Name: force and position control in humans - the role of augmented feedback
Uploaded: 2016-06-19T13:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 31 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Force and Position Control in Humans - The Role of Augmented Feedback at JoVE.com

The authors have no acknowledgements.

يتبع بروتوكول صفها هنا للمبادئ التوجيهية للجنة الأخلاقيات من جامعة فرايبورغ وكان وفقا لإعلان هلسنكي (1964). 1. الأخلاقي الموافقة - مع مراعاة التعليمات <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> قبل التجربة الفعلية، إرشاد جميع المواد الدراسية حول الغرض من الدراسة وعوامل الخطر المحتملة. عند تطبيق التحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة (TMS)، وهناك بعض المخاطر الطبية بما في ذلك أي تاريخ من نوبات الصرع، ويزرع المعادن في عيون و / أو الرأس، وأمراض القلب والأوعية الدموية، والحمل. استبعاد أي موضوع مؤكدا على واحد من عوامل الخطر هذه من الدراسة. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تشمل فقط الأفراد الأصحاء في الدراسة. استبعاد الأفراد مع أي أمراض العصبية والعقلية و / أو العظام. </li></ol> 2. موضوع التحضير <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> موضوع التنسيب <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> في كافة مراحل التجربة برمتها، والموضوعات مقعد في كرسي مريح. إصلاح الرأسالمشارك باستخدام يلقي احتضان الرقبة، وضمان موقف رئيس مستقرة وتجنب أي تحركات رئيس قريب لفائف TMS. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> وضع الذراع اليمنى للموضوعات في الذراع بقية مبنية خصيصا للحد من حركات المعصم. إصلاح السبابة اليمنى الموضوع إلى جبيرة شنت على ذراع الروبوت. محاذاة محور دوران ذراع الروبوت مع المفصل metacarpophangeal اليد اليمنى بحيث يطابق مركز مشترك للمركز الدوران للروبوت. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> التسجيلات القوة <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> قياس القوة التي تطبقها الموضوعات من قبل torquemeter التي تقام في ذراع الروبوت وقياس موقف ذراع الروبوت (المقابلة لموقف السبابة) من قبل الجهد متصلا محور الدوران للروبوت (22). </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> الكهربائي (EMG) <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> استخدام تكوين ثنائي القطب من الأقطاب الكهربائية السطح لقياس ردود الكهربية التي تسببها TMS وكذلك musculaتفعيل ص تنتجها الموضوعات. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> قبل ربط كهربائي على الجلد على ظهري الأول بين العظمية العضلية (FDI) والمختطف القصيرة لإبهام اليد (APB) من اليد اليمنى، حلاقة الجلد من الموضوعات، ثم قليلا كشط باستخدام الصنفرة أو الكشط جل وتعقيمها مع بروبانول . </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> وفي أعقاب ذلك، نعلق الأقطاب EMG ذاتية اللصق على الجلد على البطون العضلات من الاستثمار الأجنبي المباشر والأساليب المحاسبية. وضع القطب إشارة إضافية على الزج من نفس الذراع. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> كابل ربط جميع الأقطاب إلى مكبر للصوت EMG وإلى تحويل التناظرية الرقمية. تضخيم الإشارات EMG (خ 1000)، ممر الموجة فلتر (10 - 1000 هرتز) وعينة على 4 كيلو هرتز. تخزين إشارات EMG لتحليلها حاليا. </li></ol></li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> TMS <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> استخدام الرقم ثمانية لفائف تعلق على مشجعا TMS لتحفيز محرك المقابل منطقة ناحية القشرية. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> العثور على موقف الأمثل لفائف المتعلقة فروة الرأس لانتزاعأثار محرك إمكانات (البرلمان الأوروبي) في العضلات الاستثمار الأجنبي المباشر عن طريق إجراء رسم الخرائط: <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> وضع لفائف حوالي 0.5 سم الأمامي إلى قمة الرأس، وأكثر من خط الوسط مع مقبض لافتا في 45 درجة عكس اتجاه عقارب الساعة بالنسبة إلى المستوى السهمي، الأمر الذي أدى إلى تدفق الخلفي الأمامي للتيار في وسط لفائف. