Preserved gait kinematics during controlled body unloading

Abstract

BackgroundBody weight supported locomotor training was shown to improve walking function in neurological patients and is often performed on a treadmill. However, walking on a treadmill does not mimic natural walking for several reasons: absent self-initiation, less active retraction of leg required and altered afferent input. The superiority of overground training has been suggested in humans and was shown in rats demonstrating greater plasticity especially in descending pathways compared to treadmill training. We therefore developed a body weight support system allowing unrestricted overground walking with minimal interfering forces to train neurological patients. The present study investigated the influence of different amounts of body weight support on gait in healthy individuals.MethodsKinematic and electromyographic data of 19 healthy individuals were recorded during overground walking at different levels of body weight support (0, 10, 20, 30, 40, and 50%). Upper body inclination, lower body joint angles and multi-joint coordination as well as time-distance parameters were calculated. Continuous data were analyzed with regard to distinct changes within a gait cycle across all unloading conditions.ResultsTemporal gait parameters were most sensitive to changes in body unloading while spatial variables (step length, joint angles) showed modest responses when unloaded by as much as 50% body weight. The activation of the gastrocnemius muscle showed a gradual decrease with increasing unloading while the biceps femoris muscle showed increased activity levels at 50% unloading. These changes occurred during stance phase while swing phase activity remained unaltered.ConclusionsHealthy individuals were able to keep their walking kinematics strikingly constant even when unloaded by half of their body weight, suggesting that the weight support system permits a physiological gait pattern. However, maintaining a given walking speed using close-to-normal kinematics while being unloaded was achieved by adapting muscle activity patterns. Interestingly, the required propulsion to maintain speed was not achieved by means of increased gastrocnemius activity at push-off, but rather through elevated biceps femoris activity while retracting the leg during stance phase. It remains to be investigated to what extent neurological patients with gait disorders are able to adapt their gait pattern in response to body unloading.

Adaptation in Gait to Body-Weight Unloading

“…The results indicate that there were no significant changes in any of the temporal gait measures during and after unloaded walking, except for swing time, which was significantly increased during unloaded walking. The increase in swing time during unloaded walking corroborates the findings from previous studies [11,18,24,46,47]. This observation of increased swing time with body-weight unloading is in line with the predictions of the ballistic pendulum model of walking, which states that the motion of the swing leg is like that of a pendulum of which the oscillation period is inversely related to gravity.…”

“…The range of ankle and knee joint angular displacement was significantly reduced during unloaded walking as in other locomotor studies that were focused on assessing immediate online changes in kinematics in response to body-weight unloading [24,46,47,49]. There was reduced angular motion of ankle and knee joints in the form of aftereffects following the adaptation session (post-unloading) for up to three minutes.…”

Respostas cinemáticas e eletromiográficas durante suporte parcial de peso em indivíduos saudáveis

“…Tal método, primariamente, faz uso de um colete para a suspensão do indivíduo durante a caminhada em esteira, gerando o alívio das forças impostas às articulações dos membros inferiores, e em casos de haver a presença de dor, o alívio dos sintomas, para facilitar o reinício da atividade de andar, favorecendo precocemente a geração de padrões normais de locomoção, notadamente após episódios de lesão ou intervenções cirúrgicas (SOUSA et al, 2009;THRELKELD et al, 2003)Historicamente, o uso do SPP iniciou-se sendo utilizado para o treino de marcha em esteira realizado em animais acometidos por lesão medular e posteriormente foi aplicado a seres humanos (FORREST et al, 2008;HARKEMA et al, 2012;MAEGELE et al, 2002;THRELKELD et al, 2003). Tais constructos teóricos advogam que o suporte parcial de peso promove estimulação sensorial periférica adequada, produzindo neuroplasticidade, levando à melhora da qualidade das respostas motoras (GALEA et al, 2013;MULROY et al, 2010;SADOWSKY;MCDONALD, 2009 Em determinadas situações, nas quais a presença de fraqueza muscular se torna bastante proeminente, o uso do SPP, se torna necessário para habilitar ou reestabelecer as funções motoras por meio do treino locomotor (AWAI et al, 2017;WERNIG et al, 1995). O treinamento locomotor com suporte parcial de peso (TLSP) é a principal modalidade de ABT, e sua utilização em esteira resultou em modificações da atividade eletromiográfica, melhora da simetria e maior capacidade para o suporte de peso tanto em sujeitos acometidos por alterações neuromotoras quanto em indivíduos com capacidade de gerenciamento motor eficiente e sem qualquer alteração (DIETZ, 2009;HUNTER et al, 2014;MAEGELE et al, 2002;SAINTON et al, 2015).…”

“…Estudos têm investigado os efeitos diretos sobre as características biomecânicas tais como ângulos articulares e trajetórias de movimento, além de apontar para as mudanças no comportamento muscular quando a locomoção acontece sob a influência do SPP. Evidências sustentam a diminuição da intensidade de ativação muscular e modificação espaço-temporais resultantes de diferentes taxas de suporte (AASLUND; MOE-NILSSEN, 2008;AWAI et al, 2017;HUNTER et al, 2014;SAINTON et al, 2015) Sabidamente, portanto, as alterações neuromusculares oriundas da condição de SPP parecem diminuir a demanda sobre os músculos envolvidos na marcha. Não obstante, ainda ficam sem respostas questões específicas que recaem sobre a caracterização do comportamento muscular durante fases diferentes do ciclo de marcha, não apenas em termos de intensidade de ativação, mas também descobrir em qual momento do ciclo tal intensidade se modifica, em quanto tempo isto ocorre e como os músculos respondem em momentos chave do ciclo de marcha, tais como a preparação para a aceitação da carga, a aceitação propriamente dita, apoio unipodal e propulsão.…”

“…Ou seja, o tempo de apoio unipodal se mostrou menor conforme a ação do suporte se mostrou maior.Achados semelhantes são reportados em estudos prévios(AWAI et al, 2017; FISCHER; DEBBI; WOLF, 2015; FISCHER; WOLF, 2015c). Houve, portanto, aumento da fase de balanço, com provável menor tempo de exposição à carga(BARELA et al, 2014b).Com a análise do comportamento angular das articulações dos membros inferiores foi possível observar algumas mudanças no movimento no que diz respeito às amplitudes e picos angulares.…”