Force et contrôle de position chez les humains - Le rôle de la rétroaction augmentée

Résumé

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.

Résumé

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.

Introduction

rétroaction sensorielle est essentiel d'effectuer des mouvements. Les activités quotidiennes ne sont guère possibles en l'absence de proprioception ^1. En outre, l' apprentissage moteur est influencée par l' intégration proprioceptive ² ou cutanée perception ^3. L' homme en bonne santé avec sensation intacte sont en mesure de pondérer les entrées sensorielles provenant de différentes sources sensorielles afin de répondre aux besoins spécifiques à la situation ^4. Cette sensorielle pesant permet l' homme d'effectuer des tâches difficiles avec une grande précision , même si certains aspects de l'information sensorielle ne sont pas fiables ou même absents (par exemple, la marche dans l'obscurité ou les yeux fermés).

En outre, diverses preuves suggèrent que fournissant augmentée (ou plus) la rétroaction améliore encore le contrôle moteur et / ou l'apprentissage moteur. rétroaction augmentée fournit des informations supplémentaires par une source extérieure qui peut être ajoutée à la tâche intrinsèque (sensorielle) la rétroaction provenant de la sensoriellesystème ^5,6. Surtout l'effet du contenu de la rétroaction augmentée sur le contrôle moteur et l'apprentissage a été d'un grand intérêt ces dernières années. L' une des questions abordées était de savoir comment les humains force de commande et la position ^7,8. Les premières investigations ont identifié des différences dans le temps à la fatigue d'une contraction submaximal soutenue en utilisant soit la position ou retour de force et les différences dans le respect de la charge (par exemple, ^9-12). Lorsque les sujets ont été fournis avec retour de force, le temps de la fatigue de la contraction soutenue a été significativement plus longue par rapport à la date de retour de position a été fournie. Le même phénomène a été observé pour une variété de différents muscles et positions des membres et un certain nombre de mécanismes neuromusculaires, y compris un plus grand taux de recrutement des unités motrices et une plus grande diminution de la superficie réflexe H pendant la contraction contrôlée de position (pour examen ^13). Cependant, dans ces études, non seulement la rétroaction visuelle mais aussi la physique caractéristiques de la contraction musculaire (ie., la conformité du dispositif de mesure) a été modifié. Par conséquent, nous avons récemment mené une étude ne modifiant pas la conformité, mais seulement augmentée commentaires et fourni des preuves de cette disposition de la force et de la rétroaction de position seule pendant une contraction submaximal soutenue peut causer des différences dans l'activité inhibitrice dans le cortex moteur primaire (M1). Ceci a été démontré en utilisant une technique de stimulation qui est connue pour agir uniquement au niveau cortical ^14, à savoir subliminaires stimulation magnétique transcrânienne (subTMS). A la différence supraliminaire TMS, la réponse évoquée par subTMS, n'a pas été modulée par l'excitabilité des a-motoneurones spinaux et de l'excitabilité des neurones excitateurs et / ou des cellules corticales ^15-17 , mais uniquement par l'excitabilité des neurones inhibiteurs intracorticales. Le mécanisme postulé derrière cette technique de stimulation est qu'elle est appliquée à des intensités inférieures au seuil d'évoquer un moteur potentiel évoqué(MEP). Il a été montré chez les patients ayant des électrodes implantées au niveau cervical que ce type de stimulation ne produit aucune activité descendante mais qu'il active principalement interneurones inhibiteurs au sein du cortex moteur primaire ^14,18,19. Cette activation des interneurones inhibiteurs provoque une diminution de l'activité en cours d'EMG et peut être quantifiée par la quantité de suppression d'EMG par rapport à l'activité d'EMG obtenus dans les essais sans stimulation. À cet égard, nous avons montré que les sujets ont montré une activité inhibitrice significativement plus élevée dans les essais dans lesquels ils ont reçu la rétroaction de position par rapport aux essais dans lesquels le retour de force a été fournie ^20. En outre, nous avons également montré que non seulement la présentation des différentes modalités de rétroaction (force en fonction du contrôle de position) , mais aussi l'interprétation de la rétroaction peut avoir des effets très similaires sur les données comportementales et neurophysiologiques. Plus précisément, lorsque nous avons dit aux participants de recevoir pÉvaluations osition (même si elle était de retour de force) ils ont aussi non seulement affiché un temps plus court à la fatigue , mais aussi une augmentation du niveau d'activité inhibitrice M1 ^21. En utilisant une approche où les mêmes réactions mais avec différentes informations sur son contenu est toujours fourni a l'avantage que les tâches contraintes, à savoir, la présentation de la rétroaction, le gain de la rétroaction, ou la conformité de la charge sont identiques entre les conditions de sorte que les différences dans la performance et l'activité neuronale sont clairement liées à des différences dans l'interprétation de la rétroaction et ne sont pas biaisées par différentes conditions de test. Par conséquent, la présente étude a examiné si une interprétation différente d'un seul et même rétroaction influe sur la durée de la contraction submaximale soutenue et a un effet sur l'activation de l'activité inhibitrice du cortex moteur primaire par ailleurs.