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> في البداية، اختيار التحفيز صغير (على سبيل المثال، أقل من 30٪ الحد الأقصى لانتاج مشجعا، هيئة علماء المسلمين) كثافة للحصول على المواد اعتادوا على نبضات مغناطيسية. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> وفي وقت لاحق، وزيادة كثافة التحفيز في خطوات صغيرة، على سبيل المثال 2-3٪ الانتاجية القصوى مشجعا (هيئة علماء المسلمين) ونقل لفائف في اتجاه أمامي، منقاري وميديو الاطراف من أجل العثور على الموقع الأمثل (نقطة ساخنة) لتحفيز الاستثمار الأجنبي المباشر عضلة. يتم تعريف الانظار حيث المكان الذي يوجد فيه أكبر الهندسة الكهربائية والميكانيكية ويمكن ملاحظة في كثافة التحفيز معين. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> بعد العثور على بؤرة الاستثمار الأجنبي المباشر، وتحديد يستريح عتبة السيارات (MT) كما minimuم كثافة المطلوبة لاستحضار الهندسة الكهربائية والميكانيكية سعة الذروة إلى الذروة في EMG أكبر من 50 μV في ثلاثة من أصل خمسة محاكمات متتالية 18. تفقد حجم أعضاء البرلمان الأوروبي المعروضة على الانترنت على شاشة الكمبيوتر. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> بعد انتزاع أعضاء البرلمان الأوروبي مع 1.0 * MT، وانخفاض مستمر في شدة تحفيز الجهاز TMS في الخطوات من 2٪ هيئة علماء المسلمين حتى لم يعد من الممكن لاحظت الهندسة الكهربائية والميكانيكية وقمع EMG النشاط العضلي المستمر يصبح واضحا. ملاحظة: من أجل تصوير TMS الناجم عن قمع EMG من الضروري تطبيق عدد كبير من التحفيز (انظر القسم 5. &quot;معالجة البيانات&quot;) </li></ol></li></ol> 3. ردود الفعل عرض <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تقسيم المشاركين إلى ثلاث مجموعات (الجبهة الوطنية، فرنك فرنسي، CON). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تعليمات مواضيع من مجموعة موقف ردود الفعل (الجبهة الوطنية) في نصف التجارب لتلقي الملاحظات حول موقف مؤشر الاصبع (موقف ردود الفعل) عندما تتحرك السبابة عن طريق الضغط على الجهاز الآلي. &lt;/ لى&gt; <li style=";text-align:right;direction:rtl"> في النصف الآخر من المحاكمات، إرشاد شخصا لتلقي ملاحظات حول القوة المطبقة أثناء تحريك الجهاز الآلي (قوة ردود الفعل). ملاحظة: في الواقع، ومع ذلك، فإنها تظهر دائما ردود الفعل نفسه (موقف التغذية الراجعة). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تعليمات مواضيع من مجموعة قوة ردود الفعل (FF) لتلقي الملاحظات قوة في نصف التجارب وتلقي الملاحظات وظيفة في النصف الآخر. ملاحظة: في الواقع، وتقدم هذه المجموعة فقط مع ردود الفعل قوة. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> لا تكليف مجموعة المراقبة (CON) عن مصدر من ردود الفعل. ملاحظة: تستقبل المجموعة الضابطة قوة ردود الفعل في نصف واحد من محاكماتهم وردود الفعل موقف في النصف الآخر. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> عشوائيا تغيير ترتيب الدورات، وهذا هو، ما إذا كانت المحاكمات تبدأ القوة أو ردود الفعل الموقف، في جميع الفئات. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> عرض مرئي القوة وردود الفعل موقف على شاشة الكمبيوتر وضعت 1 متر أمام العباد. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> في كل حالة، تقديم خط الهدف الموافق30٪ من القوة القصوى الطوعية الفردية هذا الموضوع، وأو زاوية اصبع السبابة في 30٪ الحد الأقصى الانكماش الطوعي (MVC)، على شاشة الكمبيوتر وتعليمات لهذا الموضوع لتتناسب مع خط الهدف بأكبر قدر ممكن. </li></ol> 4. قوة متساوي القياس القصوى <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> بعد أن يتم إعداد هذا الموضوع (EMG)، نفذ ثلاث القصوى تقلصات الطوعية متساوي القياس (MVC)، التي تتألف من زيادة تدريجية في قوة متساوي القياس من الصفر إلى أقصى مدى فترة زمنية 3 ثانية والقوة القصوى التي عقدت لمدة 2 ثانية 20،21. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تشجيع شفهيا هذا الموضوع لتحقيق القوة القصوى. بعد كل تجربة، والسماح للموضوعات للراحة لمدة 90 ثانية لتجنب التعب. </li></ol> 5. الإجراءات التجريبية <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> مجهد للسيارات Task- الانقباضات المستمرة. ملاحظة: المهمة مجهد تتألف من اثنين من تقلصات المستدامة المنفذة في أيام منفصلة. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> إرشاد العباد لتتناسب مع خط الهدف من 30٪ MVC لأطول فترة ممكنة مع خط الموافق القوة المطبقة أو موقف اصبعهم المقابلة إلى مستوى قوة من 30٪ MVC. ملاحظة: لذلك فإن خط الهدف أثناء حالة وضع ردود الفعل (الجبهة الوطنية-مجموعة) يناظر زاوية الإصبع عندما تتطابق المواضيع مستوى قوة من 30٪ MVC. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> طرح الموضوعات التي عقد تقلصات حتى فشل المهمة، والتي تعرف بأنها النقطة التي الموضوعات لم تعد قادرة على الاستمرار على القوة المستهدفة داخل نافذة 5٪ من القوة المستهدفة على مدى فترة من 5 ثانية (FF-مجموعة). لPF-مجموعة، وتحديد فشل المهمة كما هو الحال عندما غير قادرين على الحفاظ على زاوية الإصبع في حدود 5٪ من زاوية الهدف المطلوب ل5 ثانية 12،23 المشاركين. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تأكد من أن اثنين من الانقباضات المستمرة التي تفصل بينهما لا يقل عن 48 ساعة. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> TMS-بروتوكول ملاحظة: يتم التجربة دون العتبي TMS في يوم منفصل للتقلصات مجهد. هذا أمر مهم لأن التعب لها تأثيرعلى قمع EMG التي حركها subTMS 24،25 حتى الاختلافات بين القوة وموقف لا يمكن تحديدها بشكل واضح. فصل تقلصات مجهد من القياسات TMS لديه ميزة أن الاختلافات في قمع EMG يمكن الآن بوضوح أن يعزى إلى تفسير مختلف لردود الفعل ولكن لديه الحد أن النتائج لا يمكن مباشرة تكون مرتبطة إلى الاختلافات في وقت التعب من تقلصات مستمرة. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> إجراء جزء من التجربة باستخدام TMS (انظر أيضا القسم 3. &quot;ملاحظات العرض&quot;) في مناسبة منفصلة من التجارب مجهد. في البداية، اتبع الإجراء نفسه بالضبط كما لانكماش متعب (على سبيل المثال، تقلصات MVC) ولكن هذه المرة، اطلب من الموضوعات التي عقد تقلصات فقط طالما يستمر التحفيز TMS. وهكذا، فإن انكماش ليست fatigable وعقدت فقط لحوالي 100 ثانية خلال كل محاكمة TMS. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تقديم فاصل من 3 دقائق بين ثلاثيالمرض للحد من أي تحيز من التعب. </li></ol></li></ol> 6. معالجة البيانات <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> TMS <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تطبيق ما مجموعه 100 الاحتلالات، 50 الاحتلالات مع و50 الاحتلالات دون التحفيز، مع فاصل زمني بين التحفيز تتراوح 0،8-1،1 الصورة 20،21،25،26. هذا الفاصل الزمني interstimulus قصيرة يتأكد أن المواد لا تحتاج إلى عقد الانقباضات لفترة طويلة جدا آثار مجهد حتى يمكن التقليل. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> لتحليل ما إذا كان سبب التحفيز TMS لتسهيل (MEP) أو قمع EMG، طرح تصحيحه ومن ثم متوسط ​​50 الاحتلالات مع التحفيز (حفز EMG) من 50 الاحتلالات دون التحفيز (مراقبة EMG) 20،21،25-27. ملاحظة: يتم تعريف بداية قمع EMG كنقطة الوقت حيث EMG المتوسط ​​لالاحتلالات مع التحفيز هو أقل من EMG التحكم للا يقل عن 4 مللي ثانية في إطار زمني من 20 إلى 50 ميللي ثانية بعد نبض TMS. يتم تعريف نهاية قمع كما رانه حظة عندما EMG حفز أكبر من EMG السيطرة لا يقل عن 1 ميللي ثانية ومدى قمع ويحسب كما بلغت نسبة (مراقبة حفز / يعني التحكم * 100). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> استخدام الاحتلالات دون التحفيز TMS لحساب تفعيل EMG الخلفية والمتوسط ​​منها خلال نفس النافذة الوقت والتجارب مع 20،21،25،26 التحفيز. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> EMG <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تحديد النشاط EMG القصوى عن طريق حساب قيمة جذر متوسط ​​مربع سجلت في إطار 0.5S المرة قوة ذروة تقاس خلال MVC اختبارات 20،21. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> لتقلصات مستمرة، وتحليل EMG من خلال بناء صناديق طويلة 8 ثانية حيث يتم حساب جذر متوسط ​​مربع من EMG تصحيح وتطبيع للنشاط EMG التي تم الحصول عليها خلال المحاكمات MVC 20،21. </li></ol></li></ol>

The authors have nothing to disclose.

التحقيق في هذه الدراسة إذا كان تفسير ردود الفعل زيادتها يؤثر على وقت التعب من انكماش submaximal المستدام والمعالجة العصبية من القشرة الحركية الأساسية. وأظهرت النتائج أن بأسرع ما يفسر المشاركين في التعليق على ردود الفعل موقف (بالمقارنة مع قوة ردود الفعل)، وكان الوقت لالتع...

ردود الفعل الحسية أمر بالغ الأهمية لأداء الحركات. الأنشطة اليومية بالكاد ممكنة في غياب الحس العميق 1. وعلاوة على ذلك، يتأثر التعلم الحركي عن طريق التكامل المخصوص 2 أو جلدي تصور 3. البشر صحية مع الإحساس سليمة قادرة على الوزن المدخلات الحسية الناجمة عن مصادر الحسية المختلفة من أجل تلبية احتياجات لوضع معين (4). هذا الحسية وزنها تمكن البشر لأداء المهام الصعبة بدقة عالية حتى عند بعض الجوانب من المعلومات الحسية لا يمكن الاعتماد عليها أو حتى غائبة (على سبيل المثال، والمشي في الظلام أو مع عيون مغلقة). بالإضافة إلى ذلك، تشير الأدلة المختلفة أن تقديم المعزز (أو إضافي) ردود الفعل يحسن مزيد من التحكم في المحركات و / أو التعلم الحركي. يوفر ردود الفعل المضاف على معلومات إضافية من مصدر خارجي والتي يمكن أن تضاف إلى الجوهري (الحسي) ردود الفعل المهمة الناشئة عن الحسيةنظام 5،6. خصوصا وقد كان تأثير المحتوى من ردود الفعل تضاف على التحكم في المحركات والتعلم من اهتمام كبير في السنوات الأخيرة. كان واحدا من الأسئلة الموجهة كيف البشر قوة السيطرة وموقف 7،8. حددت التحقيقات الأولية الاختلافات في وقت التعب من انكماش submaximal المستمر باستخدام إما موقف أو قوة ردود الفعل والاختلاف في الامتثال الحمل (على سبيل المثال، 9-12). عندما قدمت المواضيع مع قوة ردود الفعل، والوقت للوالتعب من الانكماش المستمر ولفترة أطول كثيرا مقارنة عندما قدمت ردود الفعل الموقف. تم ملاحظة نفس الظاهرة لمجموعة متنوعة من العضلات المختلفة، ومواقف الأطراف وعدد من الآليات العصبية والعضلية، بما في ذلك معدل أكبر من محرك وحدة التوظيف وانخفاض أكبر في منطقة H-لا ارادي خلال الانكماش التي تسيطر عليها موقف (للمراجعة 13). ومع ذلك، في هذه الدراسات، وليس فقط ملاحظات مرئية ولكن أيضا في ج البدنيةharacteristics من تقلص العضلات (أي، والامتثال للجهاز القياس) تم تغيير. ولذلك، فإننا أجريت مؤخرا دراسة لا تغيير الامتثال ولكن زيادته فقط ردود فعل وقدم أدلة على أن توفير القوة وردود الفعل موقف وحدها خلال الانكماش submaximal المستمر يمكن أن يسبب الاختلافات في النشاط المثبطة داخل القشرة الحركية الأولية (M1). وتبين ذلك باستخدام تقنية التحفيز ما هو معروف للعمل فقط على مستوى القشرية 14، وهي دون العتبي التحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة (subTMS). على عكس suprathreshold TMS، واستجابة حركها subTMS، لا يتم عن طريق التضمين استثارة العمود الفقري α-العصبونات الحركية واستثارة الخلايا العصبية مثير و / أو الخلايا القشرية 15-17 ولكن فقط عن طريق استثارة الخلايا العصبية المثبطة intracortical. والآلية المفترضة وراء هذه التقنية التحفيز هو أن يتم تطبيقه في شدة تحت عتبة لاستحضار أثار محرك محتمل(MEP). وقد تبين في المرضى الذين يعانون من زرع أقطاب كهربائية على مستوى عنق الرحم أن هذا النوع من التحفيز لا تنتج أي نشاط الهابطة إلا أنه ينشط في المقام الأول interneurons المثبطة داخل القشرة الحركية الأولية 14،18،19. هذا التنشيط من interneurons المثبطة يؤدي إلى انخفاض في النشاط EMG مستمر، ويمكن أن يكون كميا بمقدار قمع EMG مقارنة مع النشاط EMG التي تم الحصول عليها في التجارب دون التحفيز. وفي هذا الصدد، أظهرنا أن الموضوعات المعروضة على النشاط المثبطة أكبر بكثير في المحاكمات التي تلقى ردود الفعل موقف مقارنة مع التجارب وقدمت ملاحظات 20 التي القوة. وعلاوة على ذلك، نحن أظهرت أيضا أن الأمر لا يقتصر على تقديم طرائق ردود الفعل المختلفة (القوة مقابل السيطرة على الموقف) ولكن أيضا تفسير ردود الفعل يمكن أن يكون لها تأثيرات مشابهة جدا على البيانات السلوكية والعصبية. وبشكل أكثر تحديدا، عندما قلنا المشاركين لتلقي صردود الفعل osition (على الرغم من أنها كانت ردود الفعل القوة) كما أنها تظهر ليس فقط وقت أقصر التعب ولكن أيضا زيادة مستوى النشاط M1 المثبطة 21. باستخدام هذا النهج حيث يتم توفير ردود الفعل نفسه ولكن مع معلومات مختلفة حول مضمونه دائما لديه ميزة أن القيود المهمة، أي عرض من ردود الفعل، فإن المكسب من ردود الفعل، أو الامتثال للتحميل متطابقة بين الظروف ذلك أن الاختلافات في الأداء والنشاط العصبي هي ذات الصلة بوضوح الاختلافات في تفسير ردود الفعل وليس وتنحاز ظروف الاختبار المختلفة. وهكذا، حققت الدراسة الحالية ما إذا كان تفسيرا مختلفا من واحد ونفس ردود الفعل يؤثر على مدة انكماش submaximal المستدام وله تأثير على تفعيل النشاط المثبطة من القشرة الحركية الأساسية علاوة على ذلك.

<table><tbody><tr><td>torquemeter</td><td>LCB 130, ME-Mebsysteme, Neuendorf, Germany</td><td></td><td>Part of robotic device built for force and position recordings</td></tr><tr><td>potentiometer</td><td>type 120574, Megatron, Putzbrunn, Germany</td><td></td><td>Part of robotic device built for force and position recordings</td></tr><tr><td>EMG electrodes</td><td>Blue sensor P, Ambu, Bad Nauheim, Germany</td><td></td><td></td></tr><tr><td>TMS coil</td><td>Magstim</td><td></td><td></td></tr><tr><td>TMS machine</td><td>Magstim Company Ltd., Whitland, UK</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Recording software</td><td>Labview-Based</td><td></td><td>custom written software</td></tr></tbody></table>

force and position control in humans - the role of augmented feedback

During motor behaviour, humans interact with the environment by for example manipulating objects and this is only possible because sensory feedback is constantly integrated into the central nervous system and these sensory inputs need to be weighted in order meet the task specific goals. Additional feedback presented as augmented feedback was shown to have an impact on motor control and motor learning. A number of studies investigated whether force or position feedback has an influence on motor control and neural activation. However, as in the previous studies the presentation of the force and position feedback was always identical, a recent study assessed whether not only the content but also the interpretation of the feedback has an influence on the time to fatigue of a sustained submaximal contraction and the (inhibitory) activity of the primary motor cortex using subthreshold transcranial magnetic stimulation. This paper describes one possible way to investigate the influence of the interpretation of feedback on motor behaviour by investigating the time to fatigue of submaximal sustained contractions together with the neuromuscular adaptations that can be investigated using surface EMG. Furthermore, the current protocol also describes how motor cortical (inhibitory) activity can be investigated using subthreshold TMS, a method known to act solely on the cortical level. The results show that when participants interpret the feedback as position feedback, they display a significantly shorter time to fatigue of a submaximal sustained contraction. Furthermore, subjects also displayed an increased inhibitory activity of the primary cortex when they believed to receive position feedback compared when they believed to receive force feedback. Accordingly, the results show that interpretation of feedback results in differences on a behavioural level (time to fatigue) that is also reflected in interpretation-specific differences in the amount of inhibitory M1 activity.

تفسير ردود الفعل في الإجراء الموضح هنا، صدرت تعليمات المواضيع في الطريقة التي يعتقد في نصف محاكماتهم قد تلقت ردود فعل موقف وفي النصف الآخر من التجارب قد تلقت ردود الفعل قوة. في الواقع، انه...

Watch this Scientific Journal Video about Force and Position Control in Humans - The Role of Augmented Feedback at JoVE.com

Force and Position Control in Humans - The Role of Augmented Feedback

Controlling an identical movement with position or force feedback results in different neural activation and motor behavior. This protocol describes how to investigate behavioral changes by looking at neuromuscular fatigue and how to evaluate motor cortical (inhibitory) activity using subthreshold TMS with respect to the interpretation of augmented feedback.

تحكم القوة والوظيفة في البشر - دور ملاحظات المعزز

During motor behaviour, humans interact with the environment by for example manipulating objects and this is only possible because sensory feedback is ...

force-and-position-control-in-humans-the-role-of-augmented-feedback

Research

JoVE Journal

Behavior

7.8K Views.  University of Freiburg. Controlling an identical movement with position or force feedback results in different neural activation and motor behavior. This protocol describes how to investigate behavioral changes by looking at neuromuscular fatigue and how to evaluate motor cortical (inhibitory) activity using subthreshold TMS with respect to the interpretation of augmented feedback. 

Video: Force and Position Control in Humans - The Role of Augmented Feedback

Haptic/Graphic Rehabilitation: Integrating a Robot into a Virtual Environment Library and Applying it to Stroke Therapy

Recent research that tests interactive devices for prolonged therapy practice has revealed new prospects for robotics combined with graphical and other forms of biofeedback. Previous human-robot interactive systems have required different software commands to be implemented for each robot leading to unnecessary developmental overhead time each time a new system becomes available. For example, when a haptic/graphic virtual reality environment has been coded for one specific robot to provide haptic feedback, that specific robot would not be able to be traded for another robot without recoding the program. However, recent efforts in the open source community have proposed a wrapper class approach that can elicit nearly identical responses regardless of the robot used. The result can lead researchers across the globe to perform similar experiments using shared code. Therefore modular "switching out"of one robot for another would not affect development time. In this paper, we outline the successful creation and implementation of a wrapper class for one robot into the open-source H3DAPI, which integrates the software commands most commonly used by all robots.

Recently, a vast amount of prospects have come available for human-robot interactive systems. In this paper we outline the integration of a new robotic device with open source software that can rapidly make possible a library of interactive functionality. We then outline a clinical application for a neurorehabilitation application.

لمسي / تأهيل الجرافيكي : دمج روبوت في المكتبة الظاهرية والبيئة وتطبيقا لعلاج السكتة الدماغية

Recent research that tests interactive devices for prolonged therapy practice has revealed new prospects for robotics combined with graphical and other ...

