Principles of Entrainment

i 1666 opdagede den hollandske fysiker Christian Huygens, at pendelfrekvenserne for to ure monteret på samme væg eller bord blev synkroniseret med hinanden. Han antog, at vibrationerne i luftmolekyler ville overføre små mængder energi fra det ene pendul til det andet og synkronisere dem til en fælles frekvens. Men når den er indstillet på forskellige overflader, forsvandt effekten. Det transmitterende medium var faktisk det vibrerende bord eller væggen. For luftmolekylvibrationer ville der have været for meget dæmpning i processen med energitransmission, som senere blev opdaget. Effekten blev efterfølgende bekræftet af mange andre eksperimenter og blev kaldt medrivning. I medrivning forårsager de forskellige mængder energi, der overføres mellem de bevægelige kroppe på grund af de asynkrone bevægelsesperioder, negativ feedback. Denne feedback driver en justeringsproces, hvor de forskellige energimængder gradvist elimineres til nul, indtil begge bevægelige kroppe bevæger sig i resonansfrekvens eller synkronisering. Den stærkere” oscillator ” låser den svagere ind i dens frekvens. Når begge oscillerende kroppe har lige så stærk energi, bevæger begge systemer sig mod hinanden: det hurtigere system sænkes, og det langsommere system går hurtigere, indtil de låser ind i en fælles bevægelsesperiode (Pantaleone, 2002).

teknisk set henviser inddragelse i fysik til frekvenslåsning af to oscillerende legemer, dvs., organer, der kan bevæge sig i stabile periodiske eller rytmiske cyklusser. De har forskellige frekvenser eller bevægelsesperioder, når de bevæger sig uafhængigt, men når de interagerer, antager de en fælles periode. I øvrigt, Huygens’ pendler faktisk antaget en fælles periode 180 kr. ud af fase, som han kaldte “ulige sympati.”Det er nu kendt, at medrivning kan forekomme i forskellige faseforhold af bevægelsesforstyrrelser i de oscillerende legemer. Et stabilt faseforhold opnås, når begge kroppe starter og stopper deres bevægelsesperiode på samme tid. Dette er dog ikke en nødvendig forudsætning for, at medrivning kan forekomme. Den afgørende faktor for inddragelse er den fælles periode for de to legemers oscillerende bevægelser. Den fælles periode medrivning er af afgørende betydning for kliniske anvendelser af rytmisk medrivning som en tidsmæssig kø i motorrehabilitering (Kugler og Turvey, 1987; Thaut et al., 1998a). Common period medrivning fastslår, at den rytmiske cue giver en kontinuerlig tidsreference i hele bevægelsens varighed, der skal reguleres.

auditivt System og Tidsopfattelse

betydningen af det auditive system i styringen af bevægelse blev traditionelt givet meget mindre opmærksomhed i motorstyringsteori og forskning end det visuelle eller proprioceptive system. Derfor blev auditiv rytme og mere komplekse auditive tidsstrukturer forbundet med musikalske mønstre ikke give meget funktionel værdi i motorisk læring eller motorrehabilitering. Derfor spillede anvendelse på motorterapier ingen rolle i traditionel musikterapi. Musik blev for det meste tildelt en motiverende rolle for bevægelsespræstation (Thaut, 2005).

imidlertid har grundlæggende neurofysiologi og biofysik af sensorimotorisk forbindelse altid vist spændende interaktioner mellem det auditive og det motoriske system. Det auditive systems evne til hurtigt at konstruere stabile temporale skabeloner er velkendt (se for en gennemgang: Thaut og Kenyon, 2003). Det auditive system er fremragende konstrueret til at detektere tidsmæssige mønstre i auditive signaler med ekstrem præcision og hastighed, som krævet af lydens art som kun eksisterende i tidsmæssige vibrationsmønstre (Moore, 2003). I disse opgaver er det auditive system hurtigere og mere præcist end de visuelle og taktile systemer (Shelton and Kumar, 2010). Da lydbølger, der er vigtigst for tale og musik og andre perceptuelle opgaver, er baseret på periodiske bevægelser, der gentager sig i regelmæssigt tilbagevendende cyklusser, er det auditive system også perceptuelt rettet mod at detektere og konstruere rytmiske lydmønstre. Endelig har mange undersøgelser nu vist, at auditive rytmiske signaler kan medføre motoriske reaktioner. For eksempel Thaut et al. (1998b) demonstrerede, at finger-og armbevægelser øjeblikkeligt medfører perioden med en rytmisk stimulus (f.eks. metronomeslag) og forbliver låst til metronomfrekvensen, selv når subtile tempoændringer induceres i metronomen, der bevidst ikke opfattes. Disse fund er blevet bekræftet af andre undersøgelser (cf, Large et al., 2002).

