Økende gangautomatisitet hos eldre voksne ved å utnytte lokomotorisk tilpasning

Begrensninger i lokalsamfunnets mobilitet, muligheten til å bevege seg utenfor hjemmet, er vanlig i eldre alder og bidrar til funksjonshemming, institusjonalisering og dårlig livskvalitet. Vellykket samfunnsmobilitet krever rask integrering av informasjon fra både eksterne (f.eks. overflatekvalitet, avstander) og innvendig (f.eks. tretthet, smerte) til individet. Under normale forhold skjer integrering av disse inngangene i subkortikale-frontale (f.eks. basalganglia og cerebellum til primær motorisk cortex) nettverk og favoriserer automatisk motorisk kontroll med få krav til de oppmerksomhetsrelaterte nettverkene som primært ligger i den prefrontale cortex (PFC) . Ettersom gangautomatikken avtar hos eldre voksne6, øker aktiveringen av PFC under gåoppgaver. Mangel på gangautomatikk kan forstyrre samfunnets mobilitet, ettersom PFC ikke lenger er fri til å behandle annen informasjon for å navigere i fellesskapsmiljøer. En annen potensiell bidragsyter til redusert samfunnsmobilitet er redusert lokomotorisk tilpasning. Spesifikt er eldre voksne tregere til å justere bevegelsene sine mens de samhandler med et nytt miljø og har vanskeligere med å bytte motoriske mønstre når de går over forskjellige gangforhold. Denne vanskeligheten med å bytte motoriske mønstre er relatert til kognitiv bytteevne, som er avhengig av lignende subkortikale-frontale prosesser som ligger til grunn for motorisk kontroll. Mens lokomotorisk tilpasning reduseres ved normal aldring, indikerer data fra laboratoriet at eldre voksne opprettholder plastisitet og kan forbedre lokomotorisk tilpasning. Vår sentrale hypotese er at evnen til å forbedre lokomotorisk tilpasning er større hos de med høyere gangautomatikk og større integritet av de prefrontale-subkortikale forbindelsene.

Omfanget av gangautomatikk kan testes ved å øke den kognitive belastningen under gange (f.eks. fullføre en kognitiv oppgave mens du går) og måle den relaterte PFC-responsen. Små endringer i PFC-aktivitet og motorisk ytelse som svar på den pålagte kognitive belastningen indikerer intakt gangautomatikk. Omvendt indikerer en stor endring i PFC-aktivitet for å opprettholde motorisk ytelse med tillegg av en kognitiv belastning redusert gangautomatikk. Bevegelsesmessig tilpasningsevne kan måles ved å manipulere gangkontekst på en tredemølle med delt belte der bena beveger seg i forskjellige hastigheter. Tilpasningshastigheten til miljøet med delt belte kan måles så vel som evnen til å bytte motormønster fra delt belte til å gå over bakken. Lovende data fra laboratoriene våre (n=8) indikerer at eldre deltakere forbedrer lokomotorisk tilpasning etter å ha opplevd flere overganger mellom delt tilstand (beltets hastighetsforhold 2:1) og vanlig gange (beltets hastighetsforhold 1:1). Imidlertid er verken de underliggende mekanismene eller den kliniske relevansen av slike forbedringer kjent.