Bioengineering

A Structured Rehabilitation Protocol for Improved Multifunctional Prosthetic Control: A Case Study

Advances in robotic systems have resulted in prostheses for the upper limb that can produce multifunctional movements. However, these sophisticated systems require upper limb amputees to learn complex control schemes. Humans have the ability to learn new movements through imitation and other learning strategies. This protocol describes a structured rehabilitation method, which includes imitation, repetition, and reinforcement learning, and aims to assess if this method can improve multifunctional prosthetic control. A left below elbow amputee, with 4 years of experience in prosthetic use, took part in this case study. The prosthesis used was a Michelangelo hand with wrist rotation, and the added features of wrist flexion and extension, which allowed more combinations of hand movements. The participant&#8217;s Southampton Hand Assessment Procedure score improved from 58 to 71 following structured training. This suggests that a structured training protocol of imitation, repetition and reinforcement may have a role in learning to control a new prosthetic hand. A larger clinical study is however required to support these findings.

As prosthetic development moves towards the goal of natural control, harnessing amputees&#8217; inherent ability to learn new motor skills may enable proficiency. This manuscript describes a structured rehabilitation protocol, which includes imitation, repetition, and reinforcement learning strategies, for improved multifunctional prosthetic control.

بروتوكول تأهيل منظم لتحسين الوظائف الترقيعي التحكم: دراسة حالة

Advances in robotic systems have resulted in prostheses for the upper limb that can produce multifunctional movements. However, these sophisticated ...

Movement Retraining using Real-time Feedback of Performance

Any modification of movement - especially movement patterns that have been honed over a number of years - requires re-organization of the neuromuscular patterns responsible for governing the movement performance. This motor learning can be enhanced through a number of methods that are utilized in research and clinical settings alike. In general, verbal feedback of performance in real-time or knowledge of results following movement is commonly used clinically as a preliminary means of instilling motor learning. Depending on patient preference and learning style, visual feedback (e.g. through use of a mirror or different types of video) or proprioceptive guidance utilizing therapist touch, are used to supplement verbal instructions from the therapist. Indeed, a combination of these forms of feedback is commonplace in the clinical setting to facilitate motor learning and optimize outcomes.
Laboratory-based, quantitative motion analysis has been a mainstay in research settings to provide accurate and objective analysis of a variety of movements in healthy and injured populations. While the actual mechanisms of capturing the movements may differ, all current motion analysis systems rely on the ability to track the movement of body segments and joints and to use established equations of motion to quantify key movement patterns. Due to limitations in acquisition and processing speed, analysis and description of the movements has traditionally occurred offline after completion of a given testing session.
This paper will highlight a new supplement to standard motion analysis techniques that relies on the near instantaneous assessment and quantification of movement patterns and the display of specific movement characteristics to the patient during a movement analysis session. As a result, this novel technique can provide a new method of feedback delivery that has advantages over currently used feedback methods.

Retraining abnormal movement patterns following injury or disease is a key component of physical rehabilitation. Recent advances in technology have permitted accurate assessment of movement during a variety of tasks, with near instantaneous quantification of results. This provides new opportunities for modification of faulty movement patterns in real time.

حركة إعادة التدريب في الوقت الحقيقي باستخدام ملاحظات من الأداء

Any modification of movement - especially movement patterns that have been honed over a number of years - requires re-organization of the neuromuscular ...

Medicine

Characterization of the Sense of Agency over the Actions of Neural-machine Interface-operated Prostheses

This work describes a methodological framework that can be used to explicitly and implicitly characterize the sense of agency developed over the neural-machine interface (NMI) control of sensate virtual or robotic prosthetic hands. The formation of agency is fundamental in distinguishing the actions that we perform with our limbs as being our own. By striving to incorporate advanced upper-limb prostheses into these same perceptual mechanisms, we can begin to integrate an artificial limb more closely into the user&#39;s existing cognitive framework for limb control. This has important implications in promoting user acceptance, use, and effective control of advanced upper-limb prostheses. In this protocol, participants control a virtual prosthetic hand and receive kinesthetic sensory feedback through their preexisting NMIs. A series of virtual grasping tasks are performed and perturbations are systematically introduced to the kinesthetic feedback and virtual hand movements. Two separate measures of agency are employed: established psychophysical questionnaires (to capture the explicit experience of agency) and a time interval estimate task to capture the implicit sense of agency (intentional binding). Results of this protocol (questionnaire scores and time interval estimates) can be analyzed to quantify the extent of agency formation.

Here we present a protocol which characterizes the sense of agency developed over the control of sensate virtual or robotic prosthetic hands. Psychophysical questionnaires are employed to capture the explicit experience of agency, and time interval estimates (intentional binding) are employed to implicitly measure the sense of agency.

وصف الشعور بالوكالة على الأعمال التي تقوم بها أطراف اصطناعية تعمل بواجهة الجهاز العصبي

This work describes a methodological framework that can be used to explicitly and implicitly characterize the sense of agency developed over the ...

