Medio-lateral stability during walking controlled by response of stance and swing leg gluteus medius

Inti Vanmechelen Maarten Afschrift
De invloed en het belang van de gluteus medius spier bij evenwichtscontrole werden onderzocht in deze scriptie. Hiervoor werden proefpersonen in hun evenwicht verstoord wordt tijdens het wandelen, waarbij de respons van de gluteus medius spier gemeten werd.

Evenwichtscontrole kan je leren

Wanneer je een stoeprand mist en je voet fout neerzet, hoe komt het dan dat je voeten weten wat ze moeten doen om ervoor te zorgen dat jij blijft rechtstaan? Ons lichaam slaagt erin zich in evenwicht te houden door middel van een actieve communicatie tussen de spieren en de hersenen, waarbij de spieren in staat zijn hun activatie aan te passen afhankelijk van de manier waarop het evenwicht van ons lichaam verstoord wordt. Bij ouderen is dit proces sterk verstoord en zien we een hoge incidentie van vallen. Bovendien, als een oudere valt, een heup breekt en vier weken in het ziekenhuis moet verblijven, zal zijn gezondheidstoestand zienderogen achteruitgaan. In de praktijk is het dus interessanter om revalidatieschema’s voor optimale valpreventie te ontwikkelen. Hierbij is het onduidelijk of het voldoende is om zich te focussen op het trainen van spierkracht dan wel of ook een valreactie dient aangeleerd te worden. Dit is afhankelijk van het niveau waarop evenwicht gecontroleerd wordt: een laag (reflex) niveau of hogere centra die bijdragen tot evenwichtscontrole. Dit is een zeer actueel onderzoeksdomein.

Om valgedrag bij ouderen beter te begrijpen is het relevant de reactie van de heupspieren, die verantwoordelijk zijn voor het controleren van de beweging van het massacentrum van het lichaam, te bestuderen. Het massacentrum is een fictief punt dat het effect van de lichaamsmassa weergeeft en wordt gebruikt om een inschatting te maken van de stabiliteit van een houding of beweging. Wanneer het massacentrum zich boven het steunpunt bevindt (vb. als je op één voet staat) is het lichaam in evenwicht. Wanneer we struikelen, zal het massacentrum zich verplaatsen naar een zone buiten het steunvlak en bevinden we ons in een onstabiele situatie. Door een correcte spieractivatie van voornamelijk de gluteus medius spier (een spier aan de zijkant van je bovenbeen), kan deze onstabiele situatie gecorrigeerd worden.

Het doel van deze studie was om te onderzoeken hoe de spieractiviteit van de gluteus medius van het steun- en zwaaibeen verandert bij het struikelen en of deze activatie afhankelijk is van het moment van de verstoring van het evenwicht. Het steunbeen is het been dat op de grond staat op het moment dat het evenwicht verstoord wordt. Het zwaaibeen is het been dat op dat moment in de zwaaifase zit. Daarnaast wilden we onderzoeken of de activatie een reflexmatige reactie is en dus vooral gerelateerd is aan een verandering van de spier, dan wel voorspeld kan worden aan de hand van de beweging (positie en snelheid) van het massacentrum. Op die manier kan de activatie gerelateerd worden aan een posturale reactie waarbij ook hogere ruggenmerg- en hersencentra betrokken zijn.

Proefpersonen werden in een bewegingslaboratorium op een loopband gezet waarbij struikelen gesimuleerd werd door een verplaatsing van de loopband onder het steunbeen. Dit gebeurde op vier verschillende momenten in de gangcyclus. Zo kan onderzocht worden of de activatie van gluteus medius spier anders verloopt als de proefpersonen op verschillende momenten struikelen. Om de nodige data te verzamelen werden reflecterende markers gebruikt en de activatie van de gluteus medius spier werd gemeten via elektromyografie.

Om de aard van de reactie van de gluteus medius te onderzoeken werd gebruik gemaakt van dynamische bewegingssimulaties van het gangpatroon. Deze simulaties waren gebaseerd op een musculoskeletaal model. Hierbij werd in een eerste formulering de spieractivatie voorspeld op basis van de lengte en snelheid van het gluteus medius complex in het model tijdens de verstoring. Deze is representatief voor een reflexmatige controle van de perturbatie. In een tweede formulering werd de informatie over de positie en snelheid van het massacentrum gebruikt. Deze is representatief voor een posturale reactie: een reactie van het lichaam waarbij de spieren hun spierspanning aanpassen om het lichaam recht te houden na evenwichtsverlies.

