Analysis of Adaptation in Human Postural Control

Abstract

The ability to obtain correct balance control information and adjust motor performance appropriately are essential elements in effective postural control. However, functional disorders may affect the reliability of receptor information and ability to carry out corrective motions needed to maintain balance. This emphasizes the importance of rapid and accurate adaptation processes that can optimize the use of available sensor and motor resources. The presented studies aimed to investigate the role of adaptation in human postural control during upright stance, while submitted to balance perturbations evoked by vibratory proprioceptive or galvanic vestibular stimulation, and when different constraints affected the sensory input or motor output. The postural control performance was assessed with posturography and analyzed with respect to variance, correlation, GARCH or MIMO methods, or by a special new method designed to quantify adaptation in postural control.Postural control could, both quantitatively and qualitatively, substantially change movement patterns when submitted to balance perturbations. Three different methods seemed to be used to improve balance control: 1) Suppression of the balance disturbances evoked by the perturbations, 2) Adoption of a favorable posture that had better properties to withstand the disturbances, 3) Use of the gained experiences acquired from previous occasions of exposure to the balance perturbations. These adaptive methods could be manipulated separately and act at different time scales.Postural control adapted the body posture and responses to balance perturbations similarly to repetitive galvanic vestibular and vibratory proprioceptive stimulation. The location of the disturbed somatosensory receptors, e.g., calf or neck muscle receptors, were of minor importance for the movement control strategy used. Moreover, elderly people used similar adaptive methods as middle-aged people, by altering posture and suppressing the effects of balance perturbation.Even though adaptation could have a substantial effect on postural control, the findings imply that adaptation could not entirely compensate for the differences imposed by internal or external constraints such as biomechanics or effects on sensory information. Although the adaptive adjustments were similar during vibration and galvanic stimulation, the two kinds of stimulation induced different movement responses. Moreover, the findings suggest that deficits found of postural control in elderly were not associated with inactive or inappropriate adaptation ability, but probably associated with sensory or motor deficits in their original balance control.Access to visual information had marked effect on the balance control during all trial conditions investigated, in terms of reduced influence of balance perturbations and decreased body movements above 0.1 Hz. Reduced sensory information from the cutaneous mechanoreceptors in the feet substantially increased the body movements, reflected by significantly increased torque variance. However, the effects of disturbed mechanoreceptors information were rapidly compensated for within 100 seconds. Postural control was affected substantially both by decreased muscle force in proportion to body weight, and by fatigued triceps surae muscles. Decreased muscle force significantly increased the body sway induced by balance perturbations compared with fatigued triceps surae muscles. Postural control adaptation was able to reduce but not fully compensate for the changed muscular efficiency caused by decreased muscle force or fatigued muscles. To conclude, in the evaluation of postural control, it is important to consider sensory deficits, decreased motor control efficiency as well as adaptation insufficiencies, and regard such factors in future therapeutic methods.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

För att vi människor ska kunna upprätthålla balansen och utföra rörelser behöver vi ett komplext styrsystem som kontinuerligt kontrollerar och samordnar kroppens rörelser. Detta styrsystem, som kallas postural kontroll, får sin information från synen, balanssinnet (vestibularisorganen), led-muskelsinnet (proprioception) och receptorer i huden (mekanoreceptorer). Om något av dessa sinnesorgan skadas eller om informationen från olika sinnesorgan inte stämmer överens kan man drabbas av yrsel eller ostadighet. Människans balanssystem har dock stor förmåga att återhämta sig från skador och anpassa sig till nya situationer. Denna förmåga till anpassning och inlärning kallas adaption eller habituering. Vår förmåga till adaption gör dels att vi bättre kan tillvarata våra tillgängliga resurser, men även till att vi kan lära oss hantera balanssvårigheter (t ex sjögång på havet, gå på halt underlag) eller återhämta oss från skador som påverkar kroppens motoriska eller sensoriska system. Hittills har relativt få forskningsstudier varit inriktade på att undersöka hur viktig adaptionsförmågan är t ex för balansförmågan hos äldre personer eller när patienten har svag muskelstyrka.



