Cutaneous stimulation of discrete regions of the sole during locomotion produces "sensory steering" of the foot

E Paul ZehrTsuyoshi NakajimaTsuyoshi NakajimaTrevor BarssTrevor BarssShow all 8 authorsTomoyoshi Komiyama

August 2014BMC Sports Science Medicine and Rehabilitation 6(1):33

DOI: 10.1186/2052-1847-6-33

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Background While the neural and mechanical effects of whole nerve cutaneous stimulation on human locomotion have been previously studied, there is less information about effects evoked by activation of discrete skin regions on the sole of the foot. Electrical stimulation of discrete foot regions evokes position-modulated patterns of cutaneous reflexes in muscles acting at the ankle during standing but data during walking are lacking. Here, non-noxious electrical stimulation was delivered to five discrete locations on the sole of the foot (heel, and medial and lateral sites on the midfoot and forefoot) during treadmill walking. EMG activity from muscles acting at the hip, knee and ankle were recorded along with movement at these three joints. Additionally, 3 force sensing resistors measuring continuous force changes were placed at the heel, and the medial and lateral aspects of the right foot sole. All data were sorted based on stimulus occurrence in twelve step-cycle phases, before being averaged together within a phase for subsequent analysis. Methods Non-noxious electrical stimulation was delivered to five discrete locations on the sole of the foot (heel, and medial and lateral sites on the midfoot and forefoot) during treadmill walking. EMG activity from muscles acting at the hip, knee and ankle were recorded along with movement at these three joints. Additionally, 3 force sensing resistors measuring continuous force changes were placed at the heel, and the medial and lateral aspects of the right foot sole. All data were sorted based on stimulus occurrence in twelve step-cycle phases, before being averaged together within a phase for subsequent analysis. Results The results demonstrate statistically significant dynamic changes in reflex amplitudes, kinematics and foot sole pressures that are site-specific and phase-dependent. The general trends demonstrate responses producing decreased underfoot pressure at the site of stimulation. Conclusions The responses to stimulation of discrete locations on the foot sole evoke a kind of “sensory steering” that may promote balance and maintenance of locomotion through the modulation of limb loading and foot placement. These results have implications for using sensory stimulation as a therapeutic modality during gait retraining (e.g. after stroke) as well as for footwear design and implementation of foot sole contact surfaces during gait.

背景人間の運動に対する全神経皮膚刺激の神経的および機械的効果は以前に研究されてきたが、足の裏の個別の皮膚領域の活性化によって引き起こされる効果についての情報は少ない。個別の足領域の電気刺激は、立位時に足首に作用する筋肉の皮膚反射の位置変調パターンを引き起こしますが、歩行中のデータは不足しています。ここでは、トレッドミル歩行中に、無害な電気刺激が足の裏の5つの個別の場所（かかと、中足と前足の内側と外側の部位）に供給されました。股関節、膝、足首に作用する筋肉からのEMG活動が、これら3つの関節の動きとともに記録されました。さらに、継続的な力の変化を測定する3つの力感知抵抗器がかかと、および右足裏の内側と外側の側面に配置されました。すべてのデータは、12のステップサイクルフェーズでの刺激の発生に基づいて並べ替えられた後、後続の分析のためにフェーズ内で平均化されました。方法トレッドミル歩行中に、無害な電気刺激が足の裏の5つの別々の場所（かかと、中足と前足の内側と外側の部位）に供給されました。股関節、膝、足首に作用する筋肉からのEMG活動が、これら3つの関節の動きとともに記録されました。さらに、継続的な力の変化を測定する3つの力感知抵抗器がかかと、および右足裏の内側と外側の側面に配置されました。すべてのデータは、12のステップサイクルフェーズでの刺激の発生に基づいて並べ替えられた後、後続の分析のためにフェーズ内で平均化されました。結果結果は、部位特異的で位相依存性の反射振幅、運動学、足裏圧の統計的に有意な動的変化を示しています。一般的な傾向は、刺激部位で足元の圧力が低下する反応を示しています。結論足裏の個別の位置の刺激に対する反応は、四肢の負荷と足の配置の変調を通じて運動のバランスと維持を促進する可能性のある一種の「感覚ステアリング」を呼び起こします。これらの結果は、歩行再訓練中（脳卒中後など）の治療法として感覚刺激を使用すること、および歩行中の履物の設計と足裏接触面の実装に影響を及ぼします。