Made available in DSpace on 2014-06-11T19:25:19Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2008-11-13Bitstream added on 2014-06-13T19:11:55Z : No. of bitstreams: 1 pinheiro_rm_me_botfm.pdf: 223851 bytes, checksum: 1dc74a346247bb44602b731511799dc6 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / A avaliação do equilíbrio do idoso morador da comunidade pode ser realizada usando testes práticos do equilíbrio e da sensibilidade cutânea plantar. Verificar a ocorrência de desequilíbrio e perda da sensibilidade táctil plantar, observar se ocorre associação entre estas alterações e se a realização conjunta dos testes de equilíbrio e da sensibilidade plantar aumenta a precisão da avaliação. Serie de casos compreendendo 45 idosos testados através da escala de equilíbrio de Berg e do teste da sensibilidade cutânea plantar com monofilamentos de nylon. Foram utilizados os testes do qui quadrado, e exato de Fisher e elaboradas curvas ROC para estudo da sensibilidade e especificidade do teste de Berg. Idosos com alteração do equilíbrio e da sensibilidade plantar foram em número de 2 e de 4, respectivamente. Houve associação significante entre queixa de desequilíbrio e sensibilidade (p = 0,047) e houve concordância razoável (Kappa = 0,6457) entre a escala de Berg e o teste da sensibilidade, assim como verificou-se associação significativa entre 6 das 14 tarefas da escala e o teste da sensibilidade plantar. Idosos com vida independente na comunidade, em sua grande maioria, apresentam equilíbrio e sensibilidade cutânea plantar normais, havendo indícios de que as alterações destas funções estão associadas. A realização de testes práticos do equilíbrio e da sensibilidade cutânea plantar aumenta a precisão da avaliação do estado do equilíbrio do idoso. / Balance assessment in community-dwelling elderly can be performed by using clinical balance and plantar cutaneous sensation tests. To evaluate the occurrence of inbalance and loss of plantar tactile sensitivity as well as to observe the occurence of association between such alterations and whether the consoint performing of these tests increase the accuracy of the evaluation. A series of cases comprising 45 elderly individuals tested by the Berg balance scale and the plantar cutaneous sensation test with nylon monofilaments. Chi-square and Fisher’s Exact tests were used and ROC curves were designed to study the sensitivity and specificity of the Berg test. Two and 4 individuals showed alteration in balance and plantar sensation, respectively. There was a significant association between inbalance complaints and sensitivity (p = 0.047), and there was reasonable agreement (Kappa = 0.6457) between the Berg scale and the sensitivity test. A significant association was also found among 6 of the 14 tasks in the Berg scale and the plantar sensitivity test. Most of the elderly individuals leading an independent life in the community showed normal balance and plantar cutaneous sensation, and there was evidence that alterations in these functions are associated. The performance of practical balance and plantar cutaneous sensations tests increases accuracy in the evaluation of elderly individuals’ balance conditions.

Orientador: Onivaldo Bretan / Banca: Paulo Villas Boas / Banca: Marco Aurélio Bottino / Resumo: A avaliação do equilíbrio do idoso morador da comunidade pode ser realizada usando testes práticos do equilíbrio e da sensibilidade cutânea plantar. Verificar a ocorrência de desequilíbrio e perda da sensibilidade táctil plantar, observar se ocorre associação entre estas alterações e se a realização conjunta dos testes de equilíbrio e da sensibilidade plantar aumenta a precisão da avaliação. Serie de casos compreendendo 45 idosos testados através da escala de equilíbrio de Berg e do teste da sensibilidade cutânea plantar com monofilamentos de nylon. Foram utilizados os testes do qui quadrado, e exato de Fisher e elaboradas curvas ROC para estudo da sensibilidade e especificidade do teste de Berg. Idosos com alteração do equilíbrio e da sensibilidade plantar foram em número de 2 e de 4, respectivamente. Houve associação significante entre queixa de desequilíbrio e sensibilidade (p = 0,047) e houve concordância razoável (Kappa = 0,6457) entre a escala de Berg e o teste da sensibilidade, assim como verificou-se associação significativa entre 6 das 14 tarefas da escala e o teste da sensibilidade plantar. Idosos com vida independente na comunidade, em sua grande maioria, apresentam equilíbrio e sensibilidade cutânea plantar normais, havendo indícios de que as alterações destas funções estão associadas. A realização de testes práticos do equilíbrio e da sensibilidade cutânea plantar aumenta a precisão da avaliação do estado do equilíbrio do idoso. / Abstract: Balance assessment in community-dwelling elderly can be performed by using clinical balance and plantar cutaneous sensation tests. To evaluate the occurrence of inbalance and loss of plantar tactile sensitivity as well as to observe the occurence of association between such alterations and whether the consoint performing of these tests increase the accuracy of the evaluation. A series of cases comprising 45 elderly individuals tested by the Berg balance scale and the plantar cutaneous sensation test with nylon monofilaments. Chi-square and Fisher's Exact tests were used and ROC curves were designed to study the sensitivity and specificity of the Berg test. Two and 4 individuals showed alteration in balance and plantar sensation, respectively. There was a significant association between inbalance complaints and sensitivity (p = 0.047), and there was reasonable agreement (Kappa = 0.6457) between the Berg scale and the sensitivity test. A significant association was also found among 6 of the 14 tasks in the Berg scale and the plantar sensitivity test. Most of the elderly individuals leading an independent life in the community showed normal balance and plantar cutaneous sensation, and there was evidence that alterations in these functions are associated. The performance of practical balance and plantar cutaneous sensations tests increases accuracy in the evaluation of elderly individuals' balance conditions. / Mestre

