Les auteurs tiennent à remercier M. Hans Oppel et ses techniciens prothésistes de Otto Bock Healthcare Products GmbH pour la fabrication du socket utilisé par le participant à cette étude. Cette étude a été soutenue financièrement par le Conseil européen de la recherche (ERC) via l&#39;ERC avancée Grant DEMOVE (n ° 267888), le Conseil autrichien pour la recherche et le développement de la technologie, et le ministère fédéral autrichien de la science, de la recherche et l&#39;économie.

Cette étude a été réalisée en conformité avec la Déclaration d&#39;Helsinki, approuvé par le comité d&#39;éthique de la recherche locale. L&#39;étude a été expliqué en détail au participant avant le début, ce qui permet au participant le temps de peser jusqu&#39;à la décision de participer volontairement à l&#39;étude et de confirmer sa participation par consentement éclairé écrit. Note: Un homme, âgé de 27 ans, a pris part à l&#39;étude. Le participant avait une vision normale, a été un dessous-coude gauche amputée, et était un utilisateur expérimenté (utilisation de prothèse totale de 4 ans). Avant de commencer cette étude la prothèse qu&#39;il a utilisé sur une base quotidienne était une prothèse de main myoélectrique 4 canaux avec rotation du poignet pour les 12-15 heures par jour pendant 15 mois. La main droite du participant avait déjà été chirurgicalement reconstruits, mais n&#39;a pas eu d&#39;autre déficience physique ou neurologique. 1. Conception de l&#39;étude <ol><li> Diviser l&#39;étude sur deux sessions: na39; ve utilisation et utilisent formation structurée. Note: Ceci est de permettre la comparaison intra-sujet respectivement avant et après la formation. </li><li> Assurez-vous que ces deux sessions sont au moins trois mois d&#39;intervalle, de manière à être traités comme indépendants les uns des autres. </li><li> Au début des deux sessions, installer un socket personnalisé et prothèse au participant. Veiller à ce que les algorithmes de matériel et de contrôle prothétiques correspondent à ceux détaillés dans la section Documents de ce protocole. Assurez-vous que le participant ne sont pas en mesure d&#39;utiliser la prothèse sur mesure dans l&#39;intervalle entre les sessions. </li><li> Former le patient selon les étapes décrites dans la session Naïf et les sections de la session de formation structuré de ce protocole. Au début de chacune de ces sessions, calibrer le matériel prothétique. Utiliser les données d&#39;étalonnage collectées pour contrôler en temps réel prothétique. </li><li> Une fois la session Naïve et structuré session de formation sont complets, évaluer la pala performance de rticipant utilisant la procédure d&#39;évaluation de la main Southampton (SHAP) mesure de résultat. 23 Comparer les Shap scores à une mesure de référence en utilisant une prothèse standard du participant (obtenue avant les sessions de formation soit). </li></ol> 2. Matériaux <ol><li> Monter le participant avec une douille intégrée personnalisée. Attacher une prothèse disponible dans le commerce selon les instructions du fabricant. Doter l&#39;prothèse de main avec des prototypes de composants qui permettent actionnée flexion du poignet, l&#39;extension et la rotation. Cela permet au participant de contrôler la main avec 3,5 degrés de liberté (DDL) (Tableau 1). Remarque: Dans cette expérience, une main Michaelangelo (Voir liste des matières) a été utilisé. Autres terminaux capables de poignet rotation, flexion et d&#39;extension, ainsi que des fonctions de prise standards seraient également appropriées. </li><li> Enregistre des signaux EMG utilisant huit équidistante placé des électrodes de signal brut autour de la souche,et un réseau de bord de décodage, à raison de 1 000 Hz et d&#39;échantillonnage numérisée avec une profondeur de 10 bits. Effectuer le filtrage initial et l&#39;amplification dans les électrodes elles-mêmes selon les spécifications du fournisseur. Utilisation d&#39;un ordinateur personnel (PC) pour effectuer le traitement principale, qui communique avec le matériel d&#39;acquisition et de contrôle de la prothèse par l&#39;intermédiaire d&#39;une connexion sans fil. Remarque: Dans cette étude, les électrodes EMG de surface et système embarqué décodage (AxonBus) utilisés étaient d&#39;Otto Bock. D&#39;autres fabricants de dispositifs similaires seraient également appropriées. La connexion sans fil est via Bluetooth, et même d&#39;autres modalités pourrait être appliquée. </li></ol> 3. Algorithme de régulation <ol><li> Utilisez un algorithme de contrôle qui permet de contrôler la prothèse simultanée et proportionnelle à travers de multiples DoFs 21. L&#39;algorithme utilisé dans cette étude était une décision en deux étapes faisant paradigme, de sorte que le mouvement estimation dépendant du contexte était possible. </li><li>Après la formation du système, qui contient tous les mouvements DoF simples contrôlables, enregistrer un électromyogramme entrant (EMG). </li><li> Dans la première étape, d&#39;évaluer l&#39;information dimensionnelle intrinsèque du mouvement destiné basée sur la distance de Mahalanobis du vecteur de caractéristique d&#39;EMG nouvellement calculée à partir des données de formation. Prendre une décision quant à savoir si l&#39;intention de l&#39;utilisateur était d&#39;effectuer une amende de 1-PdC ou simultanée d&#39;une motion 2-PdC grossière. Remarque: la distance de Mahalanobis d&#39;un vecteur de caractéristique x à la classe i à la classe veux dire vecteur μ i et matrice de covariance Σ i est calculé comme: <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/52968/52968eq1.jpg" /> Comme décrit dans Amsuess et al, le vecteur de fonction nouvellement calculée est mappé à l&#39;espace de grande dimension et de la distance de Mahalanobis du point transformé en l&#39;un des points de classe formés est pris comme la mesure de la nouveauté. 21 Un empiriquementseuil déterminé pour que la distance donne la décision de nouveauté (2-DOF) ou non (1-DOF). </li><li> Dans la deuxième étape, sur la base de la décision précédente, utiliser l&#39;une des deux estimateurs parallèles - l&#39;un portant sur les mouvements séquentiels (SEQ-E) et les autres mouvements simultanés de manutention (SIM-E) - pour fournir les signaux de commande pour la prothèse. Remarque: SEQ-E est par essence un estimateur proportionnelle (à savoir, la force de contractions musculaires) sur la base de modèles spatiaux communs (CSP) 21, tandis que SIM-E est un régresseur linéaire, qui dirige simultanément 2 DoFs du poignet. </li></ol> 4. Cadre de logiciel Remarque: Le cadre de logiciel utilisée dans cette étude a permis la manipulation de la communication entre le matériel prothétique et l&#39;algorithme de commande intégré. Il a également offert des outils de formation de soutien visuellement nécessaires pour maximiser la formation des participants. <ol><li> Affichez la moyenne quadratique (RMS) de l&#39;EMG signaux recueillis dans les 8 électrodes placées de façon équidistante dans une forme d&#39;un tracé polaire de EMG amplitude en fonction de l&#39;emplacement de l&#39;électrode. Cette surveillance permet une rétroaction visuelle facile de la répartition spatiale de l&#39;EMG dans le plan transversal de l&#39;avant-bras. Utiliser une telle configuration, chacun des mouvements de l&#39;utilisateur peut ainsi susciter un motif distinct 22 dans le tracé polaire, qui peut ensuite être enregistré et utilisé pour former la répétabilité du geste spécifique. Remarque: Le cadre permet la collecte de données EMG de la manière de reconnaissance de modèle standard 23 Pour chacun des canaux EMG