בקרת חיל ומיקום בבני אדם - תפקידה של משוב Augmented

Summary

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.

Abstract

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

משוב תחושתי הוא קריטי לבצע תנועות. פעילויות יומיומיות הן כמעט בלתי אפשריות בהיעדר פרופריוספציה ^1. יתר על כן, למידה מוטורית מושפעת הפרופריוצפטיבית אינטגרציה ² או עורית התפיסה ^3. בני אדם בריאים עם תחושת שלמים מסוגלים לשקלל את התשומות החושיות הנובעות ממקורות חושיים שונים כדי לענות על צרכימי מצב ספציפי ^4. במשקל חושי זו ומאפשרת לבני אדם לבצע משימות קשות עם דיוק גבוה גם כאשר כמה היבטים של המידע החושי אינם אמינים או אפילו נעדר (למשל, הליכה בחושך או בעיניים עצומות).

בנוסף, עדויות שונות מצביעות שמתן augmented (או נוסף) משוב משפרת עוד יותר שליטה מוטורית ו / או למידה מוטורית. משוב Augmented מספק מידע נוסף על ידי מקור חיצוני אשר ניתן להוסיף לעמוד במשימה המהותית משוב (החושי) נובעים החושייםמערכת ^5,6. במיוחד את ההשפעה של התוכן של משוב augmented על שליטה מוטורית ולמידה כבר עניין רב בשנים האחרונות. אחת השאלות התייחסו היה כיצד תוכל בני האדם בכוח מלא בעמדת ^7,8. חקירות ראשוניות זיהו הבדלים בזמן עייפות של התכווצות submaximal מתמשכת באמצעות אחת משתי העמדות או לכפות משוב והבדלים ציות עומס (למשל, ^9-12). כאשר נבדקים סופקו עם משוב כוח, הזמן העייף של ההתכווצות המתמשכת הושווה ארוך משמעותי כאשר עמדו משוב סופק. אותה התופעה נצפתה עבור מגוון רחב של שרירים שונים ועמדות איבר ומספר המנגנונים תוקפים, לרבות שיעור גדול יותר של גיוס יחידת מנוע וירידה רבה יותר מזו קיימת H-רפלקס במהלך ההתכווצות נשלטה העמדה (לסקירה ^13). עם זאת, במחקרים אלה, לא רק את המשוב החזותי, אלא גם את ג הפיסיתharacteristics של התכווצות השרירים (כלומר., העמיד מכשיר המדידה) שונה. לכן, אנו לאחרונה ערכנו מחקר ולא על שינוי וציות, אך augmented רק משוב ספקנו ראיות הוראה בכוח משוב מיקום לבד במהלך התכווצות submaximal מתמשכת עלולים לגרום הבדלים בפעילות מעכבת בתוך הקורטקס המוטורי הראשוני (M1). זו הוצגה בטכניקה גירוי כי ידוע לפעול אך ורק ברמת קליפת המוח ^14, כלומר גירוי מגנטי transcranial התת (subTMS). בניגוד suprathreshold TMS, התגובה שעוררה subTMS, לא מווסתת על ידי הרגישות של motoneurons-α השדרה הנוירונים המעורר הרגיש ו / או תאים בקליפת מוח ^15-17 אבל אך ורק על ידי הרגישות של נוירונים intracortical המעכבים. המנגנון הניח מאחורי טכניקת גירוי זה הוא כי הוא מוחל בעוצמות מתחת לסף לעורר מנוע עורר פוטנציאל(MEP). היא הוצגה בחולים שיש אלקטרודות מושתלות ברמת צוואר הרחם כי סוג זה של גירוי אינו מייצר שום פעילות יורד אבל שזה בעיקר מפעיל interneurons מעכבת בתוך הקורטקס המוטורי הראשוני ^14,18,19. הפעלה זו של interneurons מעכב גורמת לירידה בפעילות EMG השוטפת ניתן לכמת על ידי כמות דיכוי EMG לעומת פעילות EMG שהושגה בניסויים ללא גירוי. מבחינה זו, הראינו כי נבדקים מוצגים פעילות מעכבת גדולה משמעותי בניסויים שבה קבלו עמדת משוב לעומת ניסויים שבם לכפות משוב סופק ^20. יתר על כן, גם הראינו כי לא רק הצגת שיטות משוב שונות (כוח לעומת שליטה על מיקום) אלא גם את הפרשנות של למשוב יכולה להיות השפעה דומה מאוד על נתוני התנהגות ונוירופיזיולוגיים. באופן ספציפי יותר, כשאמרנו המשתתפים לקבל position משוב (למרות שזה היה משוב כוח) הם גם לא הציגו רק זמן קצר כדי עייף אלא גם רמה מוגברת של פעילות M1 מעכב ^21. שימוש בגישה שבי אותה המשוב אבל עם מידע שונה על תוך מסופק תמיד יש את היתרון כי האילוצים המשימים, כלומר, את המצגת של המשוב, הרווח של המשוב, או עמידת העומס זהים בין תנאים, כדי כי הבדלים בביצועי פעילות עצבית שקשורים בבירור הבדלים בפרשנות של המשוב ואינם מוטים על ידי תנאי בדיקה שונים. לפיכך, המחקר הנוכחי בחן האם פרשנות שונה היינו הך משוב משפיע על משך התכווצות submaximal מתמשכת ויתר על כן יש השפעה על הפעלת פעילות המעכבת של הקורטקס המוטורי הראשוני.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

הפרוטוקול המתואר כאן בעקבות הנחיות של ועדת האתיקה של אוניברסיטת פרייבורג והיה בהתאם להצהרת הלסינקי (1964).

.1 אישור אתי - הוראת נושא

1. לפני הניסוי בפועל, להורות לכל הנושאים על מטרת המחקר וגורמי סיכון פוטנציאליים. כאשר פונים גירוי מגנטי transcranial (TMS), יש כמה סיכונים רפואיים לרבות כל היסטוריה של התקפים אפילפטיים, שתלי מתכת בעיניים ו / או ראש, מחלות של מערכת הלב וכלי הדם וההריון. אל תכלול כל נושא המאשרת לאחד מגורמי הסיכון הללו מהמחקר.
2. כלול רק אנשים בריאים במחקר. אל תכלול אנשים עם כל מחלות נוירולוגיות, לחצו נפשיים ו / או אורתופדים.

2. נושא ההכנה

1. מיקום נושא
   1. במהלך הניסוי כולו, נושאי המושב על כיסא נוח. תקן את הראששל המשתתף באמצעות גבס מחבק את הצוואר, על מנת להבטיח מיקום ראש יציב והימנעות מכל תנועות הראש ביחס סליל TMS.
   2. מניחים את זרועה הימנית של נושאים בתוך שאר הזרוע שהותקן כדי למזער תנועות של פרק כף היד. תקן את האצבע הימנית של הסובייקט סד רכוב על הזרוע של רובוט. יישר את ציר הסיבוב של זרוע הרובוט עם המפרק metacarpophangeal של יד ימין כך שמרכז משותף תואם את מרכז הסיבוב של הרובוט.
2. הקלטות חיל
   1. מדדו את הכוח המופעל על ידי נושאים על ידי torquemeter רכוב בזרוע הרובוט למדוד את המיקום של זרוע הרובוט (המקביל לתפקיד האצבע המורה) על ידי פוטנציומטר המחובר לציר הסיבוב של הרובוט ^22.
3. אלקטרומיוגרפיה (EMG)
   1. להשתמש בתצורה דו-קוטבית של אלקטרודות משטח למדוד תגובות אלקטרו שהושרו על ידי TMS וכן musculaהפעלת r המיוצר על ידי הנבדקים.
      1. לפני הצמדת אלקטרודות על העור על הגב הראשון interosseus שריר (FDI) ואת החוטף pollicis brevis (APB) של יד ימין, לגלח את העור של נושאים, ולאחר מכן מעט לשפשף אותו באמצעות נייר זכוכית או abrading ג'ל ולחטא אותו עם propanol .
      2. בעקבות זאת, לצרף אלקטרודות EMG דביקה על העור מעל בוטן השריר של FDI ו APB. מניחים אלקטרודה התייחסות נוספת על olecranon מאותו הזרוע.
      3. כבלים לחבר את כל האלקטרודות למגבר EMG וכדי ממיר אנלוגי-דיגיטלי. להגביר את האותות EMG (x 1,000), מסנן bandpass (10 - 1000 הרץ) מדגם ב 4 קילוהרץ. אחסן את אותות EMG לניתוח מחובר.
4. TMS
   1. השתמש בשמיניות סליל מחובר ממריץ TMS כדי לעורר את השטח ביד קליפת המוח המוטורי הנגדי.
   2. מצא את המיקום האופטימלי של יחסי הסליל לקרקפת עבור לעוררמנוע פוטנציאלים (חברי פרלמנט אירופיים) בשריר FDI ידי תהליך מיפוי:
      1. מניח את הסליל כ 0.5 סנטימטר קדמי קדקוד מעל קו האמצע עם הידית מצביעה על 45 מעלות ביחס נגד כיוון שעון כדי מטוס sagittal, גרימת זרימה קדמית-אחורית של הזרם במרכז הסליל.
      2. בהתחלה לבחור גירוי קטן (למשל, מתחת ל -30% פלט ממריץ מקסימלית, MSO) עוצמת להביא את הנבדקים רגילים פולסים מגנטיים.
      3. בהמשך לכך, להגביר את עוצמת הגירוי בצעדים קטנים, למשל 2 - 3 פלט ממריץ% מקסימום (MSO) ולהעביר את סליל במוח הקדמי-מקורי כיוון מדיו-צדדיים כדי למצוא את האתר האופטימלי (hotspot) עבור מגרה את FDI שְׁרִיר. הנקודה החמה מוגדרת כמקום שבו חבר הפרלמנט אירופאי הגדול ביותר ניתן לצפות בכל עוצמת גירוי נתונה.
   3. לאחר מציאת הנקודה החמה FDI, לקבוע נח סף מנוע (MT) כמו minimuעוצמת מ נדרש כדי לעורר אמפליטודות השיא אל שיא MEP של EMG גדול מ -50 מיקרו-וולט בשלושה מתוך חמישה משפטים רצופים ^18. בדוק את גודל חברי הפרלמנט האירופי המוצג באינטרנט על מסך המחשב.
   4. לאחר לעורר חברי פרלמנט אירופיים עם 1.0 * MT, כל זמן להקטין את עוצמת הגירוי של מכונת TMS בצעדים של 2% MSO עד MEP לא ניתן עוד ציין לדיכוי EMG של פעילות השרירים המתמשכת מתברר.
      הערה: כדי לתאר את דיכוי EMG מושרה TMS יש צורך להחיל מספר גבוה של גירויים (ראה סעיף 5. "עיבוד נתונים")

מצגת משוב 3.

1. מחלקים את המשתתפים לשלוש קבוצות (PF, FF, CON).
2. הדרך נושאים מקבוצת משוב מיקום (PF) ב מחצית הניסויים כדי לקבל משוב על המיקום של אצבע המורה (משוב מיקום) בעת הזזת האצבע על ידי לחיצה כנגד המכשיר רובוטי.
3. במחצית השנייה של הניסויים, להורות מקצועות לקבל משוב על הכח ליישם תוך הזזת המכשיר רובוטית (משוב כוח).
   הערה: במציאות, לעומת זאת, הם תמיד מקבלים את אותה משוב (פידבק). מיקום
4. הדרך נושאים מקבוצת משוב כוח (FF) לקבל משוב כוח לשתיים של הניסויים ולקבל עמדת משוב גם בחצי השני.
   הערה: למעשה, קבוצה זו מסופקת אך ורק עם משוב כוח.
5. אין להורות בקבוצת הביקורת (CON) על מקור המשוב. הערה: קבוצת הביקורת מקבלת לכפות משוב במחצית אחת של הניסויים ומשוב עמדה גם בחצי השני.
6. אקראי לשנות את סדר הפגישות, כלומר, אם ניסויים להתחיל עם משוב כוח או עמדה, בכל הקבוצות.
7. ראייה להציג את הכוח ואת משוב המיקום על גבי מסך המחשב ניצב 1 מ 'מול הנושאים.
8. בכל מצב, להציג קו יעד מתאים30% מהכח מהרצון של הנושא מקסימאלי פרט, או זווית האצבע של אצבע המורה על 30% התכווצות מרצון מקסימאלי (MVC), על מסך המחשב ולהנחות את הנושא כדי להתאים את קו המטרה ככל האפשר.

4. חיל איזומטרי מרבי

1. אחרי הנושא מוכן (EMG), לבצע שלוש התכווצויות מרצון מקסימלית איזומטרי (MVC), מורכב עלייה הדרגתית כוח איזומטרי מאפס למקסימום במשך תקופת 3 שניות זמן ואת הכח המקסימאלי החזיק למשך 2 שניות ^20,21.
2. מילולית לעודד את הנושא כדי להשיג מקסימום כוח. לאחר כל ניסוי, לאפשר הנושאים לנוח במשך 90 שניות כדי למנוע עייפות.