The human foot has been accepted over the years as an important source of afferent input, used not only in the recognition of the surrounding environment (e.g. hard and soft surfaces), but also in the fine regulation of common daily-live movements (e.g. gait and balance control). The performance of these movements is usually accompanied by fluctuations in foot skin temperature as well as reciprocal blood flow changes at the foot area. Moreover, both variables are likely to be affected by footwear usage. Although these three factors are constantly present during the performance of daily live movements, only little and partially controversial information regarding the effects of foot skin temperature, blood flow at the foot area and footwear on foot sensitivity can be found in the literature. Therefore, the goal of the thesis was to investigate the effects of foot skin temperature, blood flow at the foot area and footwear on plantar foot vibration sensitivity of healthy young subjects. Three single studies were performed in order to investigate each variable separately. The first study investigated the influence of foot sole skin temperature on plantar foot sensitivity of 40 healthy subjects. Vibration thresholds were measured at 200Hz at a initial baseline temperature and after cooling/warming the foot skin 5-6 °C. The second study investigated the influence of short-time lower leg ischemia on plantar foot vibration sensitivity of 39 young adults. Lower leg ischemia was evoked with a pneumatic tourniquet, placed about 10cm above the popliteus cavity. Vibration thresholds were measured at 200 Hz in three different cuff pressure conditions: baseline (0 mmHg), low (50 mmHg) and high (150 mmHg). Finally, the influence of footwear on foot sensitivity was investigated in the third study, using specific Formula 1 shoes. Twenty-five male subjects participated in the study. Plantar foot vibration thresholds were measured at 30 and 200 Hz in five different foot/shoe conditions (barefoot and four shoe conditions). In all studies, vibration thresholds were measured at three anatomical locations of the plantar foot: heel, first metatarsal head (MET I) and hallux. The main results of the three studies show that the analysed variables significantly influence plantar foot vibration sensitivity. Data from the first study show that 5-6 °C alterations in foot skin temperature significantly influence the foot sensitivity of healthy young adults, whereby skin cooling results in reduced foot sensitivity, whereas skin warming improves plantar foot vibration sensitivity. The results of the second study indicate that short-time lower leg ischemia; especially regarding the high cuff pressure condition (150 mmhg), significantly reduces plantar foot sensitivity. Data from the third study show that the footwear effects on foot sensitivity are frequency-dependent. While barefoot sensitivity is better than shod sensitivity at 30Hz, shod sensitivity is better than barefoot sensitivity when measured at 200Hz. In conclusion, foot sole skin temperature, blood flow at the foot area and footwear significantly influence the plantar foot vibration sensitivity of healthy young adults. The alterations in foot sensitivity caused by these variables have important consequences for future clinical as well as movement-related research. Future clinical applications of quantitative sensory testing should consider the influence of these three factors during the assessment of sensory data, in order to standardize the measurement procedures as well as to enhance the quality of the collected data. Regarding the movement-related research, further studies should try to identify the importance of foot sensitivity for the performance of different types of movements (including sport-related activities). Additionally, the combined effects of movement-related changes in foot skin temperature and blood flow should be analysed and integrated in the development process of functional footwear, which is able to fulffill the foot sensitivity requirements of different movements. / Die Rolle des menschlichen Fußes als wichtiger „Mediator“ sensorischer Reize wird zunehmen in der Literatur akzeptiert. Die vom Fuß aufgenommenen afferenten Informationen werden im Zentralen Nervensystem integriert und weitergeleitet, um die Regulation typischer Bewegungsmuster (z.B. Gang und Gleichgewichtskontrolle) mitzusteuern. Während der Durchführung derartiger Bewegungen werden oftmals Änderungen der Hauttemperatur oder auch des Blutflusses im Fußbereich provoziert. Diese werden wiederum durch das Tragen von Schuhen beeinflusst. Obwohl Hauttemperatur, Blutfluss im Fußbereich und Schuhwerk wichtige Faktoren bei der Bewegungsdurchführung darstellen, können nur wenige und teilweise konträre Informationen über den Einfluss dieser Faktoren auf die Fußsensibilität in der Literatur gefunden werden. Somit hat diese Dissertation zum Ziel, den Einfluss der Temperatur der Fußsohle, des Blutflusses am Fußbereich sowie des Schuhwerkes auf die Vibrationssensibilität des plantaren Fußes gesunder Probanden zu untersuchen. Um den Einfluss der einzelnen Parameter auf die Fußsensibilität untersuchen zu können, wurden drei Studien durchgeführt. Die erste Studie hatte zum Ziel, den Einfluss der Temperatur der Fußsohle auf die Vibrationssensibilität von 40 Probanden zu untersuchen. Dabei wurden die Vibrationsschwellen, - mit einer Frequenz von 200 Hz -, bei einer Ausgangsmessung sowie nach einer 5-6 °C Abkühlung/Erwärmung der Haut der Fußsohle gemessen. In der zweiten Studie wurde der Einfluss einer Kurzzeitischämie