Gli autori desiderano ringraziare l&#39;onorevole Hans Oppel ei suoi tecnici prostetici di Otto Bock Healthcare Products GmbH per la fabbricazione del socket utilizzato dal partecipante in questo studio. Questo studio è stato sostenuto finanziariamente dal Consiglio europeo della ricerca (CER) attraverso l&#39;ERC Advanced Grant DEMOVE (n ° 267.888), il Consiglio austriaco per la ricerca e sviluppo tecnologico, e il ministero federale austriaco della scienza, della ricerca e dell&#39;economia.

Questo studio è stato condotto in conformità con la Dichiarazione di Helsinki, come approvato dal comitato etico della ricerca locale. Lo studio è stato spiegato in dettaglio al partecipante prima di iniziare, permettendo al partecipante il tempo per valutare la decisione di prendere volontariamente parte allo studio e confermare la sua partecipazione entro informato, consenso scritto. Nota: Un uomo, di età compresa tra 27 anni, ha preso parte allo studio. Il partecipante ha avuto visione normale, è un sotto-gomito amputato a sinistra, ed è stato un utente esperto (consumo totale di 4 anni protesi). Prima di iniziare questo studio la protesi ha usato su base giornaliera è stata una protesi della mano mioelettrica 4 canali con rotazione del polso per 12-15 ore al giorno per 15 mesi. La mano destra del partecipante era stato precedentemente chirurgicamente ricostruito, ma non aveva altra menomazione fisica o neurologico. 1. Disegno dello studio <ol><li> Dividere lo studio in due sessioni: nd39; ve uso, e utilizzare in seguito formativo strutturato. Nota: Questo per consentire il confronto intra-soggetto prima e dopo l&#39;allenamento, rispettivamente. </li><li> Assicurarsi che queste due sessioni sono almeno tre mesi, in modo da essere trattati come indipendenti l&#39;una dall&#39;altra. </li><li> All&#39;inizio di entrambe le sessioni, montare uno zoccolo personalizzato e protesi al partecipante. Assicurarsi che gli algoritmi di hardware e di controllo protesi corrispondono a quelli dettagliati nella sezione Materiali di questo protocollo. Assicurarsi che il partecipante non è in grado di utilizzare la protesi personalizzata nel tempo intercorso tra le sessioni. </li><li> Addestrare il paziente secondo la procedura descritta nella Sessione Naïve e strutturati sezioni seduta di allenamento di questo protocollo. All&#39;inizio di ciascuna di queste sessioni, calibrare l&#39;hardware protesico. Utilizzare i dati di calibrazione raccolti per il controllo protesi in tempo reale. </li><li> Una volta che la sessione Naïve e strutturato sessione di formazione sono completi, valutare la paL&#39;esecuzione da parte rticipant utilizzando la misura del risultato Southampton Procedura di valutazione della mano (SHAP). 23 Confronta i punteggi Shap a una misura di base che utilizzano protesi standard del partecipante (ottenuta prima di sessioni di allenamento sia). </li></ol> 2. Materiali <ol><li> Montare il partecipante con una presa di custom-built. Allegare una protesi in commercio secondo le istruzioni del produttore. Dotare la mano protesica con componenti prototipo che permettono ad azionamento flessione del polso, l&#39;estensione e la rotazione. Ciò consente al partecipante di controllare la mano con 3,5 gradi di libertà (DOF) (Tabella 1). Nota: In questo esperimento è stata utilizzata una mano Michelangelo (vedi Materiali List). Altri dispositivi terminali in grado di polso di rotazione, flessione ed estensione, insieme con funzioni di presa standard, sarebbe anche opportuno. </li><li> Segnali EMG registrare utilizzando otto elettrodi segnale grezzo equidistante posizionati intorno al moncone,e un sistema di decodifica