Erleichterung des impliziten Lernens zur Verbesserung der Neurorehabilitation bei Schlaganfällen

Alle 45 Sekunden erleidet in den USA jemand einen Schlaganfall, was jedes Jahr zu über 700.000 neuen Schlaganfällen führt, und Schlaganfälle sind die häufigste Ursache für Behinderungen bei Veteranen (American Heart Association Statistics Committee und Stroke Statistics Sub-Committee). Die überwiegende Mehrheit dieser Fälle führt zu motorischen Beeinträchtigungen, die häufig dazu führen, dass Personen für das tägliche Funktionieren von anderen abhängig werden (modifizierte Rankin-Skala 3-5, siehe Lees et al., 2006). Insbesondere ist die Hemiparese der oberen Extremitäten die Hauptursache für funktionelle Behinderungen nach einem Schlaganfall, und die Funktion der Oberarme erklärt etwa 50 % der Variabilität der berichteten Lebensqualität (Wyller et al., 1997). Daher ist die Optimierung der Oberarm-Neurorehabilitation ein kritisches Problem, das in der alternden Veteranenpopulation angegangen werden muss.

„Rehabilitation ist für Patienten im Grunde ein Prozess des Wiedererlernens, wie man sich bewegt, um seine Bedürfnisse erfolgreich zu erfüllen“ (Carr & Shepherd, 1987). Diese Aussage postuliert, dass die Neurorehabilitation in ihrem Kern motorisches Lernen ist, aber trotz dieses Prinzips hat die Forschung zum motorischen Lernen wenig Einfluss auf die Schlaganfallrehabilitation (Krakauer, 2006). In letzter Zeit besteht ein Interesse an der Entwicklung und Erprobung neuer Methoden zur Optimierung der Rehabilitation der oberen Extremitäten. Forscher am Baltimore VAMC haben aufgabenorientierte Trainingsparadigmen entwickelt, um die Mobilität (Macko et al., 2005) bei Menschen mit chronischem Schlaganfall zu verbessern. Als Teil dieses programmatischen Ansatzes wurden neuartige Robotik-Trainingsprogramme für die oberen Extremitäten entwickelt, um die Reichweite und die Koordination der Gliedmaßen zu verbessern. Die Mehrheit dieser Interventionen stützt sich jedoch auf fehlerbasierte Lernstrategien während der Rehabilitation, die aufgabenbezogenes explizites Wissen fördern. Eine Reihe von Forschungsergebnissen zum motorischen Lernen weist jedoch darauf hin, dass dies möglicherweise nicht die beste Strategie zur Optimierung des motorischen Lernens und damit der Neurorehabilitation ist.

Fehlerbasiertes Lernen beinhaltet das Erhalten von kontinuierlichem Bewegungsfeedback mit der Absicht, dass der Lernende Korrekturen an der Bewegung in Echtzeit vornimmt. Das Lernen erfolgt also durch eine Reihe von Wiederholungen, in denen der Lernende die Diskrepanz zwischen dem idealen Verhalten und der Beobachtung seines eigenen Verhaltens kontinuierlich verringert. Mit anderen Worten, fehlerbasiertes Lernen fördert eine Anpassung, um das gewünschte Verhalten zu erreichen. Im Gegensatz dazu bestehen operante konditionierende Lernstrategien darin, dass der Lernende erst am Ende des Verhaltens eine Rückmeldung über die Qualität seiner Bewegung erhält. Das Lernen erfolgt also durch eine Reihe von Verstärkungen des gewünschten Verhaltens in seiner Gesamtheit, was modellfreier ist als die Anpassung, die während des fehlerbasierten Lernens anfällt. Ein Hauptunterschied zwischen diesen beiden Lernstrategien besteht darin, dass fehlerbasiertes Lernen explizites Wissen über die Aufgabe fördert, während operante Konditionierung implizites Wissen fördert (Krakauer & Mazzoni, 2011). Diese beiden Arten von Wissen haben drastische Auswirkungen auf funktionelle Ergebnisse (d. h. motorische Leistung, kognitive Arbeitsbelastung und Merkfähigkeit).

