Control de la fuerza y ​​de posición en los seres humanos - El papel de Evaluación Aumentada

Resumen

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.

Resumen

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.

Introducción

retroalimentación sensorial es fundamental la realización de movimientos. Las actividades diarias son difícilmente posible en ausencia de la propiocepción ^1. Por otra parte, el aprendizaje motor está influenciada por la integración propioceptiva ² o ³ percepción cutánea. Los seres humanos sanos con sensación intacta son capaces de ponderar los estímulos sensoriales que surgen de distintas fuentes sensoriales con el fin de satisfacer las necesidades específicas de la situación ^4. Esto permite a los seres humanos con un peso sensorial para realizar tareas difíciles con alta precisión incluso cuando algunos aspectos de la información sensorial no son fiables o incluso ausente (por ejemplo, caminar en la oscuridad o con los ojos cerrados).

Además, diversas evidencias sugieren que la provisión aumentada (o adicional) de realimentación mejora aún más el control del motor y / o el aprendizaje motor. retroalimentación aumentada proporciona información adicional por una fuente externa que se puede añadir a la retroalimentación tarea intrínseca (sensorial) que surge de la sensorialsistema de ^5,6. Especialmente el efecto del contenido de la retroalimentación aumentada en el control motor y el aprendizaje ha sido de gran interés en los últimos años. Una de las preguntas dirigidas fue cómo los seres humanos fuerza de control y la posición ^7,8. Las investigaciones iniciales identificaron diferencias en el tiempo a la fatiga de una contracción submáxima sostenida utilizando ya sea la posición o la fuerza de respuesta y las diferencias en el cumplimiento de la carga (por ejemplo, ^9-12). Cuando los sujetos se les proporcionó la fuerza de respuesta, el tiempo a la fatiga de la contracción sostenida fue significativamente más largo en comparación con cuando se proporcionó retroalimentación de posición. Se observó el mismo fenómeno para una variedad de diferentes músculos y las posiciones de las extremidades y una serie de mecanismos neuromusculares, incluyendo una mayor tasa de reclutamiento de unidades motoras y una mayor disminución de la superficie H-reflex durante la contracción controlada posición (para revisión ^13). Sin embargo, en estos estudios, no sólo la información visual sino también la c físicoaracterísticas de la contracción muscular (es decir., la conformidad del dispositivo de medición) se alteró. Por lo tanto, recientemente hemos realizado un estudio de no alterar el cumplimiento, pero sólo aumentamos la retroalimentación y presentó pruebas de que el suministro de la fuerza y ​​de realimentación de posición solos durante una contracción submáxima sostenida pueden causar diferencias en la actividad inhibitoria dentro de la corteza motora primaria (M1). Esto se demostró usando una técnica de estimulación que se sabe que actúa únicamente a nivel cortical ^14, a saber subumbral estimulación magnética transcraneal (subTMS). A diferencia de supraumbral TMS, la respuesta evocada por subTMS, no está modulada por la excitabilidad de las motoneuronas espinales alfa y las neuronas excitadoras excitabilidad y / o células corticales ^15-17 sino únicamente por la excitabilidad de las neuronas inhibidoras intracorticales. El mecanismo postulado detrás de esta técnica de estimulación es que se aplica a intensidades por debajo del umbral para evocar un motor potencial evocado(MEP). Se ha demostrado en pacientes con electrodos implantados a nivel cervical que este tipo de estimulación no produce ninguna actividad descendente pero que activa principalmente interneuronas inhibidoras dentro de la corteza motora primaria ^14,18,19. Esta activación de las interneuronas inhibidoras causa una disminución en la actividad EMG en curso y se puede cuantificar por la cantidad de supresión de EMG en comparación con la actividad EMG obtenidos en los ensayos sin estimulación. En este sentido, hemos demostrado que los sujetos mostraron una significativa mayor actividad inhibidora en los ensayos en los que recibieron retroalimentación de la posición en comparación con ensayos en los que se proporcionó retroalimentación ²⁰ Fuerza. Además, también mostró que no sólo la presentación de diferentes modalidades de retroalimentación (fuerza frente a control de posición), sino también la interpretación de retroalimentación puede tener efectos muy similares sobre los datos de comportamiento y neurofisiológicos. Más específicamente, cuando nos dijeron que los participantes para recibir pretroalimentación OSICIÓN (a pesar de que era la fuerza de respuesta) también muestran no sólo un tiempo más corto a la fatiga, sino también un mayor nivel de actividad inhibitoria ²¹ M1. El uso de un enfoque en el que se proporciona siempre la misma regeneración pero con diferente información acerca de su contenido tiene la ventaja de que las restricciones de tareas, es decir, la presentación de la realimentación, la ganancia de la realimentación, o el cumplimiento de la carga son idénticos entre las condiciones por lo que las diferencias en el rendimiento y la actividad neuronal están claramente relacionados con las diferencias en la interpretación de las votaciones y no están sesgados por diferentes condiciones de ensayo. Por lo tanto, el presente estudio investigó si una interpretación diferente de uno y el mismo retroalimentación influye en la duración de una contracción submáxima sostenida y además tiene un impacto en la activación de la actividad inhibidora de la corteza motora primaria.

