Kognitiv-motorisches Training: Einsatz von Dualaufgaben, Virtual Reality und Augmented Reality

José López Sánchez, Koordinator der Therapien bei CEN, stellt in diesem Artikel das kognitive-motorische Training auf Basis von Dualaufgaben, Virtual Reality und Augmented Reality vor.

(Dieses Dokument „Kognitiv-motorisches Training: Einsatz von Dualaufgaben, Virtual Reality und Augmented Reality“ basiert auf einer freien Übersetzung des Dokuments mit dem Titel “Geh- und Gleichgewichtstraining basierend auf Virtual Reality und Augmented Reality” (1) mit Beiträgen des Autors José López Sánchez, die auf seiner klinischen Erfahrung und anderen wissenschaftlichen Studien zu diesem Thema beruhen.)

Einleitung

• Der Einsatz von Virtual Reality und Augmented Reality in der Neurorehabilitation ist in den letzten Jahren populär geworden und hat in der wissenschaftlichen Literatur große Aufmerksamkeit (etwa 1000 Artikel) (1) erhalten.

• Die Defizite bei kognitiv-motorischen Dualaufgaben (z. B. Gehen während des Sprechens) sind bei Personen mit neurologischen Folgeerkrankungen häufig. Das Training kognitiv-motorischer Dualaufgaben wurde als Alternative zu herkömmlichen Rehabilitationsmethoden vorgeschlagen, um diese Probleme anzugehen (2).
• Die Ergebnisse der Studien zum Dualaufgabe-Training zeigen Verbesserungen in:
  • Gehgeschwindigkeit bei Einzelaufgaben und Schrittlänge bei Personen mit Parkinson-Krankheit und Alzheimer-Krankheit.
  • Gehgeschwindigkeit bei Dualaufgaben bei Personen mit Parkinson, Alzheimer und Hirnverletzungen.
  • Es könnte das Gleichgewicht und die Kognition von Personen mit Parkinson und Alzheimer verbessern.

Behandlungsprinzipien

Die in den verschiedenen Studien verwendeten Protokolle und die eingesetzten Ergebnismaße sind noch sehr heterogen und ermöglichen keinen Vergleich zwischen den Gruppen. Dennoch sollte das Training einer Reihe von Prinzipien folgen, die, den Theorien des motorischen Lernens folgend, die Interventionen optimieren und die Ergebnisse verbessern.

Diese Prinzipien, die wir im Training anwenden sollten, sind:

1. Aufmerksamkeitsfokus,
2. implizites Lernen,
3. Variation,
4. Trainingsintensität,
5. Aufgabenspezifität,
6. Feedback.

Im Folgenden erläutern wir die Behandlungsprinzipien einzeln:

1. Aufmerksamkeitsfokus

Während der Rehabilitation müssen Therapeuten den Patienten die Übungen erklären, und die ihnen gegebenen Instruktionen beeinflussen den Aufmerksamkeitsfokus des Patienten, die Ausführung der Bewegung und deren Ergebnis.

Oft verwenden Therapeuten Instruktionen, die sich auf Körperteile oder Bewegungen beziehen (z. B. „Halte deine Knie hinter deinen Fußspitzen“, um eine stärkere Knieextension zu fördern). Im motorischen Lernen ist dies als „Instruktionen, die einen internen Aufmerksamkeitsfokus fördern“ bekannt. Das führt zu bewussteren Bewegungen, die die automatische motorische Kontrolle stören (3).

Außerdem verbraucht es bei Personen mit Aufmerksamkeitsproblemen einen Großteil oder alle verfügbaren Aufmerksamkeitsressourcen, sodass keine Mittel übrig bleiben, um gleichzeitig andere Aufgaben (Dualaufgaben) zu bewältigen.

Aktuelle Studien zeigen, dass Instruktionen, die einen externen Fokus fördern, zum Beispiel die Aufmerksamkeit auf die Wirkung der Bewegung in der Umgebung richten (z. B. „Berühre mit deinem Fuß die Markierung auf dem Boden“), zu einer Verbesserung des motorischen Lernens führen.

