Kognitiv-motorische Interferenzen von Senioren beim Gehen unter Doppelaufgabenbedingungen

Abstract

Seit mehr als 20 Jahren forschen Wissenschaftler aus verschiedensten Disziplinen, auch in der Bewegungswissenschaft mit dem Schwerpunkt der Biomechanik, Medizin und Psychologie, an dem komplexen Phänomen des Stürzens im Alter. Obwohl inzwischen verschiedene interne und externe Sturzursachen klar identifiziert sind und entsprechende Präventionsmaßnahmen abgeleitet werden, bleibt die Zahl der Stürze pro Jahr in den Altersklassen ab 70 Jahren unverändert hoch. So liegt der Anteil der Sturzunfälle bei Männern ab dem 70. Lebensjahr bei über 50 %, bei gleichaltrigen Frauen bei über 60 %. Deutsche Studien zeigten eine Inzidenz von Stürzen im Alter zwischen 65 - 90 Jahren von 38,7 % (Frauen) und 29,7 % (Männer) Stürzen pro Jahr sowie 13,7 % (Frauen) und 10,9 % (Männer) der jährlichen Mehrfachstürze in derselben Altersgruppe (Büchele et al., 2014). Bei 34,4 % der Sturzunfälle kommt es zu Knochenbrüchen und bei etwa einem Viertel (26,8 %) zu einem Krankenhausaufenthalt (RKI, 2014). Insgesamt ergeben sich laut Varnaccia, Rommel und Saß (2014) mehr als die Hälfte aller ärztlich versorgten Unfälle (53,7 %) in der Altersgruppe ab 60 Jahren aus Stürzen. Die im Altersgang steigende Anzahl der Stürze pro Jahr kann bisher trotz vieler Präventionsmaßnahmen nicht verringert werden. Da Untersuchungen in Pflegesettings und beschreibende Reviews der Zielgruppe selbständig lebender Senioren zeigten, dass vor allem Ganginstabilitäten, z. B. resultierend aus Muskelschwäche in den Beinen (Rubinstein, 2006; Ambrose, Paul & Hausdorff, 2013; Deandrea et al., 2010) und früheren Stürzen (Oliver et al., 2004), zu einem höheren Sturzrisiko beitragen, setzt der Forschungsprozess dieser Habilitation am Gangverhalten an. Es ist bereits bekannt, dass sich Sturzrisikofaktoren beim Gehen mit zunehmendem Alter kumulieren, da verschiedene Einflussfaktoren miteinander interagieren. Hierzu gehören neben Alter, Geschlecht (Frauen stürzen häufiger als Männer) und Komorbiditäten, wie z. B. Osteoporose, eingeschränkte visuelle Kontrolle sowie kognitive Störungen, insbesondere der Aufmerksamkeit und der exekutiven Kontrolle (Ambrose et al., 2013; Mirelmann et al., 2012). Alltagsbewegungen wie das Gehen erfordern jedoch mit zunehmendem Alter immer mehr kognitive Kontrolle, Aufmerksamkeitsressourcen und exekutive Funktionen (Yogev-Seligmann, Hausdorff & Giladi, 2008; Woollacott & Shumway-Cook, 2002). Somit ist Gehen im Alter nicht mehr gleichermaßen automatisiert wie im jüngeren Alter (Yogev-Seligmann, Hausdorff & Giladi, 2007) und wird zunehmend störanfälliger. Ein weiterer Ansatz zur Identifikation der Störanfälligkeiten von Gangmustern und daraus resultierenden Stürzen ergab sich aus der Hypothese, dass die Alltagssituationen, in denen Stürze entstehen, häufig die kognitive Verarbeitung verschiedener sensorischer Informationen gleichzeitig erfordern (Faulkner et al., 2007). Hierzu gehört z. B. das Überqueren einer stark befahrenen Straße innerhalb der Grünphase einer Ampel, während der Verkehr und die Fußgänger beobachtet werden und