Forza e controllo della posizione in Humans - Il ruolo del feedback Augmented

Riepilogo

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.

Introduzione

feedback sensoriale è fondamentale per eseguire movimenti. Le attività quotidiane sono quasi impossibile in assenza di propriocezione ^1. Inoltre, l'apprendimento motorio è influenzato da integrazione propriocettiva ² o cutanea percezione ^3. Gli esseri umani sani con sensazione intatte sono in grado di pesare gli input sensoriali derivanti da varie fonti sensoriali al fine di soddisfare le esigenze specifiche di Situazione ^4. Questo sensoriale del peso permette agli esseri umani di svolgere compiti difficili con alta precisione anche quando alcuni aspetti delle informazioni sensoriali sono inaffidabili o addirittura assente (ad esempio, camminando al buio o con gli occhi chiusi).

Inoltre, varie prove suggeriscono che fornire aumentata (o ulteriore) un feedback migliora ulteriormente il controllo del motore e / o apprendimento motorio. retroazione Augmented fornisce ulteriori informazioni da una fonte esterna, che può essere aggiunto alla intrinseca retroazione compito (sensoriale) derivanti dalla sensorialeSistema ^5,6. Soprattutto l'effetto del contenuto di feedback aumentata sul controllo del motore e l'apprendimento è stato di grande interesse negli ultimi anni. Una delle domande rivolte era come gli esseri umani la forza il controllo e la posizione ^7,8. Le indagini iniziali identificate differenze nel tempo alla fatica di una contrazione submassimale sostenuto che utilizzano entrambe le posizioni o force feedback e le differenze nel rispetto carico (ad esempio, ^9-12). Quando i soggetti sono stati forniti con ritorno di forza, il momento di fatica della contrazione sostenuta era significativamente più lungo rispetto a quando è stato fornito feedback di posizione. Lo stesso fenomeno è stato osservato per una varietà di diversi muscoli e posizioni degli arti e un certo numero di meccanismi neuromuscolari, tra cui un maggior tasso di reclutamento di unità motorie e una maggiore diminuzione dell'area H-reflex durante la contrazione controllata di posizione (per la revisione ^13). Tuttavia, in questi studi, non solo il feedback visivo, ma anche il c fisicaharacteristics della contrazione muscolare (es., la conformità del dispositivo di misura) è stato modificato. Pertanto, abbiamo recentemente condotto uno studio non alterare la conformità, ma solo aumentata di feedback e dimostrato che le prestazioni di forza e di retroazione di posizione da solo durante una contrazione submassimale sostenuta può causare differenze di attività inibitoria all'interno della corteccia motoria primaria (M1). Ciò è stato dimostrato utilizzando una tecnica di stimolazione che è noto per agire esclusivamente a livello corticale ^14, vale a dire sottosoglia stimolazione magnetica transcranica (subTMS). Diversamente suprathreshold TMS, la risposta evocata da subTMS, non è modulata dalla eccitabilità spinali alfa-motoneuroni e l'eccitabilità neuroni eccitatori e / o cellule corticali ^15-17, ma solo dalla eccitabilità dei neuroni intracorticali inibitori. Il meccanismo ipotizzato dietro questa tecnica di stimolazione è che viene applicato alle intensità di sotto della soglia di evocare un motore potenziali evocati(MEP). È stato dimostrato in pazienti con elettrodi impiantati a livello cervicale che questo tipo di stimolazione non produce alcuna attività discendente ma che attiva principalmente interneuroni inibitori nella corteccia motoria primaria ^14,18,19. Questa attivazione di interneuroni inibitori provoca una diminuzione dell'attività EMG continuo e può essere quantificata la quantità di soppressione EMG rispetto all'attività EMG ottenute negli studi senza stimolazione. A questo proposito, abbiamo dimostrato che i soggetti hanno mostrato una significativamente maggiore attività inibitoria nei trial in cui hanno ricevuto feedback di posizione rispetto alle prove in cui Force Feedback è disponibile ^20. Inoltre, abbiamo anche dimostrato che non solo la presentazione di diverse modalità di feedback (forza rispetto al controllo della posizione), ma anche l'interpretazione di feedback può avere effetti molto simili su dati comportamentali e neurofisiologici. Più in particolare, quando abbiamo detto ai partecipanti di ricevere pretroazione osizione (anche se era force feedback) che, inoltre, non solo visualizzati un tempo più breve per la fatica, ma anche un aumento del livello di attività inibitoria M1 ^21. Usando un approccio in cui le stesse risposte ma con diverse informazioni sul suo contenuto è sempre disponibile ha il vantaggio che i vincoli compito, cioè, la presentazione del feedback, il guadagno del feedback, o la conformità del carico sono identici tra condizioni così che le differenze in termini di prestazioni e attività neurale sono chiaramente correlata alle differenze di interpretazione del feedback e non sono influenzati da differenti condizioni di prova. Così, questo studio esaminato se una diversa interpretazione di uno stesso risposte influenza la durata di una contrazione submassimale sostenuta e inoltre ha un impatto sulla attivazione di attività inibitoria della corteccia motoria primaria.

