Cortical : and kinematic response during adaptation and habituation in human upright posture, using HD-EEG

Abstract

Upprétt staða mannsins er náttúrulega óstöðug, en til að viðhalda henni og til að bregðast við ójafnvægi er þörf á kerfi stöðustjórnunar. Kerfi stöðustjórnunar er afturvirkt stýrikerfisem vinnur stöðugt úr upplýsingum um uppréttu stöðuna sem koma frá ýmsum skynfærum líkamans. Úrvinnsla þessara upplýsinga á sér stað á öllum stigum miðtaugakerfisins, þá sérstaklega barkarsvæði heilahvela. Tilgangur þessa verkefnis var að rannsaka viðbragð heilabarkar meðan á truflun á líkamsstöðu stendur, hvernig aðlögunar ferlum er háttað gagnvart áreitinu með notkun EEG og að rannsaka hreyfifræðileg viðbrögð stöðuskynfæra á aðlögunar ferli líkamsstöðu gagnvart áreitinu með notkun kraftplötu.Þrjátíu heilbrigðir einstaklingar tóku þátt í rannsókninni. Þar sem þau voru beðin um að standa upprétt á kraftplötu sem mældi líkamsveigju á meðan mælingu stóð. Mælingin hófst á 30 sekúndna upptöku á samfelldri líkamsveigju og því fylgt eftir með 300 sekúndna tímabili við titringsáreiti á kálfa. Tekið var heilarafrit með 256 rása heilarafritsbúnaði á meðan á verkefninu stóð, annars vegar með opin augu og hins vegar með lokuð augu. Hverju titringstímabili var skipt upp í fjögur tímabil Q1-Q2-Q3-Q4 þar sem hvert tímabil inniheldur 75 sekúndur af titringsáreiti. Titringsáreitið barst með breytilegum impúlsum og voru samstillt EEG heilarafritsbúnaðinum með því að birta merki í EEG línuritið eftir því hvort titringsáreitið var af eða á. Heilarafritsgögnum var safnaði við 1024 Hz tíðni. Merki frá rafskautum sem sýndu marktækar breytingar á heildar afl á aflrofsþéttni (PSD) voru aðgreind og sundurliðuð í 6 mismunandi tíðnibönd (delta, 0.5-3.5 Hz; theta, 3.5-7.5 Hz; alpha, 7.5-12.5 Hz; beta,12.5-30 Hz; low gamma, 30-50 Hz; and high gamma, 50-80 Hz). Gögn úr kraftplötu voru mæld og söfnuð við 50 Hz. Reiknaður var sveiflustuðull sem byggður var á líkamsveigju einstaklings og ákvarðaði frammistöðu hvers tímabils.Marktæk samsvörun fannst milli líkamsveigju mælinga á kraftplötu og breytingum á virkni í heilaberki. Sveiflustuðlarnir gáfa til kynna aðlögun á líkamsstöðu gagnvart titringsáreitinu og viðvana á trufluninni. Aukin virkni í delta, theta, alpha, beta og low gamma tíðni í heilaberki við titringsáreiti var í öllum tímabilum þegar borið var saman við 30 s hvíldina. Aukin alpha og theta virkni var við hvirfilblað. Einnig mátti sjá aukna gamma virkni við opin og lokuð augu. Virkni í heilabarka var almennt minni við lokuð augu miðað við opin augu, en það sýnir fram á mikilvægi sjónar í kerfi stöðustjórnunar.Eftir því sem við komumst næst er þessi rannsókn sú fyrsta sem sýnir fram á samsvörun á milli hreyfifræðilegs viðbragð líkamssveigju og virkni í heilaberki með notkun 256 rása heilarafritsbúnað.

Postural control in humans is naturally unstable and is considered to be a complex motor skill derived from the interaction of multiple sensorimotor processes to maintain postural orientation and postural equilibrium. The objective of the present work is to quantify changes in cortical activity during human upright posture that correlate with the mechanical body sway performance.Proprioceptive vibratory stimulation on calf muscles at 85 Hz was performed on 33 healthy subjects to evoke postural perturbation in open-eye and closed-eye experimental trials. Trials included 30 seconds of perturbed upright stance and 300 seconds of random vibratory stimulation phases divided into four epochs of 75 second each, with the impulses synchronized to EEG recording, using a 256-channel EEG cap with the sampling rate of 1024 Hz. Channels that were shown to have statistically significant change in absolute power spectra variation were distinguished over six frequency bands (delta, 0.5-3.5 Hz; theta, 3.5-7.5 Hz; alpha, 7.5-12.5 Hz; beta, 12.5-30 Hz; low gamma, 30-50 Hz; and high gamma, 50-80 Hz). Force and torque actuated by the feet were recorded by a force platform and sampled at 50 Hz. A fluctuation index was computed to determine postural performance during the epochs.There was a significant correlation between progress in platform oscillations and changes in cortical activity. The fluctuation indices indicated improvement in postural performance. A significant increase was found in absolute power values, particularly in the parietal regions across alpha and theta bands during open-eye adaptation trials, and in gamma band during open- and closed-eye adaptation trials.To our knowledge, this is the first study to demonstrate correlation of platform oscillations and cortical activity using 256 channel EEG recordings.