RMS les plus de 40 ms est calculée comme. <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/52968/52968eq2.jpg" /> résultant en observations pour chaque fenêtre ensemble. </li><li> Pour l&#39;étalonnage initial recueillent la contraction volontaire (MLVC) des valeurs à long terme maximale pour chaque destinées mouvement. Demander le participant en utilisant la main du démonstrateur pour effectuerle mouvement souhaité tout en donnant des instructions vocales et visuelles pendant 5 sec. </li><li> Après calibration, présenter le participant avec un ensemble de signaux trapézoïdaux. Ces profils de force contiennent ensemble de plateaux à 30%, 60% et 90% du maximum calibré. </li><li> Au sein de chaque procès, demander au participant de diriger le pointeur rouge le long de la queue en modulant le niveau de la motion invité (figure 1) de la force. La position verticale du pointeur correspond aux valeurs RMS totalisées pour toutes les huit canaux. Réglez la durée de l&#39;essai à 5 sec avec un intervalle de plateau correspondant à la moyenne 3 sec. </li></ol> 5. Naïf session Remarque: Lors de la session de formation naïve, le participant n&#39;a aucune expérience préalable du système de contrôle de prothèse utilisé dans cette étude. <ol><li> Ne donnez pas le participant toute formation clinique formelle, mais seulement demander que 8 actions du membre résiduel, dont l&#39;un est un état de repos,permettant le contrôle d&#39;une cible visuelle sur un écran d&#39;ordinateur. Ces tâches sont similaires à celles utilisées dans la reconnaissance des formes classiques des approches pour le contrôle prothétique 23, et pour les méthodes du participant dans cette étude avaient environ 60 h de l&#39;expérience précédente. </li><li> Afficher les mouvements requis sur l&#39;écran en termes de texte et une image statique, tout en suivant un repère visuel (Figure 1). </li><li> Afficher le participant ses modèles d&#39;activation EMG, qui correspondent aux huit parcelles polaires spécifiques et uniques (figure 2). </li><li> Utilisez des instructions audibles pour encourager le participant à suivre le repère visuel. Ces instructions audibles doivent être identiques si elle est utilisée dans la session de formation structuré. </li><li> Répétez les tâches trois fois avec différentes positions de bras (assouplies, atteignant en face, atteindre à travers) pour améliorer la formation du système. Gardez à l&#39;esprit qu&#39;il ya 8 actions différentes et trois niveaux de force, une fois toutes les positions de bras sont couverts,entrée d&#39;apprentissage du système résume au total de 72 échantillons individuels. </li><li> Une fois terminé, permettre au participant la possibilité de pratiquer le contrôle en temps réel avant de compléter l&#39;évaluation des résultats SHAP. </li><li> Assurer le participant n&#39;a pas accès aux algorithmes de prothèses et de contrôle personnalisés delà de la fin de la session naïf. </li></ol> 6. Séance de formation structuré <ol><li> Trois mois après la session naïve, effectuer une session de formation structurée. </li><li> Structurer la session dans les étapes ordonnées suivantes (figure 3): <ol><li> Pour l&#39;imitation, charger le participant directement imiter les huit actions souhaitées (tableau 1) réalisée par le démonstrateur en temps réel. Exécutez chaque action pendant 3 sec. </li><li> Pour la répétition, demander au participant de répéter l&#39;action qui a été imité 10 fois, de sorte que chaque action est effectuée pendant 30 secondes. </li><li> Pour renfort et informatiques sysla formation de système, demander au participant de s&#39;engager maintenant avec un retour visuel de l&#39;ordinateur, qui est exactement la même configuration que la session Naïve. Assurez-vous qu&#39;il n&#39;y a pas de différence entre ces deux sections. </li><li> Pour le contrôle de prothèse, demander au participant de pratiquer le contrôle en temps réel de la prothèse personnalisée avant de compléter l&#39;évaluation des résultats. </li></ol></li><li> Au cours de l&#39;imitation, accueillir le participant à un angle de 45 ° du démonstrateur et de fournir une vue complète et dégagée de la main du démonstrateur correspondant à la partie affectée du participant pendant toutes les actions (Figure 4). Pas de repères visuels à partir d&#39;un écran d&#39;ordinateur devraient être disponibles pour le participant à cette époque. </li><li> Pour la répétition, pendant les actions des participants, ont le démonstrateur observer l&#39;activité EMG correspondant représenté par les tracés polaires de chaque mouvement (Figure 4). Une fois que le démonstrateur a déterminé que le participant peut produire des motifs d&#39;activation uniques et répétables EMG pour chaque mouvement, demander au participant de répéter les actions pour 30 sec sans repères visuels. Remarque: Il ya au total de 8 actions uniques - sept d&#39;entre eux (poignet pronation / supination, poignet flexion / extension, la main ouverte, grip clé et fine pincée) nécessitant l&#39;activation des muscles, et le huitième étant aucune action qui représente un état de relaxation stable. </li><li> Après le renforcement et système informatique de formation, présenter le participant avec un retour visuel de ses huit actions, exactement comme on l&#39;a vu dans la session naïve, qui correspondent aux huit parcelles polaires uniques et spécifiques sur l&#39;écran d&#39;ordinateur (Figure 3). Pour optimiser les performances, demander au participant pour effectuer les actions tout en visualisant les tracés polaires en temps réel avec des superpositions animées enregistrées pour renforcer l&#39;apprentissage, typiquement entre 2-4 tentatives pour chaque mouvement. Une fois convaincu que le participant peut ensuite remplir les mêmes tâches exactes qui étaient perf<html> Ormed dans la session naïf. </li></ol> 7. Contrôle prothétique <ol><li> Utilisez les ensembles de données de formation de chaque session pour calibrer et régler la prothèse pour le contrôle en temps réel. </li><li> Dans un premier temps, seul le participant permet de contrôler les prothèses de commande proportionnelle séquentiel, soit un mouvement à la fois, avec la vitesse du dispositif proportionnel aux niveaux de contractions musculaires. </li><li> Une fois que chacun des huit actions sont effectuées d&#39;une manière reproductible et fiable, changer le schéma de contrôle à commande proportionnelle et simultanée, permettant plus d&#39;un mouvement du poignet à la fois. </li><li> Avoir les pratiques des participants des tâches simples, comme ramasser une bouteille et le posant sur son côté (2 tentatives est suffisante). Autoriser une période de repos avant l&#39;évaluation des résultats est effectuée. Dans le cas de cette étude, 2 heures de repos pour la session naïve, et 24 heures de repos pour la session structuré. </li></ol>itre &quot;&gt; 8. Mesure des résultats <ol><li> Évaluer la fonction du membre supérieur mondial à la fois dans les sessions de formation naïfs et structurés en utilisant le SHAP, qui surveille la main et fonction du membre supérieur étroitement liés aux activités de la vie quotidienne (AVQ). Les tâches accomplies dans la SHAP comprennent la lumière et manipulation d&#39;objets lourds, ainsi que les tâches de l&#39;ADL comme la coupe d&#39;un objet avec un couteau ou défaire les boutons. Le SHAP a été validée pour l&#39;évaluation de la fonction pathologique et prothétique main 24. Remarque: Cette mesure a été choisi comme participant à cette étude avait été régulièrement suivie avec cette mesure de résultat par son équipe clinique. </li></ol>

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I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cortical+and+subcortical+mechanisms+at+the+core+of+imitation.">Cortical and subcortical mechanisms at the core of imitation.</a> Social Neuroscience. 2 (1), 66-78 (2007).</li><li>Allison, T., Puce, A., McCarthy, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Social+perception+from+visual+cues:+Role+of+the+STS+region.">Social perception from visual cues: Role of the STS region.</a> Trends in Cognitive Sciences. 4 (7), 267-278 (2000).</li><li>Thompson, J. C., Hardee, J. E., Panayiotou, A., Crewther, D., Puce, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Common+and+distinct+brain+activation+to+viewing+dynamic+sequences+of+face+and+hand+movements.">Common and distinct brain activation to viewing dynamic sequences of face and hand movements.</a> NeuroImage. 37 (3), 966-973 (2007).</li><li>Binkofski, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+fronto-parietal+circuit+for+object+manipulation+in+man:+Evidence+from+an+fMRI-study.">A fronto-parietal circuit for object manipulation in man: Evidence from an fMRI-study.</a> European Journal of Neuroscience. 11 (9), 3276-3286 (1999).</li><li>Iacoboni, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cortical+Mechanisms+of+Human+Imitation.">Cortical Mechanisms of Human Imitation.</a> Science. 286 (5449), 2526-2528 (1999).</li></ol>

