Learning and consolidation of postural skills by exercise on balance board

LEARNING AND CONSOLIDATION OF POSTURAL SKILLS BY EXERCISE ON BALANCE BOARD C.Cavallaro, A.Casabona, M.S.Valle, G.Castorina, M.Cioni Gait Analysis Laboratory , Residency Program – Rehabilitation Medicine , University of Catania, Italy Department of Clinical and Molecular BioMedicine, University of Catania, Italy Department of Bio-Medical Science, section of Physiology, University of Catania, Italy INTRODUCTION The use of oscillating boards is very common in various rehabilitation protocols to improve upstanding postural stability. The destabilizing effect generated by the platform drives the nervous system to encode new patterns of motor control so that muscles and joints can produce adequate postural mechanics. How much does it really know of the process of learning and memory that underlie the beneficial effects of these devices on the rehabilitation outcomes? In order to study these mechanisms, we quantified the postural improvement during the use of a balance board oscillating along all directions. We identified the timing of postural learning its long-term consolidation and, in particular, we examined whether the distribution of the practice could significantly influence the level of learning. The results of this research can provide the normative basis for optimizing the timing and patterns of application of these devices in postural rehabilitation programs. MATERIALS AND METHODS We have recruited 16 healthy, male adults. The task was to maintain the oscillating board (diameter 40 cm) in the horizontal position for 20 seconds. The experimental protocol included two practice sessions each of 8 trials (S1 and S2) and, a week after the completion of practice, a retention test of 8 trials, was performed to verify the consolidation of the performance. The subjects were randomly distributed into two groups: one group executed practice sessions separated by 20 minutes (1-day), while for the second group, S1 and S2 were separated by 24 hours interval (2-days). Eight reflecting markers applied to the board were captured by 8 infrared cameras (SMART-D, BTS Milan), to allow the following reconstruction of three-dimensional oscillations. The amplitude and the variability of the board oscillations were measured comparing the normal vector of the board with the normal vector of the horizontal plane. The vectors were calculated by solving the equation of the plane based on the coordinates values of 3 of 8 markers. The amplitude of the board oscillations was expressed as the angle between the board and the horizontal plane while the variability was assessed by computing the root mean square error (RMSE) and the approximate entropy. Statistical analysis was performed by comparing trials, sessions and groups by three-way ANOVA for repeated measures on trials and sessions. RESULTS All subjects greatly improved the performance during the two practice sessions. However, from S1 to S2, the mean amplitude of board oscillations, measured independently from the direction, reduced more in members of group 2-days than in those of group 1-day. The main effects of session (F = 66.19, p <0.0001), and trial (F = 10.07, p <0.0001), were highly significant, but the main effect of group (F = 3.17, p = 0.09) was not significant. In addition, the interaction of group × session was significant (F = 5.63, p <0.05), indicating that the changes of the amplitude of the platform swings, between S1 and S2, were influenced by the difference between the groups. Furthermore, during the retention test the average angle of oscillation of group 2-days was lower than those of group 1-day (p <0.01). The main changes of board angular excursions occurred along the anterior-posterior direction both for the amplitude and the variability. The results of the statistical analysis for anterior-posterior direction were similar to those obtained from the analysis of oscillations measured independently from the direction. Instead, in the medial-lateral direction, the angular variations and the analysis of the variability were not statistically significant between the two groups. CONCLUSIONS The statistical results showed that the use of balance boards can strongly improve postural stability in a few trials. Moreover, the distribution of practice, with rest periods between sessions of one day, further improves the learning process of new postural skill and contributes to its maintenance in the long-term memory. Finally, the changes of angular oscillations along the anterior-posterior axis are more sensitive to learning with respect to the variations in medial-lateral direction. Our intent for the future is to apply the basic knowledge obtained from these experiments to implement new protocols for the rehabilitation of balance disorders associated with neurological or orthopedic impairments.