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Protocole

Le protocole décrit ici a suivi les directives du comité d'éthique de l'Université de Fribourg et est conforme à la déclaration d'Helsinki (1964).

1. Approbation éthique - Instruction Sujet

1. Avant l'expérience réelle, d'instruire tous les sujets sur le but de l'étude et les facteurs de risque potentiels. Lors de l'application de stimulation magnétique transcrânienne (TMS), il y a des risques médicaux, y compris des antécédents de crises d'épilepsie, des implants métalliques dans les yeux et / ou de la tête, les maladies du système cardio-vasculaire et la grossesse. Exclure tout sujet en affirmant à l'un de ces facteurs de risque de l'étude.
2. Inclure uniquement les personnes en bonne santé dans l'étude. Exclure les personnes avec des maladies neurologiques, mentales et / ou orthopédiques.

2. Sous réserve Préparation

1. placement Sujet
   1. Tout au long de l'ensemble de l'expérience, les sujets de sécurité dans un fauteuil confortable. Fixer la têtedu participant en utilisant un plâtre embrassant le cou, assurant une position de la tête stable et en évitant les mouvements de la tête par rapport à la bobine de TMS.
   2. Placez le bras droit des sujets dans un accoudoir intégré personnalisé pour réduire au minimum les mouvements du poignet. Fixer l'index droit du sujet à une attelle montée sur le bras d'un robot. Aligner l'axe de rotation du bras de robot avec le joint metacarpophangeal de la main droite de sorte que le centre commun correspond au centre de rotation du robot.
2. enregistrements de la Force
   1. Mesurer la force appliquée par les matières par un couplemètre monté dans le bras de robot et de mesurer la position du bras de robot (correspondant à la position du doigt d'index) par un potentiomètre relié à l'axe du robot ²² par rotation.
3. Électromyographie (EMG)
   1. Utiliser une configuration bipolaire d'électrodes de surface pour mesurer les réponses électrophysiologiques provoqués par TMS, ainsi que musculaactivation de r produit par les sujets.
      1. Avant de fixer les électrodes sur la peau au cours du premier interosseux dorsal muscle (IED) et l'abducteur brevis (APB) de la main droite, de se raser la peau des sujets, puis légèrement poncer à l'aide de papier de verre ou abraser gel et désinfecter avec propanol .
      2. Suite à cela, fixer des électrodes EMG auto-adhésif à la peau sur le ventre du muscle de la FDI et APB. Placez une électrode de référence supplémentaire sur l'olécrane du même bras.
      3. Câble à connecter toutes les électrodes à un amplificateur EMG et à un convertisseur analogique-numérique. Amplifier les signaux EMG (x 1000), filtre passe-bande (10 - 1000 Hz) et de l'échantillon à 4 kHz. Conserver les signaux EMG pour l'analyse hors ligne.
4. TMS
   1. Utilisez une figure de huit bobine attachée à un stimulateur de TMS pour stimuler la zone de la main corticale du moteur controlatéral.
   2. Trouver la position optimale de la bobine par rapport au cuir chevelu pour induirepotentiels évoqués moteurs (MPE) dans le muscle IDE par une procédure de cartographie:
      1. Placer la bobine d'environ 0,5 cm en avant au sommet et au-dessus de la ligne médiane de la poignée pointant à 45 ° vers la gauche par rapport au plan sagittal, ce qui induit un flux de postéro-antérieure du courant dans le centre de la bobine.
      2. Au début, choisissez une petite stimulation (par exemple, en dessous de 30% maximum de sortie du stimulateur, MSO) intensité pour obtenir les sujets habitués aux impulsions magnétiques.
      3. Par la suite, augmenter l'intensité de la stimulation par petites étapes, par exemple 2 - 3% de la puissance stimulatrice maximale (MSO) et déplacer la bobine dans le sens frontal-rostrale et médio-latérale pour trouver le site optimal (hotspot) pour stimuler l'IED muscle. Le hotspot est défini comme le lieu où le plus grand MEP peut être observé à une intensité de stimulation donnée.
   3. Après avoir trouvé le hotspot IDE, déterminer repos seuil moteur (MT) comme minimum intensité nécessaire pour évoquer MEP amplitudes crête-à-crête dans l'EMG de plus de 50 mV dans trois des cinq essais consécutifs ^18. Inspecter la taille des députés affichés en ligne sur l'écran d'ordinateur.
   4. Après avoir induire MPE 1,0 * MT constamment diminuer l'intensité de stimulation de la machine TMS par paliers de 2% MSO jusqu'à ce que le MEP ne peut plus être observée et une suppression de l'activité EMG musculaire continu devient apparente.
      Remarque: Afin de décrire la suppression de l'EMG de TMS induite, il est nécessaire d'appliquer un nombre élevé de stimulations (voir la section 5. «Traitement des données»)

