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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-12199
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/1219/


Blümle, Anette

Interaktion der visuellen, somatosensorischen und vestibulären Sinnessysteme bei der Gleichgewichtskontrolle

Interaction between the visual, somatosensory and vestibular systems for the control of upright stance

Dokument1.pdf (944 KB) (md5sum: fbc5469f78504805ab1b7f67a33a0407)

Kurzfassung in Deutsch

Die Verrechnung von Sinnesmeldungen des visuellen, propriozeptiven und vestibulären Systems für die Erhaltung des Gleichgewichts wurde untersucht. Gesunde Normalpersonen und Patienten mit einem beidseitigen vollständigen Vestibularisausfall hatten die Aufgabe, sich aufrecht stehend auf einer bewegbaren Plattform zu stabilisieren. Sinusförmige Bewegungen des sie umgebenden visuellen Raumes simulierten Eigenbewegungen der Versuchspersonen (Rotationsachse im Sprunggelenk, Frequenz = 0,05 – 0,4 Hz, Amplitude = 0,25 – 12°) und führten zu sinusförmigen Körperbewegungen (Stabilisierungsreaktionen). Als visueller Reiz wurden eine reale Umgebung in Form einer bewegbaren Kabine und eine computergenerierte virtuelle Szene verglichen. Die Plattform war stationär, sinusförmig bewegt oder an die Hüftposition der Versuchsperson angekoppelt. Die Position von Kopf, Schulter und Hüfte wurde optoelektronisch gemessen. Die Stabilisierungsreaktionen, die unter Reizbedingungen mit eingeschränkten bzw. widersprüchlichen Informationen der Sinnesmeldungen der drei Sinnessysteme gemessen wurden, erlauben Rückschlüsse auf deren Verrechnung zu einer integrierten Wahrnehmung der Gleichgewichtslage.
Die visuell induzierte Körperbewegung der Normalpersonen auf stabiler Plattform zeigte einen Anstieg der Amplitude mit der Reizamplitude und für steigende visuelle Reizfrequenzen (0,05 – 0,4 Hz) ein Tiefpassverhalten. Für hohe Reizfrequenzen und Reizamplituden war die Geschwindigkeit der Körperbewegung auf 0,1°/s begrenzt. Entsprechend nahm die Verstärkung (Hüftbewegung/visuellem Reiz) mit zunehmender Reizamplitude und Reizfrequenz ab. Diese Nichtlinearität führt bei hohen Reizgeschwindigkeiten zu einer geringeren Gewichtung der visuellen Störgröße gegenüber dem propriozeptiven und dem vestibulären Signal und wirkt somit stabilisierend.
Eine in der Frontalebene bewegte Plattform (0,2°, 0,25 Hz) verschlechterte die Standstabilität nicht wesentlich. Bei größeren unregelmäßigen Plattformbewegungen, wie sie bei der Rückkopplung der Plattformkippung an die Hüftbewegung auftraten, konnten sich die Versuchspersonen deutlich schlechter stabilisieren. Der Verstärkungsfaktor nahm zu. Die Geschwindigkeit der Körperbewegung war auf 1°/s begrenzt. Das visuelle Signal wird also stärker gewichtet, da die somatosensorische Referenz eingeschränkt ist und weniger zur Gleichgewichtserhaltung beitragen kann. Wurde die Aufmerksamkeit der Versuchspersonen durch eine einfache Aufgabe wie das Vorlesen von Zahlen gebunden, so gelang es den Versuchspersonen bei rückgekoppelter Plattform noch schlechter, ihr Gleichgewicht zu stabilisieren.
Bei niederen visuellen Reizfrequenzen und -amplituden nahmen die Versuchspersonen die Reizbewegung nicht bewusst wahr, obwohl ihre visuell induzierten Körperbewegungen deutlich messbar waren. Mit zunehmenden visuellen Reizgeschwindigkeiten nahmen die Versuchspersonen die Reizbewegung häufiger wahr, da der Konflikt zwischen den Meldungen der verschiedenen Sinnessysteme deutlicher war.
Die Plattformkippung in der Frontalebene löste eine Körperschwankung in der gleichen Ebene aus, gegen die sich die Versuchsperson mit Hilfe des visuellen Eingangs stabilisierte. Der visuelle Reiz beeinflusste diese Stabilisierung. Überschritt die Geschwindigkeit der visuellen Reizbewegung (Sagittalebene) etwa 0,6°/s, so wurde die Stabilisierung gegenüber der Plattformkippung schlechter. Dies weist darauf hin, dass ein bewegter visueller Reiz nicht oder nur eingeschränkt als visuelle Referenz für die Stabilisierung genutzt wird.
Patienten mit vollständigem beidseitigen Vestibularisausfall zeigten deutlich größere Antwortamplituden als Normalpersonen, wobei der Verstärkungsfaktor bei kleinen Reizamplituden sogar >1 war. Wie bei den Normalpersonen nahm die Amplitude der Körperbewegung mit der Reizamplitude zu. Bei rückgekoppelter Plattform koppelten sich die Patienten an den visuellen Reiz an, wobei sie bei niederen Reizfrequenzen einen deutlichen Phasenvorlauf zeigten, was auf eine Nutzung der Bewegungsinformation des visuellen Reizes hinweist. Im Gegensatz zu Normalpersonen stieg die Amplitude der Körperbewegung mit zunehmender Reizfrequenz an. Bei hohen Reizamplituden waren einige Patienten nicht mehr in der Lage ihr Gleichgewicht zu stabilisieren.
Der Vergleich der Ergebnisse von Normalpersonen und Patienten auf rückgekoppelter Plattform zeigt, dass das vestibuläre System die Geschwindigkeit der visuell induzierten Körperbewegung auf einen Wert von etwa 1°/s begrenzt, wenn die somatosensorische Referenz nicht genutzt werden kann. Dieser Mechanismus ist für das gemessene Tiefpassverhalten der Normalpersonen verantwortlich. Die Experimente mit stabiler und rückgekoppelter Plattform zeigen, dass es einen weiteren Mechanismus gibt, der anhand der somatosensorischen Referenz der Körperbewegung bei unbewegter Plattform auf einen Wert von etwa 0,1°/s begrenzt.


