Cognitive-motor interference during walking in Multiple Sclerosis; On the assessment and rehabilitation

Abstract

Multiple sclerosis (MS) is a complex disease of the central nervous system where inflammation, demyelination and neurodegenerative processes manifest in heterogeneous clinical symptoms 1, 2 . Among the wide range of symptoms that can manifest are pain, visual and sensory deficits, affective disturbances, fatigue and impairments in cognitive and motor functioning1 , affecting participation and quality of life 2-5 . In daily life, the simultaneous performance of a motor and a cognitive task, think of walking while talking, is a common act. Reduced performance in one or both tasks during this cognitive-motor dual tasking is called interference 6 . Dual task (DT) performance is usually investigated by using DT paradigms. In these paradigms, participants perform a single motor task (e.g., walking, balancing, etc.), a single cognitive task (e.g., talking, subtracting numbers, etc.) and a combination of the used motor and cognitive task (e.g., subtracting numbers while walking). The performance can then be quantified as absolute DT performance or as DT cost (DTC). With the first quantifying how someone is performing on the motor task (e.g., by gait speed) and on the cognitive task (e.g., by number of correct answers) during the DT, and with the latter, the DTC, quantifying the relative change in performance of the DT compared to the single task. MS might affect both motor and cognitive functioning, affecting both domains of cognitive-motor dual tasking. The alterations in gait pattern due to the disease might increase reliance on more cognitively controlled gait, while at the same time the disease can result in cognitive deficits. This doctoral thesis, situated in the rehabilitation sciences, therefore focuses on cognitive-motor dual tasking in persons with MS. Whereby we aimed to increase knowledge on the assessment of DT performance, and on the effects of various rehabilitation strategies on DT performance in persons with MS. In the first part, on assessment of DT performance, the test-retest reliability, discriminative validity, paradigm-specific effects on the DT performances and clinical characteristics related to the DT performance, were investigated within multiple, various, DT paradigms. To these aims, twelve different DT conditions were performed, consisting of four walking conditions (i.e., comfortable walking [‘walk’], walking with a cup filled with water [‘cup’], walking over obstacles [‘obstacles’] and walking crisscross [‘crisscross’]) that were combined with three cognitive tasks (subtracting sevens, titrated digit span backwards and auditory vigilance). First, it was shown that an absolute measure of DT performance was more reliable than the relative DTC, and that DT motor performance could in general reliably be measured, while DT cognitive performance could not. Further, as ‘turning velocity’, the outcome measure for the crisscross conditions, was not reliable for persons with MS, the ‘crisscross’ conditions were discarded from the analysis in the other papers. Second, walking while simultaneously performing a cognitive task overall led to worse performance (i.e., interference) for both persons with and without MS. Also, person with MS showed worse DT walking performance (e.g., slower walking speed) under all DT paradigms compared to healthy adults, but no difference in relative decline (i.e., no difference in DTCs) between the groups. Third, for persons with MS, the DTC in the motor domain was in general greatest during usual DT walking, and declined with increasing complexity of the walking condition. In contrast, both the motor and the cognitive DTC were greater when the cognitive tasks used in the DT paradigm were more difficult. Lastly, the motor DTC in the less complex walking conditions related mainly to information processing speed, while in the more complex ‘obstacles’ conditions it related to age. On the other hand, absolute DT gait speed was found to mainly relate to walking endurance and perceived walking capacities, irrespective of the DT walking condition. In the second part, two randomized controlled trials (RCTs) were conducted in which the first focused on targeting DT performance by integrated DT training compared to single mobility training, and the second on ability for motor sequence learning under implicit or explicit conditions and effects on automatization, by examining DT performance. In the first RCT, we demonstrated that an 8-week, standardized, individualized and progressive, integrated DT training was, first of all, feasible and safe. Second, DT training resulted in greater improvements in DT walking compared to single mobility training, as shown by a reduction in motor DTC in all ‘walk’ conditions and an increase in absolute DT gait speed in ‘walk’ and ‘obstacles’ conditions, which was partly sustained over follow-up. In the second RCT, we demonstrated that persons with MS are able to show motor sequence learning in a stepping task to a similar degree as healthy adults, without a differential effect of implicit or explicit learning conditions in which no information or explicit information on the to-be-learned sequence was given beforehand, respectively. Moreover, the increased task performance was retained 24 hours later and under various DT conditions. However, it remains unclear whether automatization of the stepping task took place considering the different results per type of DT paradigm examined. Persons with MS perceive in general more difficulties with dual tasking in daily life than healthy adults and show worse absolute DT motor performance. Assessing DT performance in MS is therefore endorsed for clinical practice. Based on our results, examining absolute DT gait speed and the motor DTC of gait speed in a preferred speed walking task combined with a mental tracking task (involving working memory) is recommended as basis, as its reliability was good, it led to interference and it could be improved after DT training.

