Key gait findings for diagnosing three syndromic categories of dynamic instability in patients with balance disorders

With the emergence of affordable, clinical-orientated gait analysis techniques, clinicians may benefit from a general understanding of quantitative gait analysis procedures and their clinical applications. This article provides an overview of the potential of a quantitative gait analysis for decision support in three clinically relevant scenarios of early stage gait disorders: scenario I: gait ataxia and unsteadiness; scenario II: hypokinesia and slow gait; scenario III: apparently normal gait with a specific fall tendency in complex mobility situations. In a first part, we justify the advantages of standardized data collection and analysis procedures including data normalization and dimensionality reduction techniques that facilitate clinical interpretability of instrument-based gait profiles. We then outline typical patterns of pathological gait and their modulation during different walking conditions (variation of speed, sensory perturbation, and dual tasking) and highlight key aspects that are particularly helpful to support and guide clinical decision-making

Long-Range Hydrophobic Attraction Between Graphene and Water/Oil Interfaces

Long-range hydrophobic attractions between mesoscopic surfaces in water play an important role in many colloid and interface phenomena. Despite being studied by several approaches, the origin of these forces has yet to be adequately explained. While previous research has focused on solid/water/solid and solid/water/air scenarios, we investigated a solid/water/liquid situation to gain additional insight. We directly measured the long-range interactions between a solid and a hydrophobic liquid separated by water using force spectroscopy, where colloidal probes were coated with graphene oxide (GO) to interact with immobilized heptane droplets in water. We detected attractions with a range of ~0.5 {\mu}m that cannot be explained by standard Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek (DLVO) theory. When the GO was reduced to rGO to become more hydrophobic, these forces increased in strength and ranged up to 1.2 {\mu}m. This suggests that the observed attractions result from long-range hydrophobic forces. Based on our results, we propose air bubbles attached to the colloidal probe and molecular rearrangement at the water/oil interface as possible origins of the observed interactions. This knowledge will be useful to understand and motivate the formation of emulsions using 2D materials and other amphiphilic/hydrophobic particles