De activatie van de gluteus medius spier was inderdaad afhankelijk van het moment waarop de verstoring geïntroduceerd wordt. Voor het zwaaibeen was er voor alle momenten een verhoogde spieractiviteit zichtbaar. Voor het steunbeen was er slechts een stijging in spieractiviteit in drie van de vier momenten. Deze resultaten tonen aan dat het steunbeen en het zwaaibeen op verschillende manieren reageren op evenwichtsverlies.

De voorspelling van de spieractivatie van de gluteus medius van het staanbeen representatief voor de reflexmatige controle was minder nauwkeurig dan de voorspelling op basis van de informatie van het massacentrum (figuur: zie bijlage). Voor het zwaaibeen was er echter geen significant verschil.

Deze resultaten impliceren dat zowel de gluteus medius van het steun- als zwaaibeen betrokken zijn bij evenwichtscontrole tijdens het gaan. Bovendien is de controle van het steunbeen niet enkel toe te schrijven aan reflexen, maar veronderstelt deze een betrokkenheid van hogere controleniveaus. Een puur reflexmatige controle laat slechts weinig ruimte voor fysiotherapeutisch handelen. Het bevestigen van de rol van posturale controle versterkt de noodzaak en relevantie van het opstellen van revalidatiestrategieën. Deze strategieën kunnen een correct samenspel van de controleniveaus bewerkstellingen, naast het gebruik van krachttraining om de gluteus medius spier te versterken.

 

Bibliografie

Reference list

ADDIN Mendeley Bibliography CSL_BIBLIOGRAPHY Allum, J. H., Honegger, F. and Schicks, H. (1993) ‘Vestibular and proprioceptive modulation of postural synergies in normal subjects.’, Journal of Vestibular Research, 3(1), pp. 59–85.

Allum, J. H., Honegger, F. and Schicks, H. (1994) ‘The influence of a bilateral peripheral vestibular deficit on postural synergies’, Journal of Vestibular Research, 4(1), pp. 49–70.

Allum, J. H. J., Huwiler, M. and Honegger, F. (1996) ‘Prior intention to mimic a balance disorder: Does central set influence normal balance-correcting responses?’, Gait and Posture, 4(1), pp. 39–51. doi: 10.1016/0966-6362(95)01033-5.

Batra, M., Sharma, D. V. P., Batra, D. V., Malik, D. G. K. and Pandey, D. R. M. (2011) ‘Postural Reactions: An Elementary Unit for Development of Motor Control’, Disability, CBR & Inclusive Development, 22(2), pp. 134–137. doi: 10.5463/dcid.v22i2.30.

Carpenter, M. G., Allum, J. H. J. and Honegger, F. (1999) ‘Directional sensitivity of stretch reflexes and balance corrections for normal subjects in the roll and pitch planes’, Experimental Brain Research, 129(1), pp. 93–113. doi: 10.1007/s002210050940.

Delp, S. L., Anderson, F. C., Arnold, A. S., Loan, P., Habib, A., John, C. T., Guendelman, E. and Thelen, D. G. (2007) ‘OpenSim: open-source software to create and analyze dynamic simulations of movement.’, IEEE transactions on bio-medical engineering, 54(11), pp. 1940–50. doi: 10.1109/TBME.2007.901024.

Dietz, V., Horstmann, G. a, Berger, W. and W., B. (1989) ‘Interlimb coordination of leg-muscle activation during perturbation of stance in humans.’, Journal of neurophysiology, 62(3)(3), pp. 680–693.

Dietz, V., Quintern, J., Boos, G. and Berger, W. (1986) ‘Obstruction of the swing phase during gait: phase-dependent bilateral leg muscle coordination’, Brain Research, 384(1), pp. 166–169. doi: 10.1016/0006-8993(86)91233-3.

Geyer, H. and Herr, H. (2010) ‘A Muscle-Reflex Model That Encodes Principles of Legged Mechanics Produces Human Walking Dynamics and Muscle Activities’, 18(3), pp. 263–273.

De Groote, F., De Laet, T., Jonkers, I. and De Schutter, J. (2008) ‘Kalman smoothing improves the estimation of joint kinematics and kinetics in marker-based human gait analysis’, Journal of Biomechanics, 41(16), pp. 3390–3398. doi: 10.1016/j.jbiomech.2008.09.035.

Henry, S. M., Fung, J. and Horak, F. B. (1998) ‘Control of stance during lateral and anterior/posterior surface translations’, IEEE Transactions on Rehabilitation Engineering, 6(1), pp. 32–42. doi: 10.1109/86.662618.

Hof, A. L. and Duysens, J. (2013) ‘Responses of human hip abductor muscles to lateral balance perturbations during walking’, Experimental Brain Research, 230(3), pp. 301–310. doi: 10.1007/s00221-013-3655-5.

Hof, A. L., Gazendam, M. G. J. and Sinke, W. E. (2005) ‘The condition for dynamic stability’, Journal of Biomechanics, 38(1), pp. 1–8. doi: 10.1016/j.jbiomech.2004.03.025.