Studien aus dem Sportbereich (4–6) und dem Gleichgewichtstraining (7) zeigen konsistent eine bessere motorische Ausführung nach einer Lernphase, die auf externen Fokus gerichtet war, gegenüber intern fokussierten Instruktionen. Allerdings ist es in der täglichen Praxis manchmal schwierig, passende Instruktionen zu finden, die einen externen Fokus hervorrufen.

Einer der Vorteile von Augmented Reality ist, dass sie Anpassungen im Gangbild erleichtern kann, zum Beispiel durch die externen Signale, die sie bereitstellt, wie projizierte Ziele auf die Fläche, über die der Patient läuft, oder auditive Signale.

In diesem Fall lenkt Augmented Reality mit externen Signalen den Aufmerksamkeitsfokus des Patienten auf die virtuelle Welt anstatt auf seinen Körper, was einen externen Aufmerksamkeitsfokus fördert und wahrscheinlich das Therapieergebnis entsprechend den Prinzipien des motorischen Lernens verbessert.

2. Implizites Lernen

Traditionell werden neue motorische Fertigkeiten durch explizite Instruktionen vermittelt, was zu einer bewussten Kontrolle der Bewegung führt. Allerdings beruht die Bewegungskontrolle üblicherweise auf implizitem Wissen. Wir wissen, wie wir eine Bewegung ausführen, sind uns aber normalerweise nicht bewusst, wie wir unsere Muskeln steuern, und können es nicht in Worte fassen.

Aktuelle Studien legen nahe, dass explizites Lernen diese automatischen Prozesse einschränken oder stören kann, was insbesondere unter Leistungsdruck zu schlechterer Ausführung führt (8–12). Deshalb könnte die Rehabilitation vom Einsatz des impliziten Lernens profitieren, zum Beispiel Lernen, ohne sich bewusst zu sein, was gelernt wird.

Zum Beispiel war bei Patienten nach einem Schlaganfall die Ausführung einer dynamischen Gleichgewichtsaufgabe nach explizitem Lernen schlechter als nach implizitem Lernen (13). Zuvor wurde beschrieben, dass implizites Lernen durch Instruktionen oder Aufgaben gefördert werden kann, die einen externen Aufmerksamkeitsfokus erfordern.

Eine weitere Alternative ist der Einsatz einer konkurrierenden kognitiven Aufgabe (Dual Task) (9) oder durch Variation der Aufgaben, sodass Lernen über explizite Regeln unmöglich wird. Virtual- und Augmented-Reality-Spiele fördern dieses implizite Lernen oft durch eines oder mehrere dieser Prinzipien.

Es ist definitiv an der Zeit, alte Paradigmen in der Neurorehabilitation zu überdenken, bei denen der Patient zur Physiotherapie oder Ergotherapie geht, wenn motorische Aspekte von Arm oder Bein trainiert werden sollen, und zum Neuropsychologen, wenn kognitive Aspekte adressiert werden. Die wissenschaftliche Evidenz zeigt die ständige Interaktion von kognitiven und motorischen Aspekten und dass die Wechselwirkung zwischen den Fähigkeiten des Patienten, der Aufgabe und der Umgebung entscheidend für das Wiederlernen ist.

Daher müssen wir überlegen, welche Art von Lernen durch die Aufgabe, die wir dem Patienten anbieten, und die Umgebung, in der er sie ausführt, gefördert wird, und sie an seine Fähigkeiten anpassen, damit er Fortschritte macht, während er übt und sich verbessert.

3. Variation

Die Bedeutung von Variation in den Übungen ist eine weitere Lektion aus der motorischen Lernforschung.

Anstatt dieselbe Bewegung immer wieder exakt gleich zu trainieren, führen kleine Variationen in der Bewegung zu einem robusterem motorischen Lernen (14). Außerdem verbessert Variation der Übungsreihenfolge (zufällig statt in Blöcken) das motorische Lernen, insbesondere Retention und Transfer (15).

Obwohl Studien konstant die variable Praxis unterstützen, konzentrierten sich die meisten auf Laboraufgaben (15,16) oder Anwendungen im Sport (14,17–19).

Wenn diese Prinzipien beispielsweise im Gleichgewichtstraining angewendet werden, reduziert sich das posturale Schwanken beim Stehen nach 15 Minuten variierter Gleichgewichtsübungen (Gewichtsverlagerungs- und verkleinerte Stützflächenübungen), während nach repetitivem Training oder einfachem Stehen keine Unterschiede festgestellt werden (20).