Les auteurs déclarent une absence d&#39;intérêts financiers en compétition.

Nos résultats suggèrent pour le participant dans cette étude que la formation structurée a permis d&#39;améliorer le contrôle d&#39;une prothèse de main multifonctionnel au cours d&#39;une seule session. Le programme structuré utilisé ici est une combinaison de l&#39;imitation, la répétition et le renforcement des mouvements de la main que le participant n&#39;a pas été en mesure de terminer avec sa prothèse de main traditionnelle. Bien que le participant a reçu plus élevé a...

Remplacement de fonction de la main chez les amputés est une entreprise difficile. Coordination des mouvements de main hautement qualifiés est pas une capacité innée, et prend humains ans d&#39;apprendre à développer. 1-5 Après la perte traumatique d&#39;une main, reproduisant cette capacité par des moyens prothétiques est pas une tâche triviale et peut nécessiter une période d&#39;apprentissage soutenue . Conception de la prothèse et méthodes d&#39;interfaçage pour leur contrôle sont sujettes à des innovations technologiques rapides, avec l&#39;objectif de contrôle multifonctionnel d&#39;une manière naturelle. 6 La complexité de ces systèmes de contrôle augmente sensiblement pour fournir plus de fonctions pour les amputés. Pour assurer un contrôle précis de ces systèmes, et de réduire l&#39;abandon des nouvelles technologies, une formation adéquate doit être établie. Ceci est susceptible d&#39;être plus efficace si elle est basée sur des stratégies d&#39;apprentissage inhérentes des amputés. Vision peut jouer un rôle important pendant leAVERTISSEMENT des mouvements de la main. Des études comportementales ont montré que, en observant les actions des autres 7 ou 8 en utilisant des signaux visuels, les individus aptes à apprendre et à coordonner les nouveaux mouvements. Grâce à un processus d&#39;observation, la compréhension et l&#39;exécution d&#39;une action observée, les individus sont capables d&#39;imiter les actions des autres. Réseaux corticaux spécifiques, qui peuvent inclure un système des neurones miroirs (MNS), sont soupçonnés être à l&#39;origine de cette capacité, et peuvent avoir un rôle dans le contrôle des prothèses. 9-11 Le rôle de l&#39;imitation pourrait ne pas se limiter à l&#39;exécution de mesures qui ont déjà été vus, mais avec les MNS, permettre l&#39;exécution de mouvements qui ne l&#39;ont pas encore été observées, mais extrapolées à partir du moteur de repetoire de l&#39;observateur. 12 En effet, l&#39;imitation peut pas nécessairement soit une capacité innée, mais un accruement des habiletés motrices au fil du temps qui mènent à des actions expérimentés et sophistiqués. Le 13 strength d&#39;observer les actions, plus simplement les imaginer, a été montré pour améliorer l&#39;apprentissage de nouvelles tâches. 14 Ainsi, l&#39;imitation peut-être une approche pragmatique aux amputés de formation, comme preuve suggère un processus dirigé de but 15, avec la cible dans le cadre de la réhabilitation de permettre la fonction prothétique utiles à la main. Études de réhabilitation ont séparément montré que des repères visuels, tels que des simulations virtuelles d&#39;une prothèse de main, encouragent amputés pendant la formation de réadaptation. 16 En outre, l&#39;utilisation de la répétition lorsqu&#39;ils sont menés dans un paradigme bloqué a été montré pour permettre un apprentissage rapide du haut-prothèse contrôle. Alors que 17 simulations virtuelles ont été prouvées pour être aussi efficace que le contrôle réel des prothèses de mains en permettant aux utilisateurs abled-corps pour contrôler des appareils myoélectriques, 18 leur effet sur ​​les personnes amputées en utilisant des mesures normalisées des résultats est pas claire. Enfin, où les protocoles pour AMPU branche supérieurela formation de mise en existe, le rôle de l&#39;imitation dans l&#39;apprentissage du contrôle prothétique est pas explicitement discuté. 19,20 Cette étude vise à comprendre si l&#39;utilisation de l&#39;imitation, en combinaison avec la répétition et le renforcement, a un impact positif sur l&#39;apprentissage du contrôle prothétique multifonctionnel dans le cadre d&#39;un programme de formation structuré. Présenté ici est un rapport d&#39;une personne amputée transradiale qui a été formé à utiliser une prothèse de main multifonctionnelle de cas. Le participant avait déjà pris l&#39;habitude de fonctionner prothèses myo-électriques traditionnelles. Utilisation de repères visuels, à la fois sous la forme d&#39;imitation d&#39;un démonstrateur en bonne santé et un retour visuel de l&#39;ordinateur aussi simple, l&#39;amputé rapidement amélioré la manipulation de son nouveau dispositif.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Michelangelo Hand</td>
			<td>Otto Bock Healthcare Products GmbH, A</td>
			<td>8E500=L-M</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>AxonRotation</td>
			<td>Otto Bock Healthcare Products GmbH, A</td>
			<td>9S503</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Wrist Flexor</td>
			<td>Otto Bock Healthcare Products GmbH, A</td>
			<td>&#160;--</td>
			<td>prototype unit</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>AxonMaster</td>
			<td>Otto Bock Healthcare Products GmbH, A</td>
			<td>13E500</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Electrode</td>
			<td>Otto Bock Healthcare Products GmbH, A</td>
			<td>13E200=50AC</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ScissorFenceElectrodeCarrier</td>
			<td>Otto Bock Healthcare Products GmbH, A</td>
			<td>&#160;--</td>
			<td>prototype unit</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Acquisition Software</td>
			<td>Otto Bock Healthcare Products GmbH, A</td>
			<td>&#160;--</td>
			<td>prototype unit</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Carbon shaft</td>
			<td>Otto Bock Healthcare Products GmbH, A</td>
			<td>&#160;--</td>
			<td>prototype unit</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