Hof, A. L., Vermerris, S. M. and Gjaltema, W. A. (2010) ‘Balance responses to lateral perturbations in human treadmill walking.’, The Journal of Experimental Biology, 213(Pt 15), pp. 2655–64. doi: 10.1242/jeb.042572.

Horak, F. B. and Nashner, L. M. (1986) ‘Central programming of postural movements: adaptation to altered support-surface configurations.’, Journal of neurophysiology, 55(6), pp. 1369–1381. doi: 3734861.

Horak, F. B., Nashner, L. M. and Diener, H. C. (1990) ‘Postural strategies associated with somatosensory and vestibular loss’, Experimental Brain Research, 82(1), pp. 167–177. doi: 10.1007/BF00230848.

Horak, F. B., Shupert, C. L. and Mirka, A. (1989) ‘Components of postural dyscontrol in the elderly: A review’, Neurobiology of Aging, 10(6), pp. 727–738. doi: 10.1016/0197-4580(89)90010-9.

Inglis, J. T., Horak, F. B., Shupert, C. L. and Jones-Rycewicz, C. (1994) ‘The importance of somatosensory information in triggering and scaling automatic postural responses in humans’, Experimental Brain Research, 101(1), pp. 159–164. doi: 10.1007/BF00243226.

Lockhart, D. B. and Ting, L. H. (2007) ‘Optimal sensorimotor transformations for balance.’, Nature neuroscience, 10(10), pp. 1329–36. doi: 10.1038/nn1986.

Maki, B. E. and McIlroy, W. E. (1997) ‘The role of limb movements in maintaining upright stance: the “change-in-support” strategy.’, Physical therapy, 77(5), pp. 488–507.

Misiaszek, J. E. (2006) ‘Neural control of walking balance: IF falling THEN react ELSE continue’, Exercise and Sport Sciences Reviews, 34(3), pp. 128–134. doi: 10.1249/00003677-200607000-00007.

Moholkar, N., Gade, V. K., Allen, J. and Edwards, W. T. (2009) ‘Initial electro-mechanical response to rearward perturbation’, Gait and Posture, 29(4), pp. 650–653. doi: 10.1016/j.gaitpost.2009.01.009.

Nashner, L. M. and McCollum, G. (1985) ‘The organization of human postural movements: A formal basis and experimental synthesis’, Behavorial and Brain Sciences, 8(1), pp. 135–172.

Porges, S. W. (2009) ‘Encyclopedia of Neuroscience’, Encyclopedia of Neuroscience, (January 2009), pp. 463–469. doi: 10.1016/B978-008045046-9.00099-1.

Rankin, B. L., Buffo, S. K. and Dean, J. C. (2014) ‘A neuromechanical strategy for mediolateral foot placement in walking humans.’, Journal of neurophysiology, 112(2), pp. 374–83. doi: 10.1152/jn.00138.2014.

Schillings, A. M., Van Wezel, B. M. H. and Duysens, J. (1996) ‘Mechanically induced stumbling during human treadmill walking’, Journal of Neuroscience Methods, 67(1), pp. 11–17. doi: 10.1016/0165-0270(95)00149-2.

Selzer, M., Clarke, S., Cohen, L., Kwakkel, G. and Miller, R. (2014) Textbook of Neural Repair and Rehabilitation. 2nd edn. Edited by M. Selzer, S. Clarke, L. Cohen, G. Kwakkel, and R. Miller. Cambridge: Cambridge University Press. Available at: https://books.google.co.uk/books?id=8DA4AwAAQBAJ&pg=PA356&lpg=PA356&dq=… and v.

Song, S. and Geyer, H. (2013) ‘Generalization of a muscle-reflex control model to 3D walking’, Proceedings of the Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, EMBS, (Eec 0540865), pp. 7463–7466. doi: 10.1109/EMBC.2013.6611284.

Welch, T. D. J. and Ting, L. H. (2008) ‘A Feedback Model Reproduces Muscle Activity During Human Postural Responses to Support-Surface Translations’, pp. 1032–1038. doi: 10.1152/jn.01110.2007.

Winter, D. A. (1995) ‘Human blance and posture control during standing and walking’, Gait & posture, 3(4), pp. 193–214. doi: 10.1016/0966-6362(96)82849-9.

Wollacoot, M. (2008) ‘Anticipatory Postural Responses’, Encyclopedia of Neuroscience. Springer Berlin Heidelberg. doi: 10.1007/978-3-540-29678-2_279.

 

Universiteit of Hogeschool
Master in Research in Biomedical Kinesiology
Publicatiejaar
2017
Promotor(en)
Ilse Jonkers
Kernwoorden
Share this on: