge transparenta BWS med minimala interaktionskrafter. Att applicera upp till 50 % BWS på iSCI under gång på marken resulterade i subtila förändringar av gångkinematiken som i stort sett är jämförbara med dem som observerats hos friska kontroller. Även om dessa BWS-inducerade förändringar var uppenbara i spatiotemporala parametrar som steglängd och relativ längd i stancefasen, modifierades ledrörelsemönstren och samordningen mellan armarna i lägre grad hos iSCI än hos kontrollerna. Dessa resultat strider mot våra ursprungliga förväntningar att BWS skulle ha en större effekt på gångkinematiken hos iSCI jämfört med kontroller. Detta tyder på att användning av överjordiska BWS för upp till 20 % BW-avlastning inte har någon märkbar effekt på gångmönster och att även höga avlastningar på 50 % BW inte i grunden förvränger gångkinematiken. Dessutom kan skillnaderna i moduleringen av intra-limb-koordinationen ge en möjlighet att specifikt rikta in sig på denna domän vid rehabilitering av iSCI.
Spatio-temporal anpassning
Som en av de framträdande egenskaperna hos gång är justeringen av steglängden och steglängden en förutsättning för att hantera förändringar i gångförhållandena. Med ökad avlastning ökar stegtiden successivt hos både kontroller och iSCI-personer. Liknande observationer i litteraturen har inte lett till någon entydig förklaring vare sig på marken eller på löpband . En möjlig förklaring bygger på ramverket för dynamisk likhet, där man utgår från att Froude-talet, ett anatomiskt oberoende mått på hastigheten som är beroende av benlängd och gravitation, har ett optimalt värde på omkring 0.25 för gång .
Fr: Froude-tal, m: massa, v: hastighet, h: benlängd, g: gravitationskonstant, sl: steglängd, sf: stegfrekvens.
Reducerad ”gravitation” genom avlastning med bibehållen gånghastighet bör inte störa förhållandet mellan steglängd och stegfrekvens. Att avlasta bålen resulterar dock i en intressant växelverkan: gravitationen som verkar på svängbenet förblir på en normal nivå (9,81 ms- 2), medan dynamiken i stegfasen utsätts för minskad gravitation plus potentiella robotinteraktionskrafter . Detta resulterar vanligtvis i en liten men robust minskning av arbetsfaktorn, främst genom en ökning av stegtiden med bibehållen ställningtid. För att bibehålla en viss hastighet måste den relativa steglängden ökas, vilket stör de utvecklingsmässigt stabila förhållandena mellan steglängd, frekvens och gånghastighet . Detta beteende antas av kontrollpersoner. CiSCI å andra sidan uppvisar den reducerade arbetscykeln, men de modulerar inte steglängden lika lämpligt som kontrollerna, vilket också leder till den svaga minskning av gånghastigheten som registrerades vid 50 % BWS (tabell 2).
Förändringar i stegbredd var inte entydiga hos både kontrollerna och CiSCI; även om en interaktion mellan BWS och grupp upptäcktes, fanns det ingen enkel huvudeffekt av avlastning. Detta kan bero på interaktion med roboten i medio-lateral riktning, vilket anspelar på den komplexa interaktionen mellan BWS, lateral stabilitet och robotens interaktionskrafter . Transparensanalysen leder oss till att vi i viss mån bortser från pendeleffekten av upphängning över huvudet , men samspelet mellan vertikal avlastning och stegbredd och andra parametrar som är förknippade med gångstabilitet förtjänar att undersökas ytterligare hos friska försökspersoner. CiSCI behöll en stor variabilitet i stegbredden under alla avlastningsförhållanden, vilket potentiellt maskerar alla meningsfulla reaktioner på avlastning. Den genomsnittliga stegbredden tenderade att minska från ett patologiskt högt utgångsvärde, vilket tyder på att avlastning gör det möjligt för CiSCI att gå med en smalare stödbas.
