Effects of variable visual cues on dynamic balance: developmental apporach

Abstract

Rehabilitation protocols aiming to improve dynamic balance, use visually guided postural sway tasks with the concurrent provision of augmented visual feedback (i.e., exergaming). However, postural tracking of visual targets that move in a constant cycle amplitude and duration leads to target motion anticipation and thus, show limited transfer of the acquired results to every day, dynamical balance tasks. Further, voluntary postural sway is characterized by inherently variable and persistent between-cycle fluctuations. The sway persistency renders postural sway adaptable to external perturbations. This thesis examined a) how the postural sway persistency is affected by age, by comparing children, young and older adults, b) whether postural tracking of a complex (i.e., persistent) visual target motion improves sway cycle persistency and c) whether voluntary sway is less disturbed when tracking a complex, compared to a constant visual target motion. The complex visual target motion was constructed by a digital, pink-noise signal that resembles the postural sway persistency of a young, healthy adult. In the 1st experiment, 20 young, healthy adults (27.1±9.1 years) performed 132 sway cycles in two conditions: a) self-paced, voluntary sway and b) sway guided by a complex target motion. Visual feedback of the Centre of Pressure (CoP) motion was provided in both conditions. Postural sway persistency increased for the sway cycle amplitude and decreased for duration in the guided, compared to the self-paced sway. In the second experiment 32 children, divided in two groups, younger children (N=15, 9.0±0.8 years) and older children (N=17, 11.83±0.63 years) and 20 older adults (71.6±5.7 years) performed the same two conditions as in the first experiment and compared with young adults from study 1. Results showed that the persistency of postural sway: a) was increased in older compared to young adults, b) was negatively correlated to the intersegmental (trunk-lower limbs) relative phase and c) did not change when children (both younger and older) and older adults tracked the complex target motion. In the 3rd experiment 26 young adults were divided in two groups. The first group tracked the motion of a visual target which was constant (in terms of amplitude and duration) and the second group tracked a complex visual target motion. Between the 60th and the 120th sway cycle, vibration was applied on the right hip, introducing a leftward CoP deviation. The group tracking the complex visual target motion showed less leftward deviation compared to the group tracking the constant target motion, while the spatial target-sway coupling did not decrease as it did for the constant group. The less disturbance was explained by the increased activation of the tibialis anterior and peroneus longus during the forward sway for the group tracking the complex target motion. Both groups decreased the leftward deviation by the end of the vibration phase. In conclusion, the results of the present thesis show that postural tracking using a complex visual target motion which resembles the “biological” persistency of self-paced sway: a) increases the sway cycle amplitude persistency and b) decreases the destabilizing effects of a proprioceptive perturbation, possibly due to the increased ankle muscle activation and the employment of perception-action coupling, rather than anticipation of the target motion. Children and older adults are less able to increase persistency when tracking the complex target, due to the decreased sway-target coupling which may in turn be related to the lower