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Protocollo

Il protocollo qui descritto ha seguito le linee guida del comitato etico dell 'Università di Friburgo ed era in conformità con la Dichiarazione di Helsinki (1964).

1. Approvazione etico - Soggetto Istruzione

1. Prima l'esperimento vero, istruire tutti i soggetti sullo scopo dello studio e potenziali fattori di rischio. Quando si applica la stimolazione magnetica transcranica (TMS), ci sono alcuni rischi medici tra cui una storia di crisi epilettiche, impianti metallici agli occhi e / o la testa, le malattie del sistema cardiovascolare e la gravidanza. Escludere qualsiasi argomento affermando ad uno di questi fattori di rischio dello studio.
2. Includere solo individui sani nello studio. Escludere le persone con alcune malattie neurologiche, mentali e / o ortopedici.

2. Fatte salve Preparazione

1. Oggetto del collocamento
   1. Durante l'intero esperimento, i soggetti di seduta in una sedia comoda. Fissare la testadel partecipante utilizzando un cast che abbraccia il collo, garantendo una posizione a testa stabile ed evitando eventuali movimenti della testa relativa bobina TMS.
   2. Posizionare il braccio destro dei soggetti in un bracciolo su misura per ridurre al minimo i movimenti del polso. Fix indice della mano destra del soggetto di una stecca montata al braccio di un robot. Allineare l'asse di rotazione del braccio del robot con il giunto metacarpophangeal della mano destra in modo che il centro congiunta corrisponde al centro di rotazione del robot.
2. registrazioni di forza
   1. Misurare la forza applicata dai soggetti da un torsiometro montato nel braccio del robot e misurare la posizione del braccio del robot (corrispondente alla posizione del dito indice) da un potenziometro collegato all'asse di rotazione del robot ^22.
3. L'elettromiografia (EMG)
   1. Utilizzare una configurazione bipolare di elettrodi di superficie per misurare le risposte elettrofisiologiche indotte da TMS e musculaR attivazione prodotta dai soggetti.
      1. Prima di applicare gli elettrodi alla pelle rispetto al primo dorsale interosseo muscolare (IDE) e il rapitore breve del pollice (APB) della mano destra, la barba la pelle dei soggetti, poi un po 'carteggiare utilizzando carta vetrata o abrasione gel e disinfettarlo con propanolo .
      2. A seguito di questo, collegare gli elettrodi EMG autoadesivi per la pelle sopra i ventri muscolari del FDI e APB. Inserire un elettrodo di riferimento supplementare sul olecranon dello stesso braccio.
      3. Cavo-collegare tutti gli elettrodi ad un amplificatore EMG e ad un convertitore analogico-digitale. Amplificare i segnali EMG (x 1.000), passa-banda-filtro (10 - 1000 Hz) e il campione a 4 kHz. Conservare i segnali EMG per l'analisi offline.
4. TMS
   1. Utilizzare una figura di otto bobine collegato a uno stimolatore TMS per stimolare l'area corticale mano controlaterale del motore.
   2. Trovare la posizione ottimale della bobina rispetto al cuoio capelluto per suscitarepotenziali evocati motori (MEP) nel muscolo FDI da una procedura di mappatura:
      1. Posizionare la bobina di circa 0.5 cm anteriormente al vertice e sulla linea mediana con il manico che punta a 45 ° in senso antiorario rispetto al piano sagittale, inducendo un flusso postero-anteriore della corrente nel centro della bobina.
      2. All'inizio, scegliere un piccolo stimolazione intensità (massimo esempio, inferiore al 30% uscita stimolatore, MSO) per ottenere i soggetti abituati agli impulsi magnetici.
      3. Successivamente, aumentare l'intensità di stimolazione a piccoli passi, ad esempio 2 - 3% potenza massima stimolatore (MSO) e spostare la bobina in direzione frontale-rostrale e medio-laterale al fine di trovare il sito ottimale (hotspot) per stimolare l'IDE muscolo. L'hotspot è definito come il punto in cui la maggiore MEP può essere osservato in una data intensità di stimolazione.
   3. Dopo aver trovato l'hotspot FDI, determinare soglia motoria (MT) a riposo come il minimum intensità richiesta per evocare MEP ampiezze picco-picco nel EMG maggiore di 50 mV a tre su cinque prove consecutive ^18. Controllare la dimensione dei deputati visualizzate on-line sullo schermo del computer.
   4. Dopo suscitando deputati con 1,0 * MT, diminuire costantemente l'intensità di stimolazione della macchina TMS in passi di 2% MSO finché il deputato non può più essere osservato e una soppressione EMG dell'attività muscolare corso diventa evidente.
      Nota: Al fine di rappresentare la soppressione EMG TMS indotta è necessario applicare un elevato numero di stimoli (vedi sezione 5. "Data Processing")