des Unterschenkels auf die plantare Fußsensibilität von 39 Probanden getestet. Die Ischämie im Unterschenkel wurde mit Hilfe eines im Bereich der fossa popliteal platzierten pneumatischen Tourniquets hervorgerufen. Die plantaren Vibrationsschwellen wurden mit einer Frequenz von 200Hz in drei verschiedenen Druckbedingungen ermittelt: Ausgang (0 mmHg), niedrig (50 mmHg) und hoch (150 mmHg). Schließlich beschäftigt sich die dritte Studie mit dem Einfluss vom Schuhwerk auf die Fußsensibilität. Fünfundzwanzig Probanden haben an der Studie teilgenommen. Die Vibrationsschwellen wurden mit Frequenzen von 30 und 200 Hz bei fünf verschiedenen Bedingungen gemessen (eine Barfuss- und vier Schuhbedingungen). In allen Studien wurden die Vibrationsschwellen im plantaren Fußbereich unter der Ferse, dem Metatarsalkopf I sowie unter dem Hallux ermittelt. Die Ergebnisse der drei Studien zeigen, dass die analysierten Parameter einen signifikanten Einfluss auf die plantare Vibrationssensibilität der Probanden haben. Die erste Studie zeigt, dass eine 5-6° C - Schwankung der Hauttemperatur der Fußsohle die Fußsensibilität signifikant beeinflusst, wobei die Erwärmung der Haut eine Zunahme der Fußsensibilität verursacht und die Abkühlung eine Abnahme der Fußsensibilität hervorruft. Die Ergebnisse der zweiten Studie demonstrieren, dass die im Unterschenkel hervorgerufene Ischämie eine Verschlechterung der Fußsensibilität verursacht, insbesondere bei den Messungen der Hochdruckbedingung (150 mmHG). Die Daten der dritten Studie weisen darauf hin, dass der Einfluss vom Schuhwerk auf die Vibrationssensibilität des plantaren Fußes frequenzabhängig ist. Bei einer Vibrationsfrequenz von 30Hz ist die Sensibilität barfuss besser als die mit Schuhen gemessene Vibrationssensibilität. Hingegen ist bei einer Frequenz von 200 Hz die mit Schuhen gemessenen Sensibilität besser als die Sensibilität barfuss. Anhand der Ergebnisse der drei Studien konnte festgestellt werden, dass die Temperatur der Fußsohle, Blutfluss im Fußbereich und Schuhwerk einen signifikanten Einfluss auf die plantare Vibrationssensibilität gesunder Probanden haben. Daraus folgen wichtige Hinweise für zukünftige klinische- sowie bewegungsorientierte Forschung. Der Einfluss der drei analysierten Parameter sollte künftig bei der Beurteilung sensorischer Daten mit einbezogen werden. Dies würde zum einem eine Standardisierung der Messverfahren gewährleisten, zum anderen die Qualität der im klinischen Bereich gemessenen Daten erhöhen. Im Rahmen bewegungsorientierter Forschung soll die Wichtigkeit der Fußsensibilität bei der Durchführung unterschiedlicher Bewegungsformen, auch sportlicher Bewegung, näher untersucht werden. Weiterhin sollte eine gemeinsame Analyse der bewegungsbezogenen Änderungen der Hauttemperatur bzw. des Blutflusses im Fußbereich in künftiger Forschung angestrebt werden. Folglich können diese Änderungen in die Entwicklung funktionellen Schuhwerkes eingesetzt werden, um den Anforderungen der Fußsensibilität bei unterschiedlichen Bewegungsformen möglichst gerecht zu werden.

The central integration of sensory information provided by various afferent receptors is required to control human movement. Although the function of individual afferent receptors is known, the complexity and interactivity of afferent information remains unclear, especially in scenarios which involve the reduction of information provided by one or more afferent receptors. Reduced plantar sensitivity is commonly associated with postural instability, which occurs in ageing, peripheral neuropathies, and other neurological disorders like Parkinson's disease. Although there has been a great advance in understanding afferent inputs during recent years, the role of afferent information in controlling movement is still unclear. Therefore, the aim of the present thesis is to investigate the effects of reduced plantar sensitivity on quasi-static and dynamic balance control, as well as muscle reflexes. The current thesis is comprised of five experiments. Two experiments were designed as preliminary investigations, while the remaining three experiments addressed the main questions of this thesis. The first experiment investigated a basic question about subjective foot sensitivity (vibration perception) measured in two different body positions: standing and sitting. Results of Experiment I showed no differences of vibration perception between both measured conditions. Therefore, comparing data from plantar sensitivity vibration tests performed during sitting and during standing (e.g. balance) is feasible. In Experiment II, the role of afferent information from plantar mechanoreceptors on quasi-static balance was investigated using two different cooling procedures: a permanently cooling thermal platform and conventional ice pads. COP total excursions, plantar temperatures, and scores of a Visual Analogue Scale (VAS) regarding subjective pain were analyzed. Experiment II demonstrated that constant and controllable cooling via the thermal platform is the superior approach with respect to subjective pain (VAS) and to reach and maintain the desired temperature throughout the trials. Furthermore, only cooling via the thermal platform induced postural instability, revealed by increased COP values. This instability was expected due to reduced plantar input, indicating no compensation by other sensory systems. Experiment III focused on the inter- and intraday- reliability of dynamic balance responses using the Posturomed device. Generally good relative and absolute reliability were found for COP excursions. This outcome was fundamental to proceed with dynamic balance measurements using the same setup. Subsequently, effects of reduced plantar cutaneous inputs via cooling on anticipatory and compensatory balance responses (unexpected perturbations) were explored in Experiment IV. COP and EMG data were used to analyze