Gait modulation in virtual reality

The present study aims at developing and testing an innovative experimental protocol to study the cortical and biomechanical dynamics underlying gait modulation in young healthy subjects. This protocol allows for the first time the investigation of the cortical activity combined with the biomechanical characterization of gait and gait modulation in a controlled and engaging virtual reality (VR) environment. Specific aims of the present work are: i. to prove that a VR setup is a valuable tool to study gait adaptation and obstacle avoidance in a standardized fashion ii. to characterize the biomechanical response to an animate moving obstacle in young healthy subjects iii. to characterize the cortical response to an animate moving obstacle in young healthy subjects This work aims at providing novel insights not only on biomechanical modulation-induced changes, which have been widely studied, but also on the neural dynamics of the supraspinal locomotor network during obstacle avoidance. As a matter of fact, this network is still largely unknown in humans during gait and gait modulation. Very few molecular imaging studies [41], [42] or neurophysiological recordings [25] have been attempted during actual gait in humans, and even less is known about the roles of the cortical structures during obstacle avoidance. Nonetheless, modulation of the gait pattern in dynamically changing environments is one of the most common activities during daily-life and may be related to instability and high risk of falling in elderly subjects and subjects suffering from neurological disorders, e.g. Parkinson’s disease (PD) [45], [46]. This study is a first step towards the application of the proposed protocol on elderly subjects and patients with neurological disorders to unveil the alterations of gait adaptation. In healthy subjects, gait adaptation has been traditionally studied through kinematic measurements in a gait laboratory during either overground walking in a gait laboratory [45], [47], [48] or treadmill walking [49] with fixed or moving inanimate obstacles [47], which are not fully representative of real-life challenges. Moreover, these kinematic studies were fundamental to characterize the changes of the gait pattern in the presence of obstacles but did not inform on the related brain areas involved. To induce an adaptation of the locomotive pattern consistent with daily-life challenges, the VR setup of this study was designed to closely resemble a real-life scenario with the presence of a virtual agent (VA), i.e., a computer-generated, animated, virtual character which is presented in the field of view of the participant. The VA was programmed to cross the participants’ pathway with a trajectory and velocity directly related to the subject’s gait parameters, thus ensuring the standardization of the presented perturbation. The protocol of the acquisition consisted of three walking sessions: i. Walking at preferred speed in conventional reality. These trials served as baseline condition representative of unperturbed linear walking in a real-life situation. ii. Walking at preferred speed in the VR. These unperturbed steady-state walking trials in VR allowed investigating the gait changes induced by the VR per se. iii. Walking in the VR environment with obstacle (i.e., VA) avoidance. The recordings have been performed in the gait laboratory of the University Hospital of Würzburg (Germany), where I developed my master thesis under the supervision of Professor Ioannis Ugo Isaias. My period abroad was sponsored by a scholarship of the Politecnico of Milano (Italy). Four male and three female young adults [range: 23-40 years, median: 28 years] without any neurological or musculoskeletal impairment, cardiovascular diseases, diabetes, or major orthopedic problems were recruited in the study. Kinematic data were recorded during the acquisitions using an optoelectronic system consisting of six cameras (SMART DX-400, BTS Bioengineering, Italy) working at a sampling rate of 100 Hz. The position of the subjects’ main body segments was determined by means of 29 retro-reflective markers with a diameter of 1.5 cm, attached on body landmarks [46] and the cortical activity was monitored with a portable high density (64 channels) electroencephalography device (Sessantaquattro, OTB, Italy). All devices were synchronized with the use of a Transistor-Transistor Logic (TTL). Kinematic and cortical data underwent a pre-processing phase to be cleaned from artefacts for further analysis. The evaluation of the biomechanical induced changes first aimed at identifying a time window of gait modulation, i.e., the period in which the participant reacted to the VA by adapting their gait pattern. This modulation window was defined as the time between the onset of the movement of the VA to the instant when the subject regained normal (preferred) gait speed after passing the VA. The normal (preferred) gait speed was defined for each subject based on gait recordings in VR without