Vestibulo-zerebelläre Mechanismen der menschlichen Haltungsregulation

Die menschliche Lokomotionskontrolle ist sowohl durch eine hohe dynamische Stabilität als auch durch einen hohen Grad and Flexibilität und Adaptabilität gekennzeichnet. Stabilität und Adaptabilität sind für die jeweilige Anpassung des Gangmusters an externe Umweltbedingungen verantwortlich. Hierbei spielen neben passiven, biomechanischen Eigenschaften des Haltungsapparates vor allem sensorische, vestibuläre Rückkopplungsprozesse eine wesentliche Rolle. Kommt es zu Störungen der vestibulären Afferenz bzw. zu Erkrankungen des Kleinhirns so resultiert regelhaft eine Störung der posturalen Kontrolle mit dem Auftreten einer Gangataxie (Palliyath et al., 1998), wobei je nach Schädigungsort unterschiedliche Funktionen des Gehens gestört sein können (Morton et al., 2004, Morton and Bastian, 2007). Häufig steht die Gangataxie im Mittelpunkt der Symptombeschreibung der Patienten und hat weitreichende Konsequenzen für die Mobilität und soziale Teilhabe (Fonteyn et al., 2010). Zudem führt eine Gangataxie zu einem erhöhten Risiko für Stürze. Populationsbasierte Studien gehen von einer Sturzprävalenz von bis zu 70% in Patienten mit vestibulären und zerebellären Erkrankungen aus (Gazzola et al., 2006, Schlick et al., 2016). Für die klinische Versorgung von Patienten mit chronischen vestibulären oder zerebellären Erkrankungen sind die Behandlung der Gangstörung zur Verbesserung der Mobilität und das Vermeiden von Sturzereignissen wesentlich. Vorrausetzung hierfür ist das Wissen über die funktionelle Anatomie und Verbindung von vestibulärem System und Kleinhirn. Das vestibuläre System erfasst Rotationsbeschleunigungen über die Bogengänge und Linearbeschleunigungen sowie Schwerkraft über die Otholithenorgane (Benson et al., 1990). Es ist damit ganz wesentlich an der Stabilisierung der aufrechten menschlichen Haltung beteiligt. Hauptintegrationspunkt vestibulärer Haltungskontrolle sind die Vestibulariskerngebiete im Pons. Von hier laufen deszendierende Fasern zur den ipsilateralen γ- und α-Motoneurone und unterstützen dabei Halte- und Stellreflexe. Dabei scheint ein enge Kopplung and propriozeptive Afferenzen auf spinaler Ebene zu bestehen (Dietz et al., 1984, Keck et al., 1998). Neben den vestibulospinalen Funktionen bestehen enge anatomische und funktionelle Verbindungen des Vestibulariskerngebiets zur den okulomotorischen Zentren des Hirnstamms. Diese anatomische Verbindung dient der direkten vestibulo-okulären Reflexkontrolle, welche v.a. bei schnellen Kopfbewegungen relevant wird (Zee and Leigh, 1983). Weitere Projektionsbahnen des vestibulären Systems ziehen zu Thalamus (Dieterich and Brandt, 2001) und Inselregion (Dieterich and Brandt, 1993) und repräsentieren höhere vestibuläre Funktionen, wie z.B. die Vertikalenwahrnehmung (Brandt and Dieterich, 2000) oder Raumwahrnehmung. Das Kleinhirn erhält wesentlichen sensorischen Input aus dem propriozeptiven, somatosensiblen System, aus dem visuellen und aus dem vestibulären System. Vor allem in mittelliniennahen Strukturen des Kleinhirns, vornehmlich in Vermis und Flokkulus/Nodulus werden sensorische Informationen integriert und über die tiefen Kleinhirnkerne wieder in unterschiedliche motorische Subsysteme verschaltet (Voogd and Glickstein, 1998). Die Kleinhirnhemisphären sind sowohl in spinale, pontine und kortikale, primär motorische Kontrollschleifen involviert. Diese scheinen an der zeitlichen Präzision, der Mehrgelenkskoordination und in der Erzeugung von Afferenz/Efferenzkopie Systemen beteiligt zu sein (Mori et al., 2004). Somit stellt das Kleinhirn die wesentliche zerebrale Kontrollstruktur für Koordination und sensorische Integration während menschlicher Haltungskontrolle dar. Die Schwerpunkte der für die Habilitation relevanten wissenschaftlichen Arbeiten liegen in der Evaluation des Stellenwerts der Bewegungsanalyse zur Charakterisierung von Stabilität während des Gehens in Patienten mit vestibulären und zerebellären Erkrankungen und in deren klinischer Evaluation für Diagnose und Therapiesteuerung. 1. Untersuchung funktioneller Zusammenhänge zwischen vestibulärer Signalverarbeitung, zerebellärer Haltungsregulation und Extremitätenkoordination während des Gehens sowie deren Auswirkungen auf die dynamische Stabilität von Patienten. Übergeordnetes Ziel dieses Projektarms ist die Identifikation von neurophysiologischen Risikofaktoren für Sturzereignisse in Patienten mit vestibulären und zerebellären Störungen. 2. Untersuchung der Anwendbarkeit von Markern der dynamischen Stabilität während des Gehens zur differentialdiagnostischen Unterscheidung vestibulo-zerebellärer Gangstörungen. Zudem sollte die Möglichkeit zur Etablierung von Stabilitätsparametern zur Erfassung von therapierelevanten Veränderungen im Rahmen von Interventionsstudien evaluiert werden. 3. Untersuchung eines neuen Therapieansatzes mittels sensorischer Stimulation zur Verbesserung der dynamischen Stabilität in Patienten mit vestibulären Gangstörunge

