Spinal excitability during postural sway in elderly and young adults

Abstract

Although standing upright is a seemingly easy and simple task, multiple central and peripheral mechanisms are involved to retain balance. Age-related impairments of the neuromuscular system challenge the control of posture, especially in the presence of unexpected external perturbations. This occurs due to deteriorations in the capacity to capture, process, and adjust sensory inputs and to integrate them with the motor response. To investigate this trade-off, numerous experiments have been designed, manipulating proprioceptive, visual, and vestibular inputs, while monitoring the motor response and revealing the underlying mechanisms. However, the processing and regulation of the sensory input at the spinal level, directly after a sensory perturbation in the upright posture, has been less studied. The purpose of this dissertation was to evaluate the age-related differences in spinal excitability by means of soleus H-reflex, electromyographic, and center of pressure (CoP) responses during standing, in order to better understand the behavior of the central nervous system of older people regarding the information processing during balance control, when the sensory input from proprioception or vision is distorted, by applying vibration on the Achilles tendon or optical illusion, respectively. Furthermore, the proprioceptive capacity and balance performance on the unstable surface has been evaluated, in order to detect possible age differences that might influence the outcome variables. Four experimental studies, with healthy young (n=25; 9 female; 24.9±5.3 yrs) and healthy older adults (n=20; 6 female; 72.2±6.2 yrs) concluded on the following: 1) Achilles tendon vibration induced greater posterior CoP shift in older adults, adopting a recovery strategy that was characterized by a decreased soleus and an increased tibialis anterior muscle activation. Furthermore, older adults’ H-reflex was reduced later and to a lesser extent compared to young adults. 2) In contrast, analysis of CoP and electromyographic signals after a visual perturbation revealed no postural disturbance and no systematic muscle activation pattern for the soleus and tibialis anterior in both age groups. However, spinal excitability in terms of soleus H reflex was reduced in older but not in young adults, when the visual perturbation was introduced. 3) Older adults demonstrated greater displacement of CoP when the balance was assessed on an unstable balance disk. 4) Older adults presented decreased proprioceptive capacity regarding their ankle joints. These findings corroborated older adults’ limited capacity to regulate their spinal excitability when sensory input is distorted. This gives further evidence of a possible mechanism that contributes to inefficient postural control. Moreover, aging led to significantly reduced ankle proprioception and balance performance. These findings confirm that aging affects the reorganization of sensory inflow when proprioceptive or visual input is distorted.