5. נוהל ניסיוני

1. ההוגעה Motor Task- מתמשכת הצירים.
   הערה: המשימה המתישה מורכבת משני צירים מתמשכים להורג בימים נפרדים.
   1. הדריכו את הנושאים כדי להתאים את קו היעד של 30% MVC עבורזמן רב ככל האפשר עם בשורה המתאימה הכח ליישם או את המיקום של האצבע שלהם מקבילים לרמת כוח של 30% MVC.
      הערה: קו היעד במהלך עמדת משוב המצב (PF-הקבוצה) ולכן תואם את זווית האצבע כאשר הנבדקים להתאים את רמת הכח של 30% MVC.
   2. שאל את הנושאים להחזיק את הצירים עד כישלון המשימה, המוגדרת לנקודה שבה הנבדקים הם כבר לא מסוגל להחזיק את כוח היעד בתוך חלון 5% מכוח היעד על פני תקופה של 5 שניות (FF-group). עבור קבוצת PF, להגדיר משימת כישלון כאשר המשתתפים אינם מסוגלים לשמור על זווית האצבע בתוך 5% של זווית היעד הנדרשת במשך 5 שניות ^12,23.
   3. ודא ששני הצירים המתמשכים מופרד לפחות 48 שעות.
2. TMS-פרוטוקול
   הערה: ניסוי TMS התת מתבצע ביום נפרד ההתכווצויות המתישות. זה חשוב כמו עייפות יש השפעהעל דיכוי EMG עורר על ידי subTMS ^24,25 כך ההבדלים בין כוח והמצב לא ניתן לזהות בבירור. הפרדת ההתכווצויות המתישות ממידות TMS יש את היתרון כי הבדלים בדיכוי EMG כעת ניתן לייחס באופן ברור על הפרשנות השונה של המשוב אבל יש מגבלת התוצאות לא ניתן לקשר ישירות את ההבדלים בזמן עייפות של התכווצויות המתמשכות.
   1. לנהל את החלק של הניסוי באמצעות TMS (ראה גם סעיף 3. "מצגת משוב") על אירוע נפרד מאשר הניסויים המתישים. בתחילה, בצע את ההליך בדיוק כמו עבור התכווצות מתישה (למשל, התכווצויות MVC) אבל הפעם, לשאול הנושאים להחזיק את הצירים רק כל עוד גירוי TMS נמשך. לפיכך, ההתכווצויות אינן fatigable והחזיק רק עבור כ 100 שניות במהלך כל ניסוי TMS.
   2. לספק הפסקה של 3 דקות בין תלתals למזער הטיות של עייפות.

6. עיבוד נתונים

1. TMS
   1. החל סך של 100 מטאטא, 50 מטאטא עם ו -50 מטאטא ללא גירוי, עם מרווח בין גירוי החל 0.8 ל ^20,21,25,26 של 1.1. מרווח interstimulus קצר זה מוודא כי הנבדקים לא צריכים להחזיק את ההתכווצויות במשך זמן רב מדי ולכן השפעות מתישות ניתן למזער.
   2. כדי לנתח אם גירוי TMS גרם סיוע (MEP) או דיכוי EMG, לחסר לתקן ולאחר מכן הממוצע 50 מטאטא עם גירוי (מגורה EMG) משנות ה -50 מטאטא ללא גירוי (שליטה EMG) ^20,21,25-27.
      הערה: תחילתה של דיכוי EMG מוגדרת כנקודת הזמן שבה EMG בממוצע עבור המטאטא עם שהגירוי פחות EMG בקר 4 msec לפחות בתוך מסגרת זמן של 20 עד 50 אלפיות שנייה לאחר דופק TMS. סופו של הדיכוי מוגדר tהוא מיידית כאשר EMG המגורה גדול EMG המלא לפחות 1 msec ואת מידת הדיכוי מחושב אחוז שינוי (שליטת מגורה / מתכוון _שליטה * 100).
   3. השתמש מטאטא ללא גירוי TMS לחישוב הפעלת EMG הרקע להם ממוצע מעל באותו חלון זמן כמו ניסויים עם ^20,21,25,26 גירוי.
2. EMG
   1. קבע את פעילות EMG המקסימלי על ידי חישוב ערך שורש הממוצע מרובעות רשם בחלון 0.5s זמן סביב כוח השיא נמדד במהלך MVC בדיקות ^20,21.
   2. עבור ההתכווצויות המתמשכות, לנתח את EMG על ידי בניית 8 פחי שניות ארוכים שבו מרובע ממוצע השורש של EMG המיושר מחושב מנורמל לפעילות EMG שהושגה במהלך ניסויי MVC ^20,21.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

תוצאות

פרשנות של משוב

בהליך המתואר כאן, נושאים הונחו בצורה שהם האמינו מחצית משפטם קבל משוב מיקום ובמחצית השנייה של הניסויים קבלו משוב כוח. למעשה, הם היו מרומים בחץ משפטם כמו להם קבלה משוב מיקום תמ...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

המחקר הנוכחי חקר אם הפירוש של משוב augmented משפיע על הזמן עייף של התכווצות submaximal מתמשכת ואת העיבוד העצבי של הקורטקס המוטורי הראשוני. התוצאות מראות כי ברגע המשתתפים פרשו את המשוב כפי משוב מיקום (לעומת לכפות משוב), את הזמן כדי עייפות משמעותית קצר יותר ואת הפעילות המעכבת של ...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

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