anticipatory and compensatory balance responses. No differences in COP or EMG parameters were found for the anticipatory responses after hyper-thermia, while decreased values for compensatory balance responses were observed in response to cooling. This was interpreted as a kind of overcompensatory behavior of the central nervous system (CNS) due to more cautious behavior induced after plantar cooling. Finally, the question regarding the interaction between afferent receptors arose in Experiment V, in which the effects of reduced plantar temperatures on the Achilles tendon stretch reflex and plantar flexion were examined. Short latency responses and maximal force of plantar flexion were analyzed. Cooling resulted in decreased amplitudes of short latencies, as well as in delays in time to maximal force of plantar flexion. These findings suggest that plantar inputs participate complementarily in the Achilles stretch reflex. Collectively, the current thesis contributes to understanding how plantar receptors are involved in movement control; not only do they seem to work as independent contributors, but they also appear to interact with other afferent receptors. Furthermore, an important outcome is that the reduced plantar inputs seem to induce different alterations in the organization of CNS inputs and outputs, according to different balance tasks: quasi-static responses, anticipatory responses, and compensatory responses. For the future, the use of other methods like microneurography and electroencephalography could be helpful to gain even more understanding of afferent interactions during the control of movements. Similar protocols may also be implemented in other populations, such as elderly people or patients suffering from neurological disorders, who exhibit continued decline or degeneration of sensory receptors. / Die zentrale Integration von sensorischen Informationen, die aus verschiedenen afferenten Rezeptoren zur Verfügung gestellt werden, ist erforderlich, um die menschliche Bewegung zu steuern. Obwohl die Funktion der einzelnen afferenten Rezeptoren bekannt ist, bleibt die Komplexität und Interaktivität von afferenten Information unklar, insbesondere in Szenarien, in denen die Verminderung von Informationen aus einem oder mehreren afferenten Rezeptoren eintritt. Reduzierte plantare Sensibilität wird häufig im Zusammenhang mit Haltungsinstabilität verbunden. Dies tritt häufig während des Alterns ein, bei peripheren Neuropathien und anderen neurologischen Erkrankungen, wie etwa bei der Parkinson-Krankheit. Obwohl es in den vergangen Jahren große Entwicklungen was das Verständnis afferenter Inputs gab, ist die Rolle afferenter Information bei der Bewegungskontrolle immer noch unklar. Daher ist das Ziel der vorliegenden Dissertation, den Einfluss der Beeinträchtigung der plantaren Sensibilität auf das quasi-statische und dynamische Gleichgewicht, sowie auf den Reflex der Achillessehne, zu untersuchen. Die vorliegende Dissertation ist dazu aus fünf Untersuchungen aufgebaut. Zwei Untersuchungen werden als Voruntersuchungen präsentiert, während die übrigen drei Untersuchungen auf die Kernfragen dieser Doktorarbeit gerichtet sind. Die erste Untersuchung beschäftigt sich mit der grundlegenden Fragestellung bzgl. der subjektiven Fußsensibilität (Vibrationswahrnehmung), die in zwei verschiedenen Körperpositionen gemessen wurde: Im Stehen und im Sitzen. Ergebnisse aus Untersuchung I zeigten keine Unterschiede der Vibrationswahrnehmung zwischen den beiden Körperpositionen. Daher ist es möglich, Vergleiche zwischen Daten aus plantaren Vibrationswahrnehmungstests während des Sitzens und des Stehens (z.B. bei Gleichgewichtstests) durchzuführen. In Untersuchung II wurde die Rolle afferenter Informationen plantarer Mechanorezeptoren auf das quasi-statische Gleichgewicht mittels zwei unterschiedlicher Abkühlverfahren untersucht: eine permanente Abkühlung durch eine thermische Plattform und konventionelle Eis-Pads. Es wurden der COP Gesamtweg, plantar Temperaturen und eine visuelle Analogskala (VAS) in Bezug auf subjektive Schmerzen analysiert. Untersuchung II hat gezeigt, dass eine konstante und steuerbare Abkühlung über die thermische Plattform der überlegene Ansatz in Bezug auf subjektiven Schmerz (VAS) und bzgl. des Erreichens und Erhaltens einer gewünschten Temperatur innerhalb der Messungen ist. Weiterhin wurde nur durch die Abkühlung mittels thermischer Plattform eine posturale Instabilität induziert, evident durch erhöhte COP Gesamtwege. Diese Instabilität wurde aufgrund der Beeinträchtigung der plantaren Sensibilität erwartet, was auf eine fehlende Kompensation durch andere Sinnessysteme hinzuweisen scheint. In Untersuchung III lag der Fokus auf der inter- und intra-Tag-Reliabilität dynamischer Gleichgewichtsantworten mittels des Posturomed-Trainingsgerätes. Im Allgemeinen wurden eine gute relative und absolute Reliabilität der COP Gesamtwege ermittelt. Dieses Ergebnis war von grundlegender Bedeutung, um die Nutzung des gleichen Setups für die folgenden dynamischen Gleichgewichtsmessungen (Untersuchung IV) zu ermöglichen. Anschließend wurden die Effekte einer Beeinträchtigung der plantaren Sensibilität mittels Abkühlung auf antizipatorische und kompensatorische Antworten des dynamischen Gleichgewichts (anhand unerwarteter Störungen des Gleichgewichts) in Untersuchung IV erforscht. COP und EMG Daten wurden verwendet, um die antizipatorischen und kompensatorischen Antworten des Gleichgewichts zu analysieren. Nach der Abkühlung wurden bzgl. antizipatorischer Antworten keine Unterschiede in den COP und EMG Parametern gefunden. Im Hinblick auf kompensatorische Antworten zeigten sich reduzierte COP und EMG als Reaktion auf die Abkühlung. Dies wurde wie folgt interpretiert: aufgrund eines vorsichtigen Verhaltens, ausgelöst durch die verminderten sensorischen Inputs infolge der Abkühlung, kam es zu einer Art „Überkompensierungsverhalten“ des zentralen Nervensystems (ZNS). Schließlich stellte sich die Frage der Interaktion afferenter Rezeptoren in Untersuchung V, in welcher die Effekte reduzierter plantarer Temperaturen auf den Achillessehnen-Dehnungsreflex und die Plantarflexion untersucht wurden. Kurze Latenz Antworten (short latency responses) und die maximale Kraft der Plantarflexion wurden dabei analysiert. Die Abkühlung führte zu einer verminderten Amplitude der short latency responses sowie zu Verzögerungen der Zeit bis zur maximalen Kraft der Plantarflexion. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass plantare Inputs in komplementärer Weise am Achillessehnen-Dehnungsreflex beteiligt sind. Zusammenfassend lässt sich aussagen, dass die vorliegende Arbeit zum Verständnis beiträgt, wie plantare Rezeptoren an der Bewegungssteuerung beteiligt sind. Es scheint, dass diese nicht nur in unabhängiger Form zur Bewegungssteuerung beitragen, sondern dabei auch mit anderen afferenten Rezeptoren interagieren. Darüber hinaus ist ein wichtiges Resultat, dass die reduzierten plantaren Inputs scheinbar verschiedene Änderungen in der Organisation von Ein- und Ausgängen im ZNS induzieren. Dies erfolgt anhand unterschiedlicher Anforderungen an das Gleichgewicht: quasi-statische Antworten, antizipatorische Antworten und kompensatorischen Antworten. Für die Zukunft könnte die Implementierung anderer Methoden, wie Mikroneurographie und Elektroenzephalographie, hilfreich sein, um noch mehr Verständnis bezüglich afferenter Interaktionen während der Kontrolle von Bewegungen erlangen zu können. Ähnliche Protokolle könnten auch in anderen Populationen durchgeführt werden, wie ältere Menschen oder Patienten mit neurologischen Erkrankungen, die einen kontinuierlichen Rückgang oder Degenerationen sensorischer Rezeptoren zeigen.

Monitoring skin sensitivity is studied to clarify its relationship on balance. Measuring skin sensitivity is performed when subjects are sitting or lying, whereas balance tests are measured during standing. However, afferent signal processing and subsequent efferent responses can be altered by different body positions. Therefore, this study investigated whether vibration perception thresholds (VPTs) are influenced by body positions. Sixty-six healthy subjects (41♀; 25♂) participated in this study. Five measurements of VPTs were performed at each of the three analyzed anatomical locations (heel, first metatarsal head, hallux) of the right plantar foot under two randomized conditions: during sitting and standing. The contact force applied to the probe was measured and controlled within the five trials. Contact forces between the probe and the foot were higher during standing. However, no differences in VPTs were found between conditions. This indicates that VPTs are not different during standing compared to sitting, contrary to our expectations. We conclude that higher forces did not induce increased receptor activity. Since no differences were found between thresholds, future clinical studies can implement plantar VPT tests during sitting in association with balance tests during standing.

The human foot has been accepted over the years as an important source of afferent input, used not only in the recognition of the surrounding environment (e.g. hard and soft surfaces), but also in the fine regulation of common daily-live movements (e.g. gait and balance control). The performance of these movements is usually accompanied by fluctuations in foot skin temperature as well as reciprocal blood flow changes at the foot area. Moreover, both variables are likely to be affected by footwear usage. Although these three factors are constantly present during the performance of daily live movements, only little and partially controversial information regarding the effects of foot skin temperature, blood flow at the foot area and footwear on foot sensitivity can be found in the literature. Therefore, the goal of the thesis was to investigate the effects of foot skin temperature, blood flow at the foot area and footwear on plantar foot vibration sensitivity of healthy young subjects. Three single studies were performed in order to investigate each variable separately. The first study investigated the influence of foot sole skin temperature on plantar foot sensitivity of 40 healthy subjects. Vibration thresholds were measured at 200Hz at a initial baseline temperature and after cooling/warming the foot skin 5-6 °C. The second study investigated the influence of short-time lower leg ischemia on plantar foot vibration sensitivity of 39 young adults. Lower leg ischemia was evoked with a pneumatic tourniquet, placed about 10cm above the popliteus cavity. Vibration thresholds were measured at 200 Hz in three different cuff pressure conditions: baseline (0 mmHg), low (50 mmHg) and high (150 mmHg). Finally, the influence of footwear on foot sensitivity was investigated in the third study, using specific Formula 1 shoes. Twenty-five male subjects participated in the study. Plantar foot vibration thresholds were measured at 30 and 200 Hz in five different foot/shoe conditions (barefoot and four shoe conditions). In all studies, vibration thresholds were measured at three anatomical locations of the plantar foot: heel, first metatarsal head (MET I) and hallux. The main results of the three studies show that the analysed variables significantly influence plantar foot vibration sensitivity. Data from the first study show that 5-6 °C alterations in foot skin temperature significantly influence the foot sensitivity of healthy young adults, whereby skin cooling results in reduced foot sensitivity, whereas skin warming improves plantar foot vibration sensitivity. The results of the second study indicate that short-time lower leg ischemia; especially regarding the high cuff pressure condition (150 mmhg), significantly reduces plantar foot