Effekter på hållning vid gång
Vi kvantifierade CoM-förskjutning och bålsvingning för att förstå hur transparent BWS påverkar hållningen under gång och om detta skiljer sig mellan CiSCI och kontroller. Den enkla huvudeffekten av BWS på ML CoM-förflyttning och AP och ML bålsvingning tyder på att BWS-systemet har en viss effekt på gångställning och bålkontroll. När avlastningen ökar ökar bålsvängningen i båda plan medan ML-rörelsen i CoM minskar och AP hos kontrollerna förblir oförändrad. CiSCI antar ett annat reaktionsmönster i båda AP-parametrarna, kanske på grund av den kortare initiala steglängden, vilket skulle kräva mindre rörelseöverföring från bålen till bäckenet för att framkalla viktförskjutningen. CiSCI uppvisade också en större AP-bålsvingning i det inledande tillståndet, vilket kanske kompenserar för förändringar i bålmuskulaturens maximala kraftgenerering. Dessutom minskade gånghastigheten i något högre grad hos CiSCI under avlastning. Sammanfattningsvis kan CiSCI vara mer känslig för robotens dynamik och seleens begränsningar – särskilt i riktningar där högre accelerationer är nödvändiga . Överhuvudets utformning och selens placering tvingade eventuellt fram en mer upprätt hållning och möjliggjorde mindre framåtriktad viktöverföring till den ledande foten.
Förändringarna i de medio-laterala parametrarna med ökad avlastning återspeglades i båda grupperna. Detta stod i kontrast till stegbredden, som visade ett lokalt minimum vid 20 % BWS för kontrollerna och en progressiv, men icke-signifikant minskning hos CiSCI. Detta tyder på att båda grupperna i allt högre grad väljer att behålla sin CoM närmare den mediala kanten av stödbasen med ökande BWS, vilket tyder på ett komplext samspel mellan avlastning och dynamik i frontalplanet . Dessutom komplicerar BWS-robotens över- och underliggande rörelsehastighet interaktionen ytterligare, eftersom spänningen inte är helt jämn vid alla tidpunkter. Detta leder till subtila förändringar i stödnivåer och momentöverföringar i olika faser av gång som sannolikt påverkar den rums-temporala strukturen av gångstabilitet, men dessa interaktioner är utmanande att exakt kvantifiera.
Gemensamma rörelsemönster
Med ökande avlastning observerade vi ökande temporala förskjutningar av vinkel-tidsspåren i både CiSCI och kontroller. För att kunna jämföra ledrörelsemönster på ett adekvat sätt normaliserades och interpolerades stance- och svängfasen separat för att avlägsna temporala effekter samtidigt som information om tidsrang och amplitud bevarades. Detta gjorde det möjligt att upptäcka skillnader i banform som induceras av avlastning. Medan knälederna uppvisade en enkel huvudsaklig avlastningseffekt, särskilt runt tåavslagshändelsen och under ställning, fanns det ingen interaktionseffekt. Detta tyder på att vi i det undersökta urvalet inte kunde upptäcka olika knästrategier mellan CiSCI och kontroller som svar på avlastningen. I höftleden gav avlastningen upphov till en enkel huvudeffekt som var centrerad kring tåavslaget och det fanns en stark interaktionseffekt, särskilt under svängningen och efter hälslaget. Denna interaktionseffekt kan bero på CiSCI:s kortare steglängd i kombination med förändringarna i gångställningen. Vid fotleden fanns det en interaktionseffekt, särskilt i slutet av fotsteget där kontrollerna betonade sin avstötningsrörelse medan CiSCI inte visade någon anpassning. Avlastning av CiSCI i BWS-systemet ledde inte till någon påvisbar förändring av ledrörelsemönstren, medan kontrollerna uppvisade subtila anpassningar, särskilt i fotleden vid höga avlastningsnivåer. Hos kontrollerna kan förändringarna i fotledens rörelse tolkas som en uppgiftsspecifik anpassning som är nödvändig för att bibehålla en viss hastighet samtidigt som man optimerar andra, framträdande gångdeterminanter . Att vi inte upptäckte dessa anpassningar i vår kohort av främst sensoriskt påverkade CiSCI skulle kunna kopplas till förändringar i integrationen av belastningsinformation i den efferenta kommandostrukturen . Modeller av ryggmärgsnätverkets aktivitet under gång visar att belastnings- och skjuvkänsliga mekanoreceptorer på fotsulan tillsammans med Golgi-senorganen och muskelspindelns afferenter i hög grad bidrar till en framgångsrik reglering av gång . Efter iSCI förändras dock den afferenta informationsbehandlingen på många nivåer och ersätts delvis med surrogat, redundant information från källor som inte påverkats, t.ex. visuell kontroll .
