Øget gangautomatik hos ældre voksne ved at udnytte lokomotorisk tilpasning

Begrænsninger i lokalsamfundets mobilitet, evnen til at bevæge sig uden for sit hjem, er almindelige i ældre aldre og bidrager til handicap, institutionalisering og dårlig livskvalitet. Succesfuld fællesskabsmobilitet kræver hurtig integration af information fra både eksterne (f.eks. overfladekvalitet, afstande) og indre (f.eks. træthed, smerte) til den enkelte. Under normale forhold sker integration af disse input i subkortikale-frontale (f.eks. basalganglier og cerebellum til primær motorisk cortex) netværk og favoriserer automatisk motorisk kontrol med få krav til de opmærksomhedsrelaterede netværk, der primært ligger i den præfrontale cortex (PFC) . Efterhånden som gangautomatikken aftager hos ældre voksne6, øges aktiveringen af ​​PFC under gangopgaver. Manglende gangautomatik kan interferere med lokalsamfundets mobilitet, da PFC ikke længere er fri til at behandle andre oplysninger til at navigere i samfundsmiljøer. En anden potentiel bidragsyder til nedsat mobilitet i lokalsamfundet er nedsat lokomotorisk tilpasning. Specifikt er ældre voksne langsommere til at justere deres bevægelser, mens de interagerer med et nyt miljø, og de har sværere ved at skifte motoriske mønstre, når de skifter over forskellige gangforhold. Denne vanskelighed med at skifte motoriske mønstre er relateret til kognitiv omskiftningsevne, som er afhængig af lignende subkortikale-frontale processer, der ligger til grund for motorisk kontrol. Mens lokomotorisk tilpasning reduceres ved normal aldring, indikerer data fra vores laboratorium, at ældre voksne opretholder plasticitet og kan forbedre lokomotorisk tilpasning. Vores centrale hypotese er, at evnen til at forbedre lokomotorisk tilpasning er større hos dem med højere gangautomatik og større integritet af de præfrontale-subkortikale forbindelser.

Omfanget af gangautomatik kan testes ved at øge den kognitive belastning under gang (f.eks. fuldføre en kognitiv opgave, mens du går) og måle den relaterede PFC-respons. Små ændringer i PFC-aktivitet og motorisk ydeevne som reaktion på den pålagte kognitive belastning indikerer intakt gangautomatik. Omvendt indikerer en stor ændring i PFC-aktivitet for at opretholde motorisk ydeevne med tilføjelse af en kognitiv belastning formindsket gangautomatik. Lokomotorisk tilpasningsevne kan måles ved at manipulere gangkonteksten på et løbebånd med delt bælte, hvor benene bevæger sig med forskellige hastigheder. Tilpasningshastigheden til split-belt-miljøet kan måles såvel som evnen til at skifte motoriske mønstre fra split-belt til overjordisk gang. Lovende data fra vores laboratorier (n=8) indikerer, at ældre deltagere forbedrer lokomotorisk tilpasning efter at have oplevet flere overgange mellem den splittede tilstand (bælternes hastighedsforhold 2:1) og almindelig gang (bælternes hastighedsforhold 1:1). Imidlertid kendes hverken de underliggende mekanismer eller den kliniske relevans af sådanne forbedringer.