the VA (i.e., unperturbed trials). The subject velocity was monitored by means of the marker placed on the middle point between the Posterior Superior Iliac Spines (PSIS), which approximate the Center of Mass (CoM) [103]. Three subsequent strides called first, second and third modulator were analyzed inside the modulation window to have a full temporal characterization of the gait adaptation. The main kinematic spatiotemporal parameters (i.e., stride duration, width, length, and velocity) were extracted for each modulator and compared with the parameters of the unperturbed VR trials. Moreover, spatiotemporal parameters of the unperturbed VR trials were compared with trials in conventional reality to investigate possible gait changes induced by the VR per se. Additionally, the antero-posterior and medio-lateral adaptation strategies were examined during the modulation window. The antero-posterior analysis allowed to identify the trials with acceleration or deceleration behavior: the subjects were free to overcome the obstacle (i.e., VA) or to decrease gait velocity and let the VA pass. With regards to the medio-lateral adaptation strategy, the mean direction of the gait progression of the subject in the transversal plane for perturbed VR trials was computed and compared with the mean direction adopted during two steady-state strides of unperturbed gait in VR. Subsequently, lateral deviations with respect to the walking direction were evaluated to quantify medio-lateral oscillations. These results allowed to identify a possible medio-lateral (avoidance) strategy in response to the agent movement (e.g., if the subjects directed the walking path opposite to or towards the agent). Electroencephalographic (EEG) data analysis has been developed in time (e.g., Event-Related Potential [ERP]), spectral (e.g., Power Spectral Density [PSD]), as well as time-frequency domain (e.g., Event-Related Spectral Perturbation [ERSP]) to quantify amplitude and frequency modulations in relation to specific fiducial events responsible of triggering behavioral responses. Specifically, these analyses were used to highlight a possible modulation-induced cortical activity during the modulators and after the onset of the stimulus (i.e., when the VA started walking) in specific cortical areas related to the motor control, i.e., Primary Motor Cortex (M1), Supplementary Motor Area (SMA) and Parietal Cortex (PC). The results of this work first demonstrated the VR Ambient to be a valuable tool for the study of gait modulation, as no changes were shown in the gait pattern of the participants when comparing spatiotemporal values of the unperturbed VR condition with respect to walking in conventional reality. Second, gait adaptation proved to be characterized by decreased stride length and velocity. Participants showed a substantial decrease in stride length and velocity of the first modulator with respect to the unperturbed VR condition, followed by a progressive return to baseline walking values during the second and third modulators. Stride duration and stride width showed no consistency between subjects, thus being very differentiated during all modulators. Moreover, destabilization of the gait pattern in young adults when approaching the VA was significantly appreciable as the direction of gait showed a substantial deviation from the ideal straight line (i.e., antero-posterior axis) and the range of medio-lateral oscillations increased, demonstrating greater derangements of the locomotive pattern with respect to the unperturbed VR condition. Finally, EEG analyses demonstrated no increased activity of the considered cortical areas during the modulators, whereas a significant increase in the activity of the SMA contralateral to the foot in modulation (i.e., the first modulator) was found after the onset of the movement of the VA. This increased activity was consistently localized in the high-alpha and low-beta bands with a latency of around 400 ms. These results suggest that the cortical response to the VA is implemented in the milliseconds immediately following the stimulus and it involves the SMA, considered to be of importance when dealing with gait modulation [41], [42]. SMA contralateral to the first modulator could be directly in charge of triggering a reaction in the leg muscles of the first modulator to induce a biomechanical modulation in the foot placement. The adaptation of the gait pattern in response to the VA is then on-lined tuned during the modulators in the spinal cord. In conclusion, the results of the present work provide some useful information on the mechanisms of adaptation of the gait parameters when dealing with an animate moving obstacle, concerning a complete characterization of gait modulation from the biomechanical and cortical point of view. Moreover, the reliability, immersivity and safety of the VR setup proved this ambient to be a valuable research tool to study abnormalities of gait adaptation also in patients suffering from neurological disorders (e.g., PD).