Målet för avhandlingen har varit att visa hur viktig adaptionsförmågan är för människans balansreglering och att utveckla metoder som kan beskriva vilka egenskaper adaptionsförmågan har. I sju olika studier har vi undersökt hur friska medelålders och äldre försökspersoner anpassar sin balans och sitt rörelsemönster när man påverkar informationen från synen, balanssinnet i öronen, led-muskelsinnet, känseln i fotsulorna och påverkar muskelkraften i muskelgrupper som är viktiga för balansregleringen.



Man kan undersöka en persons förmåga att bibehålla balansen i upprätt stående med en metod som kallas posturografi. Posturografi mäter hur mycket krafter den undersökta personen behöver använda mot underlaget för att bibehålla balansen. Vid grundligare undersökningar mäter man också hur olika kroppsdelar rör sig i förhållande till varandra och hur mycket olika muskler behöver arbeta under balanstestet. Det är ibland svårt att skilja patienter med balansproblem från friska personer när man undersöker balansförmågan under lugnt ostört stående, men genom att störa balanssystemet på olika sätt kan man öka känsligheten i balanstesterna. Vi har valt att använda vibrationsstimulering (mot vad- eller nackmuskler) eller svag elektrisk stimulering av nerven från balanssinnet, för att störa balansregleringen och därmed öka känsligheten i undersökningarna.



När man väljer undersökningsmetod är det viktigt att balansstörningen är tillräckligt stark för att orsaka en tydlig rörelsereaktion som klart överstiger de normala rörelserna vid lugnt opåverkat stående. Samtidigt bör man undvika alltför starka balansstörningar som kan ge slumpmässiga eller komplexa rörelsereaktioner eller som kan få försökspersonen att falla.



Ett av målen med forskningsstudierna har varit att se vilka egenskaper adaptionsförmågan har, t ex. som hur snabbt och hur mycket man kan förbättra balansförmågan då viktiga informationssystem störs eller när muskelstyrkan försämras. Ett annat mål har varit att utveckla analysmetoder som kan beskriva balansregleringens egenskaper och anpassningsförmåga. De flesta analysmetoder som används i dag är framför allt inriktade på att studera rörelsernas storlek och tidsmässiga egenskaper, som hur snabbt man kan reagera på en balansstörning och hur stora rörelseutslagen då blir. I denna avhandling beskrivs en ny typ av analysmetod, som använder matematiska systemanalytiska metoder för att beskriver balansförmågans egenskaper. Analysmetoden beskriver matematiskt sambandet mellan den balansstörning man utsatt försökspersonens balanssystem för och den reaktion man fått i form av kroppsrörelser.



Studierna som presenteras i avhandlingen visar att människans balansreglering har stor förmåga till inlärning och anpassning när interna och externa förutsättningar förändras. Adaptionsmönstret har stora likheter oberoende av om balanssinnet (vestibularisorganen) eller led-muskelsinnet påverkas av balansstörningar och oberoende av om personen som utsätts för balansstörningarna är ung eller gammal. Studierna visar att det är möjligt att förbättra balansförmågan på minst tre olika sätt. En metod är att förändra kroppshållningen, så att man på ett bättre sätt kan stå emot balanstörningar när dessa kommer. En annan metod är att lära in hur man påverkas av balansstörningar, så att man bättre kan undertrycka dess effekt. En tredje metod är att tillgodogöra sig erfarenheterna från tidigare tillfällen man utsatts för samma sort av balansstörning.



Det är möjligt att rehabiliteringsprogram som är anpassade för att aktivt utnyttja dessa tre inlärningsmetoder, både på kort och lång sikt, kan ge snabbare återhämtning, bättre balansförmåga och bättre rörelsekontroll. För att få god inlärningseffekt är det dock av stor vikt att man tränar samma övningar många gånger vid samma träningstillfälle, men också att man upprepar övningarna vid flera separata träningstillfällen.