Neural medrivning

det neurale grundlag for auditiv-motorisk medrivning er mindre forstået. To tidlige elektrofysiologiske undersøgelser (Paltsev og Elner, 1967; Rossignol og Melvill Jones, 1976) viste, hvordan lydsignaler og rytmisk musik kan prime og time muskelaktivering via reticulospinale veje. Det er nu veletableret, at det auditive system har rigt fordelt fiberforbindelser til motorcentre fra rygmarven opad på hjernestammen, subkortikale og kortikale niveauer (Kosiol og spirende, 2009; Schmahmann og Pandya, 2009; Feliks et al., 2011). Selvom det specifikke grundlag for neurale medrivningsmekanismer stadig ikke er fuldt udforsket, har flere undersøgelser i det mindste været i stand til at forbinde neurale svingningsmønstre i det auditive system til tid og frekvensdynamik for rytmiske lydstimuli. Fujioka et al. (2012) viste moduleringer i neuromagnetiske beta-svingninger relateret til den rytmiske stimulusfrekvens i auditive områder, motoriske områder (sensorimotorbark, supplerende motorområde) såvel som den underordnede frontale gyrus og lillehjernen. Tierney og Kraus (2013) demonstrerede konsistente neurale reaktioner i inferior colliculus (IC) synkroniseret med en rytmisk auditiv stimulus (stavelsen “da”). IC er en tidlig auditiv vejkerne i hjernestammen med rige fremspring til lillehjernen via de dorsolaterale pontinkerner. Da lillehjernen aktiveres i sensorimotoriske synkroniseringsopgaver (jf. Stephan et al., 2002; Grahn et al., 2011) og aktiveringer i forskellige cerebellare regioner svarer til forskellige aspekter af den tidsmæssige dynamik ved Rytmisk synkronisering (Thaut et al., 2009b; Konoike et al., 2012) – såsom mønsterdetektion eller sporing af ændringer i rytmisk intervalvarighed-repræsentationen af timinginformation i IC kan være en vigtig funktion i auditive-til-motoriske transformationer under rytmisk medrivning. Endelig en meg-undersøgelse af Tecchio et al. (2000) viste amplitudeændringer i M100-komponenten af auditiv fremkaldt feltpotentiale lineært medregnet af ændringer i de rytmiske intervalvarigheder, dvs.længere intervaller var forbundet med højere M100-intensiteter og omvendt. Dette medrivningsmønster var også observerbart under subliminale varighedsændringer ved 2% af den absolutte intervalvarighed. Imidlertid er de nøjagtige neurale transmissionsmekanismer fra auditive til motoriske centre ikke blevet udforsket fuldt ud.

af største betydning i forbindelse med motorrehabilitering var konstateringen af, at den skadede hjerne faktisk kan få adgang til rytmiske medrivningsmekanismer. Tidlige undersøgelser af gangtræning i hemiparetisk slagtilfælde rehabilitering (Thaut et al., 1993, 1997), Parkinsons sygdom (Thaut et al., 1996; McIntosh et al., 1997), traumatisk hjerneskade (Hurt et al., 1998), og cerebral parese (Thaut et al., 1998) bekræftede adfærdsmæssigt eksistensen af rytmiske medrivelsesprocesser i kliniske populationer. Undersøgelser, der udvider medrivning til hemiparetisk armrehabilitering, følges nøje., 2000; Thaut et al., 2002).