Vestibulo-zerebelläre Mechanismen der menschlichen Haltungsregulation

Die menschliche Lokomotionskontrolle ist sowohl durch eine hohe dynamische Stabilität als auch durch einen hohen Grad and Flexibilität und Adaptabilität gekennzeichnet. Stabilität und Adaptabilität sind für die jeweilige Anpassung des Gangmusters an externe Umweltbedingungen verantwortlich. Hierbei spielen neben passiven, biomechanischen Eigenschaften des Haltungsapparates vor allem sensorische, vestibuläre Rückkopplungsprozesse eine wesentliche Rolle. Kommt es zu Störungen der vestibulären Afferenz bzw. zu Erkrankungen des Kleinhirns so resultiert regelhaft eine Störung der posturalen Kontrolle mit dem Auftreten einer Gangataxie (Palliyath et al., 1998), wobei je nach Schädigungsort unterschiedliche Funktionen des Gehens gestört sein können (Morton et al., 2004, Morton and Bastian, 2007). Häufig steht die Gangataxie im Mittelpunkt der Symptombeschreibung der Patienten und hat weitreichende Konsequenzen für die Mobilität und soziale Teilhabe (Fonteyn et al., 2010). Zudem führt eine Gangataxie zu einem erhöhten Risiko für Stürze. Populationsbasierte Studien gehen von einer Sturzprävalenz von bis zu 70% in Patienten mit vestibulären und zerebellären Erkrankungen aus (Gazzola et al., 2006, Schlick et al., 2016). Für die klinische Versorgung von Patienten mit chronischen vestibulären oder zerebellären Erkrankungen sind die Behandlung der Gangstörung zur Verbesserung der Mobilität und das Vermeiden von Sturzereignissen wesentlich. Vorrausetzung hierfür ist das Wissen über die funktionelle Anatomie und Verbindung von vestibulärem System und Kleinhirn. Das vestibuläre System erfasst Rotationsbeschleunigungen über die Bogengänge und Linearbeschleunigungen sowie Schwerkraft über die Otholithenorgane (Benson et al., 1990). Es ist damit ganz wesentlich an der Stabilisierung der aufrechten menschlichen Haltung beteiligt. Hauptintegrationspunkt vestibulärer Haltungskontrolle sind die Vestibulariskerngebiete im Pons. Von hier laufen deszendierende Fasern zur den ipsilateralen γ- und α-Motoneurone und unterstützen dabei Halte- und Stellreflexe. Dabei scheint ein enge Kopplung and propriozeptive Afferenzen auf spinaler Ebene zu bestehen (Dietz et al., 1984, Keck et al., 1998). Neben den vestibulospinalen Funktionen bestehen enge anatomische und funktionelle Verbindungen des Vestibulariskerngebiets zur den okulomotorischen Zentren des Hirnstamms. Diese anatomische Verbindung dient der direkten vestibulo-okulären Reflexkontrolle, welche v.a. bei schnellen Kopfbewegungen relevant wird (Zee and Leigh, 1983). Weitere Projektionsbahnen des vestibulären Systems ziehen zu Thalamus (Dieterich and Brandt, 2001) und Inselregion (Dieterich and Brandt, 1993) und repräsentieren höhere vestibuläre Funktionen, wie z.B. die Vertikalenwahrnehmung (Brandt and Dieterich, 2000) oder Raumwahrnehmung. Das Kleinhirn erhält wesentlichen sensorischen Input aus dem propriozeptiven, somatosensiblen System, aus dem visuellen und aus dem vestibulären System. Vor allem in mittelliniennahen Strukturen des Kleinhirns, vornehmlich in Vermis und Flokkulus/Nodulus werden sensorische Informationen integriert und über die tiefen Kleinhirnkerne wieder in unterschiedliche motorische Subsysteme verschaltet (Voogd and Glickstein, 1998). Die Kleinhirnhemisphären sind sowohl in spinale, pontine und kortikale, primär motorische Kontrollschleifen involviert. Diese scheinen an der zeitlichen Präzision, der Mehrgelenkskoordination und in der Erzeugung von Afferenz/Efferenzkopie Systemen beteiligt zu sein (Mori et al., 2004). Somit stellt das Kleinhirn die wesentliche zerebrale Kontrollstruktur für Koordination und sensorische Integration während menschlicher Haltungskontrolle dar. Die Schwerpunkte der für die Habilitation relevanten wissenschaftlichen Arbeiten liegen in der Evaluation des Stellenwerts der Bewegungsanalyse zur Charakterisierung von Stabilität während des Gehens in Patienten mit vestibulären und zerebellären Erkrankungen und in deren klinischer Evaluation für Diagnose und Therapiesteuerung. 1. Untersuchung funktioneller Zusammenhänge zwischen vestibulärer Signalverarbeitung, zerebellärer Haltungsregulation und Extremitätenkoordination während des Gehens sowie deren Auswirkungen auf die dynamische Stabilität von Patienten. Übergeordnetes Ziel dieses Projektarms ist die Identifikation von neurophysiologischen Risikofaktoren für Sturzereignisse in Patienten mit vestibulären und zerebellären Störungen. 2. Untersuchung der Anwendbarkeit von Markern der dynamischen Stabilität während des Gehens zur differentialdiagnostischen Unterscheidung vestibulo-zerebellärer Gangstörungen. Zudem sollte die Möglichkeit zur Etablierung von Stabilitätsparametern zur Erfassung von therapierelevanten Veränderungen im Rahmen von Interventionsstudien evaluiert werden. 3. Untersuchung eines neuen Therapieansatzes mittels sensorischer Stimulation zur Verbesserung der dynamischen Stabilität in Patienten mit vestibulären Gangstörunge

