Steuerkraft und Position in Humans - Die Rolle der Augmented Feedback

Zusammenfassung

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.

Zusammenfassung

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.

Einleitung

Sensorisches Feedback ist entscheidend, Bewegungen auszuführen. Tägliche Aktivitäten sind kaum möglich , in Abwesenheit von Propriozeption ^1. Darüber hinaus wird das motorische Lernen durch propriozeptive Integration ² oder kutane Wahrnehmung ³ beeinflusst. Gesunde Menschen mit intakter Empfindung sind in der Lage , die sensorischen Inputs aus verschiedenen sensorischen Quellen , um situationsspezifische Bedürfnisse zu erfüllen ⁴ ergeben , zu gewichten. Diese sensorischen Wiegen ermöglicht Menschen schwierige Aufgaben mit hoher Präzision durchzuführen , auch wenn einige Aspekte der sensorischen Informationen sind unzuverlässig oder gar nicht vorhanden (zB im Dunkeln zu Fuß oder mit geschlossenen Augen).

Darüber hinaus schlägt verschiedene Hinweise darauf, dass (oder zusätzlich) Feedback verbessert weiter die Motorsteuerung und / oder motorischen Lernens erweitert bereitstellt. Augmented Feedback liefert zusätzliche Informationen, die von einer externen Quelle, die zur Aufgabe intrinsische (sensorischen) Feedback hinzugefügt werden können, von der sensorischen entstehenSystem ^5,6. Vor allem die Wirkung des Inhalts von Augmented Feedback über die Motorsteuerung und Lernen hat sich in den letzten Jahren von großem Interesse gewesen. Eine der Fragen war es, wie Steuerkraft Mensch und Position ^7,8. Erste Untersuchungen festgestellten Unterschiede in der Zeit zu Ermüdung eines nachhaltigen submaximalen Kontraktion entweder Position oder Force - Feedback und Unterschiede in der Belastung Compliance (zB ^9-12). Bei Probanden mit Force-Feedback zur Verfügung gestellt wurden, wurde die Zeit zur Ermüdung der anhaltende Kontraktion signifikant länger im Vergleich zu, wenn die Positionsrückmeldung zur Verfügung gestellt wurde. Das gleiche Phänomen wurde für eine Vielzahl von verschiedenen Muskeln und Gliedpositionen und einer Anzahl von neuromuskulären Mechanismen beobachtet, einschließlich einer größeren Rate der Motoreinheit Einstellungs- und eine größere Abnahme der H-Reflex - Bereich während der Position gesteuert Kontraktion (zur Übersicht ^13). Jedoch in diesen Studien nicht nur die visuelle Rückkopplung, sondern auch die physikalische cERKMALE der Muskelkontraktion (dh., die die Einhaltung der Messvorrichtung) wurde geändert. Deshalb führten wir vor kurzem eine Studie nicht die Einhaltung zu verändern, sondern nur Feedback ergänzt und Beweise allein, dass die Bereitstellung von Kraft und Position vorgesehen Feedback während einer anhaltenden submaximalen Kontraktion innerhalb des primären motorischen Kortex (M1) in