a structured rehabilitation protocol for improved multifunctional prosthetic control: a case study

Les progrès dans les systèmes robotiques ont abouti à des prothèses pour le membre supérieur qui peut produire des mouvements multifonctionnels. Cependant, ces systèmes sophistiqués exigent amputés des membres supérieurs à apprendre des systèmes de contrôle complexes. Les humains ont la capacité d&#39;apprendre de nouveaux mouvements à travers l&#39;imitation et d&#39;autres stratégies d&#39;apprentissage. Ce protocole décrit une méthode de rééducation structuré, qui comprend l&#39;imitation, la répétition et l&#39;apprentissage par renforcement, et vise à évaluer si cette méthode peut améliorer le contrôle de prothèse multifonctionnelle. A gauche amputée sous le coude, avec 4 ans d&#39;expérience dans l&#39;utilisation de prothèse, ont pris part à cette étude de cas. La prothèse utilisé une main Michelangelo avec rotation du poignet, et les fonctionnalités ajoutées de flexion du poignet et l&#39;extension, ce qui a permis plus de combinaisons de mouvements de la main. Le score procédure d&#39;évaluation de Southampton main du participant améliorée de 58 à 71 de formation structurée. Cela suggère que d&#39;un protocole de formation structuré de imitation, la répétition et le renforcement peuvent avoir un rôle dans l&#39;apprentissage de contrôler une nouvelle prothèse de main. Une étude clinique plus large est cependant nécessaire pour appuyer ces conclusions.

La performance de base de SHAP du participant avec sa prothèse quotidienne était 81 lorsqu&#39;elle est mesurée par le personnel clinique 8 mois avant le test. Un score de SHAP de 100 représente la fonction valides main. 24 Le participant a reçu une note globale de SHAP de 58 heures pendant la session naïve avec le système de contrôle de la prothèse plus avancé. Cependant, 3 mois plus tard et sans aucune autre interaction avec le nouveau système, mis à part la formation structurée, le participant...

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

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.

Un protocole de rééducation structuré pour l&#39;amélioration Multifonctionnelle prothétique: Une étude de cas

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

a-structured-rehabilitation-protocol-for-improved-multifunctional

Research

JoVE Journal

Behavior

9.3K vues.  Christian Doppler Laboratory for Restoration of Extremity Function. As prosthetic development moves towards the goal of natural control, harnessing amputees’ 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.

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A Fully Automated Rodent Conditioning Protocol for Sensorimotor Integration and Cognitive Control Experiments

Rodents have been traditionally used as a standard animal model in laboratory experiments involving a myriad of sensory, cognitive, and motor tasks. Higher cognitive functions that require precise control over sensorimotor responses such as decision-making and attentional modulation, however, are typically assessed in nonhuman primates. Despite the richness of primate behavior that allows multiple variants of these functions to be studied, the rodent model remains an attractive, cost-effective alternative to primate models. Furthermore, the ability to fully automate operant conditioning in rodents adds unique advantages over the labor intensive training of nonhuman primates while studying a broad range of these complex functions.
Here, we introduce a protocol for operantly conditioning rats on performing working memory tasks. During critical epochs of the task, the protocol ensures that the animal's overt movement is minimized by requiring the animal to 'fixate' until a Go cue is delivered, akin to nonhuman primate experimental design. A simple two alternative forced choice task is implemented to demonstrate the performance. We discuss the application of this paradigm to other tasks.