Daher scheint variable Übungspraxis auch die Rehabilitationsergebnisse zu verbessern. Durch den Einsatz von Virtual oder Augmented Reality können Variationen einfach erstellt werden, indem zahlreiche Parameter der Übungen wie zum Beispiel die Position des Ziels, Geschwindigkeitsanforderungen, Elemente der Umgebung usw. modifiziert werden.

4. Trainingsintensität

Die Trainingsintensität (Anzahl der Wiederholungen, Trainingsfrequenz, Aufgabenschwierigkeit usw.) ist ein entscheidender Faktor für das Therapieergebnis (21–23). Eine hochintensive Schulung wird empfohlen, um den Behandlungseffekt zu maximieren.

Virtual Reality und Augmented Reality könnten helfen, hohe Übungsintensitäten zu erreichen, indem sie die Motivation mancher Patienten und ihre Therapietreue steigern, die Effizienz des Trainings verbessern und angemessene Herausforderungen bieten.

Zudem ermöglichen VR und AR zwei Trainingsformen: das autonome Training durch den Patienten, in der Klinik und zu Hause.

In vielen Rehabilitationszentren ist das Verhältnis Patient/Therapeut gering, was eine Herausforderung darstellt, um die Trainingsintensität zu erhöhen. Außerdem üben viele Patienten nur in Anwesenheit des Therapeuten, während sie zu Hause meistens inaktiv bleiben.

Für beide Situationen können VR und AR für manche Patienten eine Lösung sein, da sie das benötigte Feedback für die Übungsausführung liefern, die Übungen aus der Ferne von einer Fachkraft überwacht werden können, bei Bedarf angepasst werden und Informationen darüber liefern, wie viel Aktivität der Patient ausführt und wie er sie ausführt.

In der Neurorehabilitation ist häufig ein repetitives Training relativ einfacher Bewegungen erforderlich. Bestimmte Übungen werden oft schnell monoton, was es schwer macht, dass Patient motiviert und konzentriert bleibt.

Einer der Vorteile der virtuellen Rehabilitation ist die Nutzung von Spielen, was für manche Patienten die Therapie unterhaltsamer und angenehmer machen kann (24–26). Einige Patienten engagieren sich stärker in der Therapiesitzung, was die Therapietreue erhöht (27–30).

Auch die Anzahl der Wiederholungen und die aktive Behandlungszeit mit Virtual Reality und Augmented Reality kann größer sein als bei herkömmlicher Therapie (31–33). Zum Beispiel wurde in einer Studie die doppelte Schrittzahl während einer AR-Treadmill-Aufgabe erreicht, verglichen mit konventionellem Gehtraining (31). Die gesteigerte Motivation ist sicherlich einer der Gründe, aber nicht der einzige.

Weitere praktische Aspekte, wie die fehlende Notwendigkeit, verschiedene Laufband-Parcours physisch aufzubauen und zu verändern, erhöhen die Zeit, die der Patient innerhalb einer Sitzung für aktives Training nutzen kann.

Außerdem lässt sich das herausfordernde Niveau sehr präzise steuern, je nach den Fähigkeiten des Patienten. Die Schwierigkeit der Spiele kann leicht und schrittweise angepasst werden, zum Beispiel durch Veränderung der Geschwindigkeitsanforderungen oder der Abstände der zu erreichenden Ziele.

5. Aufgabenspezifität

Eine weitere wichtige Empfehlung für die Rehabilitation ist, ein aufgabenspezifisches Training einzubeziehen (22,34). Um die Übertragung des motorischen Fortschritts auf Aktivitäten außerhalb der Therapie zu verbessern, sollte die Therapie Herausforderungen aus dem Alltag üben. VR und AR können verwendet werden, um solche Herausforderungen in einer sicheren Umgebung zu simulieren.

Zum Beispiel können Virtual Reality und Augmented Reality helfen, das Gehen unter schwierigen Bedingungen zu trainieren. Das ist wesentlich, denn Gehen im Alltag ist weit mehr als nur den einen Fuß vor den anderen zu setzen; es erfordert auch die Fähigkeit, das Gangmuster an verschiedene Situationen anzupassen.