Rhythmic entrainment etablerede den første testbare motorteori for rollen som auditiv rytme og musik i terapi. De efterfølgende undersøgelser førte til behovet for at kodificere og standardisere rytmisk-musikalsk anvendelse til motorrehabilitering (Thaut, 2005; Thaut og Hoemberg, 2014). Disse teknikker blev det første fundament for det kliniske repertoire af neurologisk musikterapi.

Timingbaseret Bevægelsesoptimering

den omfattende effekt af rytmisk medrivning på motorstyring rejser nogle vigtige teoretiske spørgsmål om mekanismerne, der modulerer disse ændringer. Vi ved, at fyringshastigheder for auditive neuroner, udløst af auditiv rytme og musik, medtager motorneurons fyringsmønstre og dermed driver motorsystemet til forskellige frekvensniveauer. Der er to yderligere mekanismer er af stor klinisk betydning med hensyn til medrivning. Den første er, at auditiv stimulering primerer motorsystemet i en tilstand af beredskab til at bevæge sig. Priming øger efterfølgende responskvalitet.

det andet, mere specifikke aspekt af medrivning henviser til de ændringer i motorplanlægning og motorudførelse, det skaber. Rytmiske stimuli skaber stabile forventede tidsskalaer eller skabeloner. Forventning er et kritisk element i forbedring af bevægelseskvaliteten. Rhythm giver præcise forventningsfulde tidskoder for hjernen til at planlægge fremad og være klar. Desuden er vellykket bevægelsesforventning baseret på forudviden om varigheden af cue-perioden. Under medrivning to bevægelsesoscillatorer – i vores tilfælde neuralt baseret – af forskellige perioder medrives til en fælles periode. Ved auditiv medrivning medfører motorperioden perioden for den auditive rytme. Medrivning er altid drevet af frekvens eller periodeinddragelse – det vil sige, at de almindelige perioder måske eller måske ikke er i perfekt faselås (dvs.starten af motorresponsen ville være perfekt synkroniseret med det auditive beat). Beat medrivning er et almindeligt misforstået koncept. Entrainment er ikke defineret af beat eller fase medrivning – det er defineret af periode medrivning (Large et al., 2002; Thaut og Kenyon, 2003; Nosaradan et al., 2011).

Periodeintrainment giver løsningen på, hvorfor auditiv rytme også ændrer de rumlige kinematiske og dynamiske kraftmål for muskelaktivering, f.eks. som det fremgår af udjævning af hastigheds-og accelerationsprofiler. Forudviden om varigheden af bevægelsesperioden ændrer beregningsmæssigt alt i motorplanlægning for hjernen. Hastighed og acceleration er matematiske tidsderivater af bevægelsesposition. Overvej, at en bevægelsescyklus, f.eks. af håndleddet ved at nå bevægelser, består af et endeligt antal positionskoordinater (h, y,Å), der hver er forbundet med en bestemt tidsværdi (t) i bevægelsesperioden. Hvis vi for forenkling overvejer, at positionskoordinaten (t) er kontinuerlig snarere end en diskret funktion af følgende udsagn, kan matematisk beskrive forholdet mellem position, hastighed og acceleration uden at gå ind i den matematiske ligningsdetalje:

• hastigheden v(t) til enhver tid t er første gang afledt af position H(t) og er lig med den numeriske værdi af hældningen af positionskurven på det tidspunkt t.

• accelerationen a(t) til enhver tid t er anden gang afledt af position H(t), første gang afledt af hastighed v(t) og er lig med den numeriske værdi af hældningen af hastighedskurven på det tidspunkt t.

acceleration a (t) til enhver tid t er anden gang afledt af position H (t), første gang afledt af hastighed v (t) og er lig med den numeriske værdi af hældningen af hastighedskurven på det tidspunkt t.

• positionen til enhver tid t er numerisk lig med arealet under hastighedstidskurven mellem nul og T.