Applying Incongruent Visual-Tactile Stimuli during Object Transfer with Vibro-Tactile Feedback

The application of incongruent sensory signals that involves disrupted tactile feedback is rarely explored, specifically with the presence of vibrotactile feedback (VTF). This protocol aims to test the effect of VTF on the response to incongruent visual-tactile stimuli. The tactile feedback is acquired by grasping a block and moving it across a partition. The visual feedback is a real-time virtual presentation of the moving block, acquired using a motion capture system. The congruent feedback is the reliable presentation of the movement of the block, so that the subject feels that the block is grasped and see it move along with the path of the hand. The incongruent feedback appears as the movement of the block diverts from the actual movement path, so that it seems to drop from the hand when it is actually still held by the subject, thereby contradicting the tactile feedback. Twenty subjects (age 30.2 &#177; 16.3) repeated 16 block transfers, while their hand was hidden. These were repeated with VTF and without VTF (total of 32 block transfers). Incongruent stimuli were presented randomly twice within the 16 repetitions in each condition (with and without VTF). Each subject was asked to rate the difficulty level of performing the task with and without the VTF. There were no statistically significant differences in the length of the hand paths and durations between transfers recorded with congruent and incongruent visual-tactile signals &#8211; with and without the VTF. The perceived difficulty level of performing the task with the VTF significantly correlated with the normalized path length of the block with VTF (r = 0.675, p = 0.002). This setup is used to quantify the additive or reductive value of VTF during motor function that involves incongruent visual-tactile stimuli. Possible applications are prosthetics design, smart sport-wear, or any other garments that incorporate VTF.

We present a protocol to apply incongruent visual-tactile stimuli during an object transfer task. Specifically, during block transfers, performed while the hand is hidden, a virtual presentation of the block shows random occurrences of false block drops. The protocol also describes adding vibrotactile feedback while performing the motor task.

تطبيق المحفزات البصرية المرئية المتطابقة اثناء نقل الكائن مع ملاحظات اللمس

The application of incongruent sensory signals that involves disrupted tactile feedback is rarely explored, specifically with the presence of vibrotactile ...

Real-Time Proxy-Control of Re-Parameterized Peripheral Signals using a Close-Loop Interface

The fields that develop methods for sensory substitution and sensory augmentation have aimed to control external goals using signals from the central nervous systems (CNS). Less frequent however, are protocols that update external signals self-generated by interactive bodies in motion. There is a paucity of methods that combine the body-heart-brain biorhythms of one moving agent to steer those of another moving agent during dyadic exchange. Part of the challenge to accomplish such a feat has been the complexity of the setup using multimodal bio-signals with different physical units, disparate time scales and variable sampling frequencies.
In recent years, the advent of wearable bio-sensors that can non-invasively harness multiple signals in tandem, has opened the possibility to re-parameterize and update the peripheral signals of interacting dyads, in addition to improving brain- and/or body-machine interfaces. Here we present a co-adaptive interface that updates efferent somatic-motor output (including kinematics and heart rate) using biosensors; parameterizes the stochastic bio-signals, sonifies this output, and feeds it back in re-parameterized form as visuo/audio-kinesthetic reafferent input. We illustrate the methods using two types of interactions, one involving two humans and another involving a human and its avatar interacting in near real time. We discuss the new methods in the context of possible new ways to measure the influences of external input on internal somatic-sensory-motor control.

We present protocols and methods of analyses to build co-adaptive interfaces that stream, parameterize, analyze, and modify human body and heart signals in close-loop. This setup interfaces signals derived from the peripheral and central nervous systems of the person with external sensory inputs to help track biophysical change.

التحكم الوكيل في الوقت الحقيقي للإشارات الطرفية ذات المعلمات باستخدام واجهة الحلقة القريبة

The fields that develop methods for sensory substitution and sensory augmentation have aimed to control external goals using signals from the central ...

A Method for Evaluating Timeliness and Accuracy of Volitional Motor Responses to Vibrotactile Stimuli

Artificial sensory feedback (ASF) systems can be used to compensate for lost proprioception in individuals with lower-limb impairments. Effective design of these ASF systems requires an in-depth understanding of how the parameters of specific feedback mechanism affect user perception and reaction to stimuli. This article presents a method for applying vibrotactile stimuli to human participants and measuring their response. Rotating mass vibratory motors are placed at pre-defined locations on the participant's thigh, and controlled through custom hardware and software. The speed and accuracy of participants' volitional responses to vibrotactile stimuli are measured for researcher-specified combinations of motor placement and vibration frequency. While the protocol described here uses push-buttons to collect a simple binary response to the vibrotactile stimuli, the technique can be extended to other response mechanisms using inertial measurement units or pressure sensors to measure joint angle and weight bearing ratios, respectively. Similarly, the application of vibrotactile stimuli can be explored for body segments other than the thigh.

This article describes a technique for applying vibrotactile stimuli to the thigh of a human participant, and measuring the accuracy and reaction time of the participant&#39;s volitional response for various combinations of stimulation location and frequency.

منهج في تقييم توقيت ودقة الردود الإرادية للسيارات لVibrotactile المحفزات

Artificial sensory feedback (ASF) systems can be used to compensate for lost proprioception in individuals with lower-limb impairments.  Effective design ...