A fully automated protocol for rodent operant conditioning is proposed. The protocol relies on precise temporal control of behavioral events to investigate the extent to which this control influences neural activity underlying sensorimotor integration and cognitive control experiments.

Un protocole conditionné rongeurs entièrement automatisé pour sensorimotrice intégration et expériences de contrôle cognitif

Rodents have been traditionally used as a standard animal model in laboratory experiments involving a myriad of sensory, cognitive, and motor tasks. ...

Recherche

Sciences du comportement

The 5-Choice Serial Reaction Time Task: A Task of Attention and Impulse Control for Rodents

This protocol describes the 5-choice serial reaction time task, which is an operant based task used to study attention and impulse control in rodents. Test day challenges, modifications to the standard task, can be used to systematically tax the neural systems controlling either attention or impulse control. Importantly, these challenges have consistent effects on behavior across laboratories in intact animals and can reveal either enhancements or deficits in cognitive function that are not apparent when rats are only tested on the standard task. The variety of behavioral measures that are collected can be used to determine if other factors (i.e., sedation, motivation deficits, locomotor impairments) are contributing to changes in performance. The versatility of the 5CSRTT is further enhanced because it is amenable to combination with pharmacological, molecular, and genetic techniques.

This protocol describes the 5-choice serial reaction time task, which is an operant based task used to study attention and impulse control in rodents. Test day challenges, which are modifications of the standard task, increase flexibility of the task and can be combined with other manipulations to more fully characterize behavior.

Le 5-Choix réaction Série Durée de la tâche: Une équipe de l&#39;attention et du contrôle des impulsions pour rongeurs

This protocol describes the 5-choice serial reaction time task, which is an operant based task used to study attention and impulse control in rodents. ...

A Protocol for Housing Mice in an Enriched Environment

Environmental enrichment (EE) is a housing environment for mice that boosts mental and physical health compared to standard laboratory housing. Our recent studies demonstrate that environmental enrichment decreases adiposity, increases energy expenditure, resists diet induced obesity, and causes cancer remission and inhibition in mice. EE typically consists of larger living space, a variety of &#8216;toys&#8217; to interact with, running wheels, and can include a number of other novel environmental changes. All of this fosters a more complex social engagement, cognitive and physical stimulations. Importantly, the toy location and type of toy is changed regularly, which encourages the mice to adapt to a frequently changing and novel environment. Many variables can be manipulated in EE to promote health effects in mice. Thus these approaches are difficult to control and must be properly managed to successfully replicate the associated phenotypes. Therefore, the goal of this video is to demonstrate how EE is properly set up and maintained to assure a complex, challenging, and controlled environment so that other researchers can easily reproduce the protective effects of EE against obesity and cancer.

Environmental enrichment for mice requires a complex and challenging setup, as well as comprehensive husbandry and handling techniques to assure robust metabolic and anti-cancer effects in the mice. This protocol provides detailed procedures to reproduce the above mentioned effects in mice.

Un protocole pour souris Bricolage dans un environnement enrichi

Environmental enrichment (EE) is a housing environment for mice that boosts mental and physical health compared to standard laboratory housing. Our recent ...

Multifunctional Setup for Studying Human Motor Control Using Transcranial Magnetic Stimulation, Electromyography, Motion Capture, and Virtual Reality

The study of neuromuscular control of movement in humans is accomplished with numerous technologies. Non-invasive methods for investigating neuromuscular function include transcranial magnetic stimulation, electromyography, and three-dimensional motion capture. The advent of readily available and cost-effective virtual reality solutions has expanded the capabilities of researchers in recreating &#8220;real-world&#8221; environments and movements in a laboratory setting. Naturalistic movement analysis will not only garner a greater understanding of motor control in healthy individuals, but also permit the design of experiments and rehabilitation strategies that target specific motor impairments (e.g. stroke). The combined use of these tools will lead to increasingly deeper understanding of neural mechanisms of motor control. A key requirement when combining these data acquisition systems is fine temporal correspondence between the various data streams. This protocol describes a multifunctional system&#8217;s overall connectivity, intersystem signaling, and the temporal synchronization of recorded data. Synchronization of the component systems is primarily accomplished through the use of a customizable circuit, readily made with off the shelf components and minimal electronics assembly skills.

Transcranial magnetic stimulation, electromyography, and 3D motion capture are commonly used non-invasive techniques for investigating neuromuscular function in humans. In this paper, we describe a protocol that synchronously samples data generated by all three of these tools along with the unique addition of virtual reality stimulus presentation and feedback.

Configuration multifonctions pour l&#39;étude de contrôle du moteur humain utilisant la stimulation magnétique transcrânienne, électromyographie, Motion Capture, et Réalité Virtuelle

The study of neuromuscular control of movement in humans is accomplished with numerous technologies. Non-invasive methods for investigating neuromuscular ...