die eigenen Bewegungen und Reaktionszeiten der Situation angemessen organisiert werden müssen. Um diese Mehrfachanforderungen von Motorik und Kognition nachzustellen, wird das sogenannte Doppelaufgabenparadigma (Dual-task paradigm; DT) zunehmend auch in der Sturzpräventionsforschung zur Beschreibung von Störgrößen auf das Gangbild eingesetzt. Gleichzeitig ist belegt, dass gezieltes Training die motorischen und kognitiven Fähigkeiten verbessert sowie altersbedingte Funktionseinbußen reduziert (Giné-Garriga et al., 2014; Kelly et al., 2014). Zur Verbesserung der motorisch-kognitiven Leistung im Alter wird auch das Doppelaufgabentraining (DT-Training) genutzt. Die zentrale Annahme ist dabei, dass DT-Training kognitive Ressourcen freisetzt und somit die Aufgabenausführung in DT-Situationen verbessert (Bherer et al., 2005). Trotz einer umfangreichen Befundlage zur dargestellten Thematik bestehen derzeit noch zum Teil widersprüchliche Ergebnisse des Einflusses von Doppelaufgaben auf das Gangverhalten. Daher fehlen auch klare Gestaltungsprinzipien für ein geeignetes DT-Training zur Verbesserung der Gangqualität. Langfristig bewegungs- und trainingswissenschaftlich fundierte Interventionen unter Einbezug des Doppelaufgabenparadigmas zur Sturzprävention von Senioren zu gestalten und deren Wirkung zu ermitteln, war daher der Ausgangspunkt für die Forschungsarbeiten im Rahmen dieser kumulativen Habilitation. Um die Fülle der genannten Aspekte des Sturzrisikos umfassend in der Forschung abzubilden, müssen unterschiedliche Dimensionen (Alter, Geschlecht, physische Leistungsfähigkeit) und Disziplinen (u.a. Gerontologie, Motorik, Kognition, Biomechanik, Trainingswissenschaft) betrachtet werden. Folglich wurde in Annäherung an eine ganzheitliche Betrachtung ein bewegungswissenschaftlicher Ansatz gewählt, der altersbedingte körperliche Veränderungen, kognitive Aspekte der Bewegungskontrolle, biomechanische Parameter des Gangbildes und Möglichkeiten der Ressourcenerweiterung durch Training miteinander verknüpft. Zwei handlungsleitende Fragestellungen begleiteten den Forschungsprozess: 1. Aus bewegungswissenschaftlicher Sicht: Wie stören kognitiv-motororische Interferenzen das Gangbild von Senioren? Welche theoretischen Modelle lassen sich darstellen? 2. Aus trainingswissenschaftlicher Sicht: Wie muss ein Training in der Sturzprävention gestaltet und durchgeführt werden, um Störungen der Gangmuster unter Doppelaufgabenbedingungen zu reduzieren?

Die zugehörigen Publikationen dieser kumulierten Habilitationsschrift beschreiben den Forschungsprozess zur Annäherung an die zwei erkenntnisleitenden Fragen. Im Zuge der theoretischen Umrahmung wird zunächst ein Überblick zur komplexen Problematik der Ganginstabilitäten im Alter mit Bezug zur Sturzprävention gegeben. Im zweiten Schritt werden die Modelle und bestehende Erklärungsansätze der kognitiv-motorischen Interferenzen in Doppelaufgabensituationen vorgestellt und systematisiert. Auf Basis dieser theoretischen Grundlage entstand eine Trainingsintervention, deren Effekte auf das Gangverhalten von Senioren unter Doppelaufgabenbedingungen untersucht wurden.