Multiple sclerose (MS) is een aandoening van het centraal zenuwstelsel, waarbij inflammatie, demyelinisatie en neurodegeneratieve processen een rol spelen 1, 2 . Dit kan zich manifesteren in een scala aan symptomen, waaronder pijn, visuele en sensorische beperkingen, affectieve aandoeningen, vermoeidheid en beperkingen van het cognitief en motorische functioneren 1 , die gevolgen kunnen hebben voor participatie en kwaliteit van leven 2-5 . In het dagelijks leven komt het vaak voor, dat men een motorische en een cognitieve taak gelijktijdig uitvoert. Denk aan wandelen en praten tegelijkertijd. Een verminderde prestatie op een of beide taken tijdens het uitvoeren van zo’n cognitief-motorische dubbeltaak (DT) wordt interferentie genoemd 6 . DTprestatie wordt normaliter onderzocht door middel van DT-paradigma’s. Bij deze paradigma’s voeren deelnemers een enkele motorische taak uit (e.g., wandelen, balanceren etc.), een enkele cognitieve taak (e.g., praten, aftellen etc.) en een combinatie van de gebruikte motorische en cognitieve taak (e.g., aftellen tijdens het wandelen). De prestatie kan dan worden gekwantificeerd als absolute DTprestatie of als de DT-kost (DTK). De eerste is een maat voor hoe iemand presteert op de motorische taak (bijvoorbeeld stapsnelheid) en op de cognitieve taak (bijvoorbeeld het aantal correcte antwoorden) tijdens de uitvoering van de DT. De laatste, de DTK, is een maat voor de relatieve verandering in prestatie tijdens de DT ten opzichte van de enkele taak. De motorische beperkingen door MS zouden kunnen leiden tot een bewuster gecontroleerd stappatroon, terwijl de aandoening ook kan leiden tot beperkingen van het cognitief functioneren. Beide domeinen van een cognitief-motorische DT kunnen dus beïnvloed zijn. Deze doctoraatsthesis in de revalidatiewetenschappen betreft daarom de uitvoering van cognitief-motorische dubbeltaken door personen met MS. Hierbij werd getracht de kennis op het gebied van het meten van die DT-prestatie te vergroten, alsook de effecten van verschillende revalidatie strategieën op die DT-prestatie te onderzoeken. In het eerste gedeelte, aangaande het meten van de DT-prestatie, werden twaalf DT-paradigma’s gebruikt, bestaande uit vier motorische condities (i.e., gewoon wandelen [‘wandel’], wandelen met een kop met water in de hand, wandelen over obstakels heen en zigzaggend wandelen) gecombineerd met drie cognitieve taken (aftellen met zeven, achterwaartse cijferspanne [‘titrated digit span backwards’] en auditieve waakzaamheid [‘vigilance’]). Hiervan werden de test-hertest betrouwbaarheid, de discriminatieve validiteit, de effecten van de gebruikte DT-paradigma’s op de DT-prestaties en de klinische karakteristieken gerelateerd aan de DT-prestaties, onderzocht. Ten eerste waren absolute maten van DT-prestatie betrouwbaarder dan de relatieve DTK en waren de metingen van motorische DT-prestaties over het algemeen betrouwbaar, terwijl die van cognitieve DT-prestaties dat niet waren. Verder was de uitkomstmaat ‘draaisnelheid’, die werd gebruikt voor de condities met zigzaggend wandelen, niet betrouwbaar voor personen met MS. Deze condities werden niet meer meegenomen