Event-related Potentials During Target-response Tasks to Study Cognitive Processes of Upper Limb Use in Children with Unilateral Cerebral Palsy

Unilateral Cerebral Palsy (CP) is a neurodevelopmental disorder that is a very common cause of disability in childhood. It is characterized by unilateral motor impairments that are frequently dominated in the upper limb. In addition to a reduced movement capacity of the affected upper limb, several children with unilateral CP show a reduced awareness of the remaining movement capacity of that limb. This phenomenon of disregarding the preserved capacity of the affected upper limb is regularly referred to as Developmental Disregard (DD). Different theories have been postulated to explain DD, each suggesting slightly different guidelines for therapy. Still, cognitive processes that might additionally contribute to DD in children with unilateral CP have never been directly studied. The current protocol was developed to study cognitive aspects involved in upper limb control in children with unilateral CP with and without DD. This was done by recording event-related potentials (ERPs) extracted from the ongoing EEG during target-response tasks asking for a hand-movement response. ERPs consist of several components, each of them associated with a well-defined cognitive process (e.g., the N1 with early attention processes, the N2 with cognitive control and the P3 with cognitive load and mental effort). Due to its excellent temporal resolution, the ERP technique enables to study several covert cognitive processes preceding overt motor responses and thus allows insight into the cognitive processes that might contribute to the phenomenon of DD. Using this protocol adds a new level of explanation to existing behavioral studies and opens new avenues to the broader implementation of research on cognitive aspects of developmental movement restrictions in children.

Several children with unilateral Cerebral Palsy seem to disregard the preserved capacity of their affected upper limb. This Developmental Disregard is extensively described in the literature but the involved cognitive processes have not been studied. To study underlying cognitive factors of upper limb control, an event-related potential protocol was developed.

Potentiels évoqués lors de tâches Cible-réponse pour étudier les processus cognitifs de membre supérieur Utilisation chez les enfants atteints de paralysie cérébrale unilatérale

Unilateral Cerebral Palsy (CP) is a neurodevelopmental disorder that is a very common cause of disability in childhood. It is characterized by unilateral ...

Protocol for Data Collection and Analysis Applied to Automated Facial Expression Analysis Technology and Temporal Analysis for Sensory Evaluation

We demonstrate a method for capturing emotional response to beverages and liquefied foods in a sensory evaluation laboratory using automated facial expression analysis (AFEA) software. Additionally, we demonstrate a method for extracting relevant emotional data output and plotting the emotional response of a population over a specified time frame. By time pairing each participant's treatment response to a control stimulus (baseline), the overall emotional response over time and across multiple participants can be quantified. AFEA is a prospective analytical tool for assessing unbiased response to food and beverages. At present, most research has mainly focused on beverages. Methodologies and analyses have not yet been standardized for the application of AFEA to beverages and foods; however, a consistent standard methodology is needed. Optimizing video capture procedures and resulting video quality aids in a successful collection of emotional response to foods. Furthermore, the methodology of data analysis is novel for extracting the pertinent data relevant to the emotional response. The combinations of video capture optimization and data analysis will aid in standardizing the protocol for automated facial expression analysis and interpretation of emotional response data.

A protocol for capturing and statistically analyzing emotional response of a population to beverages and liquefied foods in a sensory evaluation laboratory using automated facial expression analysis software is described.

Protocole de collecte de données et d&#39;analyse appliquée à la technologie d&#39;analyse de l&#39;expression du visage automatisé et analyse temporelle pour l&#39;évaluation sensorielle

We demonstrate a method for capturing emotional response to beverages and liquefied foods in a sensory evaluation laboratory using automated facial ...

Tickling, a Technique for Inducing Positive Affect When Handling Rats

Handling small animals such as rats can lead to several adverse effects. These include the fear of humans, resistance to handling, increased injury risk for both the animals and the hands of their handlers, decreased animal welfare, and less valid research data. To minimize negative effects on experimental results and human-animal relationships, research animals are often habituated to being handled. However, the methods of habituation are highly variable and often of limited effectiveness. More potently, it is possible for humans to mimic aspects of the animals&#39; playful rough-and-tumble behavior during handling. When applied to laboratory rats in a systematic manner, this playful handling, referred to as tickling, consistently gives rise to positive behavioral responses. This article provides a detailed description of a standardized rat tickling technique. This method can contribute to future investigations into positive affective states in animals, make it easier to handle rats for common husbandry activities such as cage changing or medical/research procedures such as injection, and be implemented as a source of social enrichment. It is concluded that this method can be used to efficiently and practicably reduce rats&#39; fearfulness of humans and improve their welfare, as well as reliably model positive affective states.

This article demonstrates the standardized application of playful handling, a tickling technique designed to mimic rat rough-and-tumble play. This technique is effective at reducing fearful reactions to humans and generating positive affect when rats are handled for common husbandry activities and medical and research procedures such as injection.

Chatouillement, une Technique permettant d’induire l’Affect positif lors de la manipulation des Rats

Handling small animals such as rats can lead to several adverse effects. These include the fear of humans, resistance to handling, increased injury risk ...