hemmende Aktivität Unterschiede verursachen. Dies wurde unter Verwendung einer Stimulationstechnik gezeigt , die ausschließlich auf der kortikalen Ebene ^14, nämlich unterschwelligen transkranielle Magnetstimulation (subTMS) zu handeln , ist bekannt. Im Gegensatz überschwellige TMS, wird die Antwort durch subTMS evozierten, wird nicht durch die Erregbarkeit der spinalen α-Motoneuronen und die Erregbarkeit exzitatorischer Neuronen und / oder Rindenzellen ^15-17 moduliert , sondern allein durch die Erregbarkeit von inhibitorischen intrakortikale Neuronen. Der postulierte Mechanismus hinter dieser Stimulationstechnik ist, dass es mit Intensitäten unterhalb des Schwellenwerts angelegt wird, ein Motor zu evozieren evozierte Potentiale(MEP). Es wurde bei Patienten gezeigt , Elektroden an der zervikalen Ebene implantiert hat, die diese Art der Stimulation keine absteigenden Aktivität produziert , sondern dass es aktiviert in erster Linie hemmende Interneurone im primären motorischen Kortex ^14,18,19. Diese Aktivierung der inhibitorischen Inter bewirkt eine Abnahme in der laufenden Aktivität EMG und kann in Versuchen ohne Stimulation, die durch die Menge an EMG-Unterdrückung im Vergleich zu der EMG-Aktivität quantifiziert werden. In dieser Hinsicht haben wir gezeigt , dass Probanden eine deutlich höhere inhibitorische Aktivität in Studien , in denen angezeigt sie Positionsrückmeldung erhielten , im Vergleich mit Studien , in denen Force - Feedback wurden ²⁰ zur Verfügung gestellt. Darüber hinaus haben wir auch gezeigt , dass nicht nur die Präsentation von verschiedenen Feedback Modalitäten (Kraft-Ort - Kontrolle) , sondern auch die Interpretation von Feedback sehr ähnliche Auswirkungen auf die Verhaltens- und neurophysiologische Daten haben kann. Genauer gesagt, wenn wir die Teilnehmer gesagt p erhaltenosition Feedback (auch wenn es Force - Feedback war) sie auch nicht nur eine kürzere Zeit bis zur Ermüdung angezeigt , sondern auch ein erhöhtes Maß an hemmenden M1 Aktivität ^21. Aber ein Ansatz , wo die gleiche Rückmeldung mit unterschiedlichen Informationen über den Inhalt ist immer zur Verfügung gestellt hat den Vorteil , dass die Aufgabe Zwänge, dh die Präsentation des Feedback, die Verstärkung der Rückkopplung oder die Einhaltung der Last sind identisch zwischen den Bedingungen so daß Unterschiede in der Leistung und neuronaler Aktivität deutlich zu Unterschieden in der Auslegung des Rückkopplungs verwandten und nicht von unterschiedlichen Testbedingungen vorgespannt ist. So untersuchte die vorliegende Studie, ob eine andere Interpretation von ein und derselben Rückkopplungs die Dauer einer anhaltenden submaximalen Kontraktion beeinflusst und darüber hinaus wirkt sich auf die Aktivierung der inhibitorischen Aktivität des primären Motorkortex.