Vor dem Schlaganfall wurden Oberarmfunktionen wie Greifen und Greifen weitgehend ohne explizites Wissen ausgeführt. Mit anderen Worten, gesunde Personen verwenden wenig bewusste Anstrengungen darauf, wie sie ihre Gliedmaßen kontrollieren, sie „tun es einfach“. Obwohl die Verwendung expliziter Strategien während des Lernens die Lerngeschwindigkeit erhöhen kann, werden Personen, die über begrenztes explizites Wissen verfügen, gleich gut abschneiden, wenn ihnen genügend Zeit zur Verfügung gestellt wird (Maxwell et al., 1999). Trotz einer langsameren Lerngeschwindigkeit kann sich die Verringerung des expliziten Wissens über die Aufgabe während der motorischen Leistung als sehr vorteilhaft erweisen. Bemerkenswerterweise ist die Beibehaltung des erlernten Verhaltens bei Personen größer, die unter Bedingungen gelernt haben, die explizites Wissen verhindern. Zum Beispiel ließen Malone und Bastian (2010) Personen eine neuartige Gehaufgabe lernen (Splitband-Laufband, bei dem sich die Bänder mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen) und bei denen, bei denen explizites Wissen begrenzt war, zeigte sich ein Lernen, das länger anhielt als diejenigen, die sich während des Lernens auf explizites Wissen verließen . Darüber hinaus kann die Einschränkung des expliziten Wissens während des motorischen Lernens zu einer verringerten kognitiven Arbeitsbelastung und einer aufrechterhaltenen Leistung unter Herausforderungsbedingungen führen (Zhu et al., 2011). Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Förderung von explizitem Wissen während der Rehabilitation anstelle von unbewusster Kontrolle (Einschränkung von explizitem Wissen) die Nachhaltigkeit der neu erworbenen motorischen Fähigkeiten verringert und kognitive Ressourcen verbraucht, die für andere Anforderungen verfügbar sein müssen. Daher ist die automatische Kontrolle dieser Verhaltensweisen für die Durchführung täglicher Aktivitäten von entscheidender Bedeutung, was darauf hindeutet, dass die operante Konditionierung (die das explizite Wissen einschränkt) dem fehlerbasierten Lernen überlegen ist.

Personen mit Schlaganfall können Aufgaben implizit lernen, obwohl die Lerngeschwindigkeit im Vergleich zu gesunden Kontrollpersonen verzögert sein kann (Pohl et al., 2001) und sich in Abhängigkeit von der Schwere des Schlaganfalls weiter verzögert (Boyd et al., 2007). Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass die einfache Bereitstellung expliziter Informationen über eine implizite Aufgabe die Lernrate und das Gedächtnis bei Patienten mit Basalganglienschlag (Boyd et al., 2004; Boyd et al., 2006) und Schäden an sensomotorischen Bereichen (Boyd et al ., 2003; Boyd et al., 2006; Winstein et al., 2003). Während diese Studien die Bedeutung der Begrenzung expliziten Wissens während des Lernens hervorheben, wurden sie eher im Kontext des Lernens impliziter Sequenzen als der Entwicklung von Fähigkeiten durchgeführt, die zwar verwandt sind, sich aber auf verschiedene Aspekte des motorischen Lernens stützen (Krakauer & Mazonni, 2011, Yarrow et al. , 2009). Im Zusammenhang mit dem Erlernen funktionaler Fähigkeiten hat sich eindeutig gezeigt, dass das Timing/die Art des Feedbacks die Lernrate sowie die Merkfähigkeit beeinflusst, und es wurde impliziert, dass es den Wissenstyp beeinflusst (Levin et al., 2010). Insbesondere Feedback zur Aufgabenleistung seltener und nach der Leistung zu geben als während (d.h. verzögert) erhöhen nachweislich die Lernerhaltung und erleichtern wahrscheinlich das implizite Lernen (Cirstea et al., 2006; Winstein et al., 1996). Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass Feedback über die Ergebnisse (Wissen über Ergebnisse) und nicht über die Leistung (Wissen über die Leistung) die Beibehaltung erhöht und das explizite Wissen einschränkt (Cirstea et al., 2006; Sidaway et al., 2008; Winstein, 1991). Dementsprechend wird der aktuelle Vorschlag versuchen, implizites Wissen während der Entwicklung motorischer Fähigkeiten zu fördern, indem man den Zeitpunkt und die Art des Feedbacks manipuliert.

Das Ziel der aktuellen Studie ist es, die Wirkung von fehlerbasiertem Lernen im Vergleich zu operant konditioniertem Lernen auf kritische Ergebnisse der Neurorehabilitation (d.h. Leistung nach dem Lernen, Verallgemeinerbarkeit, kognitive Arbeitsbelastung durch die Aufgabe und Behalten).