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Protocolo

El protocolo descrito aquí siguió las directrices del comité de ética de la Universidad de Friburgo y estaba de acuerdo con la declaración de Helsinki (1964).

1. La aprobación ética - Instrucción Asunto

1. Antes del experimento real, instruir a todos los sujetos sobre el propósito del estudio y los factores de riesgo potenciales. Cuando se aplica la estimulación magnética transcraneal (TMS), existen algunos riesgos médicos, incluyendo cualquier antecedente de convulsiones epilépticas, implantes metálicos en los ojos y / o la cabeza, enfermedades del sistema cardiovascular y el embarazo. Excluya ningún tema afirmando que uno de estos factores de riesgo del estudio.
2. Incluir sólo los individuos sanos en el estudio. Excluir a los individuos con alguna enfermedades neurológicas, mentales y / u ortopédicos.

2. Sin perjuicio de Preparación

1. la colocación sujetos
   1. A lo largo de todo el experimento, los sujetos asiento en una silla cómoda. Fijar la cabezadel participante usando un molde que abraza el cuello, lo que garantiza una posición de la cabeza estable y evitar cualquier movimiento de la cabeza con relación a la bobina de EMT.
   2. Coloque el brazo derecho de los sujetos en un brazo de descanso hecha a la medida para minimizar los movimientos de la muñeca. Fijar dedo índice derecho del sujeto para una férula montada en el brazo de un robot. Alinear el eje de rotación del brazo del robot con la articulación metacarpophangeal de la mano derecha de modo que el centro de la articulación coincide con el centro de rotación del robot.
2. grabaciones de fuerza
   1. Medir la fuerza aplicada por los sujetos por un torquímetro montado en el brazo robot y medir la posición del brazo de robot (correspondiente a la posición del dedo índice) por un potenciómetro conectado al eje de rotación del robot ^22.
3. La electromiografía (EMG)
   1. Utilice una configuración bipolar de electrodos de superficie para medir las respuestas electrofisiológicas provocadas por TMS, así como muscular activación producida por los sujetos.
      1. Antes de colocar los electrodos a la piel durante el primer interóseo dorsal del músculo (IED) y el abductor corto del pulgar (APB) de la mano derecha, afeitarse la piel de los sujetos, a continuación, ligeramente raspar usando papel de lija o el pulido de gel y desinfectarlo con propanol .
      2. A raíz de esto, conecta electrodos EMG autoadhesivas para la piel sobre los vientres musculares del IED y APB. Colocar un electrodo de referencia adicional sobre el olécranon del mismo brazo.
      3. Cable a conectar todos los electrodos a un amplificador EMG y un convertidor analógico-digital. Amplificar las señales de EMG (x 1.000), paso de banda del filtro (10 - 1.000 Hz) y muestra a 4 kHz. Almacenar las señales de EMG para el análisis fuera de línea.
4. TMS
   1. Utilice una figura de ocho bobina conectada a un estimulador TMS para estimular el área cortical motora lado contralateral.
   2. Encontrar la posición óptima de la bobina en relación con el cuero cabelludo para provocarlos potenciales evocados motores (MEPS) en el músculo IED por un procedimiento de mapeo:
      1. Coloca la bobina de aproximadamente 0,5 cm anterior al vértice y más de la línea media con el mango apuntando a 45 ° en sentido antihorario con respecto al plano sagital, induciendo un flujo posterior-anterior de la corriente en el centro de la bobina.
      2. Al principio, elegir una pequeña estimulación intensidad (máxima salida del estimulador, MSO, por ejemplo, por debajo del 30%) para obtener los sujetos acostumbrados a los pulsos magnéticos.
      3. Posteriormente, aumentar la intensidad de la estimulación en pequeños pasos, por ejemplo 2-3% de salida máxima estimulador (MSO) y mover la bobina en la dirección frontal-rostral y medio-lateral a fin de encontrar el sitio óptimo (punto de acceso) para estimular la IED músculo. El punto de acceso se define como el lugar donde la mayor MEP se puede observar a una intensidad de estimulación dada.
   3. Después de encontrar el punto de acceso IED, determinar descansando umbral motor (MT) como el minimum intensidad necesaria para evocar MEP amplitudes de pico a pico en el EMG mayor de 50 mV en tres de cada cinco intentos consecutivos y ^18. Inspeccionar el tamaño de los eurodiputados que aparecen en línea en la pantalla del ordenador.
   4. Después de la obtención de los eurodiputados con 1.0 * MT, disminuir continuamente la intensidad de la estimulación de la máquina de TMS en pasos de 2% MSO hasta que el MEP ya no puede ser observado y una supresión EMG de la actividad muscular en curso se hace evidente.
      Nota: Con el fin de describir la supresión inducida EMG TMS es necesario aplicar un alto número de estimulaciones (véase la sección 5. "Proceso de Datos")