di bordo alla velocità di campionamento di 1000 Hz e digitalizzato con profondità di 10 bit. Eseguire la filtrazione iniziale e amplificazione all&#39;interno degli elettrodi stessi secondo le specifiche del fornitore. Utilizzare un personal computer (PC) per condurre l&#39;elaborazione principale, che comunica con l&#39;hardware di acquisizione e controlla la protesi tramite una connessione wireless. Nota: In questo studio gli elettrodi EMG di superficie e del sistema di bordo di decodifica (AxonBus) utilizzati erano di Otto Bock. Altri produttori di dispositivi simili potrebbero fornire risultati utili. La connessione wireless era via Bluetooth, e similmente altre modalità può essere applicata. </li></ol> 3. algoritmo di controllo <ol><li> Usare un algoritmo di controllo che fornisce il controllo simultaneo e proporzionale protesi su più gradi di libertà. 21 L&#39;algoritmo utilizzato in questo studio è stata una decisione a due stadi fare paradigma, in modo che dipendente dal contesto movimento stima era possibile. </li><li>Al momento della formazione del sistema, che contiene tutti i movimenti controllabili DOF singoli, registrare un elettromiogramma arrivo (EMG). </li><li> Nella prima fase, valutare le informazioni dimensionali intrinseco del movimento desiderato in base alla distanza di Mahalanobis del appena calcolato funzione EMG vettore dai dati di addestramento. Prendere una decisione sul fatto che l&#39;intenzione dell&#39;utente è stato quello di effettuare una multa di un movimento simultaneo di 2 DOF grossolana 1-DOF o. Nota: Mahalanobis distanza di un vettore di feature x alla classe I, con la classe intendo vettore μ i e matrice di covarianza Σ i è calcolato come: <img alt="Equazione 1" src="/files/ftp_upload/52968/52968eq1.jpg" /> Come descritto in Amsuess et al, la funzione vettoriale appena calcolato viene mappato al alto spazio dimensionale e la distanza di Mahalanobis del punto trasformato qualsiasi punti di classe addestrati viene preso come misura di novità. 21 Un empiricamentedeterminata soglia che dà la distanza decisione di novità (2-DOF) o meno (1-DOF). </li><li> Nella seconda fase, sulla base della decisione precedente, utilizzare uno dei due stimatori paralleli - uno trattare con i movimenti sequenziali (SEQ-E) e gli altri movimenti simultanei manipolazione (SIM-E) - per fornire i segnali di controllo per la protesi. Nota: SEQ-E è in sostanza uno stimatore proporzionale (cioè, la forza di contrazioni muscolari) basato su modelli spaziali comuni (CSP) 21, mentre SIM-E è un regressore lineare, che dirige contemporaneamente 2 DOF del polso. </li></ol> Quadro 4. Software Nota: Il framework software utilizzato in questo studio ha permesso gestione della comunicazione tra l&#39;hardware protesica e l&#39;algoritmo di controllo incorporato. E &#39;offerto anche strumenti di formazione visiva di supporto necessari per massimizzare la formazione dei partecipanti. <ol><li> Visualizza la quadratico medio (RMS) della EMG segnali raccolti dai 8 elettrodi posizionati equidistanti in una forma di un diagramma polare di ampiezza EMG in funzione della posizione degli elettrodi. Questo feedback visivo consente facile controllo della distribuzione spaziale della EMG nel piano trasversale dell&#39;avambraccio. Utilizzando una tale impostazione, ognuno dei movimenti degli utenti può quindi suscitare un modello distinto 22 nel diagramma polare, che possono poi essere salvati e utilizzati per allenarsi per la ripetibilità del gesto specifico. Nota: Il quadro consente la raccolta dei dati EMG nel modo pattern recognition standard 23 Per ciascun canale EMG RMS oltre 40 msec è calcolato come. <img