Vielleicht musst du dein Bein höher heben, um nicht über einen losen Pflasterstein zu stolpern, deine Geschwindigkeit verringern, um eine Person nicht anzustoßen, sie erhöhen, um eine gerade gelb werdende Ampel zu überqueren, oder Menschen in einem überfüllten Einkaufszentrum ausweichen.

Die Anpassungsfähigkeit des Gangs wird definiert als die Agilität, den Gang entsprechend den Umgebungsbedingungen anzupassen, und ist entscheidend beim Gehen zu Hause und vor allem in der Gemeinschaft.

AR kann ein nützliches Werkzeug sein, um die Anpassungsfähigkeit des Gangs zu trainieren, indem Ziele für die Füße oder Hindernisse auf der Laufoberfläche projiziert werden (35,36). Außerdem kann Virtual Reality genutzt werden, um einen optischen Fluss beim Gehen auf dem Laufband zu erzeugen, um das natürliche Gehgefühl zu verbessern (37,38).

Weitere Beispiele für Herausforderungen im Alltag sind Aktivitäten, die kognitive und motorische Aufgaben gleichzeitig umfassen, wie eine Straße zu überqueren unter Beachtung des Verkehrs, zu gehen, während man sich erinnert, was man im Supermarkt kaufen wollte, oder während man sich mit einem Freund unterhält.

Wenn zwei Aufgaben gleichzeitig ausgeführt werden, kann die Qualität und Ausführung einer oder beider Aufgaben abnehmen. Dies ist als “Interferenz bei Dualaufgaben” bekannt, was mit zunehmendem Alter (39) und bei bestimmten neurologischen Erkrankungen wie Schlaganfall (40) oder Parkinson-Krankheit (41) häufiger auftritt.

Die Interferenz bei Dualaufgaben hat sich als Prädiktor für Stürze erwiesen (42). Das Training von Dualaufgaben ist effektiver in der Reduktion der “Interferenz bei Dualaufgaben” als das Training einer einzelnen Aufgabe (43–46), weshalb Sturzpräventionsprogramme stets Dualaufgaben beinhalten sollten (47).

Mit Virtual Reality ist es relativ einfach, kognitive Elemente ins Training einzufügen und so Dualaufgaben-Training zu ermöglichen. Eine Möglichkeit ist, eine kognitive Aufgabe einzubauen, die nicht mit der motorischen Aufgabe zusammenhängt, z. B. Rückwärtszählen oder eine Gedächtnisaufgabe.

In den meisten Fällen erfolgt das kognitive Training sitzend am Tisch, selten in Bewegung. Es wäre sehr interessant, Stimulationssysteme und kognitive Rehabilitation gleichzeitig beim Gehen, beim Gleichgewichtstraining oder einfach im Stehen einzusetzen.

Eine weitere Möglichkeit, die kognitive Aufgabe in das VR-Spiel zu integrieren, ist durch Spiele, die Planung oder Strategieentwicklung erfordern.

Schließlich können kognitive Elemente hinzugefügt werden, indem man Alltags-Dualaufgaben simuliert, wie in einem virtuellen Supermarkt Gegenstände in den Einkaufswagen zu legen (48) oder eine Straße zu überqueren und dabei Hindernissen auszuweichen (49).

6. Feedback

Um unsere motorische Ausführung zu verbessern, benötigen wir mindestens eine Art von Information darüber, wie wir eine Aufgabe ausführen. Dieses Feedback oder diese Rückmeldung stammt oft von intrinsischen Quellen wie Sehen oder Propriozeption.

Das intrinsische Feedback kann erhöht werden, indem man dem Patienten Informationen liefert, die normalerweise nicht zugänglich wären, wie zum Beispiel genaue Gelenkwinkel oder Bewegungen (Biofeedback).

Durch Virtual Reality kann Biofeedback dem Patienten angezeigt oder sogar in die Übung integriert werden. Biofeedback bereitzustellen kann sehr nützlich für das Gang- oder Gleichgewichtstraining sein.

Das Gleichgewichtstraining mit Feedback besteht typischerweise aus Gewichtsverlagerungsübungen, bei denen der Patient Informationen über die Position seines Druckmittelpunkts erhält.