Efterforskerne vil teste følgende: 1) omfanget af forbedring af lokomotorisk tilpasning hos personer i alderen 65 år og ældre; 2) sammenhængen mellem initial gangautomatik (dvs. mindre PFC-aktivitet under gang med en kognitiv belastning) og præfrontal-subkortikal funktion (målt via neuropsykologisk testning); og 3) om forbedringer i lokomotorisk tilpasningsevne resulterer i forbedringer i Functional Gait Assessment (FGA), en klinisk relevant indikator for dynamisk balance og mobilitet hos ældre voksne. For at besvare disse spørgsmål vil efterforskerne kombinere innovative teknikker fra flere laboratorier ved University of Pittsburgh. Automatisk motorstyring (Dr. Rossos ekspertise) vil blive vurderet ved trådløs funktionel nær-infrarød spektroskopi (fNIRS) af PFC under udfordrede gangforhold (gå på en ujævn overflade og gå, mens du reciterer hvert andet bogstav i alfabetet). fNIRS giver mulighed for realtidsvurdering af kortikal aktivitet, mens en deltager er oprejst og bevæger sig ved hjælp af lysbaserede målinger af ændringer i iltet og deoxygeneret hæmoglobin. Lokomotorisk tilpasning (Dr. Torres-Oviedos ekspertise) vil blive evalueret med en gang-protokol med delt bælte (dvs. ben bevæger sig ved forskellige hastigheder), som efterforskerne og andre har brugt til robust at kvantificere motorisk tilpasningskapacitet hos ældre individer og har vist sig at være afhængige af cerebellar og basal gangliernes funktion. Efterforskerne vil fokusere på to vigtige aspekter af lokomotorisk tilpasning, som efterforskerne har kvantificeret før: (Mål 1) hastighed, hvormed individer tilpasser sig det nye (delte) gangmiljø og (Mål 2) evne til at skifte mellem forskellige gangmønstre (dvs. split-beltet og de overjordiske gangmønstre), defineret som motoromskiftning. Tilpasningshastighed og motoromskiftning kvantificeres ved hjælp af trinlængdeasymmetri, som er forskellen mellem en trinlængde taget med det ene ben vs. det andet. Forskerne vil fokusere på denne gangparameter, fordi den robust karakteriserer gangtilpasning fremkaldt af gangprotokoller med splitbælte. Til sidst vil efterforskerne kvantificere deltagerens kognitive funktion (Dr. Weinsteins ekspertise) gennem neuropsykologisk batteri følsom over for præfrontal-subkortikal funktion. Undersøgerne vil hovedsageligt fokusere på at evaluere 1) indlæringskapacitet afhængig af cerebellare strukturer og 2) vurdering af eksekutiv funktion stærkt afhængig af PFC og i mindre grad de basale ganglier.

Med disse data vil efterforskerne være i stand til at løse følgende mål:

Mål 1. Bestem sammenhængen mellem forbedret lokomotorisk tilpasningshastighed og 1) individers gangautomatik og 2) kognitiv funktion. Hypotese: ændringer i tilpasningshastighed vil blive forudsagt af initial gangautomatik og cerebellar-medieret indlæringskapacitet. Dette er baseret på beviser for, at motoriske justeringer under split-belt-gang afhænger af basale ganglier og cerebellar funktion.

Mål 2. Bestem sammenhængen mellem forbedret bevægelsesskifte og individers gangautomatik og kognitive funktion. Hypotese: indledende gangautomatik og eksekutiv kontrol vil forudsige forbedringer i lokomotorisk skift. Dette er baseret på beviser for, at motorisk skift er direkte forbundet med basalganglia-afhængige kognitive opgaver såsom sæt-skift.

Mål 3. Bestem, i hvilket omfang forbedret bevægelsesmæssig tilpasningsevne kunne forbedre mobiliteten. Hypotese: Ændringer i den bevægelige tilpasningsevne vil ikke være eksklusiv for laboratoriekonteksten, men vil generalisere til andre bevægelige opgaver, der kræver tilpasningsevne, som målt i Functional Gait Assessment.

Disse resultater vil give stærke foreløbige data til en fremtidig undersøgelse for at udforske disse sammenhænge i en større prøve med mere omfattende målinger af mobilitetsbidragydere, neuroimaging for integritet af centrale hjerneregioner og objektive mål for samfundsmobilitet. Disse resultater vil identificere nye bidragsydere til tab af samfundsmobilitet hos ældre voksne og kunne identificere nye terapeutiske mål for interventioner, der forbedrer gangtilpasning for at forhindre fald og øge uafhængigheden.