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Protokoll

Das hier beschriebene Protokoll folgte den Richtlinien der Ethikkommission der Universität Freiburg und wurde in Übereinstimmung mit der Erklärung von Helsinki (1964).

1. Ethische Genehmigung - Subject Instruction

1. Vor dem eigentlichen Experiment, anweisen, alle Probanden über den Zweck der Studie und potenziellen Risikofaktoren. Bei der transkraniellen Magnetstimulation (TMS) Anwendung, gibt es einige medizinische Risiken einschließlich der Geschichte von epileptischen Anfällen, Metallimplantaten in die Augen und / oder Kopf, Erkrankungen des Herz-Kreislauf-System und Schwangerschaft. Ausschließen jedes Thema zu einer dieser Risikofaktoren aus der Studie bekräftigen.
2. Fügen Sie nur gesunde Personen in der Studie. Ausschließen Personen mit irgendwelchen neurologischen, psychischen und / oder orthopädischen Erkrankungen.

2. Gegenstand Vorbereitung

1. Betreff Platzierung
   1. Während des gesamten Experiments Sitz Probanden in einem bequemen Stuhl. Befestigen Sie den Kopfdes Teilnehmers eine Besetzung umfassen den Hals verwenden, um eine stabile Kopfposition zu sichern und alle Bewegungen des Kopfes relativ TMS Spule zu vermeiden.
   2. Legen Sie den rechten Arm der Probanden in einem speziell angefertigten Armlehne Bewegungen des Handgelenks zu minimieren. Befestigen Sie den rechten Zeigefinger unterliegen einer Schiene an den Arm eines Roboters montiert. Ausrichten der Drehachse des Roboterarms mit dem metacarpophangeal Gelenk der rechten Hand, so dass das Gelenkzentrum des Rotationszentrum des Roboters übereinstimmt.
2. Force-Aufnahmen
   1. Messen die aufgebrachte Kraft durch die Gegenstände durch einen Drehmomentmesser in dem Roboterarm montiert und messen die Position des Roboterarms (entsprechend der Position des Zeigefinger) von einem Potentiometer zur Drehachse des Roboters ²² verbunden.
3. Elektromyographie (EMG)
   1. Verwenden Sie eine bipolare Konfiguration von Oberflächenelektroden durch TMS ausgelöst elektrophysiologischen Reaktionen zu messen sowie muscular Aktivierung durch die Gegenstände hergestellt.
      1. Vor dem Anbringen der Elektroden an die Haut über dem ersten Rücken interosseus Muskel (FDI) und der Entführer pollicis brevis (APB) von der rechten Hand, rasieren die Haut der Probanden, dann ist es leicht abreiben Sandpapier oder Gel Abschleifen und desinfizieren sie mit Propanol .
      2. Im Anschluss daran befestigen Selbstklebe-EMG-Elektroden auf die Haut über die Muskelbäuche der FDI und APB. Legen Sie eine zusätzliche Referenzelektrode auf der olecranon des gleichen Arm.
      3. Kabel verbinden alle Elektroden mit einer EMG-Verstärker und an einen Analog-Digital-Wandler. Amplify die EMG-Signale (x 1000), Bandpass-Filter (10 - 1000 Hz) und Probe bei 4 kHz. Speichern Sie die EMG-Signale für die Offline-Analyse.
4. TMS
   1. Verwenden Sie eine Zahl von acht Spule mit einem TMS-Stimulator angebracht, um den kontralateralen Motor kortikalen Handbereich zu stimulieren.
   2. Finden, die optimale Position der Spule relativ zu der Kopfhaut zum Hervorrufenmotorisch evozierte Potentiale (MEP) in der FDI-Muskel durch ein Mapping-Verfahren:
      1. Platzieren der Spule ungefähr 0,5 cm vor dem Scheitelpunkt und über der Mittellinie mit dem Griff um 45 ° gegen den Uhrzeigersinn relativ zu der Sagittalebene weist, eine posterior-anteriore Fluss des Stroms in der Mitte der Spule zu induzieren.
      2. Zu Beginn wählen Sie eine kleine Stimulation (zB unter 30% maximalen Stimulator - Ausgang, MSO) Intensität die Themen an die magnetischen Impulse zu gewöhnen.
      3. Anschließend erhöhen Sie die Intensität Stimulation in kleinen Schritten, zum Beispiel 2 - 3% maximale Stimulator Ausgang (MSO) und die Spule in der frontalen-rostral und medio-lateraler Richtung, um den optimalen Standort zu finden bewegen (Hotspot) für die FDI stimulierenden Muskel. Der Hotspot wird als der Ort definiert, wo die größte MEP bei einer gegebenen Stimulationsintensität beobachtet werden.
   3. Nach dem FDI-Hotspot zu finden, bestimmen Motor Schwelle (MT) als minimu Ruhem Intensität erforderlich MEP Spitze-Spitze - Amplituden in der EMG zu evozieren größer als 50 & mgr ; V in drei von fünf aufeinander folgenden Studien ^18. Überprüfen Sie die Größe der Online auf dem Computerbildschirm angezeigt MEPs.
   4. Nach dem Hervorrufen MEPs mit 1,0 * MT, verringern ständig die Stimulationsintensität der TMS-Maschine in Schritten von 2% MSO, bis die MEP nicht mehr beobachtet werden kann und eine EMG Unterdrückung der laufenden Muskelaktivität deutlich.
      Hinweis: Um die TMS-induzierte EMG Unterdrückung darzustellen es notwendig ist, eine hohe Anzahl von Stimulationen anzuwenden (siehe Abschnitt 5. "Datenverarbeitung")