A Novel Single Animal Motor Function Tracking System Using Simple, Readily Available Software

We have recently demonstrated that implanting intracortical microelectrodes in the motor corteces of rats&#160;results in immediate and lasting motor deficits. Motor impairments were manually quantified through an open field grid test to measure the gross motor function and through a ladder test to measure the fine motor function. Here, we discuss a technique for the automated quantification of the video-recorded tests using our custom Capadona Behavioral Video Analysis System: Grid and Ladder Test, or BVAS. Leveraging simple and readily available coding software (see the Table of Materials), this program allows for the tracking of a single animal on both the open field grid and the ladder tests. In open field grid tracking, the code thresholds the video for intensity, tracks the position of the rat over the 3 min duration of the grid test, and analyzes the path. It then computes and returns measurements for the total distance traveled, the maximum velocity achieved, the number of left- and right-handed turns, and the total number of grid lines crossed by the rat. In ladder tracking, the code again thresholds the video for intensity, tracks the movement of the rat across the ladder, and returns calculated measurements including the time it took the rat to cross the ladder, the number of paw slips occurring below the plane of the ladder rungs, and the incidence of failures due to stagnation or reversals. We envision that the BVAS developed here can be employed for the analysis of motor function in a variety of applications, including many injury or disease models.

The current study aimed to automate the quantification of motor deficits in rats. The initial evaluation model assesses motor loss resulting from an intracortical microelectrode implantation in the motor cortex. We report on the development and use of a tracking algorithm using easily adaptable, simple, and readily available coding software.

Une roman Animal unique motricité Tracking System à l’aide d’un logiciel Simple, facilement accessible

We have recently demonstrated that implanting intracortical microelectrodes in the motor corteces of rats&#160;results in immediate and lasting motor ...

A Wind Tunnel for Odor Mediated Insect Behavioural Assays

Olfaction is the most important sensory mechanism by which many insects interact with their environment and a wind tunnel is an excellent tool to study insect chemical ecology. Insects can locate point sources in a three-dimensional environment through the sensory interaction and sophisticated behavior. The quantification of this behavior is a key element in the development of new tools for pest control and decision support. A wind tunnel with a suitable flight section with laminar air flow, visual cues for in-flight feedback and a variety of options for the application of odors can be used to measure complex behaviour which subsequently may allow the identification of attractive or repellent odors, insect flight characteristics, visual-odor interactions and interactions between attractants and odors lingering as background odors in the environment. A wind tunnel holds the advantage of studying the odor mediated behavioural repertoire of an insect in a laboratory setting. Behavioural measures in a controlled setting provide the link between the insect physiology and field application. A wind tunnel must be a flexible tool and should easily support the changes to setup and hardware to fit different research questions. The major disadvantage to the wind tunnel setup described here, is the clean odor background which necessitates special attention when developing a synthetic volatile blend for field application.

Here, we describe the construction and use of a wind tunnel for odor mediated behavioural assays with insects. The wind tunnel design facilitates the release of odor sources by several methods, with and without visual stimuli. Wind tunnel experiments are important methods to identify behaviorally active volatile chemicals.

Une soufflerie pour odeur véhiculée par des tests comportements insectes

Olfaction is the most important sensory mechanism by which many insects interact with their environment and a wind tunnel is an excellent tool to study ...

Using the FishSim Animation Toolchain to Investigate Fish Behavior: A Case Study on Mate-Choice Copying In Sailfin Mollies

Over the last decade, employing computer animations for animal behavior research has increased due to its ability to non-invasively manipulate the appearance and behavior of visual stimuli, compared to manipulating live animals. Here, we present the FishSim Animation Toolchain, a software framework developed to provide researchers with an easy-to-use method for implementing 3D computer animations in behavioral experiments with fish. The toolchain offers templates to create virtual 3D stimuli of five different fish species. Stimuli are customizable in both appearance and size, based on photographs taken of live fish. Multiple stimuli can be animated by recording swimming paths in a virtual environment using a video game controller. To increase standardization of the simulated behavior, the prerecorded swimming path may be replayed with different stimuli. Multiple animations can later be organized into playlists and presented on monitors during experiments with live fish.
In a case study with sailfin mollies (Poecilia latipinna), we provide a protocol on how to conduct a mate-choice copying experiment with FishSim. We utilized this method to create and animate virtual males and virtual model females, and then presented these to live focal females in a binary choice experiment. Our results demonstrate that computer animation may be used to simulate virtual fish in a mate-choice copying experiment to investigate the role of female gravid spots as an indication of quality for a model female in mate-choice copying.
Applying this method is not limited to mate-choice copying experiments but can be used in various experimental designs. Still, its usability depends on the visual capabilities of the study species and first needs validation. Overall, computer animations offer a high degree of control and standardization in experiments and bear the potential to &#39;reduce&#39; and &#39;replace&#39; live stimulus animals as well as to &#39;refine&#39; experimental procedures.

Using the FishSim Animation Toolchain to Investigate Fish Behavior: A Case Study on Mate-Choice Copying In Sailfin Mollies

Using the novel FishSim Animation Toolchain, we present a protocol for non-invasive visual manipulation of public information in the context of mate-choice copying in sailfin mollies. FishSim Animation Toolchain provides an easy-to-use framework for the design, animation and presentation of computer-animated fish stimuli for behavioral experiments with live test fish.

En utilisant les outils de compilation FishSim Animation pour enquêter sur le comportement du poisson : une étude de cas sur la copie de-choix d’un partenaire en Sailfin Mollies