Η διατήρηση της όρθιας στάσης είναι φαινομενικά μία εύκολη και απλή διαδικασία, στην οποία όμως εμπλέκονται πολλαπλοί κεντρικοί και περιφερειακοί μηχανισμοί. Οι σχετιζόμενες με την ηλικία βλάβες του νευρομυϊκού συστήματος επιβαρύνουν τον έλεγχο της όρθιας στάσης καθώς και την ικανότητα επεξεργασίας και ενσωμάτωσης των αισθητηριακών πληροφοριών σε μία κινητική απάντηση, ειδικά κατά την παρουσία απροσδόκητων εξωτερικών διαταραχών. Για τη διερεύνηση αυτής της αντιστάθμισης, έχουν σχεδιαστεί πολυάριθμα πειράματα, τα οποία στηρίζονται στην αλλοίωση των ιδιοδεκτικών, οπτικών και αιθουσαίων πληροφοριών, αξιολογώντας την αντίστοιχη κινητική απάντηση, ώστε να εντοπιστούν οι υποκείμενοι μηχανισμοί ελέγχου της όρθιας στάσης. Ωστόσο, ελάχιστες έρευνες έχουν μελετήσει την άμεση διαχείριση των αισθητηριακών πληροφοριών σε επίπεδο νωτιαίου μυελού, μέσω της τεχνικής του H-reflex κατά την όρθια στάση, μετά από μια αισθητηριακή διαταραχή. Επομένως, η παρούσα διδακτορική διατριβή σχεδιάστηκε ώστε να αξιολογήσει κατά την όρθια στάση μηχανισμούς του νωτιαίου μυελού, με βασικά εργαλεία την τεχνική του H-reflex, την καταγραφή της ηλεκτρομυογραφικής δραστηριότητας των μυών της ποδοκνημικής άρθρωσης (υποκνημιδίου και πρόσθιου κνημιαίου) και τη μετατόπιση του κέντρου πίεσης. Κύριος σκοπός της ήταν να εντοπίσει μεταβολές στη διαχείριση των πληροφοριών που προέρχονται από την περιφέρεια (π.χ. μυϊκή άτρακτος), προκειμένου να διατηρηθεί η ισορροπία σε έναν οργανισμό που βρίσκεται σε διαδικασία γήρανσης όταν αλλοιώνονται οι πληροφορίες που προέρχονται από την όραση (οπτική ψευδαίσθηση) ή την ιδιοδεκτικότητα (δόνηση Αχίλλειου τένοντα). Δευτερεύων σκοπός της έρευνας ήταν να αξιολογηθεί η ικανότητα ιδιοδεκτικότητας των κάτω άκρων μέσω της αναπαραγωγής γωνίας του ιδίου σκέλους και η ικανότητα ισορροπίας επάνω σε ασταθή επιφάνεια, ώστε να καταγραφούν οι πιθανές διαφορές μεταξύ των δύο ομάδων που μπορεί να επηρεάζουν τα αποτελέσματα της μελέτης. Μια σειρά τεσσάρων πειραματικών δοκιμασιών, με υγιείς νέους (n=25, 9 γυναίκες, 24.9±5.3 ετών) και υγιείς ηλικιωμένους (n=20, 6 γυναίκες, 72.2±6.2 ετών) χωρίς ιστορικό πτώσεων, διαπίστωσε τα ακόλουθα: 1) Η δόνηση του Αχίλλειου τένοντα προκάλεσε μεγαλύτερη οπίσθια μετατόπιση του κέντρου πίεσης στα ηλικιωμένα άτομα, με παράλληλη μειωμένη ενεργοποίηση του υποκνημιδίου μυ και αυξημένη ενεργοποίησητου πρόσθιου κνημιαίου. Η διεγερσιμότητα των νωτιαίων αντανακλαστικών, μειώθηκε καθυστερημένα και σε μικρότερο βαθμό στους ηλικιωμένους σε σύγκριση με τους νέους. 2) Αντίθετα, κατά την ανάλυση του κέντρου πίεσης και του ηλεκτρομυογραφήματος μετά από μία οπτική διαταραχή, δεν παρατηρήθηκαν μεταβολές στη μετατόπιση του κέντρου πίεσης και στο μέγεθος της μυϊκής ενεργοποίησης και για τις δύο ηλικιακές ομάδες. Ωστόσο, η διεγερσιμότητα των νωτιαίων αντανακλαστικών μειώθηκε μόνο στους ηλικιωμένους και όχι στους νέους, όταν ένα οπτικό ερέθισμα διατάραξε την ισορροπία τους. 3) Κατά τον έλεγχο της ισορροπίας του σώματος επάνω σε ασταθή επιφάνεια οι ηλικιωμένοι παρουσίασαν μεγαλύτερη αστάθεια. 4) Οι ηλικιωμένοι είχαν μειωμένη ικανότητα ιδιοδεκτικότητας των μυών της ποδοκνημικής . Αυτά τα ευρήματα επιβεβαίωσαν την περιορισμένη ικανότητα των ηλικιωμένων να ρυθμίζουν σε επίπεδο νωτιαίου μυελού οπτικές και ιδιοδεκτικές αισθητηριακές διαταραχές, υποδηλώνοντας μια ηλικιακά εξαρτώμενη αναδιοργάνωση των μηχανισμών ελέγχου της ισορροπίας, που συνοδεύεται από μειωμένη ικανότητα των ηλικιωμένων να διαχειριστούν και να αντισταθμίζουν τις μη αξιόπιστες αισθητηριακές πληροφορίες.