3. Feedback zur Präsentation

1. Teilen Sie die Teilnehmer in drei Gruppen (pF, fF, CON).
2. Instruieren Themen aus der Position Feedback-Gruppe (pF) in der Hälfte der Versuche Feedback über die Position des Zeigefingers (Position Feedback) zu erhalten, wenn sie durch Drücken gegen die Roboter-Vorrichtung mit dem Zeigefinger zu bewegen.
3. In der anderen Hälfte der Versuche, anweisen Themen Feedback über die ausgeübte Kraft zu empfangen, während die Roboter-Vorrichtung (Force-Feedback) bewegt.
   Hinweis: In Wirklichkeit aber sie erhalten immer die gleiche Rückmeldung (Position Feedback).
4. Instruieren Themen aus der Force-Feedback-Gruppe (fF) Force-Feedback in der Hälfte der Studien erhalten und Positionsrückmeldung in der anderen Hälfte erhalten.
   Hinweis: In der Tat ist diese Gruppe nur mit Force-Feedback zur Verfügung gestellt.
5. Sie nicht die Kontrollgruppe (CON) über die Quelle des Feedback anweisen. Hinweis: Die Kontrollgruppe erhält Force-Feedback in einer Hälfte ihrer Studien und Positionsrückmeldung in der anderen Hälfte.
6. ändern in zufälliger Reihenfolge die Reihenfolge der Sitzungen, das heißt, ob Studien mit Kraft oder Position Feedback zu starten, in allen Gruppen.
7. Optisch zeigen die Kraft und die Positionsrückmeldung auf einem Computer-Bildschirm 1 m vor der Probanden platziert.
8. In jedem Zustand präsentieren eine Linie Ziel entsprechend30% der individuellen maximalen freiwilligen Kraft des Subjekts oder der Finger Winkel des Zeigefingers bei 30% maximal freiwillige Kontraktion (MVC), auf dem Computerbildschirm und anweisen, die Gegenstand der Ziellinie möglichst genau übereinstimmen.

4. Maximal isometrischen Kraft

1. Nach dem Subjekt (EMG) vorbereitet wird, führen drei isometrischen Maximal freiwilligen Kontraktionen (MVC), gehalten in der isometrischen Kraft einer allmählichen Zunahme bestehend aus Null bis Maximum über 3 sec Zeitspanne und die maximale Kraft für 2 sec ^20,21.
2. Verbal das Thema fördern maximale Kraft zu erreichen. Nach jedem Versuch erlauben die Probanden für 90 Sekunden ruhen Müdigkeit zu vermeiden.

5. Versuchsdurchführung

1. Ermüdenden Motor Task- Kontraktionen Sustained.
   Hinweis: Die ermüdende Aufgabe besteht aus zwei nachhaltig an unterschiedlichen Tagen durchgeführt Kontraktionen.
   1. Weisen Sie die Themen der Ziellinie von 30% MVC passen fürso lange wie möglich mit einer Linie zu der aufgebrachten Kraft oder die Position ihrer Finger entsprechend einem Kraftniveau von 30% MVC entspricht.
      Hinweis: Die Ziellinie bei der Positionsrückkopplungsbedingung (pF-Gruppe) ist daher die Finger Winkel entspricht, wenn die Probanden die Kraftniveau von 30% MVC entsprechen.
   2. Fragen Sie die Themen die Kontraktionen bis Aufgabe Versagen zu halten, der als der Punkt definiert wird, in dem die Themen sind nicht mehr in der Lage, die Zielkraft in einem 5% Fenster der Zielkraft über einen Zeitraum von 5 Sekunden (FF-Gruppe) zu halten. Für die pF-Gruppe definieren Aufgabe Scheitern als wenn die Teilnehmer nicht in der Lage mit dem Finger Winkel innerhalb von 5% des gewünschten Zielwinkel zu halten für 5 s ^12,23.
   3. Stellen Sie sicher, dass die beiden anhaltenden Kontraktionen von mindestens 48 Stunden voneinander getrennt sind.
2. TMS-protocol
   Hinweis: Die unterschwellige TMS Experiment wird an die ermüdende Kontraktionen auf separaten Tag durchgeführt. Dies ist wichtig, da Müdigkeit einen Einfluss hatauf die Unterdrückung EMG durch subTMS ^24,25 so Unterschiede zwischen Kraft und Position eindeutig identifiziert werden kann nicht hervorgerufen. Trennen der ermüdenden Kontraktionen von den TMS-Messungen hat den Vorteil, dass Unterschiede in der EMG Unterdrückung kann nun deutlich die unterschiedliche Auslegung der Rückkopplung zurückgeführt werden, sondern muss die Einschränkung, dass die Ergebnisse können nicht direkt auf die Unterschiede in der Zeit zu Ermüdungs ​​verbunden werden der erlittenen Kontraktionen.
   1. das Teil des Experiments Verhalten TMS auf einem separaten Anlass als die ermüdende Experimente (siehe auch Abschnitt 3. "Feedback-Präsentation" sehen). Zunächst folgen die exakt gleiche Verfahren wie für die ermüdenden Kontraktion (zB MVC Kontraktionen) , aber dieses Mal, fragen Sie die Themen , um die Kontraktionen halten nur so lange , wie die TMS Stimulation dauert. Somit werden die Kontraktionen nicht fatigable und nur für ungefähr 100 sec während jedes TMS Studie gehalten.
   2. Geben Sie eine Pause von 3 min zwischen Trials jede Vorspannung von Ermüdung zu minimieren.