Kurzfassung in Englisch

Control of human upright stance involves different sensory systems: vestibular, visual, proprioceptive, and somatosensory. The interaction between these sensory systems to maintain balance was investigated. The effect of visual stimuli on posture was measured while vestibular and proprioceptive cues were either present, restricted or absent. Normal subjects (Ns) and patients (Ps) with bilateral loss of vestibular function participated. They stood on a moveable platform, viewing a visual scene (either a cabin with a pattern on the inside, or a computer generated virtual scene) which was sinusoidally rotated in anterior-posterior direction (rotation axis through subjects' ankle joints; f= 0.05-0.4 Hz; A= 0.25-12°). The scene motion evoked a body sway in all subjects. The platform was either stationary (STAT), sinusoidal tilted (SIN), or its position was coupled to hip position ('body sway referenced' condition, (BSR) which inactivated the proprioceptive feedback loop of the ankle joint). During the experiments the subjects had to maintain an upright position while the head, shoulder and hip position was optoelectronically measured. The stabilizing reaction generated by conflicting or limited inputs of the three sensory systems allowed conclusions to be drawn regarding the interaction of their inputs for an integrated perception of balance.
With STAT in Ns, body sway amplitude increased with stimulus amplitude and showed a low pass characteristic, a decrease in amplitude and an increasing phase lag with increasing stimulus frequency. Body sway velocity showed a clear saturation at 0.1°/s, for high stimulus frequencies and amplitudes. Therefore gain (hip/scene) decreased with increasing stimulus amplitude and increasing stimulus frequency. These characteristics resulted in a lower weight of the visual stimulus, compared with proprioceptive and vestibular input and thus stabilized the system against conflicting visual inputs of high amplitudes.
The sinusoidal tilt of the platform in the frontal plane (0.25 Hz, 0.2°) did not impair stabilization. The irregular platform movements of high amplitude in the BSR condition led to an increased gain compared with STAT. The sway velocity saturated at 1°/s. The loss/restriction of the proprioceptive input causes this higher weight of the visual input resulting in increased sway amplitudes and gain. When the attention of the subject was demanded by a simple task, reading numbers on the screen, the performance of stance further decreased.
For small stimulus amplitudes and frequencies, subjects were not aware of the visual stimulus movement. With increasing stimulus velocity the stimulus movement was realized more frequently as the conflict between the inputs of the visual, the proprioceptive and the vestibular system became obvious.
The sinusoidal tilt of the platform in the frontal plane (0.25 Hz, 0.2°) caused a body sway in the same direction. The visual stimulus was used as a reference to stabilize the stance against this influence. With the increase of the velocity (> 0.6°/s) of the visual stimulus movement (in the anterior-posterior direction) the frontal sway amplitude increased as the visual stimulus could no longer be used as a reference.
The cabin as a real 3D visual stimulus induced higher body sway amplitudes than the computer generated stimuli. Stimuli with the full visual field generated higher body sway amplitudes than stimuli limited to the frontal visual field (90°).
With STAT, Ps reached higher sway amplitudes than Ns, but otherwise the responses were similar. Amplitude increased and gain decreased with increasing stimulus amplitude. Gain values >1 were found for low visual stimulus amplitudes. In BSR, Ps showed even higher gain values but no velocity saturation. Gain increased with stimulus frequency. Therefore, Ps lost balance for high stimulus frequencies and amplitudes.
Simulations of a simple sensory feedback model allow to suggest that Ns and Ps on stationary support surface suppress visually evoked hip excursions >0.1°/s mainly with the help of proprioceptive velocity cues. If these cues are not available (BSR), Ns suppress hip excursion >1°/s with the help of vestibular velocity cues.


SWD-Schlagwörter: Gleichgewichtssinn , Propriozeption , Regelkreis , Bewegungswahrnehmung
Freie Schlagwörter (deutsch): Vestibularisausfall , Verstärkungskontrolle , Gleichgewichtskontrolle
Freie Schlagwörter (englisch): vestibular loss , sway referenced , gain control
Institut: Institut für Biologie 1 (Zoologie)
Fakultät: Fakultät für Biologie
DDC-Sachgruppe: Biowissenschaften, Biologie
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Rossel, Samuel (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 30.01.2004
Erstellungsjahr: 2003
Publikationsdatum: 26.03.2004
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