sensitivity. Data from the third study show that the footwear effects on foot sensitivity are frequency-dependent. While barefoot sensitivity is better than shod sensitivity at 30Hz, shod sensitivity is better than barefoot sensitivity when measured at 200Hz. In conclusion, foot sole skin temperature, blood flow at the foot area and footwear significantly influence the plantar foot vibration sensitivity of healthy young adults. The alterations in foot sensitivity caused by these variables have important consequences for future clinical as well as movement-related research. Future clinical applications of quantitative sensory testing should consider the influence of these three factors during the assessment of sensory data, in order to standardize the measurement procedures as well as to enhance the quality of the collected data. Regarding the movement-related research, further studies should try to identify the importance of foot sensitivity for the performance of different types of movements (including sport-related activities). Additionally, the combined effects of movement-related changes in foot skin temperature and blood flow should be analysed and integrated in the development process of functional footwear, which is able to fulffill the foot sensitivity requirements of different movements. / Die Rolle des menschlichen Fußes als wichtiger „Mediator“ sensorischer Reize wird zunehmen in der Literatur akzeptiert. Die vom Fuß aufgenommenen afferenten Informationen werden im Zentralen Nervensystem integriert und weitergeleitet, um die Regulation typischer Bewegungsmuster (z.B. Gang und Gleichgewichtskontrolle) mitzusteuern. Während der Durchführung derartiger Bewegungen werden oftmals Änderungen der Hauttemperatur oder auch des Blutflusses im Fußbereich provoziert. Diese werden wiederum durch das Tragen von Schuhen beeinflusst. Obwohl Hauttemperatur, Blutfluss im Fußbereich und Schuhwerk wichtige Faktoren bei der Bewegungsdurchführung darstellen, können nur wenige und teilweise konträre Informationen über den Einfluss dieser Faktoren auf die Fußsensibilität in der Literatur gefunden werden. Somit hat diese Dissertation zum Ziel, den Einfluss der Temperatur der Fußsohle, des Blutflusses am Fußbereich sowie des Schuhwerkes auf die Vibrationssensibilität des plantaren Fußes gesunder Probanden zu untersuchen. Um den Einfluss der einzelnen Parameter auf die Fußsensibilität untersuchen zu können, wurden drei Studien durchgeführt. Die erste Studie hatte zum Ziel, den Einfluss der Temperatur der Fußsohle auf die Vibrationssensibilität von 40 Probanden zu untersuchen. Dabei wurden die Vibrationsschwellen, - mit einer Frequenz von 200 Hz -, bei einer Ausgangsmessung sowie nach einer 5-6 °C Abkühlung/Erwärmung der Haut der Fußsohle gemessen. In der zweiten Studie wurde der Einfluss einer Kurzzeitischämie des Unterschenkels auf die plantare Fußsensibilität von 39 Probanden getestet. Die Ischämie im Unterschenkel wurde mit Hilfe eines im Bereich der fossa popliteal platzierten pneumatischen Tourniquets hervorgerufen. Die plantaren Vibrationsschwellen wurden mit einer Frequenz von 200Hz in drei verschiedenen Druckbedingungen ermittelt: Ausgang (0 mmHg), niedrig (50 mmHg) und hoch (150 mmHg). Schließlich beschäftigt sich die dritte Studie mit dem Einfluss vom Schuhwerk auf die Fußsensibilität. Fünfundzwanzig Probanden haben an der Studie teilgenommen. Die Vibrationsschwellen wurden mit Frequenzen von 30 und 200 Hz bei fünf verschiedenen Bedingungen gemessen (eine Barfuss- und vier Schuhbedingungen). In allen Studien wurden die Vibrationsschwellen im plantaren Fußbereich unter der Ferse, dem Metatarsalkopf I sowie unter dem Hallux ermittelt. Die Ergebnisse der drei Studien zeigen, dass die analysierten Parameter einen signifikanten Einfluss auf die plantare Vibrationssensibilität der Probanden haben. Die erste Studie zeigt, dass eine 5-6° C - Schwankung der Hauttemperatur der Fußsohle die Fußsensibilität signifikant beeinflusst, wobei die Erwärmung der Haut eine Zunahme der Fußsensibilität verursacht und die Abkühlung eine Abnahme der Fußsensibilität hervorruft. Die Ergebnisse der zweiten Studie demonstrieren, dass die im Unterschenkel hervorgerufene Ischämie eine Verschlechterung der Fußsensibilität verursacht, insbesondere bei den Messungen der Hochdruckbedingung (150 mmHG). Die Daten der dritten Studie weisen darauf hin, dass der Einfluss vom Schuhwerk auf die Vibrationssensibilität des plantaren Fußes frequenzabhängig ist. Bei einer Vibrationsfrequenz von 30Hz ist die Sensibilität barfuss besser als die mit Schuhen gemessene Vibrationssensibilität. Hingegen ist bei einer Frequenz von 200 Hz die mit Schuhen gemessenen Sensibilität besser als die Sensibilität barfuss. Anhand der Ergebnisse der drei Studien konnte festgestellt werden, dass die Temperatur der Fußsohle, Blutfluss im Fußbereich und Schuhwerk einen signifikanten Einfluss auf die plantare Vibrationssensibilität gesunder Probanden haben. Daraus folgen wichtige Hinweise für zukünftige klinische- sowie bewegungsorientierte Forschung. Der Einfluss der drei analysierten Parameter sollte künftig bei der Beurteilung sensorischer Daten mit einbezogen werden. Dies würde zum einem eine Standardisierung der Messverfahren gewährleisten, zum anderen die Qualität der im klinischen Bereich gemessenen Daten erhöhen. Im Rahmen bewegungsorientierter Forschung soll die Wichtigkeit der Fußsensibilität bei der Durchführung unterschiedlicher Bewegungsformen, auch sportlicher Bewegung, näher untersucht werden. Weiterhin sollte eine gemeinsame Analyse der bewegungsbezogenen Änderungen der Hauttemperatur bzw. des Blutflusses im Fußbereich in künftiger Forschung angestrebt werden. Folglich können diese Änderungen in die Entwicklung funktionellen Schuhwerkes eingesetzt werden, um den Anforderungen der Fußsensibilität bei unterschiedlichen Bewegungsformen möglichst gerecht zu werden.