In einer systematischen Übersichtsarbeit wurde die Wirksamkeit des Gleichgewichtstrainings mit Feedback bei älteren Erwachsenen untersucht, und es wurde festgestellt, dass dieses Training zu einer Reduktion des posturalen Schwankens, einer Verbesserung der Gewichtsverlagerungsfähigkeiten, einer Verringerung der Aufmerksamkeitsanforderungen beim stillen Stehen und einer Verbesserung der Berg-Balance-Skalenwerte führt (50).

Es gibt auch einige Hinweise darauf, dass das Hinzufügen von Biofeedback zum Gleichgewichtstraining bei Personen mit Schlaganfallfolgeerscheinungen vorteilhaft sein kann (51,52).

Es existiert umfangreiche Literatur zur Wirksamkeit von Biofeedback für das Gangretraining in verschiedenen Patientengruppen. Zum Beispiel kann das Training mit Feedback die Knieadduktionsbewegung reduzieren oder den Zehenspitzwinkel zur Prävention einer Kniearthrose erhöhen (53–55).

Es kann auch die Vorwärtspropulsion beim Abstoß bei gesunden älteren Personen verbessern, wodurch ihr Gangmuster dem von jungen Erwachsenen ähnlicher wird (56).

Feedback kann Personen mit Parkinson oder inkompletter Rückenmarksverletzung helfen, längere Schritte zu machen (57,58) und die Gangfunktion von Personen nach transfemoraler Amputation zu verbessern (59). Es wurde auch gezeigt, dass es Parameter des Gangs bei Kindern mit zerebraler Lähmung modulieren kann (60). Weitere Anwendungen gibt es zur Verletzungsprävention bei Läufern, bei Hyperextensionsmustern im Knie (61,62) usw.

Alle diese Beispiele zeigen, dass Biofeedback ein effektives und vielseitiges Werkzeug ist, das es den Patienten ermöglicht, spezifische Aspekte ihres Gangs anzupassen. Zusammenfassend ist die Fähigkeit, Biofeedback bereitzustellen, eine der größten Stärken des Trainings mit VR. Durch die Integration von augmentiertem Feedback in ein Spiel lässt sich die Motivation und das Engagement des Patienten erhöhen.

Fazit

• Virtual Reality und Augmented Reality sind Werkzeuge, die uns helfen können, unsere Trainings spezifischer, effektiver und motivierender für den Patienten zu gestalten.
• Wir müssen wissen, warum, wofür und wie wir VR und AR einsetzen. Der Einsatz dieser Technologien bedeutet nicht einfach, der Person eine VR-Brille aufzusetzen und Aufgaben durchzuführen oder sie vor einen Bildschirm zu setzen und spielen zu lassen. Wir müssen überlegen, warum wir diese Werkzeuge einsetzen, d. h. was sie uns Besonderes bieten im Vergleich zum Nicht-Einsatz oder zu anderen Behandlungsmethoden. Dann müssen wir überlegen, für welchen spezifischen Aspekt der Behandlung wir sie nutzen: zum Beispiel durch Biofeedback die Informationen über eine bestimmte Bewegung zu verbessern, kognitives Training bei Dualaufgaben, Training von Alltagssituationen usw. Und schließlich müssen wir überlegen, wie wir sie einsetzen: unter Beachtung der sechs in diesem Text erklärten Behandlungsprinzipien.
• Es ist empfehlenswert, Behandlungen zu entwerfen, die motorische und kognitive Aspekte kombinieren. Wie im Text erwähnt, können VR und AR zusammen mit anderen Systemen und Plattformen der kognitiven Rehabilitation gemeinsam mit Geh-, Gleichgewichts- oder Oberkörpertraining eingesetzt werden, um nur einige Beispiele zu nennen.

Bibliographie

1. Virtual and Augmented reality based balance and gait training. Selma Papegaaij, Floris Morang, Frans Steenbrink. https://www.hocoma.com/news/virtual-augmented-reality-based-balance-gait-training/
2. Motor-Cognitive Dual-Task Training in Persons With Neurologic Disorders: A Systematic Review. Fritz NE, Cheek FM, Nichols-Larsen DS. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26079569

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Dieser Artikel wurde übersetzt; Link zum Originalartikel auf Spanisch:
Entrenamiento cognitivo motor: uso de tareas duales, realidad virtual y aumentada