Il presente studio ha l’intento di sviluppare e testare un protocollo sperimentale innovativo per studiare le dinamiche corticali e biomeccaniche alla base della modulazione del cammino in soggetti giovani e sani. Questo protocollo permette per la prima volta l'indagine dell'attività corticale combinata con la caratterizzazione biomeccanica della deambulazione e della modulazione dell'andatura in un ambiente di realtà virtuale (VR) controllato e coinvolgente. Obiettivi specifici del presente lavoro sono: i. dimostrare che un setup VR è uno strumento affidabile per studiare l'adattamento del cammino nell’approccio ad ostacoli in modo standardizzato ii. caratterizzare la risposta biomeccanica ad un ostacolo animato ed in movimento in giovani soggetti sani iii. caratterizzare la risposta corticale ad un ostacolo animato ed in movimento in giovani soggetti sani Questo lavoro mira a fornire nuovi approfondimenti non solo sui cambiamenti biomeccanici indotti dalla modulazione, che sono stati ampiamente studiati, ma anche sulle dinamiche neurali della rete locomotoria sopraspinale nell’evitare gli ostacoli. In effetti, questa rete è ancora in gran parte sconosciuta negli esseri umani sia durante il cammino non perturbato, sia, maggiormente, durante la modulazione dell'andatura. Pochissimi studi di imaging molecolare [41], [42] o registrazioni neurofisiologiche [25] sono stati attuati durante il cammino reale negli esseri umani, ed ancora meno è noto sui ruoli delle strutture corticali durante l’approccio agli ostacoli. Tuttavia, la modulazione del cammino in ambienti in rapido cambiamento è una delle attività più comuni durante la vita quotidiana e può essere correlata all'instabilità e all'alto rischio di caduta in soggetti anziani e soggetti affetti da disturbi neurologici, come ad esempio il morbo di Parkinson [45], [46]. Questo studio è un primo passo verso l'applicazione del protocollo proposto su soggetti anziani e pazienti con disturbi neurologici per svelare le alterazioni dell'adattamento dell'andatura. Nei soggetti sani, l'adattamento della deambulazione è stato tradizionalmente studiato attraverso misurazioni cinematiche in laboratori di analisi del cammino durante la camminata sul terreno [45], [47], [48] o durante la camminata su tapis roulant [49] con ostacoli inanimati fissi o in movimento [47], che non sono pienamente rappresentativi delle sfide della vita reale. Inoltre, questi studi cinematici sono stati fondamentali per caratterizzare i cambiamenti del pattern locomotorio in presenza di ostacoli, ma non hanno fornito informazioni sulle relative aree cerebrali coinvolte. Per indurre un adattamento della locomozione coerente con le sfide della vita quotidiana, il setup VR di questo studio è stato progettato per assomigliare strettamente a uno scenario di vita reale con la presenza di un agente virtuale (VA), cioè un personaggio virtuale animato e generato dal computer, che viene presentato nel campo visivo del partecipante. L'obiettivo del VA è quello di attraversare il percorso dei partecipanti con una traiettoria e una velocità direttamente correlate ai parametri dell'andatura del soggetto, garantendo così la standardizzazione dell'ostacolo presentato. Il protocollo di acquisizione è definito da tre sessioni di cammino: i. Cammino a velocità preferita in realtà convenzionale. Queste prove servono come condizione rappresentativa del cammino lineare non perturbato in una situazione di vita reale. ii. Cammino a velocità preferita in ambiente di VR. Queste prove sono rappresentative della condizione di cammino non perturbato in ambiente di VR e permettono di indagare i cambiamenti dell'andatura indotti dalla VR in sé. iii. Cammino in ambiente di VR con presenza di ostacolo (VA) Le registrazioni sono state effettuate nel laboratorio di analisi del cammino dell'Ospedale Universitario di Würzburg (Germania), dove ho sviluppato la mia tesi sotto la supervisione del Professor Ioannis Ugo Isaias. Il mio periodo all'estero è stato sponsorizzato da una borsa di studio del Politecnico di Milano (Italia). Nello studio sono stati reclutati quattro giovani adulti maschi e tre giovani adulte