Koordination mellan benen
Mönster för koordination mellan benen har vid upprepade tillfällen rapporterats vara känsliga indikatorer för lokomotorisk kontroll hos personer som lider av iSCI . Kunskap från experiment med övre och nedre extremiteter hos människor leder oss till att tolka samordningen mellan flera leder som en produkt av proprioceptiv integration i ryggmärgen på olika nivåer i kombination med supraspinala efferenta drivkrafter . Samordningsmönster mellan armarna kan kvantifieras som formskillnaden från en referensform (SSD; en form av procrusteisk formanalys) . Variabiliteten i dessa mönster kan fångas av vinkelkomponenten i korrespondenskoefficienten (ACC; en specialiserad form av vektorkodning ), som beskriver den genomsnittliga spridningen av alla sekventiella punktpar i cykeln. Ökad variabilitet i segmentens rörelsekoppling upptäcks som en minskning av ACC (intervall: 0-1). Ökad rörelsevariabilitet, särskilt när det gäller kopplingen av intilliggande segment inom armarna, kan tolkas som ökat neuralt brus i genereringen av synergistiska muskelaktiveringsmönster. Under avlastning uppvisade kontrollpersoner progressiva förändringar i kopplingen inom armarna genom ökad formskillnad och variabilitet (tabell 2 och figur 2) i båda kopplingarna (höft-knä och knä-ankel). Hos CiSCI förblev dock SSD oförändrad i både proximala och distala kopplingar. Ingen interaktionseffekt upptäcktes för ACC i båda kopplingarna, men avlastning resulterade i en högre kopplingsvariabilitet i båda grupperna. Patienternas brist på modulering av intralimb-koppling under avlastning kan ge tillgång till att undersöka och utmana denna aspekt efter iSCI.
Intralimb-koordination hos kontroller och patienter under BWS. a Svar på intralimb-koordineringsmönster vid avlastning hos patienter och kontroller. Som referens visas genomsnittliga kontrolldata vid baslinjen som en kontinuerlig svart linje. Patienternas och kontrollernas genomsnittliga reaktioner visas som streckade linjer vid 10 %, 30 % och 50 % BWS i ökande grå nyanser. Patientens genomsnittliga baslinjedata visas som en streckad linje. b Kvantifieringsmått för samordningen inom handleden. Avlastning resulterar i en förändring av SSD hos kontrollerna (svart) för både höft-knä och knä-ankel ledkopplingar. Detta samordningsmönster förblir opåverkat hos patienterna (grått) i båda kopplingarna. Formkonsistensen (ACC) försämras alltmer i båda grupperna med ökande avlastning. Staplarna anger gruppernas medelvärden med 1SD. Signifikans är detaljerad som *: p < 0,05
I sammanfattning visade CiSCI och kontroller liknande reaktioner på avlastning när det gäller spatiotemporala parametrar och parametrar för gångställning. CiSCI behöll dock sin baslinjekoordinering inom armarna medan kontrollerna modifierade denna som svar på avlastningen och optimerade sina ledkopplingsmönster för att anpassa sig till avlastningen samtidigt som de bibehöll en given hastighet. Det verkar som att i ett friskt CNS förmedlas de intralimbiska mönstren inte bara på ryggmärgsnivå utan även integrerar ett starkt inflytande från supraspinala centra . När kopplingen mellan segmenten har ändrats efter en skada på CNS har den dock visat sig vara anmärkningsvärt motståndskraftig mot förändringar. Hos iSCI-patienter rapporterade till exempel Awai och Curt oförändrade intralimbiska gångmönsterformer hos iSCI-patienter under hela deras rehabilitering, trots ökad gånghastighet och minskad intralimbisk variabilitet. På samma sätt rapporterade Tepavac och Field-Fote förbättrad konsistens, men ingen systematisk förändring av formen i intralimb-kopplingen efter peroneusstimulering i kombination med träning hos 14 iSCI-patienter. Analoga observationer har gjorts hos strokeöverlevare med nedsatt funktionsförmåga i de nedre extremiteterna .