• hastigheden v til enhver tid t er numerisk lig med arealet under accelerationstidskurven mellem nul og t.

i betragtning af denne baggrundsinformation og ved hjælp af et optimeringskriterium, f.eks. minimering af spidsacceleration, kan vi nu vise, at bevægelsesbanen som en funktion af tiden i tredimensionelt rum bestemmes fuldstændigt som en konsekvens af optimeringstilstanden, dvs. hele bevægelsescyklussen er fast i tid på grund af periodeinddragelse. Det faktum, at en foregribende tidsmæssig begrænsning af bevægelsesperioden (givet af stimulusperioden) resulterer i et kinematisk veldefineret optimeringsproblem muliggør en matematisk analyse, der viser en komplet specifikation af de tredimensionelle koordinater for en lemmebane. Med andre ord er reduktion i banevariabilitet af armen under en nåede bevægelse eller knæet under en trincyklus et naturligt resultat af den rytmiske tidsbegrænsning.

i klinisk sprog, ved at fiksere bevægelsestid gennem et rytmisk interval, har hjernens interne tidtager nu en ekstra eksternt udløst tidtager med et præcist referenceinterval, en kontinuerlig tidsreference (CTR). Denne tidsperiode præsenterer tidsinformation til hjernen på ethvert trin i bevægelsen. Hjernen ved på ethvert tidspunkt af bevægelsen, hvor meget tid der er gået, og hvor meget tid der er tilbage, hvilket muliggør forbedret forventningsfuld kortlægning og skalering af optimale hastigheds-og accelerationsparametre på tværs af bevægelsesintervallet. Hjernen forsøger at optimere bevægelsen nu ved at matche den til den givne skabelon. Denne proces vil ikke kun resultere i ændringer i bevægelseshastighed, men også i glattere og mindre variable bevægelsesbaner og muskelrekruttering. Man kan konkludere, at auditiv rytme via fysiologisk periodeinddragelse af motorsystemet fungerer som en tvingende funktion for at optimere alle aspekter af motorstyring. Rytme påvirker ikke kun bevægelsestiming – tid som den centrale koordinerende enhed for motorstyring – men modulerer også mønstre for muskelaktivering og kontrol af bevægelse i rummet (Thaut et al., 1999). Rytmiske signaler giver omfattende optimeringsinformation til hjernen til omprogrammering af bevægelse.

med denne forståelse af de underliggende mekanismer for medrivning er det klinisk mindre vigtigt, hvis patienterne synkroniserer deres motoriske respons nøjagtigt til rytmen – det er vigtigt, at de medrives til den rytmiske periode, fordi periodeskabelonen indeholder den kritiske information for at optimere motorplanlægning og motorudførelse. Forskning har faktisk vist, at timingen af motorresponsen i forhold til rytmen kan svinge, mens bevægelsesperioden medfører meget hurtigt og præcist til den rytmiske periode, og periodeinddrivelsen opretholdes under frekvensændringer i det rytmiske stimulusinterval (Thaut et al., 1998b).

kliniske anvendelser af inddragelse

indsigterne fra rytmiske auditiv-motoriske studier førte til en fuldstændig re-konceptualisering af rollen som komplekse auditive stimuli såsom musik til Terapi og rehabilitering. Traditionelt, musikens rolle i terapi var blevet betragtet fra samfundsvidenskabelige modeller som en stimulans til personlig fortolkning med hensyn til trivsel, følelsesmæssig reaktion, og socialt forhold. Selvom disse egenskaber ved musik også er vigtige for terapeutiske funktioner, fokuserede de nye opdagelser musikens rolle som terapeutisk stimulus på dens strukturelle egenskaber, der formede sensorisk opfattelse knyttet til motorisk funktion (de l ‘ Etoile, 2010; altenmueller og Schlaug, 2013).

de tidlige kliniske fund er blevet replikeret og udvidet af en række andre forskningsgrupper, der underbygger eksistensen af rytmisk auditiv-motor kredsløb til medrivning i hemiparetisk gangrehabilitering (Ford et al., 2007; Roerdink et al., 2007, 2011; Thaut et al., 2007; Spaulding et al., 2013). Et stort antal RAS-undersøgelser har gentaget og udvidet den gavnlige anvendelse af RAS til mobilitet i Parkinsons sygdom (se til gennemgang: deDreu et al., 2012).