3. Commentaires Présentation

1. Divisez les participants en trois groupes (pF, fF, CON).
2. Instruire sujets du groupe de retour de position (pF) dans la moitié des essais pour recevoir des commentaires sur la position de l'index (de retour de position) lors du déplacement de l'index en appuyant sur le dispositif robotique.
3. Dans l'autre moitié des essais, d'instruire les sujets de recevoir des commentaires au sujet de la force appliquée lors du déplacement du dispositif robotique (retour de force).
   Note: En réalité, cependant, ils reçoivent toujours la même réaction (retour de position).
4. Instruire sujets du groupe de retour de force (fF) pour recevoir le retour de force dans la moitié des essais et recevoir de la rétroaction de position dans l'autre moitié.
   Remarque: En fait, ce groupe est uniquement fourni avec retour de force.
5. Ne pas charger le groupe de contrôle (CON) sur la source de la rétroaction. Remarque: Le groupe de contrôle reçoit le retour de force dans une moitié de leurs essais et la rétroaction de position dans l'autre moitié.
6. modifier aléatoirement l'ordre des sessions, à savoir si les essais commencent par la force ou la rétroaction de position, dans tous les groupes.
7. Visuellement afficher la force et la rétroaction de position sur un écran d'ordinateur placé 1 m devant les sujets.
8. Dans chaque état, présente une ligne de cible correspondant à30% de la force maximale volontaire individuelle du sujet, ou l'angle de doigt de l'index à 30% au maximum la contraction volontaire (MVC), sur l'écran d'ordinateur et instruire le sujet pour correspondre au plus près de la ligne de cible possible.

4. Maximal isométrique force

1. Après le sujet est préparé (EMG), effectuer trois contractions volontaires maximales isométriques (MVC), consistant en une augmentation progressive de la force isométrique de zéro au maximum sur une période de temps de 3 secondes et la force maximale détenue pendant 2 sec ^20,21.
2. Verbalement encourager le sujet à atteindre la force maximale. Après chaque essai, permettent aux sujets de se reposer pendant 90 secondes pour éviter la fatigue.