femmine [range: 23-40 anni, mediana: 28 anni] senza alcuna compromissione neurologica o muscoloscheletrica, malattie cardiovascolari, diabete o gravi problemi ortopedici. I dati cinematici sono stati registrati durante le acquisizioni utilizzando un sistema optoelettronico costituito da sei telecamere (SMART DX-400, BTS Bioengineering, Italia) con una frequenza di campionamento di 100 Hz. La posizione dei principali segmenti corporei dei soggetti è stata determinata mediante 29 marcatori retroriflettenti dal diametro di 1,5 cm, fissati su punti di riferimento anatomici [46]. L'attività corticale è stata monitorata con un dispositivo portatile ad alta densità (64 canali) per l’elettroencefalografia (Sessantaquattro, OTB, Italia). Tutti i dispositivi sono stati sincronizzati con l'uso di una Logica Transistore - Transistore (TTL). I dati cinematici e corticali sono stati sottoposti ad una fase di preelaborazione per essere puliti da artefatti. La valutazione dei cambiamenti biomeccanici indotti dalla modulazione ha avuto, prima di tutto, l’obiettivo di identificare una finestra temporale di modulazione del cammino, cioè il periodo in cui il soggetto ha reagito al VA adattando la sua andatura. Questa finestra di modulazione è stata definita come il tempo intercorso tra l'inizio del movimento del VA e l'istante in cui il soggetto ha riacquistato la velocità normale (preferita) di andatura dopo aver superato il VA. La velocità normale (preferita) del cammino è stata definita per ogni soggetto in base alle registrazioni in VR senza VA (ovvero, le prove non perturbate). La velocità del soggetto è stata monitorata tramite il marker posto sul punto medio tra le Spine Iliache Posteriori Superiori (PSIS), che approssima il Centro di Massa (CoM) [103]. All'interno della finestra di modulazione sono stati analizzati tre passi successivi chiamati primo, secondo e terzo modulatore per avere una completa caratterizzazione temporale dell'adattamento del cammino. I principali parametri cinematici spazio-temporali (ovvero, la durata, la larghezza, la lunghezza e la velocità del passo) sono stati estratti per ogni modulatore e confrontati con i parametri delle prove in VR non perturbate. Inoltre, i parametri spazio-temporali delle prove in VR non perturbate sono stati confrontati con i parametri delle prove in realtà convenzionale per indagare i possibili cambiamenti dell'andatura indotti dalla VR in sé. In aggiunta, le strategie di adattamento antero-posteriore e medio-laterale sono state esaminate durante la finestra di modulazione. L'analisi antero-posteriore ha permesso di identificare i cammini con comportamento di accelerazione o decelerazione: i soggetti erano liberi di superare l'ostacolo (VA) o di diminuire la velocità di andatura e lasciare passare il VA. Per quanto riguarda la strategia di adattamento medio-laterale, è stata calcolata la direzione media di progressione del cammino del soggetto nel piano trasversale per le prove in VR perturbate e confrontata con la direzione media adottata durante due passi di cammino nelle prove in VR non perturbate. Successivamente, le deviazioni laterali rispetto alla direzione di marcia sono state valutate per quantificare le oscillazioni medio-laterali. Questi risultati hanno permesso di identificare una possibile strategia di scarto in risposta al movimento dell'agente (ad esempio, se i soggetti hanno diretto il percorso di camminata opposto o verso l'agente). L'analisi dei dati elettroencefalografici (EEG) è stata sviluppata nel tempo (ovvero, Potenziale Evento-Correlato [ERP]), in frequenza (ovvero, Densità Spettrale di Potenza [PSD]), così come nel dominio del tempo-frequenza (ovvero, Perturbazione Spettrale Evento-Correlata [ERSP]) per quantificare le modulazioni di ampiezza e frequenza in relazione a specifici eventi fiduciari responsabili dell'attivazione di risposte comportamentali. In particolare, queste analisi sono state utilizzate per evidenziare l'attività corticale indotta dalla modulazione durante i modulatori e dopo l'inizio dello stimolo (ovvero, quando il VA ha iniziato a camminare) in specifiche aree corticali relative al controllo motorio.