APPRENDIMENTO E CONSOLIDAMENTO DELLE ABILITÀ POSTURALI TRAMITE L’IMPIEGO DI TAVOLA OSCILLANTE C.Cavallaro, A.Casabona, M.S.Valle, G.Castorina, M.Cioni Lab.Analisi del Cammino, Scuola di Specializzazione in Medicina Fisica e Riabilitativa, Università di Catania (2) Dipartimento di Biomedicina Clinica e Molecolare, Università di Catania (3) Dipartimento di Scienze Bio-Mediche, sezione di Fisiologia, Università di Catania INTRODUZIONE L’uso delle tavole oscillanti è molto comune nei diversi protocolli riabilitativi che puntano ad incrementare la stabilità posturale durante la stazione eretta. L’effetto destabilizzante generato dall’impiego di queste tavole induce il sistema nervoso a codificare nuovi pattern di controllo motorio sollecitando muscoli ed articolazioni a produrre un’adeguata meccanica posturale. Ma quanto realmente conosciamo dei processi di apprendimento e memoria che sono alla base degli effetti benefici di questi dispositivi sul processo riabilitativo? Allo scopo di studiare questi meccanismi abbiamo quantificato il miglioramento posturale durante l’uso di una tavola che oscillava in tutte le direzioni. Sono stati individuati i tempi dell’apprendimento, la presenza di un consolidamento a lungo termine ed, in particolare, abbiamo verificato se la distribuzione della pratica potesse influenzare in maniera significativa il livello di apprendimento. Riteniamo che i risultati di questa ricerca possano fornire la base normativa per ottimizzare i tempi e le modalità d’impiego di questi dispositivi nei programmi di riabilitazione posturale. MATERIALI E METODI Sono stati reclutati 16 volontari, maschi, adulti e sani. Il compito consisteva nel mantenere la tavola (40 cm di diametro) in equilibrio per 20 sec. Erano previste 2 sessioni di pratica di 8 prove ciascuna (S1 e S2) e dopo una settimana una sessione di richiamo, sempre di 8 prove, per verificare il consolidamento della prestazione. I soggetti sono stati suddivisi in modo casuale in due gruppi, sulla base della pausa fra le due sessioni di pratica: un gruppo concentrava le 2 sessioni in un solo giorno (1-day) con 20 minuti di pausa tra S1 e S2; il secondo gruppo effettuava le due sessioni con 24 ore di intervallo (2-days). Otto marker catarifrangenti, applicati alla pedana e rilevati da 8 videocamere ad infrarossi (SMART-D, BTS Milano), permettevano la ricostruzione tridimensionale delle oscillazioni. L’ampiezza e la variabilità delle oscillazioni erano misurate comparando il vettore normale al piano della tavola con il vettore normale al piano orizzontale. I vettori erano calcolati risolvendo l’equazione del piano sulla base delle coordinate di tre degli otto marker. L’ampiezza delle oscillazioni veniva espressa in funzione dell’angolo della tavola rispetto all’orizzontale e la variabilità era quantificata calcolando la radice dell’errore quadratico medio e l’approximate entropy. L’analisi statistica era effettuata comparando le prove, le sessioni ed i gruppi tramite ANOVA a tre vie per misure ripetute per le prove e le sessioni. RISULTATI Tutti i soggetti hanno migliorato notevolmente la performance durante le due sessioni di pratica. Tuttavia, da S1 a S2, l'ampiezza media delle oscillazioni della tavola, misurata indipendentemente dalla direzione, si è ridotta maggiormente nei soggetti del gruppo 2-days rispetto a quelli del gruppo 1-day. L'effetto principale sia delle sessioni (F = 66.19, p <0,0001) che delle prove (F = 10,07, p <0,0001) era statisticamente molto significativo, invece l'effetto principale del gruppo non era significativo (F = 3.17, p= 0,09). L'interazione gruppo × sessione è risultata significativa (F = 5.63, p <0,05), indicando che le variazioni d'ampiezza delle oscillazioni tra S1 e S2 sono state influenzate dalla differenza tra i gruppi. Inoltre, nella sessione di richiamo l’ampiezza media delle oscillazioni nel gruppo 2-days era minore rispetto al gruppo 1-day (p <0,01). Le principali variazioni si sono verificate lungo la direzione antero-posteriore sia in termini di ampiezza che di variabilità delle oscillazioni. I risultati sono stati statisticamente simili a quelli ottenuti dall’analisi delle oscillazioni indipendentemente dalla direzione. Nella direzione medio-laterale, invece, non sono state riscontrate variazioni statisticamente significative tra i due gruppi sia per l’ampiezza che per la variabilità delle oscillazioni. CONCLUSIONI I risultati dell’analisi statistica hanno dimostrato che l’uso della tavola oscillante può migliorare marcatamente la stabilità posturale in poche ripetizioni. Inoltre, la pratica distribuita nel tempo, 1 giorno di pausa fra le sessioni, migliora ulteriormente il processo di apprendimento di una nuova abilità posturale e ne permette la memorizzazione a lungo termine. Infine, le oscillazioni lungo l’asse antero-posteriore sono risultate quelle più sensibili all’apprendimento rispetto a quelle verso la direzione medio-laterale. Il nostro intento, per il prossimo futuro, è di applicare le conoscenze di base ottenute da questi esperimenti per implementare nuovi protocolli di riabilitazione dei disturbi dell’equilibrio associati a disabilità di origine neurologica od ortopedica.