Zwiększenie automatyzacji chodu u osób starszych poprzez wykorzystanie adaptacji lokomotorycznej

Ograniczenia w mobilności społeczności, możliwości poruszania się poza domem są powszechne w starszym wieku i przyczyniają się do niepełnosprawności, instytucjonalizacji i niskiej jakości życia. Udana mobilność społeczności wymaga szybkiej integracji informacji zarówno z zewnątrz (np. jakość powierzchni, odległości) i wewnętrznych (np. zmęczenie, ból) u danej osoby. W normalnych warunkach integracja tych sygnałów wejściowych zachodzi w sieciach podkorowo-czołowych (np. zwojach podstawy mózgu i móżdżku z pierwotną korą ruchową) i faworyzuje automatyczną kontrolę motoryczną z niewielkim zapotrzebowaniem na sieci związane z uwagą, które znajdują się głównie w korze przedczołowej (PFC) . Ponieważ automatyzm chodu zmniejsza się u osób starszych6, aktywacja PFC podczas zadań związanych z chodzeniem wzrasta. Brak automatyzmu chodu może zakłócać mobilność społeczności, ponieważ PFC nie może już przetwarzać innych informacji w celu poruszania się po środowiskach społeczności. Innym potencjalnym czynnikiem przyczyniającym się do ograniczonej mobilności społeczności jest zmniejszona adaptacja lokomotoryczna. W szczególności osoby starsze wolniej dostosowują swoje ruchy podczas interakcji z nowym środowiskiem i mają większe trudności ze zmianą wzorców ruchowych podczas przechodzenia między różnymi warunkami chodzenia. Ta trudność w przełączaniu wzorców motorycznych jest związana z kognitywną zdolnością przełączania, która zależy od podobnych procesów podkorowo-czołowych, które leżą u podstaw kontroli motorycznej. Podczas gdy adaptacja lokomotoryczna jest zmniejszona w normalnym starzeniu, dane z naszego laboratorium wskazują, że osoby starsze zachowują plastyczność i mogą poprawić adaptację lokomotoryczną. Naszą główną hipotezą jest to, że zdolność do poprawy adaptacji lokomotorycznej jest większa u osób z wyższą automatycznością chodu i większą integralnością połączeń przedczołowo-podkorowych.

Stopień automatyzacji chodu można sprawdzić, zwiększając obciążenie poznawcze podczas chodzenia (np. wykonując zadanie poznawcze podczas chodzenia) i mierząc związaną z tym odpowiedź PFC. Niewielkie zmiany aktywności PFC i wydajności motorycznej w odpowiedzi na nałożone obciążenie poznawcze wskazują na nienaruszony automatyzm chodu. I odwrotnie, duża zmiana aktywności PFC w celu utrzymania wydajności motorycznej z dodatkiem obciążenia poznawczego wskazuje na zmniejszoną automatyczność chodu. Zdolność adaptacji lokomotorycznej można zmierzyć, manipulując kontekstem chodu na bieżni z dzielonym pasem, na której nogi poruszają się z różnymi prędkościami. Można zmierzyć stopień adaptacji do środowiska z dzielonym pasem, a także zdolność do przełączania wzorców motorycznych z dzielonego pasa na chodzenie po ziemi. Obiecujące dane z naszych laboratoriów (n=8) wskazują, że starsi uczestnicy poprawiają adaptację lokomotoryczną po doświadczeniu wielokrotnych przejść między stanem szpagatu (stosunek prędkości pasów 2:1) a regularnym chodzeniem (stosunek prędkości pasów 1:1). Jednak ani mechanizmy leżące u podstaw, ani znaczenie kliniczne takiej poprawy nie są znane.