Monitoring skin sensitivity is studied to clarify its relationship on balance. Measuring skin sensitivity is performed when subjects are sitting or lying, whereas balance tests are measured during standing. However, afferent signal processing and subsequent efferent responses can be altered by different body positions. Therefore, this study investigated whether vibration perception thresholds (VPTs) are influenced by body positions. Sixty-six healthy subjects (41♀; 25♂) participated in this study. Five measurements of VPTs were performed at each of the three analyzed anatomical locations (heel, first metatarsal head, hallux) of the right plantar foot under two randomized conditions: during sitting and standing. The contact force applied to the probe was measured and controlled within the five trials. Contact forces between the probe and the foot were higher during standing. However, no differences in VPTs were found between conditions. This indicates that VPTs are not different during standing compared to sitting, contrary to our expectations. We conclude that higher forces did not induce increased receptor activity. Since no differences were found between thresholds, future clinical studies can implement plantar VPT tests during sitting in association with balance tests during standing.

The central integration of sensory information provided by various afferent receptors is required to control human movement. Although the function of individual afferent receptors is known, the complexity and interactivity of afferent information remains unclear, especially in scenarios which involve the reduction of information provided by one or more afferent receptors. Reduced plantar sensitivity is commonly associated with postural instability, which occurs in ageing, peripheral neuropathies, and other neurological disorders like Parkinson's disease. Although there has been a great advance in understanding afferent inputs during recent years, the role of afferent information in controlling movement is still unclear. Therefore, the aim of the present thesis is to investigate the effects of reduced plantar sensitivity on quasi-static and dynamic balance control, as well as muscle reflexes. The current thesis is comprised of five experiments. Two experiments were designed as preliminary investigations, while the remaining three experiments addressed the main questions of this thesis. The first experiment investigated a basic question about subjective foot sensitivity (vibration perception) measured in two different body positions: standing and sitting. Results of Experiment I showed no differences of vibration perception between both measured conditions. Therefore, comparing data from plantar sensitivity vibration tests performed during sitting and during standing (e.g. balance) is feasible. In Experiment II, the role of afferent information from plantar mechanoreceptors on quasi-static balance was investigated using two different cooling procedures: a permanently cooling thermal platform and conventional ice pads. COP total excursions, plantar temperatures, and scores of a Visual Analogue Scale (VAS) regarding subjective pain were analyzed. Experiment II demonstrated that constant and controllable cooling via the thermal platform is the superior approach with respect to subjective pain (VAS) and to reach and maintain the desired temperature throughout the trials. Furthermore, only cooling via the thermal platform induced postural instability, revealed by increased COP values. This instability was expected due to reduced plantar input, indicating no compensation by other sensory systems. Experiment III focused on the inter- and intraday- reliability of dynamic balance responses using the Posturomed device. Generally good relative and absolute reliability were found for COP excursions. This outcome was fundamental to proceed with dynamic balance measurements using the same setup. Subsequently, effects of reduced plantar cutaneous inputs via cooling on anticipatory and compensatory balance responses (unexpected perturbations) were explored in Experiment IV. COP and EMG data were used to analyze anticipatory and compensatory balance responses. No differences in COP or EMG parameters were found for the anticipatory responses after hyper-thermia, while decreased values for compensatory balance responses were observed in response to cooling. This was interpreted as a kind of overcompensatory behavior of the central nervous system (CNS) due to more cautious behavior induced after plantar cooling. Finally, the question regarding the interaction between afferent receptors arose in Experiment V, in which the effects of reduced plantar temperatures on the Achilles tendon stretch reflex and plantar flexion were examined. Short latency responses and maximal force of plantar flexion were analyzed. Cooling resulted in decreased amplitudes of short latencies, as well as in delays in time to maximal force of plantar flexion. These findings suggest that plantar inputs participate complementarily in the Achilles stretch reflex. Collectively, the current thesis contributes to understanding how plantar receptors are involved in movement control; not only do they seem to work as independent contributors, but they also appear to interact with other afferent receptors. Furthermore, an important outcome is that the reduced plantar inputs seem to induce different alterations in the organization of CNS inputs and outputs, according to different balance tasks: quasi-static responses, anticipatory responses, and compensatory responses. For the future, the use of other methods like microneurography and electroencephalography could be helpful to gain even more understanding of afferent interactions during the control of movements. Similar protocols may also be implemented in other populations, such as elderly people or patients suffering from neurological disorders, who exhibit continued