6. Datenverarbeitung

1. TMS
   1. Tragen Sie insgesamt 100 Sweeps 50 Durchläufe mit und 50 Sweeps ohne Stimulation mit einem Inter-Stimulus - Intervall von 0,8 bis 1,1 s ^20,21,25,26 reichen. Dieser kurze Interstimulus Intervall stellt sicher, dass die Probanden nicht brauchen die Kontraktionen zu lange so ermüdend Effekte minimiert werden kann zu halten.
   2. Um zu analysieren , ob die TMS - Stimulation eine Erleichterung (MEP) oder eine EMG Unterdrückung verursacht, subtrahieren die gleichgerichtet und dann durchschnittlich 50 Sweeps mit Stimulation (stimulierte EMG) von den 50 Sweeps ohne Stimulation (Kontrolle EMG) ^20,21,25-27.
      Hinweis: Das Einsetzen der EMG-Unterdrückung wird als Zeitpunkt definiert, in dem der gemittelte EMG für die Durchläufe mit der Stimulations kleiner ist als der Steuer EMG für mindestens 4 msec in einem Zeitrahmen von 20 bis 50 msec nach dem TMS Puls. Das Ende der Unterdrückung wird als t definierter sofort , wenn die stimulierte EMG größer als die Steuer EMG für mindestens 1 ms und das Ausmaß der Unterdrückung ist , wird als prozentuale Veränderung berechnet (Kontrolle-stimulierte / mittlere _Steuer * 100).
   3. Verwenden Sie die Sweeps ohne TMS Stimulation für die Berechnung der Hintergrund EMG Aktivierung und durchschnittlich sie im gleichen Zeitfenster wie die Versuche mit Stimulation ^20,21,25,26.
2. EMG
   1. Bestimmen Sie die maximale Aktivität EMG durch die root mean square - Wert in einem 0,5s Zeitfenster gemessen während der MVC - Tests ^20,21 um die Spitzenkraft aufgezeichnet zu berechnen.
   2. Für die anhaltende Kontraktionen, analysieren die EMG durch den Bau von 8 Sekunden langen Behälter , wo das root mean square des berichtigten EMG berechnet und normiert auf die EMG - Aktivität während der MVC - Studien ^20,21 erhalten.

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Ergebnisse

Interpretation von Feedback

Im hier beschriebenen Verfahren wurden die Probanden in einer Weise angewiesen, die sie in die Hälfte ihrer Versuche glaubte an Position Feedback und in der anderen Hälfte der Force-Feedback erhalten haben Studien erhalten haben. In der Tat wurden sie in die Hälfte ihrer Versuche, wie sie die pF-Gruppe immer Positionsrückmeldung erhalten betrogen und die fF-Gruppe immer Force-Feedback e...

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Diskussion

Die vorliegende Studie untersucht, ob die Interpretation von Augmented-Feedback die Zeit zu Ermüdungs ​​einer anhaltenden submaximalen Kontraktion und das neuronale Verarbeitung des primären Motorkortex beeinflußt. Die Ergebnisse zeigen, dass, sobald die Teilnehmer die Feedback als Stellungsrückmeldung (im Vergleich zu Kraftrückmeldung) interpretiert, war die Zeit zu Ermüdungs ​​wesentlich kürzer und die inhibitorische Aktivität des motorischen Cortex (als die Menge an EMG-Unterdrückung durch subTMS ver...

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Materialien

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