3. Evaluación Presentación

1. Divida a los participantes en tres grupos (pF, FF, CON).
2. Instruir a los sujetos del grupo de realimentación de posición (PF) en la mitad de los ensayos para recibir información acerca de la posición del dedo índice (realimentación de posición) al mover el dedo índice presionando contra el dispositivo robótico.
3. En la otra mitad de los ensayos, instrucciones a los sujetos para recibir información acerca de la fuerza aplicada mientras se mueve el dispositivo robótico (force feedback).
   Nota: En realidad, sin embargo, que siempre reciben la misma respuesta (retroalimentación de posición).
4. Instruir a los sujetos del grupo de la fuerza de respuesta (FF) para recibir retroalimentación de fuerza en la mitad de los ensayos y recibir retroalimentación de la posición en la otra mitad.
   Nota: De hecho, este grupo es el único dotado de la fuerza de respuesta.
5. No dar instrucciones al grupo control (CON) sobre el origen de las votaciones. Nota: El grupo de control recibe la fuerza de retroalimentación en un medio de sus pruebas y retroalimentación de la posición en la otra mitad.
6. Aleatoriamente alterar el orden de las sesiones, es decir, si los ensayos comienzan con la fuerza o la realimentación de la posición, en todos los grupos.
7. mostrar visualmente la fuerza y ​​la realimentación de posición en una pantalla de ordenador colocaron 1 m por delante de los sujetos.
8. En cada condición, presenta una línea de destino correspondiente a30% de la fuerza voluntaria máxima individual del sujeto, o el ángulo del dedo del dedo índice en un 30% la contracción voluntaria máxima (MVC), en la pantalla del ordenador e instruir a los sujetos para que coincida con la línea de meta lo más cerca posible.

4. La máxima fuerza isométrica

1. Después de que el sujeto se prepara (EMG), realizar tres contracciones voluntarias máximas isométricas (MVC), que consiste en un aumento gradual de la fuerza isométrica de cero a máximo durante un período de tiempo de 3 segundos y la fuerza máxima mantenido para 2 sec ^20,21.
2. alentar verbalmente al objeto de lograr la máxima fuerza. Después de cada ensayo, permiten a los sujetos para descansar durante 90 segundos para evitar la fatiga.