For more than 20 years, research about falls in seniors has been conducted in various scientific fields, including movement science, in which this complex phenomenon has been investigated primarily from biomechanical, medical and psychological perspectives. Even though many internal and external causes for falls were identified and according prevention measures were derived from these findings, the number of falls per year in seniors aged 70 or older remains as high as ever. Thus, 50 % of the male seniors at the age of 70 or older suffered from a fall related accident, while slightly over 60% of the women within the same age group had a fall related accident. A German study found an incidence of falls in seniors aged 65-90 years of 38.7 % (women) and 29.7 % (men) falls per year and 13.7 % (women) and 10.9 % (men) of multiple falls per year within the same age group (Büchele et al., 2014). 34.4 % of the falls result in bone fractures and about a quarter of the falls (26.8 %) cause the faller to be hospitalized (RKI, 2014). According to Varnaccia, Rommel and Saß (2014), within seniors aged 60 or older, more than half of the accidents (53.7 %) that cause medical treatments result from falls. Despite all prevention methods, the number of falls per year, which rises with increasing age, could not be reduced. Research conducted in caretaking settings and describing reviews of the target group of independently living seniors have shown that the risk of falling is predominantly caused by gait instabilities, e.g., resulting from former falls (Oliver et al., 2004) and muscle fatigue in the legs (Rubinstein, 2006; Ambrose, Paul & Hausdorff, 2013; Deandrea et al., 2010). Hence, the research of this habilitation centrally addresses gait behavior. It has already been shown that risk factors of falling while walking cumulate with increasing age, because those factors interact. Risk factors include age, sex (women fall more often than men) and comorbidities, such as osteoporosis, limited visual control and cognitive disturbances, especially impairments of the attentional focus and of the executive control (Ambrose et al., 2013; Mirelmann et al., 2012). However, with rising age, movements in the daily routine require increased cognitive control, attentional resources, and executive functioning (Yogev-Seligmann, Hausdorff & Giladi, 2008; Woollacott & Shumway-Cook, 2002). Thus, for seniors, the process of walking is not similarly automatized as for younger subjects (Yogev-Seligmann, Hausdorff & Giladi, 2007) and it gets more and more prone to failure. Another approach to identify the susceptibility of gait patterns and the resulting falls was derived from the hypothesis that daily situations, in which falls occur, often demand cognitive processing of various sensory information simultaneously (Faulkner et al., 2007). Such situations include e.g., crossing a busy road within the green phase of the cross light, while the oncoming traffic and other pedestrians must be observed, and movements or reaction times have to be organized according to the situation. To model the simultaneous demands of motor and cognitive functions, the dual task paradigm (DT) is increasingly used within falls prevention research and to describe disturbances of the gait pattern. Yet, it has also been shown that motoric and cognitive abilities can be enhanced by specific training measures, which can additionally reduce age-related decrements (Giné-Garriga et al., 2014; Kelly et al., 2014). Moreover, DT-training has been used to improve cognitive-motor functioning in old age. The central assumption of this approach is that DT-training unlocks cognitive resources and hence improves the execution of tasks in DT-situations (Bherer et al., 2005). Despite the comprehensive number of findings about the introduced topic, inconsistencies within the results concerning the impact of dual tasking on the gait behavior remain. Thus, there is still a lack of precise principles concerning the design of DT-training that aims to enhance gait quality. Therefore, the initial goal of the research conducted within this cumulative habilitation was to develop and evaluate scientifically validated long-term interventions that consider the dual task paradigm and aim to prevent falls in seniors. To illustrate the abundance of the described aspects that are taken into account within the scholarship of the risk of falling, different dimensions (age, sex, physical functioning) and disciplines (e.g., gerontology, motor skills, cognition, biomechanics, training sciences) have to be considered. Hence, in approximation of a holistic view, an approach derived from the movement sciences was chosen, which combines age-related physical changes, cognitive aspects of movement control, biomechanical parameters of the gait pattern and the possibilities to expand resources via training. Two questions guided the process of the conducted research: 1. From a movement science perspective: How does cognitive-motor interference disturb the gait of seniors? Which theoretical models can be depicted? 2. From a training science perspective: How must a training intervention be designed and executed to reduce gait disturbances in dual task situations? The publications related to this cumulative habilitation describe the research process in approximation to those two research questions. In the course of the theoretical framework an overview about the complex problem of gait instabilities in older age is given in the context of the prevention of falls. Secondly, models and explanatory approaches for cognitive-motor interferences in dual task situations will be presented and systemized. Against the backdrop of the theoretical framework a training intervention was derived and its effect on the gait behavior of seniors in dual task situations was investigated.