Η οπτικά καθοδηγούμενη ταλάντωση είναι μία δεξιότητα δυναμικής ισορροπίας που χρησιμοποιείται ευρέως στην αποκατάσταση, ιδιαίτερα στην άσκηση μέσω παιχνιδιών βίντεο που στηρίζονται στην επαυξημένη οπτική ανατροφοδότηση (exercise video gaming). Η χρήση οπτικών ερεθισμάτων (στόχων) με σταθερό πλάτος και διάρκεια ταλάντωσης οδηγεί στην μάθηση οπτικο-κινητικών δεξιοτήτων οι οποίες έχουν περιορισμένη μεταφορά σε καθημερινές δεξιότητες ισορροπίας που ελλοχεύουν τον κίνδυνο της πτώσης. Από την άλλη πλευρά, η εκούσια περιοδική ταλάντωση χαρακτηρίζεται από εγγενείς και συστηματικές στο χρόνο διακυμάνσεις μεταξύ των κύκλων (ανθεκτικότητα) προκειμένου να προσαρμόζεται στα απρόβλεπτα ερεθίσματα του περιβάλλοντος. Στην παρούσα διατριβή εξετάστηκε α) πως η ανθεκτικότητα των κύκλων της εκούσιας ταλάντωσης επηρεάζεται από την ηλικία συγκρίνοντας παιδιά, ενήλικες και ηλικιωμένους, β) αν αυτή βελτιώνεται όταν η ταλάντωση καθοδηγείται από ένα μεταβαλλόμενο (πολύπλοκα κινούμενο) οπτικό στόχο και γ) αν η ταλάντωση είναι λιγότερο επιρρεπής σε μία διατάραξη όταν καθοδηγείται από ένα πολύπλοκο σε σχέση με ένα σταθερά κινούμενο στόχο. Ο πολύπλοκος οπτικός στόχος κατασκευάστηκε από ένα ψηφιακό σήμα ροζ θορύβου, το οποίο προσομοιάζει την ανθεκτικότητα των διακυμάνσεων της εκούσιας ταλάντωσης ενός υγιούς ενήλικα. Στο 1ο πείραμα, 20 υγιείς ενήλικες (27.1±9.1 ετών) εκτέλεσαν 132 κύκλους ταλάντωσης σε δύο συνθήκες: α) μη καθοδηγούμενη ταλάντωση και β) καθοδηγούμενη από τη κίνηση ενός πολύπλοκου οπτικού στόχου με ταυτόχρονη παροχή ανατροφοδότησης της κίνησης του Κέντρου Πίεσης (ΚΠ). Η ανθεκτικότητα των διακυμάνσεων αυξήθηκε για το πλάτος και μειώθηκε για τη διάρκεια των κύκλων κατά τη καθοδηγούμενη συγκριτικά με τη μη καθοδηγούμενη ταλάντωση. Στο 2ο πείραμα 32 παιδιά, χωρισμένα σε δύο ηλικιακές ομάδες, μικρότερα (N=15, 9.0±0.8 ετών) και μεγαλύτερα παιδιά (N=17, 11.83±0.63 ετών) και 20 ηλικιωμένοι (71.6±5.7 ετών) εκτέλεσαν την ίδια πειραματική δεξιότητα και συγκρίθηκαν με την ομάδα των ενηλίκων της πρώτης μελέτης. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η ανθεκτικότητα των διακυμάνσεων της εκούσιας ταλάντωσης α) ήταν μειωμένη στους ηλικιωμένους συγκριτικά με τους ενήλικες, β) είχε αρνητική σχέση με την σταθερότητα του συντονισμού μεταξύ των μελών του σώματος γ) δεν άλλαξε όταν τα παιδιά (και οι δύο ομάδες) και οι ηλικιωμένοι ακολουθούσαν τον πολύπλοκο στόχο (καθοδηγούμενη ταλάντωση). Στο 3ο πείραμα, 26 ενήλικες, χωρισμένοι σε 2 ομάδες εκτέλεσαν 160 κύκλους ταλάντωσης, καθοδηγούμενης από ένα πολύπλοκα ή σταθερά κινούμενο στόχο. Ανάμεσα στους κύκλους 60 και 120, εφαρμόσθηκε δόνηση στο δεξί μέσο γλουτιαίο προκαλώντας μετατόπιση του ΚΠ προς τα αριστερά. Η ομάδα που ακολουθούσε τον πολύπλοκο στόχο διαταράχθηκε λιγότερο από την δόνηση συγκριτικά με την ομάδα που ακολουθούσε τον σταθερά κινούμενο στόχο χωρίς να επηρεαστεί το οπτικο-χωρικό σφάλμα μεταξύ της κίνησης του ΚΠ και του στόχου. Η μικρότερη διατάραξη οφείλονταν στην μεγαλύτερη συν-ενεργοποίηση του προσθίου κνημιαίου και του μακρού περονιαίου στη πρόσθια φάση της ταλάντωσης. Και οι δύο ομάδες κατάφεραν να μειώσουν τη πλάγια μετατόπιση ως το τέλος της φάσης της δόνησης. Συμπερασματικά, τα αποτελέσματα της παρούσας διατριβής αποδεικνύουν πως η καθοδήγηση της εκούσιας ταλάντωσης από έναν οπτικό στόχο που προσομοιώνει την «βιολογική» μεταβλητότητα της εκούσιας ταλάντωσης α) βελτιώνει τη ανθεκτικότητα των διακυμάνσεων του πλάτους ταλάντωσης και β) μειώνει την αποσταθεροποιητική επίδραση μίας ιδιοδεκτικής διατάραξης πιθανόν λόγω της ευόδωσης της αντιληπτικο-κινητικής σύζευξης αντί για την χρήση πρόβλεψης. Τα παιδιά και οι ηλικιωμένοι δεν μπορούν να εκμεταλλευθούν την καθοδήγηση την ταλάντωσης από ένα πολύπλοκα κινούμενο στόχο λόγω της μειωμένης σύζευξης της ταλάντωσης με τη κίνηση του στόχου που είναι απόρροια της μειωμένης σταθερότητας του συντονισμού κορμού-κάτω άκρων. Η καθοδήγηση της κίνηση με χρήση πολύπλοκων οπτικών στόχων, που μιμούνται τη ανθεκτικότητα των διακυμάνσεων μίας εκούσιας κυκλικής κίνησης μπορεί να αποτελεί μία υποσχόμενη μέθοδο για τη βελτίωση τα δυναμικής ισορροπίας με την χρήση των βίντεο-παιχνιδιών που στηρίζονται στην επαυξημένη οπτική ανατροφοδότηση.