alt="Equazione 2" src="/files/ftp_upload/52968/52968eq2.jpg" /> con conseguente osservazioni per ogni finestra insieme. </li><li> Per la taratura iniziale raccolgono contrazione volontaria valori per ciascun massima a lungo termine (MLVC) destinati movimento. Prompt il partecipante utilizzando la mano del dimostratore di svolgereil movimento desiderato dando istruzioni vocali e visive per 5 sec. </li><li> Dopo la calibrazione, presentare il partecipante con una serie di segnali trapezoidali. Questi profili di forza contengono set plateau al 30%, 60% e il 90% del massimo calibrata. </li><li> All&#39;interno di ogni prova, istruire il partecipante per guidare il puntatore rosso lungo lo spunto modulando il livello di forza del moto richiesto (Figura 1). La posizione verticale del puntatore corrisponde ai valori RMS sommato per tutti gli otto canali. Impostare la durata della prova di 5 sec con intervallo plateau corrispondente al centro 3 sec. </li></ol> 5. Naïve Sessione Nota: Durante la sessione di allenamento ingenuo, il partecipante non aveva alcuna esperienza precedente del sistema di controllo protesico utilizzato in questo studio. <ol><li> Non dare il partecipante alcuna formazione clinica formale, ma solo indicare che 8 azioni del moncone, di cui uno è uno stato di riposo,consentirà il controllo di un bersaglio visiva sullo schermo del computer. Questi compiti sono simili a quelli utilizzati in riconoscimento classico pattern approcci per il controllo protesica 23, e per tali metodi il partecipante in questo studio avevano circa 60 hr dell&#39;esperienza precedente. </li><li> Visualizzare i movimenti richiesti sullo schermo in termini di testo e un&#39;immagine statica mentre a seguito di un segnale visivo (Figura 1). </li><li> Mostra il partecipante suoi schemi di attivazione EMG, che corrispondono a otto diagrammi polari specifici e unici (Figura 2). </li><li> Utilizzare le istruzioni udibili per incoraggiare i partecipanti a seguire il suggerimento visivo. Queste istruzioni udibili devono essere identici se utilizzati nella sessione di formazione strutturato. </li><li> Ripetere le operazioni per tre volte con diverse posizioni del braccio (rilassato, raggiungendo davanti, raggiungendo attraverso) per migliorare la formazione del sistema. Tenete a mente che ci sono 8 diverse azioni e tre livelli di forza, una volta che tutte le posizioni delle braccia sono coperti,Ingresso formazione sistema riassume al totale di 72 campioni individuali. </li><li> Una volta completato, consentirà al partecipante la possibilità di praticare il controllo in tempo reale prima di completare la valutazione dell&#39;esito SHAP. </li><li> Assicurarsi che il partecipante non ha accesso agli algoritmi protesi e di controllo personalizzati oltre la fine della sessione ingenuo. </li></ol> 6. Structured Training Session <ol><li> Tre mesi dopo la seduta ingenuo, eseguire una sessione di allenamento strutturato. </li><li> Struttura della sessione nei seguenti passaggi ordinati (Figura 3): <ol><li> Per imitazione, istruire il partecipante direttamente imitare le otto azioni desiderate (Tabella 1) eseguita dal manifestante in tempo reale. Eseguire ogni azione per 3 secondi. </li><li> Per la ripetizione, chiedere al partecipante di ripetere l&#39;azione che è stato imitato per 10 volte, in modo che ogni azione viene eseguita per 30 sec. </li><li> Per di rinforzo e di computer sysformazione tem, chiedere ai partecipanti di impegnarsi ora con feedback visivo del computer, che è esattamente la stessa impostazione della sessione naïve. Verificare che non vi è alcuna differenza tra queste due sezioni. </li><li> Per il controllo protesi, chiedere al partecipante di praticare controllo in tempo reale della protesi su misura prima di completare la valutazione risultato. </li></ol></li><li> Durante l&#39;imitazione, ospitare il partecipante a un angolo di 45 ° il dimostratore e fornire una visione completa e senza ostacoli della mano del manifestante corrispondenza del lato affetto del partecipante durante tutte le azioni (Figura 4). Nessun segnali visivi provenienti da uno schermo di computer dovrebbero essere a disposizione del partecipante in questo momento. </li><li> Per ripetizione, durante le azioni del partecipante, hanno il manifestante osservare la corrispondente attività EMG rappresentato dai diagrammi polari di ogni movimento (Figura 4). Una volta che il dimostratore ha stabilito che il participant può produrre pattern di attivazione EMG unici e ripetibili per ogni movimento, chiedere al partecipante di ripetere le azioni per 30 secondi senza indizi visivi. Nota: Ci sono complessivamente 8 azioni uniche - sette di loro (polso pronazione / supinazione, flessione del polso / estensione, a mano aperta, caposquadra e pinch fine) che richiedono attivazione muscolare, e l&#39;ottavo di essere alcuna azione che rappresenta uno stato di rilassamento costante. </li><li> Dopo rinforzo e sistema di training computer, presenterà il partecipante con feedback visivo delle sue otto azioni, esattamente come si è visto nella sessione ingenuo, che corrispondono agli otto diagrammi polari uniche e specifiche sullo schermo del computer (Figura 3). Per ottimizzare le prestazioni, chiedere al partecipante di eseguire le azioni durante la visualizzazione dei grafici polari in tempo reale con sovrapposizioni in movimento registrate a rafforzare l&#39;apprendimento, di solito tra 2-4 tentativi per ogni movimento. Una volta che fiducioso il partecipante può quindi completare le stesse operazioni esatti che erano perf<html> ORMED nella sessione ingenuo. </li></ol> 7. protesica controllo <ol><li> Utilizzare i set di dati formazione da ogni sessione per calibrare e regolare la protesi per il controllo in tempo reale. </li><li> Inizialmente, consentire solo il partecipante di controllare le protesi dal controllo proporzionale sequenziale, cioè, un movimento alla volta, con la velocità del dispositivo proporzionale ai livelli di contrazioni muscolari. </li><li> Dopo ciascuna delle otto azioni vengono eseguite in modo ripetibile e affidabile, commutare il sistema di controllo per il controllo proporzionale e simultaneo, permettendo più di un movimento del polso alla volta. </li><li> Sono i semplici compiti pratica partecipante, come ad esempio prendendo una bottiglia e posa su un fianco (2 tentativi è sufficiente). Consentire un periodo di riposo prima di eseguire la valutazione risultato. Nel caso di questo studio, 2 ore di riposo per la sessione naive, e 24 ore di riposo per la sessione strutturato. </li></ol>TITOLO &quot;&gt; 8. Risultato di misura <ol><li> Valutare la funzione globale arti superiori sia nelle sessioni di formazione ingenue e strutturate utilizzando il SHAP, che controlla la mano e la funzione degli arti superiori strettamente correlati alle attività della vita quotidiana (ADL). I compiti svolti nel SHAP includono luce manipolazione e oggetti pesanti, nonché i compiti di ADL come il taglio di un oggetto con un pulsanti coltello o rovina. La SHAP è stato convalidato per la valutazione della funzione della mano patologico e protesica. 24 Nota: Questa misura è stato scelto come partecipante a questo studio era stato regolarmente seguito con questa misura di outcome dal suo team clinico. </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>

Gli autori dichiarano interessi finanziari concorrenti.

I nostri risultati suggeriscono per il partecipante in questo studio che la formazione strutturata ha contribuito a migliorare il controllo di una protesi della mano multifunzionale durante una singola sessione. Il programma strutturato utilizzato qui era una combinazione di imitazione, la ripetizione e il rafforzamento dei movimenti della mano che il partecipante non è stato in grado di completare con la mano protesica tradizionale. Anche se il partecipante ha ottenuto superiore con la pro...

Sostituzione funzione della mano in amputati è uno sforzo difficile. Coordinare i movimenti altamente qualificati della mano non è una capacità innata, e gli esseri umani vogliono anni per imparare a sviluppare. 1-5 Dopo la perdita traumatica di una mano, replica questa capacità mediante protesi non è un&#39;operazione banale e può richiedere un periodo di apprendimento prolungato . Progettazione protesica e metodi di interfacciamento per il loro controllo sono soggetti a rapida innovazione tecnologica, con l&#39;obiettivo del controllo multifunzionale in modo naturale. 6 La complessità di questi sistemi di controllo aumenta notevolmente per fornire più funzioni per amputati. Per garantire un controllo accurato di tali sistemi, e di ridurre l&#39;abbandono delle nuove tecnologie, occorre stabilire formazione adeguata. Questo è probabilmente più successo se si basa su strategie di apprendimento inerenti gli amputati. Vision può svolgere un ruolo importante durante leARNING di movimenti della mano. Studi comportamentali hanno dimostrato che osservando le azioni degli altri 7 o utilizzando segnali visivi 8, individui normodotati imparano e coordinare nuovi movimenti. Attraverso un processo di osservazione, comprensione e l&#39;esecuzione di un&#39;azione osservata, gli individui sono in grado di imitare le azioni degli altri. Reti corticali specifici, che possono includere un sistema di neuroni specchio (MNS), si ritiene essere alla base di questa funzionalità, e possono avere un ruolo nel controllo protesi. 9-11 Il ruolo dell&#39;imitazione potrebbe non solo essere limitato a eseguire azioni che sono già state viste, ma insieme con il MNS, consente l&#39;esecuzione di movimenti che non sono ancora stati osservati ma estrapolati dal repertorio motorio dell&#39;osservatore. 12, infatti, l&#39;imitazione non possono necessariamente essere un&#39;abilità innata, ma una accruement delle capacità motorie nel tempo che portano ad azioni più esperti e sofisticati. 13 La strength di osservare le azioni, oltre semplicemente immaginarle, ha dimostrato di migliorare l&#39;apprendimento di nuove attività. 14 Pertanto, l&#39;imitazione può essere un approccio pragmatico per amputati di formazione, come l&#39;evidenza suggerisce che un processo diretto obiettivo 15, con l&#39;obiettivo in ambito riabilitativo di abilitare la funzione della mano protesica utile. Studi riabilitazione hanno dimostrato separatamente che segnali visivi, come le simulazioni virtuali di una mano protesica, incoraggiano amputati durante formazione di riabilitazione. 16 Inoltre, l&#39;uso della ripetizione quando è condotto in un paradigma bloccato ha dimostrato di consentire una rapida formazione di arto superiore protesico controllo. 17 Mentre simulazioni virtuali hanno dimostrato di essere altrettanto efficace come un reale controllo di protesi di mano per consentire agli utenti abili-corpo per controllare i dispositivi mioelettriche, 18 il loro effetto sulla amputati utilizzano misure di outcome standardizzate non è chiaro. Infine, dove i protocolli per AMPU arto superioreformazione zione esiste, il ruolo dell&#39;imitazione nell&#39;apprendimento del controllo protesi non è esplicitamente discussa. 19,20 Questo studio mira a capire se l&#39;uso di imitazione, in combinazione con la ripetizione e rinforzo, ha un impatto positivo sulla apprendimento del controllo protesico multifunzionale come parte di un programma di formazione strutturato. Presentato qui è un caso di un amputato transradiale che è stato addestrato ad usare una mano protesica multifunzionale. Il partecipante aveva già abituate ad operare protesi tradizionali mioelettriche. Usando segnali visivi, sia sotto forma di imitazione di un dimostratore sana e semplice computer di feedback visivo, il amputato rapidamente migliorato la gestione del suo nuovo dispositivo.

<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

Advances in sistemi robotici hanno portato protesi per l&#39;arto superiore che può produrre movimenti multifunzionali. Tuttavia, questi sistemi sofisticati richiedono amputati di arto superiore per imparare schemi di controllo complessi. Gli esseri umani hanno la capacità di apprendere nuovi movimenti attraverso l&#39;imitazione e altre strategie di apprendimento. Questo protocollo descrive un metodo di riabilitazione strutturato, che comprende l&#39;imitazione, la ripetizione, e apprendimento per rinforzo, e mira a valutare se questo metodo può migliorare il controllo protesi multifunzionale. Una sinistra sotto il gomito amputato, con 4 anni di esperienza in uso protesico, hanno partecipato a questo caso di studio. La protesi è stata utilizzata una mano di Michelangelo con la rotazione del polso, e le caratteristiche aggiunte di flessione del polso ed estensione, che ha permesso più combinazioni di movimenti della mano. Il partecipante Procedura di Valutazione Southampton mano punteggio migliorato 58-71 seguente formazione strutturata. Questo suggerisce che un protocollo di formazione strutturato imitzione, la ripetizione e rinforzo possono avere un ruolo per imparare a controllare una nuova mano protesica. Uno studio clinico più grande è però necessario per supportare questi risultati.