Badacze przetestują: 1) stopień poprawy adaptacji lokomotorycznej u osób w wieku 65 lat i starszych; 2) związek między początkową automatycznością chodu (tj. mniejszą aktywnością PFC podczas chodzenia z obciążeniem poznawczym) a funkcją przedczołowo-podkorową (mierzoną za pomocą testów neuropsychologicznych); oraz 3) czy poprawa zdolności adaptacyjnych lokomotorycznych skutkuje poprawą w funkcjonalnej ocenie chodu (FGA), klinicznie istotnym wskaźniku równowagi dynamicznej i mobilności u osób starszych. Aby odpowiedzieć na te pytania, badacze połączą innowacyjne techniki z wielu laboratoriów na Uniwersytecie w Pittsburghu. Automatyczne sterowanie silnikiem (Dr. Fachowość Rosso) zostanie oceniona za pomocą bezprzewodowej funkcjonalnej spektroskopii w bliskiej podczerwieni (fNIRS) PFC podczas trudnych warunków chodzenia (chodzenie po nierównej powierzchni i chodzenie z recytacją co drugiej litery alfabetu). fNIRS pozwala na ocenę w czasie rzeczywistym aktywności korowej, gdy uczestnik jest wyprostowany i porusza się, za pomocą świetlnych pomiarów zmian utlenowanej i odtlenionej hemoglobiny. Adaptacja lokomotoryczna (dr. Ekspertyza Torresa-Oviedo) zostanie oceniona za pomocą protokołu chodu z dzielonym pasem (tj. nogi poruszające się z różnymi prędkościami), który badacze i inni wykorzystali do solidnego ilościowego określenia zdolności adaptacji motorycznej u starszych osób i wykazali, że jest on zależny od móżdżku i podstawy funkcja zwojów nerwowych. Badacze skupią się na dwóch ważnych aspektach adaptacji lokomotorycznej, które badacze określili wcześniej ilościowo: (Cel 1) tempo, w jakim jednostki przystosowują się do nowego (podzielonego) środowiska chodzenia oraz (Cel 2) zdolność do przechodzenia między różnymi wzorami chodzenia (tj. pas dzielony i wzorce chodu naziemnego), definiowane jako przełączanie silnika. Szybkość adaptacji i przełączanie silnika są określane ilościowo za pomocą asymetrii długości kroku, która jest różnicą między długością kroku wykonanego jedną nogą a drugą. Badacze skupią się na tym parametrze chodu, ponieważ solidnie charakteryzuje on adaptację chodu wywołaną przez protokoły chodzenia z dzielonym pasem. Na koniec badacze określą ilościowo funkcje poznawcze uczestnika (Dr. Weinsteina) poprzez baterię neuropsychologiczną wrażliwą na funkcje przedczołowo-podkorowe. Badacze skupią się głównie na ocenie 1) zdolności uczenia się zależnej od struktur móżdżku i 2) ocenie funkcji wykonawczych w dużej mierze zależnej od PFC i, w mniejszym stopniu, zwojów podstawy.

Dzięki tym danym śledczy będą mogli zająć się następującymi celami:

Cel 1. Określenie związku między poprawą współczynnika adaptacji lokomotorycznej a 1) automatyzmem chodu i 2) funkcjami poznawczymi. Hipoteza: zmiany tempa adaptacji będą przewidywane na podstawie początkowej automatyzacji chodu i zdolności uczenia się za pośrednictwem móżdżku. Jest to oparte na dowodach, że regulacje motoryczne podczas chodzenia z rozszczepionym pasem zależą od zwojów podstawy i funkcji móżdżku.

Cel 2. Określenie związku między poprawą przełączania lokomotorycznego a automatyką chodu i funkcjami poznawczymi. Hipoteza: początkowa automatyzacja chodu i kontrola wykonawcza będą przewidywać poprawę w przełączaniu lokomotorycznym. Jest to oparte na dowodach, że przełączanie motoryczne jest bezpośrednio związane z zadaniami poznawczymi zależnymi od zwojów podstawy mózgu, takimi jak zmiana zestawu.

Cel 3. Określenie, w jakim stopniu poprawa zdolności adaptacyjnych lokomotorycznych może poprawić mobilność. Hipoteza: zmiany zdolności adaptacyjnych lokomotorycznych nie będą ograniczone wyłącznie do kontekstu laboratoryjnego, ale uogólnią się na inne zadania lokomotoryczne, które wymagają adaptacji, jak zmierzono w funkcjonalnej ocenie chodu.

Wyniki te dostarczą mocnych danych wstępnych do przyszłych badań w celu zbadania tych powiązań w większej próbie z bardziej kompleksowymi pomiarami uczestników mobilności, neuroobrazowaniem integralności kluczowych obszarów mózgu i obiektywnymi pomiarami mobilności społeczności. Wyniki te pozwolą zidentyfikować nowe czynniki przyczyniające się do utraty mobilności w społeczności u osób starszych i mogą zidentyfikować nowe cele terapeutyczne dla interwencji, które poprawiają adaptację chodu, aby zapobiegać upadkom i zwiększać niezależność.