Enhancing polyimide\u27s water barrier properties through addition of functionalized graphene oxide

Graphene oxide produced by Tour\u27s method (GO) and GO functionalized with 4-4\u27 oxydianiline (ODAGO) are incorporated at 0.01 to 0.10 weight percent (wt%) into a polyimide (PI) made from 3,3\u27-benzophe-nonetetracarboxylic dianhydride (BTDA) and 4-4\u27 oxydianiline (ODA). The performance properties of these two systems GO-PI and ODAGO-PI at extremely low GO concentrations are compared. ODAGO-PI nanocomposite\u27s performance properties are comparable to previous results citing concentrations 10 times higher and displayed significantly greater improvement than unfunctionalized GO-PI films. The 0.01 wt% ODAGO-PI film demonstrated a factor of ten decrease in water vapor permeability. The 0.10 wt% ODAGO-PI film displayed the maximum increase of 82% in Young\u27s modulus. The water vapor permeability results were fit to the Nielsen law. We found that the model yielded unphysically large aspect ratios for the 0.01 wt% ODAGO-PI, 100 times larger than the AFM-measured value. For the GO-PI, we observe less enhancement of the barrier properties. The large aspect ratio indicates tortuosity effects alone cannot explain the enhanced barrier properties. We propose that the improved barrier properties are also due to a stabilizing effect of the flakes on the polymer matrix, where reduced mobility of the PI chain reduces diffusion through the polymer matrix. ATR-FTIR, WAXS, Raman and T-g results support this view. (C) 2016 Elsevier Ltd. All rights reserved

AFM-based mechanical characterization of single nanofibres

Nanofibres are found in a broad variety of hierarchical biological systems as fundamental structural units, and nanofibrillar components are playing an increasing role in the development of advanced functional materials. Accurate determination of the mechanical properties of single nanofibres is thus of great interest, yet measurement of these properties is challenging due to the intricate specimen handling and the exceptional force and deformation resolution that is required. The atomic force microscope (AFM) has emerged as an effective, reliable tool in the investigation of nanofibrillar mechanics, with the three most popular approaches—AFM-based tensile testing, three-point deformation testing, and nanoindentation—proving preferable to conventional tensile testing in many (but not all) cases. Here, we review the capabilities and limitations of each of these methods and give a comprehensive overview of the recent advances in this field

Surface oxide net charge of a titanium alloy Comparison between effects of treatment with heat or radiofrequency plasma glow discharge