Le prestazioni di base SHAP del partecipante con la sua protesi quotidiana era 81 quando misurata dal personale clinico 8 mesi prima del test. Un punteggio SHAP di 100 rappresenta la funzione della mano normodotati. 24 Il partecipante ha ottenuto un punteggio complessivo di 58 SHAP durante la sessione ingenuo con il sistema di controllo della protesi più avanzato. Tuttavia, dopo 3 mesi e senza ulteriore interazione con il nuovo sistema, oltre alla formazione strutturato, il partecipante ha ottenuto un punteg...

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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 protocollo riabilitativo strutturato per Improved multifunzionale protesica di controllo: un caso di studio

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

9.4K Views.  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.

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

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 completamente automatizzata Roditore condizionata Protocollo per Sensomotoria Integrazione e esperimenti di controllo cognitive

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

Ricerca

Comportamento

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.

Il 5-Choice reazione Serial Attività temporizzata: un lavoro di Attenzione e Impulse controllo per roditori

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 protocollo per Mice Housing in un ambiente arricchito

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.

Impostazione multifunzionale per lo studio di controllo del motore umano Utilizzando la Stimolazione Magnetica Transcranica, Elettromiografia, Motion Capture, e la realtà virtuale

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

Neuro-rehabilitation Approach for Sudden Sensorineural Hearing Loss

Sudden sensorineural hearing loss (SSHL) is characterized by acute, idiopathic hearing loss. The estimated incidence rate is 5-30 cases per 100,000 people per year. The causes of SSHL and the mechanisms underlying SSHL currently remain unknown. Based on several hypotheses such as a circulatory disturbance to the cochlea, viral infection, and autoimmune disease, pharmaco-therapeutic approaches have been applied to treat SSHL patients; however, the efficacy of the standard treatment, corticosteroid therapy, is still under debate. Exposure to intense sounds has been shown to cause permanent damage to the auditory system; however, exposure to a moderate level enriched acoustic environment after noise trauma may reduce hearing impairments. Several neuroimaging studies recently suggested that the onset of SSHL induced maladaptive cortical reorganization in the human auditory cortex, and that the degree of cortical reorganization in the acute SSHL phase negatively correlated with the recovery rate from hearing loss. This article reports the development of a novel neuro-rehabilitation approach for SSHL, &#34;constraint-induced sound therapy (CIST)&#34;. The aim of the CIST protocol is to prevent or reduce maladaptive cortical reorganization by using an enriched acoustic environment. The canal of the intact ear of SSHL patients is plugged in order to motivate them to actively use the affected ear and thereby prevent progress of maladaptive cortical reorganization. The affected ear is also exposed to music via a headphone for 6 hr per day during hospitalization. The CIST protocol appears to be a safe, easy, inexpensive, and effective treatment for SSHL.

This article reports the development of a neuro-rehabilitation approach, "constraint-induced sound therapy (CIST)" for sudden sensorineural hearing loss. The aim of CIST is to prevent maladaptive cortical reorganization by using an enriched acoustic environment. CIST represents a safe, easy, inexpensive, and effective approach to treat sudden sensorineural hearing loss.

Approccio Neuro-riabilitazione per improvvisa neurosensoriale Hearing Loss

Sudden sensorineural hearing loss (SSHL) is characterized by acute, idiopathic hearing loss. The estimated incidence rate is 5-30 cases per 100,000 people ...

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.

Potenziali evento-correlati durante le attività target-risposta per studiare i processi cognitivi di Upper Limb uso nei bambini con paralisi cerebrale unilaterale

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.

Protocollo per la raccolta di dati e analisi applicata a Automated viso Tecnologia Espressione Analisi e analisi temporale per la valutazione organolettica

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

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.

Una funzione motoria animale singola romanzo Tracking System utilizzando il Software semplice, prontamente disponibile

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.

Una galleria del vento per odore mediata saggi comportamentali dell'insetto

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.

Utilizzando la Toolchain di animazione FishSim per indagare il comportamento dei pesci: un caso di studio su Mate-scelta copia In Mollies Sailfin