5. Procedimiento experimental

1. Fatigante Motor Tarea- sostenido contracciones.
   Nota: La tarea fatigosa consta de dos contracciones sostenidas ejecutadas en días separados.
   1. Instruir a los sujetos para que coincida con la línea de meta del 30% para el MVCel mayor tiempo posible con una línea correspondiente a la fuerza aplicada o de la posición de su dedo que corresponde a un nivel de fuerza de 30% MVC.
      Nota: La línea de destino durante la condición de realimentación de posición (PF-grupo), por tanto, corresponde al ángulo dedo cuando los sujetos coinciden con el nivel de fuerza del 30% MVC.
   2. Pedir a los sujetos para mantener las contracciones hasta el fallo de tareas, que se define como el punto en el que los sujetos ya no son capaces de mantener la fuerza objetivo dentro de una ventana de 5% de la fuerza de destino durante un período de 5 segundos (FF-grupo). Para el pF-grupo, definir el fracaso tarea como cuando los participantes son incapaces de mantener el ángulo de dedo dentro de 5% del ángulo del objetivo requerido para 5 seg ^12,23.
   3. Asegúrese de que los dos contracciones sostenidas están separados por al menos 48 horas.
2. TMS-protocolo
   Nota: El experimento subumbral TMS se lleva a cabo en días separados a las contracciones de fatiga. Esto es importante ya que la fatiga tiene una influenciaen la supresión de EMG evocada por subTMS ^24,25 por lo que las diferencias entre la fuerza y la posición no puede ser claramente identificados. La separación de las contracciones de fatiga de las mediciones TMS tiene la ventaja de que las diferencias en la supresión EMG pueden ahora ser claramente atribuirse a la diferente interpretación de las votaciones, pero tiene la limitación de que los resultados no pueden directamente ser vinculados a las diferencias en el tiempo a la fatiga de las contracciones sostenidas.
   1. Llevar a cabo la parte del experimento utilizando TMS (véase también la sección "Comentarios presentación" 3.) en otra ocasión que los experimentos de fatiga. Inicialmente, siga exactamente el mismo procedimiento que para la fatiga contracción (por ejemplo, contracciones MVC) pero esta vez, pedir a los sujetos para mantener las contracciones sólo mientras la estimulación TMS dura. Por lo tanto, las contracciones no son fatigable y sólo se celebró durante aproximadamente 100 segundos durante cada ensayo TMS.
   2. Proporcionar un descanso de 3 minutos entre triALS para minimizar cualquier sesgo de la fatiga.

6. Proceso de Datos

1. TMS
   1. Aplicar un total de 100 barridos, barridos con 50 y 50 barridos sin estimulación, con un intervalo entre estímulos varıa de 0,8 a la 1.1 s ^20,21,25,26. Este intervalo inter corta se asegura de que los sujetos no necesitan sostener las contracciones durante demasiado tiempo por lo que los efectos de fatiga pueden ser minimizados.
   2. Para analizar si la estimulación TMS causó una facilitación (MEP) o una supresión de EMG, restar los rectificados y luego un promedio de 50 barridos con estimulación (estimulado EMG) de los 50 barridos sin estimulación (control EMG) ^20,21,25-27.
      Nota: El comienzo de la supresión de EMG se define como el punto de tiempo en el que el EMG promedio para los barridos con la estimulación es menor que el EMG de control durante al menos 4 mseg en un marco de tiempo de 20 a 50 mseg después del pulso de TMS. El final de la supresión se define como tél instante en que el EMG estimulado es mayor que la EMG de control durante al menos 1 mseg y la extensión de la supresión se calcula como porcentaje de cambio (control estimulada / _{de control} * 100 media).
   3. Usa los barridos sin estimulación TMS para el cálculo de los antecedentes de activación EMG y un promedio de ellos sobre la misma ventana de tiempo que los ensayos con ^20,21,25,26 estimulación.
2. EMG
   1. Determinar la actividad máxima EMG mediante el cálculo del valor de la raíz cuadrada media registrada en una ventana de 0,5 s de tiempo alrededor de la fuerza máxima medida durante la prueba MVC ^20,21.
   2. Para las contracciones sostenidas, analizar la EMG mediante la construcción de contenedores de 8 seg largos siempre que se calcule la raíz cuadrada de la media de la EMG rectificado y normalizadas con la actividad EMG obtenidos durante los ensayos MVC ^20,21.

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Resultados

Interpretación de retroalimentación

En el procedimiento descrito aquí, los sujetos fueron instruidos de una manera que ellos creían en la mitad de sus pruebas de haber recibido retroalimentación de posición y en la otra mitad de los ensayos que han recibido retroalimentación de fuerza. De hecho, ellos fueron engañados por la mitad de sus ensayos, ya que el FP-grupo siempre ha recibido retroalimentación de pos...

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Discusión

El presente estudio investigó si la interpretación de la retroalimentación aumentada influye en el tiempo a la fatiga de una contracción submáxima sostenido y el procesamiento neuronal de la corteza motora primaria. Los resultados muestran que tan pronto como los participantes interpretaron la realimentación como de realimentación de posición (en comparación con la fuerza de respuesta), el tiempo a la fatiga fue significativamente más corta y la actividad inhibidora de la corteza motora (medida como la cantida...

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Materiales

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