予測不可能なスリップ摂動と振動触覚キューイング後の8つの前頭前野のサブ領域の反応性応答への異なる貢献

はじめに：機能性近赤外分光法技術の最近の進歩は、ヒト神経科学分野での前頭前野（PFC）の活性を測定するためのポータブルでワイヤレスのウェアラブルソリューションを提供しました。この研究は、トレッドミル誘発性の予測不可能なスリップ摂動と振動触覚キューイング（すなわち、Precues）に続いて、健康な若年成人におけるPFCの8つのサブリージョンによって行われたさまざまな貢献を検証した最初のものです。 方法：スプリットベルトトレッドミルを装備した当社の転倒誘導テクノロジープラットフォームは、自己選択のウォーキングスピードで歩いている間、健康な若者に予測不可能なスリップ摂動を提供しました。ポータブル、ワイヤレス、ウェアラブル、およびマルチチャネル（48チャネル）機能性近赤外分光法システムは、PFCの8つのサブリージョン[すなわち、右および左背外側前頭前野（DLPFC）、腹側外側前頭前野皮質（VLPFC）、前頭葉前頭前部皮質の活性を評価しました。オキシヘモグロビンおよびデオキシヘモグロビン濃度によって定量化された皮質（FPFC）、および眼窩前頭皮質（OFC）]。スプリットベルトトレッドミルの下にあるモーションキャプチャシステムと2つのフォースプレートを使用して、参加者の運動学的および運動的挙動を定量化しました。すべての参加者は6回の試験を完了しました。振動触覚キューイングとスリップ摂動（対照試験）のない2回の連続した試験。Vibrotactileキューイングを使用した3つの試験[スリップ摂動（キューイントライアル）とスリップ摂動なしの1つの試験（CACT TIRAN）を伴う2回の試験]、およびスリップ摂動（コントロール後の試験）のない1回の試験。PFCサブリージョンの活動と運動挙動は、3つの期間（つまり、立っている、歩く、回復期）に評価されました。 結果：歩行者の立場と歩行期間と比較して、回復期間は、それぞれ、左右のDLPFC、VLPFC、およびFPFCで、それぞれオキシヘモグロビンおよびデオキシヘモグロビン濃度のレベルが著しく高く、低いレベルが示されました。ただし、3つの期間の間にOFCの右側と左に有意な差はありませんでした。キネマティック分析により、振動触覚キューがPFCサブ領域によるより多くの関与を必要とせずに反応性回復応答を大幅に改善したことが確認されました。 ディスカッション：結果は、ユーザーに転倒のリスクを警告するウェアラブルテクノロジーの設計を通知し、反応性の応答を促す新しい歩行摂動パラダイムの開発を支援することができます。

INTRODUCTION: Recent advancements in functional near-infrared spectroscopy technology have offered a portable, wireless, wearable solution to measure the activity of the prefrontal cortex (PFC) in the human neuroscience field. This study is the first to validate the different contributions made by the PFC's eight subregions in healthy young adults to the reactive recovery responses following treadmill-induced unpredictable slip perturbations and vibrotactile cueing (i.e., precues). METHODS: Our fall-inducing technology platform equipped with a split-belt treadmill provided unpredictable slip perturbations to healthy young adults while walking at their self-selected walking speed. A portable, wireless, wearable, and multi-channel (48 channels) functional near-infrared spectroscopy system evaluated the activity of PFC's eight subregions [i.e., right and left dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC), ventrolateral prefrontal cortex (VLPFC), frontopolar prefrontal cortex (FPFC), and orbitofrontal cortex (OFC)] as quantified by oxyhemoglobin and deoxyhemoglobin concentrations. A motion capture system and two force plates beneath the split-belt treadmill were used to quantify participants' kinematic and kinetic behavior. All participants completed 6 trials: 2 consecutive trials without vibrotactile cueing and with a slip perturbation (control trials); 3 trials with vibrotactile cueing [2 trials with the slip perturbation (cueing trial) and 1 trial without the slip perturbation (catch trial)], and 1 trial without vibrotactile cueing and with a slip perturbation (post-control trial). The PFC subregions' activity and kinematic behavior were assessed during the three periods (i.e., standing, walking, and recovery periods). RESULTS: Compared to the walkers' standing and walking periods, recovery periods showed significantly higher and lower levels of oxyhemoglobin and deoxyhemoglobin concentrations, respectively, in the right and left DLPFC, VLPFC, and FPFC, regardless of the presence of vibrotactile cueing. However, there was no significant difference in the right and left OFC between the three periods. Kinematic analyses confirmed that vibrotactile cueing significantly improved reactive recovery responses without requiring more involvement by the PFC subregions, which suggests that the sum of attentional resources is similar in cued and non-cued motor responses. DISCUSSION: The results could inform the design of wearable technologies that alert their users to the risks of falling and assist with the development of new gait perturbation paradigms that prompt reactive responses.