5. Procédure expérimentale

1. Fatigantes Motor task- contractions soutenues.
   Remarque: La tâche fatigante se compose de deux contractions soutenues exécutées sur des jours différents.
   1. Instruire les sujets pour correspondre à la ligne cible de 30% pour MVCaussi longtemps que possible avec une ligne correspondant à la force appliquée ou la position du doigt correspondant à un niveau de 30% de la force MVC.
      Remarque: La ligne de cible au cours de la rétroaction de position condition (pF-groupe) correspond donc à l'angle des doigts lorsque les sujets correspondent au niveau de 30% MVC force.
   2. Demandez aux sujets de tenir les contractions jusqu'à l'échec de la tâche, qui est défini comme le point où les sujets ne sont plus en mesure de maintenir la force de cible à l'intérieur d'une fenêtre de 5% de la force cible sur une période de 5 sec (fF-groupe). Pour le groupe pF définir l' échec de la tâche que lorsque les participants sont incapables de maintenir l'angle du doigt à l'intérieur de 5% de l'angle cible requis pendant 5 sec ^12,23.
   3. Veiller à ce que les deux contractions soutenues sont séparées par au moins 48 heures.
2. TMS-protocoles
   Remarque: L'expérience subliminale TMS est effectuée le jour séparée pour les contractions fatigantes. Ceci est important car la fatigue a une influencesur la suppression EMG évoquée par subTMS ^24,25 donc les différences entre la force et la position ne peut pas être clairement identifié. La séparation des contractions fatigantes à partir des mesures de TMS a l'avantage que les différences dans la suppression EMG peuvent désormais être clairement être attribués à l'interprétation différente de la rétroaction, mais a la limitation que les résultats ne peuvent pas être directement liés aux différences dans le temps à la fatigue des contractions soutenues.
   1. Mener la partie de l'expérience en utilisant du TMS (voir également la section 3. "Feedback présentation") à une autre occasion que les expériences fatigantes. Dans un premier temps , suivre la même procédure exacte que pour la contraction fatigantes (par exemple, les contractions MVC) mais cette fois, demander aux sujets de tenir les contractions aussi longtemps que la stimulation TMS dure. Ainsi, les contractions ne sont pas fatigable et seulement tenue pendant environ 100 secondes lors de chaque essai TMS.
   2. Fournir une pause de 3 minutes entre les troisals pour minimiser tout biais de la fatigue.

6. Traitement des données

1. TMS
   1. Appliquer un total de 100 balayages, 50 balayages avec et 50 balayages sans stimulation, avec un intervalle inter-stimulus allant de 0,8 à 1,1 de ^{la 20,21,25,26.} Cet intervalle interstimulus court fait en sorte que les sujets ne doivent pas tenir les contractions pendant trop longtemps les effets de façon fatigantes peuvent être minimisés.
   2. Pour analyser si la stimulation TMS a provoqué une facilitation (MEP) ou une suppression EMG, soustraire les rectifiés, puis moyenne 50 balayages avec stimulation (stimulé EMG) des 50 balayages sans stimulation (contrôle EMG) ^20,21,25-27.
      Remarque: Le début de la suppression EMG est défini comme étant le point de temps où l'EMG en moyenne pour les balayages avec la stimulation est inférieure à la EMG de contrôle pendant au moins 4 ms dans un laps de temps de 20 à 50 ms après l'impulsion de TMS. La fin de la suppression est définie comme étant til instant où l'EMG stimulé est plus grand que l'EMG de commande pendant au moins 1 milliseconde et l'étendue de la suppression est calculée comme variation en pourcentage (contrôle stimulée / _commande * 100 moyenne).
   3. Utiliser les balayages sans TMS stimulation pour le calcul de l'activation de l' EMG de base et leur moyenne sur la même fenêtre de temps que les essais avec la stimulation ^20,21,25,26.
2. EMG
   1. Déterminer l'activité maximale EMG en calculant la valeur racine carrée moyenne enregistrée dans une fenêtre 0,5s de temps autour de la force maximale mesurée au cours de la MVC teste ^20,21.
   2. Pour les contractions soutenues, analyser l'EMG en construisant 8 sec de longues bacs où la racine carrée moyenne de l'EMG redressé est calculé et normalisé à l'activité EMG obtenu au cours des essais MVC ^20,21.

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Résultats

Interprétation des commentaires

Dans la procédure décrite ici, les sujets ont reçu l'instruction d'une manière qui ils ont cru dans la moitié de leur procès pour avoir reçu des commentaires de position et dans l'autre moitié des essais d'avoir reçu le retour de force. En fait, ils ont été trompés dans la moitié de leur procès comme ils le groupe pF toujours reçu la rétroaction de posit...

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Discussion

La présente étude a examiné si l'interprétation de la rétroaction augmentée influe sur le temps à la fatigue d'une contraction submaximal soutenue et le traitement neuronal du cortex moteur primaire. Les résultats montrent que, dès que les participants ont interprété les évaluations en retour de position (par rapport à retour de force), le temps à la fatigue était significativement plus courte et que l'activité inhibitrice du cortex moteur (mesuré comme la quantité de suppression d'EMG ...

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matériels

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