efter vellykkede forsøg med at inddrage endogene biologiske rytmer af neurale gangoscillatorer opstod et nyt spørgsmål. Kan rytmisk medrivning også anvendes til at inddrage hele kropsbevægelser, især arm-og håndbevægelser, der ikke drives af underliggende biologiske rytmer? Svaret blev fundet ved at dreje funktionelle øvre ekstremitetsbevægelser, som normalt er diskrete og ikke-rytmiske, til gentagne cykliske bevægelsesenheder, som nu kunne matches med rytmiske tidskoder. Flere kliniske forskningsundersøgelser har med succes undersøgt rytmisk cuing for øvre ekstremitet for fuld kropskoordinering, især i hemiparetisk slagtilfælde rehabilitering (Luft et al., 2004; McCombe et al., 2006; Schneider et al., 2007; Altenmueller et al., 2009; Malcolm et al., 2009; Grau-Sanches et al., 2013) og hos børn med cerebral parese (Peng et al., 2010; Jørgen et al., 2013).

forbedringerne i rehabilitering af slagtilfælde var sammenlignelige i størrelse med data fra forskning i begrænsningsinduceret terapi (CIT; Massie et al., 2009).

flere kliniske anvendelser af medrivning

rytmisk medrivning strækker sig ud over motorisk kontrol. Ny forskning viser, at talehastighedskontrol, der påvirker forståelighed, oral motorisk kontrol, artikulation, stemmekvalitet og åndedrætsstyrke, i høj grad kan drage fordel af rytmisk medrivning ved hjælp af rytme og musik (Pilon et al., 1998, 2000, Thaut et al., 2001; Natke et al., 2003; Lim et al., 2013). Nylige fund i afasirehabilitering antyder, at den rytmiske komponent i melodisk intonationsterapi kan være lige så vigtig som aktiveringen af intakt højre halvkugleformede talekredsløb gennem sang (Stahl et al., 2011).

endelig er potentialet for tidsmæssig inddragelse af kognitiv funktion først for nylig opstået som en vigtig drivkraft for terapeutisk forandring. Erkendelsen af, at timing og sekventering også har en kritisk funktion i kognitive evner., 2009) har ført til forskning, der undersøger den potentielle rolle musik og rytme som kognitiv rehabiliteringsteknik. Lyd i musik er i sagens natur tidsmæssig og sekventiel og kan tjene som et “stillads” til at starte repræsentationen af tidsmæssige sekventielle mønstre i kognitive funktioner såsom hukommelse., 2009). Bootstrapping ikke-musikalsk information til de rytmisk-melodiske mønstre i en musikalsk “stillads” kan tilbyde flere fordele for at forbedre dyb kodning under erhvervelse og hentning i hukommelsestræning. Musik kan cue den tidsmæssige rækkefølge og sekventering af information. Den rytmisk-melodiske kontur kan skabe en mønsterstruktur, hvortil informationsenheder kan kortlægges. Sætningsstrukturen i musikmønstre kan segmentere de samlede informationsenheder i et mindre sæt store bidder eller overordnede enheder, hvilket reducerer hukommelsesbelastningen (1994). Dette sidste punkt kan udgøre en særlig fordel i musik, da musikalske mnemonics, såsom korte sange, normalt er sammensat af et lille alfabet af tonehøjder og rytmiske motiver (Snyder, 2000). Store informationsenheder Konstrueret af store alfabeter (f. eks., ordlister, taltabeller) kan kortlægges på en lille tonehøjde og rytmealfabet, som er organiseret i overflødige, gentagne og foregribende “hukommelsesenheder”, der reducerer hukommelsesbelastningen og øger dyb kodning (Thaut et al., 2009a).