in de volgende artikelen. Ten tweede resulteerde het tegelijkertijd uitvoeren van een cognitieve taak tijdens een wandeltaak tot verminderde prestatie (i.e., interferentie) voor zowel personen met als zonder MS. Daarnaast waren de motorische DTprestaties slechter voor personen met MS vergeleken met de gezonde volwassenen, bijvoorbeeld door een lagere DT-stapsnelheid. De relatieve verandering, gemeten met de DTK, verschilde echter niet tussen de groepen. Ten derde was de motorische DTK voor personen met MS het grootste tijdens de gewone ‘wandel’ condities en deze werd kleiner naarmate de wandeltaak complexer werd. Daarentegen waren zowel de motorische als de cognitieve DTK het grootste voor DT-condities met moeilijkere cognitieve taken. Als laatste was de motorische DTK in de minder complexe wandelcondities voornamelijk gerelateerd aan informatieverwerkingssnelheid, terwijl die in de complexere wandelconditie ‘wandelen over obstakels’ gerelateerd was aan leeftijd. De absolute motorische DT-stapsnelheid was echter voornamelijk gerelateerd aan stapsnelheid en wandelvermogen en aan de ervaren stapcapaciteiten in het dagelijks leven, onafhankelijk van de DT-conditie. In het tweede gedeelte werden twee gerandomiseerde, gecontroleerde onderzoeken (RCT’s) uitgevoerd. De eerste richtte zich op het verbeteren van DT-prestatie door een geïntegreerde DT-training in vergelijking met enkel trainen van de mobiliteit, en de tweede op het vermogen tot het leren van motorische sequenties onder impliciete of expliciete condities en de effecten daarvan op automatisatie, gemeten door middel van de DT-prestatie. In de eerste RCT bleek een 8-weekse, gestandaardiseerde, geïndividualiseerde en progressieve, geïntegreerde DT-training mogelijk bij en veilig voor personen met MS. Bovendien resulteerde deze in verbeterde DT-prestaties, aangezien er een verminderde DTK werd gevonden in de ‘wandel’ condities en een verhoogde DTstapsnelheid in de ‘wandel’ en de ‘wandelen over obstakels’ condities, terwijl dit in mindere mate het geval was na de enkel mobiliteit training. In de tweede RCT werd gevonden dat personen met MS in staat waren tot motorisch sequentie leren in dezelfde mate als gezonde volwassenen, en dat er geen verschil zat tussen de condities waarbij de deelnemers van te voren geen informatie (impliciete) of wel informatie (expliciete) over de taak hadden gekregen. Verder bleven de verbeterde motorische prestaties en de geleerde motorische sequentie behouden na 24 uur (retentie) en tijdens de DT-condities. Effecten op de automatisatie behoeven echter verder onderzoek. Personen met MS ervaren over het algemeen meer problemen met DT in het dagelijks leven en hebben een verminderde motorische DT-prestatie dan gezonde volwassenen. Gebaseerd op de resultaten wordt aangeraden als basis de absolute DT-stapsnelheid en de motorische DTK van stapsnelheid te meten tijdens een gewone wandeltaak, gecombineerd met een taak waarbij het werkgeheugen een rol speelt, omdat de betrouwbaarheid hiervan goed was, de taak tot interferentie leidde en de prestatie op de taak vatbaar was voor verbetering door middel van een geïntegreerde DT-training.