Experimental Methods to Study Human Postural Control

Many components of the nervous and musculoskeletal systems act in concert to achieve the stable, upright human posture. Controlled experiments accompanied by appropriate mathematical methods are needed to understand the role of the different sub-systems involved in human postural control. This article describes a protocol for performing perturbed standing experiments, acquiring experimental data, and carrying out the subsequent mathematical analysis, with the aim of understanding the role of musculoskeletal system and central control in human upright posture. The results generated by these methods are important, because they provide insight into the healthy balance control, form the basis for understanding the etiology of impaired balance in patients and the elderly, and aid in the design of interventions to improve postural control and stability. These methods can be used to study the role of somatosensory system, intrinsic stiffness of ankle joint, and visual system in postural control, and may also be extended to investigate the role of vestibular system. The methods are to be used in the case of an ankle strategy, where the body moves primarily about the ankle joint and is considered a single-link inverted pendulum.

This article presents an experimental/analytic framework to study human postural control. The protocol provides step-by-step procedures for performing standing experiments, measuring body kinematics and kinetics signals, and analyzing the results to provide insight into the mechanisms underlying human postural control.

الطرق التجريبية لدراسة السيطرة على الوضعية البشرية

Many components of the nervous and musculoskeletal systems act in concert to achieve the stable, upright human posture. Controlled experiments accompanied ...

WheelCon: A Wheel Control-Based Gaming Platform for Studying Human Sensorimotor Control

Feedback control theory has been extensively implemented to theoretically model human sensorimotor control. However, experimental platforms capable of manipulating important components of multiple feedback loops lack development. This paper describes WheelCon, an open-source platform aimed at resolving such insufficiencies. Using only a computer, a standard display, and inexpensive gaming steering wheel equipped with a force feedback motor, WheelCon safely simulates the canonical sensorimotor task of riding a mountain bike down a steep, twisting, bumpy trail. The platform provides flexibility, as will be demonstrated in the demos provided, so that researchers may manipulate the disturbances, delay, and quantization (data rate) in the layered feedback loops, including a high-level advanced plan layer and a low-level delayed reflex layer. In this paper, we illustrate WheelCon&#39;s graphical user interface (GUI), the input and output of existing demos, and how to design new games. In addition, we present the basic feedback model and the experimental results from the demo games, which align well with the model&#39;s prediction. The WheelCon platform can be downloaded at https://github.com/Doyle-Lab/WheelCon. In short, the platform is featured to be cheap, simple to use, and flexible to program for effective sensorimotor neuroscience research and control engineering education.

WheelCon is a novel, free and open-source platform to design video games that noninvasively simulates mountain biking down a steep, twisting, bumpy trail. It contains components presenting in human sensorimotor control (delay, quantization, noise, disturbance, and multiple feedback loops) and allows researchers to study the layered architecture in sensorimotor control.

WheelCon: منصة ألعاب قائمة على التحكم في العجلات لدراسة التحكم في التحكم في الحواس

Feedback control theory has been extensively implemented to theoretically model human sensorimotor control. However, experimental platforms capable of ...

Neuroscience

Effects of feedback

Feedback in control systems plays a critical role in shaping various operational parameters, extending beyond simple error reduction to influence stability, bandwidth, gain, impedance, and sensitivity. Understanding these effects requires examining a basic feedback system characterized by defined input, output, error, and feedback signals.
Feedback significantly modifies the gain of a control system. The gain of a system without feedback is altered by a factor of one plus GH, where G represents the open-loop gain and H is the feedback factor. This alteration means feedback can amplify or attenuate the gain depending on the frequency range, thus influencing the overall system performance.
Stability is another crucial aspect affected by feedback. Stability refers to the system&#39;s ability to accurately follow an input command and maintain a controllable output. An unstable system cannot reliably track input commands, resulting in erratic and uncontrollable outputs. Feedback can impact stability in two opposing ways: it can either destabilize an initially stable system or stabilize an unstable one. If the product GH equals negative one, the system becomes unstable, as any finite input results in an infinite output. Conversely, incorporating a negative feedback loop can stabilize an otherwise unstable system by adjusting the feedback gain appropriately.
In addition to gain and stability, feedback also affects a system&#39;s response to extraneous signals and noise. In the presence of disturbances, feedback helps minimize the impact of these unwanted signals. If the factor in the feedback loop&#39;s denominator is greater than unity and the system remains stable, the noise component is effectively reduced. This reduction is crucial in maintaining the integrity of the desired signal and ensuring the system&#39;s robustness against external interferences.
Overall, feedback mechanisms are indispensable in refining the performance of control systems. By carefully designing and implementing feedback loops, engineers can enhance stability, control gain, minimize noise, and improve the system&#39;s responsiveness and accuracy. The strategic use of feedback thus plays a pivotal role in advancing the efficacy and reliability of modern control systems across various applications.

تأثيرات التغذية الراجعة

Feedback in control systems extends beyond error reduction, impacting aspects like stability, bandwidth, gain, impedance, and sensitivity.
The significant ...