fra inddragelse til kompleksitet

neurologisk musikterapi teknikker i kognitiv og tale / sprogrehabilitering er i høj grad afhængige af timingens rolle i musik og rytme. Opdagelsen af, at et musikalsk element som rytme kan være en meget effektiv drivkraft for terapeutisk læring og træning, har imidlertid ført til et nyt look for at overveje det terapeutiske potentiale for alle musikalske elementer inden for en ramme for musikopfattelse og musikafspilning. Med andre ord, rytmisk medrivning åbnede dørene for at skifte fra overvejende fortolkende modeller af musik i terapi til perceptuelle baserede modeller. Fortolkende anvendelser af musik i terapi forbliver vigtige, især når psykosociale, affektive/ekspressive eller associative langsigtede hukommelsesmål bliver et funktionelt fokus for terapi. Imidlertid har forskning nu vist, hvordan hele kompleksiteten af musikalske elementer kan formes til funktionel terapi. Perceptuelle øvelser bygget på melodiske og harmoniske mønstre i musik kan anvendes til at træne vedvarende, selektiv, opdelt, fokuseret og skiftevis opmærksomhed i kliniske omgivelser (Gardiner og Thaut, 2014). Musik som et komplekst auditivt sprog er blevet anvendt til at omskole auditive opfattelsesunderskud og forbedre taleopfattelsen (Tierney and Kraus, 2013; Mertel, 2014). Særlige anvendelser af musikbaseret auditiv perceptionstræning er blevet brugt med cochlear-implantatbrugere (Mertel, 2014). Hos patienter med hemi-rumlig visuel forsømmelse har terapeutiske øvelser ved hjælp af musiklytning og instrumentspil, der understreger auditiv og visuel fokus på forsømmelsessiden, vist sig at være en succes med at reducere forsømmelse (Hommel et al., 1990; Abiru et al., 2007; Soto et al., 2009; Bodak et al., 2014). Endelig guidede elementære komposition og improvisation øvelser i musik understreger kompleksitet tænkning, beslutningstagning, problemløsning, ræsonnement, affektiv evaluering, selvorganisering, forståelse, etc. har vist sig at have succes med at forbedre udøvende funktion hos personer med traumatisk hjerneskade (Thaut et al., 2009b; Hegde, 2014).

Frontiers for Neurologic Music Therapy

opdagelsen af inddragelse til terapeutiske formål i begyndelsen af 1990 ‘ erne har ført til en stærk mængde forskningsbevis for, at periodiciteten af auditive rytmiske mønstre kunne forbedre bevægelsesmønstre hos patienter med bevægelsesforstyrrelser. Motorstyringsteori og motor neurofysiologi foreslår, at ændringer i motoriske mønstre skyldes priming af motorsystemet og foregribende rytmiske skabeloner i hjernen, der giver mulighed for optimal forventning, motorplanlægning og udførelse med en ekstern rytmisk signal. Hjernens evne til at bruge medrivning til at omprogrammere udførelsen af et motorisk mønster har gjort rytmisk medrivning til et vigtigt redskab i motorrehabilitering (Thaut og Abiru, 2010; Thaut og McIntosh, 2014). For nylig er tidsmæssig rytmisk medrivning blevet udvidet til applikationer inden for kognitiv rehabilitering og tale-og sprogrehabilitering med nye beviser for, at mekanismer for Rytmisk medrivning kan være et vigtigt redskab til rehabilitering inden for alle områder af neurologisk musikterapi (Thaut, 2010; Thaut og Hoemberg, 2014). Den tidsmæssige struktur af musik forbliver et centralt element i terapi og rehabilitering. Opdagelsen af rytmisk medrivning har imidlertid også åbnet døren for at udforske de terapeutiske mekanismer i andre elementer i musik, såsom melodi og harmoni, og endelig i mønsterstrukturen i musik som et komplekst lydsprog for at stimulere og (gen) træne komplekse kognitive funktioner. Neurologisk musikterapi som en kodificeret og standardiseret behandlingsmodel, der i øjeblikket omfatter 20 teknikker inden for motorisk, tale/sprog og kognitiv rehabilitering, er opstået og er blevet medicinsk accepteret ganske hurtigt i løbet af de sidste 15 år. Men da NMT blev bygget på eksisterende forskningsdata, vil den fremtidige form for NMT blive dynamisk drevet af fortsat forskning. Et af de største områder af terapeutisk behov er i psykiatrisk rehabilitering. Nye synspunkter om arten af psykisk sygdom, drevet af ny indsigt fra neuropsykiatrisk forskning, kan muliggøre en mere fokuseret udvidelse af NMT-teknikker inden for områderne udøvende og psykosocial funktion, opmærksomhed, og hukommelse for at bidrage til psykiatrisk behandling.

interessekonflikt Erklæring

forfatterne erklærer, at forskningen blev udført i mangel af kommercielle eller økonomiske forhold, der kunne fortolkes som en potentiel interessekonflikt.