Etterforskerne vil teste følgende: 1) omfanget av forbedring av lokomotorisk tilpasning hos individer i alderen 65 år og eldre; 2) sammenhengen mellom innledende gangautomatikk (dvs. mindre PFC-aktivitet mens du går med en kognitiv belastning) og prefrontal-subkortikal funksjon (målt via nevropsykologisk testing); og 3) om forbedringer i lokomotorisk tilpasningsevne resulterer i forbedringer i Functional Gait Assessment (FGA), en klinisk relevant indikator på dynamisk balanse og mobilitet hos eldre voksne. For å svare på disse spørsmålene vil etterforskerne kombinere innovative teknikker fra flere laboratorier ved University of Pittsburgh. Automatisk motorstyring (Dr. Rossos ekspertise) vil bli vurdert ved trådløs funksjonell nær-infrarød spektroskopi (fNIRS) av PFC under utfordrede gangforhold (gå på en ujevn overflate og gå mens du resiterer annenhver bokstav i alfabetet). fNIRS gir mulighet for sanntidsvurdering av kortikal aktivitet mens en deltaker er oppreist og beveger seg ved hjelp av lysbaserte målinger av endringer i oksygenert og deoksygenert hemoglobin. Lokomotorisk tilpasning (Dr. Torres-Oviedos ekspertise) vil bli evaluert med en gangprotokoll med delt belte (dvs. ben som beveger seg i forskjellige hastigheter) som etterforskerne og andre har brukt for å robust kvantifisere motorisk tilpasningskapasitet hos eldre individer og har vist seg å være avhengig av cerebellar og basal. ganglia funksjon. Undersøkerne vil fokusere på to viktige aspekter ved lokomotorisk tilpasning som etterforskerne har kvantifisert tidligere: (Mål 1) hastigheten som individer tilpasser seg til det nye (delte) gangmiljøet og (Mål 2) kapasitet til å gå over mellom distinkte gangmønstre (dvs. delbeltet og de overjordiske gangmønstrene), definert som motorbytte. Tilpasningshastighet og motorbytte kvantifiseres ved hjelp av trinnlengdeasymmetri, som er forskjellen mellom en trinnlengde tatt med ett ben vs. det andre. Etterforskerne vil fokusere på denne gangparameteren fordi den robust karakteriserer gangtilpasning fremkalt av gangprotokoller med delt belte. Til slutt vil etterforskerne kvantifisere deltakerens kognitive funksjon (Dr. Weinsteins ekspertise) gjennom nevropsykologisk batterifølsom for prefrontal-subkortikal funksjon. Undersøkerne vil hovedsakelig fokusere på å evaluere 1) læringskapasitet avhengig av cerebellare strukturer og 2) vurdering av eksekutiv funksjon som er sterkt avhengig av PFC og, i mindre grad, basalgangliene.

Med disse dataene vil etterforskerne være i stand til å adressere følgende mål:

Mål 1. Bestem sammenhengen mellom forbedret lokomotorisk tilpasningshastighet og 1) individers gangautomatikk og 2) kognitiv funksjon. Hypotese: endringer i tilpasningshastighet vil bli forutsagt av initial gangautomatikk og cerebellar-mediert læringskapasitet. Dette er basert på bevis for at motoriske justeringer under delt beltegang avhenger av basalganglier og cerebellar funksjon.

Mål 2. Bestem sammenhengen mellom forbedret lokomotorisk veksling og individers gangautomatikk og kognitive funksjon. Hypotese: innledende gangautomatikk og eksekutiv kontroll vil forutsi forbedringer i lokomotorisk veksling. Dette er basert på beviset på at motorisk veksling er direkte assosiert med basalganglia-avhengige kognitive oppgaver som set-shifting.

Mål 3. Bestem i hvilken grad forbedret lokomotorisk tilpasningsevne kan forbedre mobiliteten. Hypotese: endringer i lokomotorisk tilpasningsevne vil ikke være eksklusivt for laboratoriekonteksten, men vil generalisere til andre lokomotoriske oppgaver som krever tilpasningsevne, som målt i Functional Gait Assessment.

Disse resultatene vil gi sterke foreløpige data for en fremtidig studie for å utforske disse assosiasjonene i et større utvalg med mer omfattende mål på mobilitetsbidragsytere, nevroimaging for integritet til viktige hjerneregioner og objektive mål på samfunnsmobilitet. Disse resultatene vil identifisere nye bidragsytere til tap av samfunnsmobilitet hos eldre voksne og kan identifisere nye terapeutiske mål for intervensjoner som forbedrer gangtilpasning for å forhindre fall og øke uavhengigheten.