Sammantaget visar studierna att även om man med hjälp av adaption har stora möjligheter att förbättra balansförmågan så finns det ändå begränsningar i vad man kan kompensera för i form av sensorikbortfall och förändrade muskelegenskaper. Resultaten tyder också på att enskilda balansövningar kan ha relativt begränsad effekt på balansförmågan då föregående erfarenhet av balansförsök inte generellt gjorde det enklare att klara av balansförsök av annan karaktär. För att uppnå god generell effekt av träning kan det därför vara viktigt att använda flera olika träningsmetoder med olika innehåll och målinriktning.



I samtliga delarbeten fann vi att syninformation har mycket stor betydelse för balansförmågan. Syninformation minskar framför allt kroppsrörelserna över 0.1 Hz och ökar generellt kroppens stabilitet. Men även om synen har stor positiv effekt på balansförmågan visar flera av studierna att syninformation ändå inte fullt ut kan kompensera för skador eller försämrad sensorik t ex i underbenen eller försämrade muskelegenskaper som sämre styrka och uthållighet. Vid diagnostisering och rehabilitering av balansstörningar är det därför av stor vikt att granska hur alla de olika organen i balanssystemet, såväl sensorik som motorsystem, fungerar och i vilken mån man kan förbättra respektive organs funktion, t ex med synhjälpmedel eller med anpassad träning.

• author: Fransson, Per-Anders
• supervisor: Måns Magnusson; Rolf Johansson
• opponent: Professor Kingma, Herman, University Hospital Maastricht, The Netherlands.
• organization: Otorhinolaryngology (Lund)
• publishing date: 2005
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Otorhinolaryngology
• keywords: Physical medicine, kinesitherapy, revalidation, rehabilitation, Rehabilitering (medicinsk och social), Adaptation, Postural control, Proprioception, Vestibular, Posturography, neuropsykologi, Neurologi, neurophysiology, neuropsychology, Neurology, hörsel- och talorganen, audiologi, Otorinolaryngologi, auditive system and speech, audiology, Otorhinolaryngology, Movement pattern, Sensorimotor integration, Muscle fatigue, Age, Cutaneous sensation, neurofysiologi
• pages: 204 pages
• defense location: Segerfalksalen, Universitetssjukhuset i Lund
• defense date: 2005-05-20 13:15:00
• ISBN: 91-85439-37-1
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: PA Fransson, R Johansson, A Hafström and M Magnusson. 2000. Methods for evaluation of postural control adaptation. Gait Posture, vol 12 pp 14-24.; PA Fransson, F Tjernström, A Hafström, M Magnusson and R Johansson. 2002. Analysis of short- and long-term effects of adaptation in human postural control. Biol Cybern, vol 86 pp 355-65.; PA Fransson, A Hafström, M Karlberg, M Magnusson, A Tjäder and R Johansson. 2003. Postural control adaptation during galvanic vestibular and vibratory proprioceptive stimulation. IEEE Trans Biomed Eng., vol 50 pp 1310-9.; PA Fransson, EK Kristinsdottir, A Hafström, M Magnusson and R Johansson. 2004. Balance control and adaptation during vibratory perturbations in middle-aged and elderly humans. Eur J Appl Physiol, vol 91 pp 595-603.; PA Fransson, M Hjerpe and R Johansson. . Adaptation of multi-segmented body movements during balance perturbations. (submitted); F Stål, PA Fransson, M Magnusson and M Karlberg. 2003. Effects of hypothermic anesthesia of the feet on vibration-induced body sway and adaptation. J Vestib Res, vol 13 pp 39-52.; T Ledin, PA Fransson and M Magnusson. 2004. Effects of postural disturbances with fatigued triceps surae muscles or with 20% additional body weight. Gait Posture, vol 19 pp 184-93.
• id: ea8850d1-2903-4461-b583-082b84778cca (old id 544780)
• date added to LUP: 2016-04-01 17:01:16
• date last changed: 2022-02-28 07:21:10