Dessa observationer skulle kunna drivas av en förändring av den efferenta drivkraften som induceras av förändringar i den supraspinala bearbetningen, inklusive den partiella förlusten och ersättningen av afferenta signaler. Alternativt kan kopplingen av segment huvudsakligen kodas av rytmiska spinalnätverk och därmed vara svår att modulera via efferent drivning, särskilt när denna drivning är nedsatt genom en lesion. Båda dessa två modeller tyder på att när man optimerar gångfenotypen, särskilt samordningen inom extremiteterna, till miljöbetingade begränsningar eller när man möter nya uppgifter, kan den förändrade bearbetningen i CiSCI inte fullt ut kompensera för den försämrade afferenta informationen. Inom detta perspektiv kan CiSCI:s svarsprofil vid avlastning, anpassade spatiotemporala parametrar, oförändrade rörelsemönster i lederna och samordningen mellan leden, antyda att det finns en hierarki av kontroll vid rörelse. Här reserveras neurala resurser för uppgiftens kritiska parametrar, t.ex. den spatiotemporala organisationen av gång- och balanskontrollen, medan mindre kritiska parametrar, t.ex. samordningen mellan armar och ben, inte moduleras. Varje förbättring av funktionen tros härröra från anpassningen av processer på högre nivå, medan de nyetablerade motoriska primitiverna förblir invarianta . Såvitt vi vet har det dock inte funnits något träningsparadigm som specifikt inriktat sig på samordning inom armkroppen efter iSCI. Avlastning kan vara en unik träningsväg för att rikta in sig på detta ganska specifika underskott.
Klinisk relevans
Applicering av transparent overhead BWS till iSCI-personer under gång på marken har försumbar inverkan på CiSCI-gångkinematiken. Detta tyder på att för CiSCI som behåller den frivilliga kontrollen över sina lemmar, men som inte är kapabla att stödja sin egen kroppsvikt, utgör genomskinlig BWS en möjlighet att börja med säker, stödd, obehindrad gång över marken vid en tidig tidpunkt. När patienterna blir bättre kan stödet minskas och ytterligare störande krafter kan appliceras av terapeuten för att upprätthålla en utmanande träningsmiljö. Dessutom kan anordningen användas som stöd vid träning av andra aktiviteter i det dagliga livet, t.ex. trappbestigning, passage av hinder, balansering, kurvgång, hämta föremål från golvet, övergång från sittande till stående osv. Träning med BWS i tunnelbanan är bara ett av många rehabiliteringsverktyg, men det möjliggör en övergång från en rehabiliteringsmiljö på löpband till en mer verklig miljö.
Outlook
Våra slutsatser är baserade på ett relativt litet och heterogent urval av iSCI-försökspersoner med huvudsakligen sensoriska funktionsnedsättningar på grund av begränsningen att kunna gå i 2 km/tim utan hjälpmedel under ungefär en timmes mätning. Denna gånghastighet valdes eftersom den är en gångbar hastighet för CiSCI och ligger nära tröskelvärdet för oövervakad ambulation inomhus för CiSCI (0,6 m/s) . Vid denna hastighet har kontrollerna dessutom fortfarande en rytmisk, symmetrisk gång, även om den är mycket långsammare (~ 50 %) än deras typiska ålders- och könsspecifika gånghastighet. En period för att vänja sig vid varje BWS-nivå beviljades och CiSCI och kontrollerna gick konsekvent med målhastigheten under försöket utan att överskrida toleransområdet, vilket tyder på tillräcklig acklimatisering. Även om det hade varit intressant att även analysera föredragen gånghastighet eller till och med effekterna av olika gånghastigheter, skulle detta ha lett till ett mycket långt bedömningsprotokoll för CiSCI. Grundläggande gångmått skiljde sig åt mellan grupperna, och det fanns en betydande åldersskillnad. Inkludering av ålder som en kovariat i den statistiska modellen tyder dock på att anpassningen av gångmönster till BWS inte var styrd av denna faktor. De olika reaktionerna mellan CiSCI och kontroller motiverar ytterligare undersökningar hos ett större antal individer med CNS-störningar som går i flera hastigheter. Tre CiSCI hade TSD:er på mindre än ett år och kan därför anses vara mer subakuta än kroniska. Dessa personer inkluderades eftersom de hade uppnått en funktionell platå på grund av den relativt milda karaktären hos deras skador. Funktionellt sett hörde de till de bättre individerna i kohorten. Den undersökta kohorten av patienter med ett brett spektrum av olika funktionsnedsättningar och TSD:er ger en viss indikation på en generaliserbar effekt, men hur denna yttrar sig specifikt i förhållande till funktionsnedsättningens nivå, svårighetsgrad och kronicitet kan endast fastställas med hjälp av mer specifika inklusionskriterier. Detta begränsar beskrivningen av potentiella mekanismer i det aktuella experimentet. Framöver är vi intresserade av att utvärdera mer exakt definierade kohorter och att bättre särskilja de mekaniska effekterna från de biologiska reaktionerna på avlastning.