3. Risposte Presentazione

1. Dividete i partecipanti in tre gruppi (PF, FF, CON).
2. Istruire i soggetti del gruppo di retroazione di posizione (PF), a metà delle prove per ricevere un feedback sulla posizione del dito indice (retroazione) quando si sposta il dito indice premendo contro il dispositivo robotico.
3. Nell'altra metà delle prove, istruire i soggetti per ricevere un feedback sulla forza applicata durante lo spostamento del dispositivo robotico (ritorno di forza).
   Nota: In realtà, tuttavia, ricevono sempre le stesse risposte (retroazione di posizione).
4. Istruire i soggetti del gruppo Force Feedback (FF) per ricevere un feedback vigore a metà delle prove e di ricevere feedback di posizione nell'altra metà.
   Nota: In realtà, questo gruppo è fornito esclusivamente con ritorno di forza.
5. Non indicare al gruppo di controllo (CON) dell'origine del feedback. Nota: Il gruppo di controllo riceve il ritorno di forza in una metà del loro prove e retroazione di posizione nell'altra metà.
6. Casualmente modificare l'ordine delle sessioni, cioè se prove iniziano con forza o feedback di posizione, in tutti i gruppi.
7. Visivamente visualizzare la forza e la retroazione di posizione sullo schermo del computer posizionati 1 m davanti soggetti.
8. In ogni condizione, presentano una linea di destinazione corrispondente alIl 30% dei singoli forza massimale volontaria del soggetto, o l'angolo dito del dito indice al 30% al massimo contrazione volontaria (MVC), sullo schermo del computer e istruire il soggetto in modo che corrisponda il più vicino alla linea di destinazione possibile.

4. massima isometrica Forza

1. Dopo il soggetto viene preparato (EMG), effettuare tre contrazioni volontarie massime isometriche (MVC), costituito da un graduale aumento della forza isometrica da zero al massimo su un periodo di 3 secondi e la forza massima tenuta per 2 sec ^20,21.
2. Verbalmente incoraggiare il soggetto a raggiungere la forza massima. Dopo ogni prova, permettono ai soggetti di riposare per 90 secondi per evitare l'affaticamento.

Procedura sperimentale 5.