In the current study we have compared the effects of heat and radiofrequency plasma glow discharge (RFGD) treatment of a Ti6Al4V alloy on the physico chemical properties of the alloys surface oxide Titanium alloy (Ti6Al4V) disks were passivated alone heated to 600 C or RFGD plasma treated in pure oxygen RFGD treatment did not alter the roughness topography elemental composition or thickness of the alloys surface oxide layer In contrast heat treatment altered oxide topography by creating a pattern of oxide elevations approximately 50-100 nm in diameter These nanostructures exhibited a three fold increase in roughness compared to untreated surfaces when RMS roughness was calculated after applying a spatial high-pass filter with a 200 nm cutoff wavelength Heat treatment also produced a surface enrichment in aluminum and vanadium oxides Both RFGD and heat treatment produced similar increases in oxide wettability Atomic force microscopy (AFM) measurements of metal surface oxide net charge signified by a long-range force of attraction to or repulsion from a (negatively charged) silicon nitride AFM probe were also obtained for all three experimental groups Force measurements showed that the RFGD treated Ti6Al4V samples demonstrated a higher net positive surface charge at pH values below 6 and a higher net negative surface charge at physiological pH (pH values between 7 and 8) compared to control and heat treated samples These findings suggest that RFGD treatment of metallic implant materials can be used to study the role of negatively charged surface oxide functional groups in protein bioactivity osteogenic cell behavior and osseointegration independently of oxide topography Published by Elsevier B

The gait disorder in primary orthostatic tremor

OBJECTIVE To uncover possible impairments of walking and dynamic postural stability in patients with primary orthostatic tremor (OT). METHODS Spatiotemporal gait characteristics were quantified in 18 patients with primary OT (mean age 70.5 ± 5.9 years, 10 females) and 18 age-matched healthy controls. One-third of patients reported disease-related fall events. Walking performance was assessed on a pressure-sensitive carpet under seven conditions: walking at preferred, slow, and maximal speed, with head reclination or eyes closed, and while performing a cognitive or motor dual-task paradigm. RESULTS Patients exhibited a significant gait impairment characterized by a broadened base of support (p = 0.018) with increased spatiotemporal gait variability (p = 0.010). Walking speed was moderately reduced (p = 0.026) with shortened stride length (p = 0.001) and increased periods of double support (p = 0.001). Gait dysfunction became more pronounced during slow walking (p < 0.001); this was not present during fast walking. Walking with eyes closed aggravated gait disability as did walking during cognitive dual task (p < 0.001). CONCLUSION OT is associated with a specific gait disorder with a staggering wide-based walking pattern indicative of a sensory and/or a cerebellar ataxic gait. The aggravation of gait instability during visual withdrawal and the normalization of walking with faster speeds further suggest a proprioceptive or vestibulo-cerebellar deficit as the primary source of gait disturbance in OT. In addition, the gait decline during cognitive dual task may imply cognitive processing deficits. In the end, OT is presumably a complex network disorder resulting in a specific spino-cerebello-frontocortical gait disorder that goes beyond mere tremor networks

Independent domains of daily mobility in patients with neurological gait disorders

The aim of this study was to establish a comprehensive and yet parsimonious model of daily mobility activity in patients with neurological gait disorders. Patients (N = 240) with early-stage neurological (peripheral vestibular, cerebellar, hypokinetic, vascular or functional) gait disorders and healthy controls (N = 35) were clinically assessed with standardized scores related to functional mobility, balance confidence, quality of life, cognitive function, and fall history. Subsequently, daily mobility was recorded for 14~days by means of a body-worn inertial sensor (ActivPAL\circledR). Fourteen mobility measures derived from ActivPAL recordings were submitted to principle component analysis (PCA). Group differences within each factor obtained from PCA were analyzed and hierarchical regression analysis was performed to identify predictive characteristics from clinical assessment for each factor. PCA yielded five significant orthogonal factors (i.e., mobility domains) accounting for 92.3% of the total variance from inertial-sensor-recordings: ambulatory volume (38.7%), ambulatory pattern (22.3%), postural transitions (13.3%), sedentary volume (10.8%), and sedentary pattern (7.2%). Patients' mobility performance only exhibited reduced scores in the ambulatory volume domain but near-to-normal scores in all remaining domains. Demographic characteristics, clinical scores, and fall history were differentially associated with each domain explaining 19.2-10.2% of their total variance. This study supports~a low-dimensional five-domain model for daily mobility behavior in patients with neurological gait disorders that may facilitate monitoring the course of disease or therapeutic intervention effects in ecologically valid and clinically relevant contexts. Further studies are required to explore the determinants that may explain performance differences of patients within each of these domains and to examine the consequences of altered mobility behavior with respect to patients' risk of falling and quality of life