decline or degeneration of sensory receptors. / Die zentrale Integration von sensorischen Informationen, die aus verschiedenen afferenten Rezeptoren zur Verfügung gestellt werden, ist erforderlich, um die menschliche Bewegung zu steuern. Obwohl die Funktion der einzelnen afferenten Rezeptoren bekannt ist, bleibt die Komplexität und Interaktivität von afferenten Information unklar, insbesondere in Szenarien, in denen die Verminderung von Informationen aus einem oder mehreren afferenten Rezeptoren eintritt. Reduzierte plantare Sensibilität wird häufig im Zusammenhang mit Haltungsinstabilität verbunden. Dies tritt häufig während des Alterns ein, bei peripheren Neuropathien und anderen neurologischen Erkrankungen, wie etwa bei der Parkinson-Krankheit. Obwohl es in den vergangen Jahren große Entwicklungen was das Verständnis afferenter Inputs gab, ist die Rolle afferenter Information bei der Bewegungskontrolle immer noch unklar. Daher ist das Ziel der vorliegenden Dissertation, den Einfluss der Beeinträchtigung der plantaren Sensibilität auf das quasi-statische und dynamische Gleichgewicht, sowie auf den Reflex der Achillessehne, zu untersuchen. Die vorliegende Dissertation ist dazu aus fünf Untersuchungen aufgebaut. Zwei Untersuchungen werden als Voruntersuchungen präsentiert, während die übrigen drei Untersuchungen auf die Kernfragen dieser Doktorarbeit gerichtet sind. Die erste Untersuchung beschäftigt sich mit der grundlegenden Fragestellung bzgl. der subjektiven Fußsensibilität (Vibrationswahrnehmung), die in zwei verschiedenen Körperpositionen gemessen wurde: Im Stehen und im Sitzen. Ergebnisse aus Untersuchung I zeigten keine Unterschiede der Vibrationswahrnehmung zwischen den beiden Körperpositionen. Daher ist es möglich, Vergleiche zwischen Daten aus plantaren Vibrationswahrnehmungstests während des Sitzens und des Stehens (z.B. bei Gleichgewichtstests) durchzuführen. In Untersuchung II wurde die Rolle afferenter Informationen plantarer Mechanorezeptoren auf das quasi-statische Gleichgewicht mittels zwei unterschiedlicher Abkühlverfahren untersucht: eine permanente Abkühlung durch eine thermische Plattform und konventionelle Eis-Pads. Es wurden der COP Gesamtweg, plantar Temperaturen und eine visuelle Analogskala (VAS) in Bezug auf subjektive Schmerzen analysiert. Untersuchung II hat gezeigt, dass eine konstante und steuerbare Abkühlung über die thermische Plattform der überlegene Ansatz in Bezug auf subjektiven Schmerz (VAS) und bzgl. des Erreichens und Erhaltens einer gewünschten Temperatur innerhalb der Messungen ist. Weiterhin wurde nur durch die Abkühlung mittels thermischer Plattform eine posturale Instabilität induziert, evident durch erhöhte COP Gesamtwege. Diese Instabilität wurde aufgrund der Beeinträchtigung der plantaren Sensibilität erwartet, was auf eine fehlende Kompensation durch andere Sinnessysteme hinzuweisen scheint. In Untersuchung III lag der Fokus auf der inter- und intra-Tag-Reliabilität dynamischer Gleichgewichtsantworten mittels des Posturomed-Trainingsgerätes. Im Allgemeinen wurden eine gute relative und absolute Reliabilität der COP Gesamtwege ermittelt. Dieses Ergebnis war von grundlegender Bedeutung, um die Nutzung des gleichen Setups für die folgenden dynamischen Gleichgewichtsmessungen (Untersuchung IV) zu ermöglichen. Anschließend wurden die Effekte einer Beeinträchtigung der plantaren Sensibilität mittels Abkühlung auf antizipatorische und kompensatorische Antworten des dynamischen Gleichgewichts (anhand unerwarteter Störungen des Gleichgewichts) in Untersuchung IV erforscht. COP und EMG Daten wurden verwendet, um die antizipatorischen und kompensatorischen Antworten des Gleichgewichts zu analysieren. Nach der Abkühlung wurden bzgl. antizipatorischer Antworten keine Unterschiede in den COP und EMG Parametern gefunden. Im Hinblick auf kompensatorische Antworten zeigten sich reduzierte COP und EMG als Reaktion auf die Abkühlung. Dies wurde wie folgt interpretiert: aufgrund eines vorsichtigen Verhaltens, ausgelöst durch die verminderten sensorischen Inputs infolge der Abkühlung, kam es zu einer Art „Überkompensierungsverhalten“ des zentralen Nervensystems (ZNS). Schließlich stellte sich die Frage der Interaktion afferenter Rezeptoren in Untersuchung V, in welcher die Effekte reduzierter plantarer Temperaturen auf den Achillessehnen-Dehnungsreflex und die Plantarflexion untersucht wurden. Kurze Latenz Antworten (short latency responses) und die maximale Kraft der Plantarflexion wurden dabei analysiert. Die Abkühlung führte zu einer verminderten Amplitude der short latency responses sowie zu Verzögerungen der Zeit bis zur maximalen Kraft der Plantarflexion. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass plantare Inputs in komplementärer Weise am Achillessehnen-Dehnungsreflex beteiligt sind. Zusammenfassend lässt sich aussagen, dass die vorliegende Arbeit zum Verständnis beiträgt, wie plantare Rezeptoren an der Bewegungssteuerung beteiligt sind. Es scheint, dass diese nicht nur in unabhängiger Form zur Bewegungssteuerung beitragen, sondern dabei auch mit anderen afferenten Rezeptoren interagieren. Darüber hinaus ist ein wichtiges Resultat, dass die reduzierten plantaren Inputs scheinbar verschiedene Änderungen in der Organisation von Ein- und Ausgängen im ZNS induzieren. Dies erfolgt anhand unterschiedlicher Anforderungen an das Gleichgewicht: quasi-statische Antworten, antizipatorische Antworten und kompensatorischen Antworten. Für die Zukunft könnte die Implementierung anderer Methoden, wie Mikroneurographie und Elektroenzephalographie, hilfreich sein, um noch mehr Verständnis bezüglich afferenter Interaktionen während der Kontrolle von Bewegungen erlangen zu können. Ähnliche Protokolle könnten auch in anderen Populationen durchgeführt werden, wie ältere Menschen oder Patienten mit neurologischen Erkrankungen, die einen kontinuierlichen Rückgang oder Degenerationen sensorischer Rezeptoren zeigen.