1. Faticoso motore task- sostenuta contrazioni.
   Nota: Il compito faticoso si compone di due contrazioni sostenute eseguiti in giorni separati.
   1. Istruire i soggetti in modo che corrisponda alla linea di destinazione del 30% MVC perpiù a lungo possibile con una linea corrispondente alla forza applicata o la posizione delle dita corrispondente ad un livello di forza del 30% MVC.
      Nota: la linea di destinazione durante la condizione di retroazione di posizione (PF-gruppo) corrisponde quindi all'angolo dito quando i soggetti corrispondono al livello di forza del 30% MVC.
   2. Chiedi soggetti a tenere le contrazioni fino guasto di operazione, che è definito come il punto in cui i soggetti non sono più in grado di trattenere la forza di destinazione all'interno di una finestra 5% della forza destinataria su un periodo di 5 sec (fF-gruppo). Per il pF-gruppo, definire guasto di operazione come quando i partecipanti sono in grado di mantenere l'angolo barretta entro 5% dell'angolo di destinazione richiesti per 5 sec ^12,23.
   3. Assicurarsi che i due contrazioni sostenute sono separati da almeno 48 ore.
2. TMS-protocollo
   Nota: L'esperimento sottosoglia TMS viene effettuata sul giorno separato per le contrazioni affaticanti. Ciò è importante in quanto la fatica ha un'influenzasulla soppressione EMG evocata da subTMS ^24,25 così le differenze tra la forza e la posizione non può essere chiaramente identificato. Separando le contrazioni affaticanti dalle misure TMS ha il vantaggio che differenze nella soppressione EMG possono ora essere chiaramente da attribuire alla diversa interpretazione del feedback, ma ha la limitazione che i risultati non possono essere direttamente collegati alle differenze nel tempo di affaticamento delle contrazioni subite.
   1. Condurre la parte dell'esperimento con TMS (vedi anche il paragrafo 3 "Feedback presentazione") in un'altra occasione che gli esperimenti faticosi. Inizialmente, seguire la stessa procedura come per la contrazione affaticante (ad esempio, contrazioni MVC) ma questa volta, chiedere ai soggetti di tenere le contrazioni solo finché la stimolazione TMS dura. Così, le contrazioni non sono fatigable e mantenuto per circa 100 secondi durante ogni prova TMS.
   2. Fornire una pausa di 3 minuti tra trials per ridurre al minimo ogni pregiudizio di fatica.

6. Elaborazione dati

1. TMS
   1. Applicare un totale di 100 scansioni, 50 spazza con e 50 spazza senza stimolazione, con un intervallo inter-stimolo che vanno 0,8-1,1 s ^20,21,25,26. Questo breve intervallo interstimulus fa in modo che i soggetti non hanno bisogno di tenere le contrazioni per troppo tempo gli effetti in modo affaticanti possono essere minimizzati.
   2. Per analizzare se la stimolazione TMS ha causato una facilitazione (MEP) o una soppressione EMG, sottrarre i rettificate e poi media 50 sweep con stimolazione (stimolati EMG) dalle 50 spazza senza stimolazione (controllo EMG) ^20,21,25-27.
      Nota: L'inizio della soppressione EMG è definito come il punto di tempo in cui la EMG media per le scansioni con la stimolazione è inferiore al EMG di controllo per almeno 4 msec in un arco di tempo di 20 a 50 msec dopo l'impulso TMS. La fine della soppressione è definita come tegli istante in cui il EMG stimolato è maggiore della EMG di controllo per almeno 1 msec e l'entità della soppressione è calcolato come variazione percentuale (controllo stimolata _{/: controllo} * 100).
   3. Utilizzare la spazza senza stimolazione TMS per il calcolo dello sfondo attivazione EMG e medio dello stesso finestra temporale come le prove con ^20,21,25,26 stimolazione.
2. EMG
   1. Determinare la massima attività EMG calcolando il valore root-mean-square registrati in una finestra di 0.5s volta la forza di picco misurata durante il test MVC ^20,21.
   2. Per le contrazioni subite, analizzare l'EMG con la costruzione di cassonetti lungo 8 secondi in cui la radice-quadratico medio del EMG rettificato è calcolato e normalizzati per l'attività EMG ottenuto durante le prove MVC ^20,21.

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Risultati

Interpretazione di feedback

Nel procedimento descritto qui, i soggetti sono stati istruiti in modo che ritenevano metà delle loro prove di aver ricevuto retroazione di posizione e l'altra metà delle prove di aver ricevuto le risposte forza. In realtà, sono stati ingannati nella metà dei loro prove in quanto il PF-gruppo sempre ricevuto un feedback di posizione e la FF-gruppo sempre ricevuto feedback forza.

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Discussione

Il presente studio ha indagato se l'interpretazione di feedback aumentata influenza il tempo di fatica di una contrazione submassimale sostenuta e l'elaborazione neurale della corteccia motoria primaria. I risultati mostrano che, non appena i partecipanti interpretato il feedback come feedback di posizione (rispetto al force feedback), il tempo di affaticamento era significativamente più breve e l'attività inibitoria della corteccia motoria (misurata come quantità di EMG soppressione causata da subTMS) vi...

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Materiali

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