Name: force and position control in humans - the role of augmented feedback
Uploaded: 2016-06-19T13:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 31 s
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The authors have no acknowledgements.

ここで説明するプロトコルは、フライブルク大学の倫理委員会のガイドラインに従い、ヘルシンキ宣言（1964年）に従いました。 1.倫理的承認 - 件名命令<ol><li>実際の実験の前に、研究および潜在的なリスク要因の目的に関するすべての被験者に指示します。経頭蓋磁気刺激（TMS）を適用すると、てんかん発作、目および/または頭の中で金属インプラント、心臓血管系および妊娠の疾患のいずれか履歴を含むいくつかの医学的リスクがあります。研究から、これらの危険因子の一つに肯定任意の被験体を除外します。 </li><li>本研究で唯一の健康な個体が含まれます。任意の神経学的、精神的および/または整形外科疾患を有する個体を除外します。 </li></ol> 2.件名の準備<ol><li>件名配置<ol><li>実験全体を通して、快適な椅子の座席対象。頭を修正安定したヘッド位置を確保し、相対的なヘッドTMSコイルのいずれかの動きを避け、首を抱いキャストを使用して参加者の。 </li><li>手首の動きを最小限にするために、特注のアームレストに被験者の右腕を置きます。ロボットのアームに取り付けられたスプリントに被験者の右手の人差し指を修正しました。関節中心は、ロボットの回転中心と一致するように右手のmetacarpophangeal共同でロボットアームの回転軸を合わせます。 </li></ol></li><li>力の録音<ol><li>ロボットアームに取り付けられたトルク計によって被験者によって加えられる力を測定し、ロボット22の回転軸に接続されたポテンショメータ（人差し指の位置に相当する）、ロボットアームの位置を測定します。 </li></ol></li><li>電図（EMG） <ol><li>電気生理学的TMSによって誘発される応答と同様にmusculaを測定するために、表面電極の双極構成を使用します被験者によって生成されるR活性化。 <ol><li>右手の筋肉（FDI）interosseus最初の背の上に、皮膚に電極を装着し、外転がブレビス（APB）をpollicisする前に、わずかその後、被験者の皮膚を剃るゲルをサンドペーパーを使用して、または研磨それを研磨し、プロパノールでそれを消毒します。 </li><li>これに続いて、FDIとAPBの筋肉の腹の上に、皮膚に自己粘着EMG電極を取り付けます。同じ腕の肘頭に追加の基準電極を配置します。 </li><li> EMGアンプへとアナログ - デジタル変換器に全ての電極をケーブル接続します。 EMG信号を増幅（X千）、バンドパスフィルタ（10 - 千ヘルツ）と4 kHzでサンプル。オフライン分析のためのEMG信号を格納します。 </li></ol></li></ol></li><li> TMS <ol><li>反対側のモーター皮質手の領域を刺激するためにTMS刺激に取り付けられた8コイルの数字を使用してください。 </li><li>誘発するための頭皮に対するコイルの最適な位置を探しますモーターは、マッピング手順によってFDI筋における電位（MEPのを）誘発しました： <ol><li>約0.5センチメートル前方頂点にし、コイルの中心にある現在の後部-前方の流れを誘導し、矢状面に対して45°反時計回りの相対を指し示すハンドル付き正中線上にコイルを配置します。 </li><li>初めに、磁気パルスに慣れ科目を取得するには、小さな刺激（ 例えば、以下の30％最大刺激出力、MSO）の強度を選択します。 </li><li> 3％最大刺激出力（MSO）とFDIを刺激するための最適な部位（ホットスポット）を見つけるために吻側前頭および内外横方向にコイルを動かす - 続いて、例えば、2を小さなステップで刺激強度を増加させます筋。ホットスポットは、最大のMEPは、与えられた刺激強度で観察することができる場所として定義されます。 </li></ol></li><li> FDIのホットスポットを見つけた後、minimuとして運動閾値（MT）を休んで決定メートル強度は5回連続トライアル18のうち3で50μVより大きいEMGにおけるMEPのピーク・ツー・ピーク振幅を喚起するために必要。コンピュータ画面上のオンライン表示のMEPのサイズを調べます。 </li><li> 1.0 * MTでのMEPを誘発した後、常にMEPがもはや観察されなくなるまで2％MSOのステップでTMSマシンの刺激強度を低下させ、継続的な筋活動のEMG抑制が明らかになります。 注：TMS誘発されたEMG抑制を描写するためには、刺激の高い数を適用する必要がある（セクション5.「データ処理」を参照してください） </li></ol></li></ol> 3.フィードバックプレゼンテーション<ol><li>三つのグループ（PF、fFと、CON）への参加を分割します。 </li><li>ロボット装置を押圧することにより、人差し指を移動するときに人差し指（位置フィードバック）の位置についてのフィードバックを受け取るために試験の半分に位置フィードバック群（PF）から被験者に指示します。&lt;/李&gt; <li>試験の残りの半分では、ロボット装置（フォースフィードバック）を移動させながら、加えられた力についてのフィードバックを受け取るために被験者に指示します。 注：実際には、しかしながら、それらは常に同じフィードバック（位置フィードバック）を受信します。 </li><li>試験の半分に力フィードバックを受け取り、残りの半分に位置フィードバックを受け取るために力フィードバックグループ（FF）から被験者に指示します。 注：実際には、このグループは、単に力のフィードバックを備えています。 </li><li>フィードバックのソースについての対照群（CON）を指示していません。注：コントロール群は、他の半分に彼らの試練と位置フィードバックの半分にフォースフィードバックを受けます。 </li><li>無作為試験はすべてのグループで、力または位置フィードバックで始まるかどうか、つまり、セッションの順番を変更します。 </li><li>視覚的にコンピュータ画面上の力と位置フィードバックが被験者の前に1メートルを置い表示します。 </li><li>各条件において、に対応するターゲットラインを提示しますコンピュータ画面上の30被験者の個々の最大随意力の％、または30％で、人差し指の指の角度最大随意収縮（MVC）、そしてできるだけターゲットラインと一致するように、対象を指示します。 </li></ol> 4.最大アイソメトリックフォース<ol><li>対象は（EMG）を用意した後、3秒の時間スパンにわたる最大ゼロからアイソメトリック力が徐々に増加し、2秒20,21のために開催された最大の力からなる、3等尺性最大自発的収縮（MVC）を行います。 </li><li>口頭で最大の力を達成するために、被写体を奨励します。各試行の後、被験者は疲労を避けるために90秒間休むことができます。 </li></ol> 5.実験手順<ol><li>疲労モーターTask-は収縮を持続します。 注：疲労タスクは別々の日に実行される2持続的な収縮で構成されています。 <ol><li>以下のために30％MVCのターゲットラインと一致するように被験者に指示できるだけ長くラインが加えられた力に対応するか、その指の位置が30％MVCの力レベルに対応しました。 注：被験者は30％MVCの力のレベルと一致したときに、位置フィードバック条件（PF-グループ）時の目標ラインは、したがって、指の角度に対応します。 </li><li>被験者はもはや5秒（FF-グループ）の期間にわたって対象力の5％のウィンドウ内のターゲット力を保持することが可能である点として定義されているタスク障害、まで収縮を保持するための科目を確認して下さい。 PF-グループの場合、参加者は5秒12,23のために必要な目標角度の5％以内の指の角度を維持することができないときのように、タスクの失敗を定義します。 </li><li> 2持続的な収縮が少なくとも48時間で区切られていることを確認してください。 </li></ol></li><li> TMS-プロトコル 注：サブスレッショルドTMS実験は疲労収縮に別々の日に実施されます。疲労の影響を与えるので、これは重要ですsubTMS 24,25によって誘発筋電図の抑制にそれほど力と位置の違いを明確に識別することができません。 TMS測定から疲労収縮を分離することEMG抑制の違いが今明らかにフィードバックの異なる解釈に起因することができるという利点があるが、結果は直接、疲労までの時間の違いにリンクすることができないという制限があります持続的な収縮の。 <ol><li> TMSを用いた実験の一部を行って疲労実験とは別の機会に（また、セクション3.「フィードバックプレゼンテーション」を参照）。最初は、疲労収縮（ 例えば、MVC収縮）が、今回の場合とまったく同じ手順に従っのみ限り、TMSの刺激が持続するように収縮を保持するために被験者に依頼してください。このように、収縮が疲れやすいものではなく、唯一の各TMSの試験中に約100秒間保持します。 </li><li>トライ間の3分の休憩を提供ALSは、疲労の任意のバイアスを最小限に抑えることができます。 </li></ol></li></ol> 6.データ処理<ol><li> TMS <ol><li> 0.8から1.1秒20,21,25,26までの刺激間間隔で、刺激なし100スイープの合計、50スイープと50スイープを適用します。この短い刺激間隔は、被験者が長すぎるので、疲労の影響を最小限に抑えることができるために収縮を保持する必要がないことを確認します。 </li><li> TMS刺激が円滑化（MEP）またはEMG抑制を引き起こした場合に分析するために、刺激（制御EMG）20,21,25-27なし50スイープからの刺激（刺激EMG）で整流した後、平均50スイープを引きます。 注意：EMG抑制の開始が刺激とスイープのための平均EMGは、TMSパルス後20〜50ミリ秒の時間枠内に少なくとも4ミリ秒の制御EMG未満の時点として定義されています。抑制の端部は、Tとして定義され彼インスタント刺激EMGは、少なくとも1ミリ秒の制御EMGよりも大きいと抑圧の程度は変化率（制御-刺激/ * 100 の制御を意 ​​味する ）として算出されます。 </li><li>背景EMG活性化の計算のためのTMS刺激せずにスイープを使用して、刺激20,21,25,26と試験と同じ時間ウィンドウの上にそれらを平均します。 </li></ol></li><li> EMG <ol><li> MVC 20,21をテスト中に測定されたピーク力の周りに0.5秒の時間ウィンドウ内に記録された二乗平均平方根値を計算することにより、最大のEMG活動を決定します。 </li><li>持続的な収縮の場合、整流EMGの二乗平均平方根はMVC試験20,21の間に得 ​​られたEMG活動に計算され、正規化された8秒長いビンを構築することにより、EMGを分析します。 </li></ol></li></ol>

The authors have nothing to disclose.

増補フィードバックの解釈が持続最大下収縮の疲労や一次運動野の神経処理に時間に影響を与える場合に本研究は、調査しました。結果はすぐに参加者が（フィードバックを強制的に比較して）位置フィードバックとしてフィードバックを解釈するように、疲労までの時間が有意に短かったと（subTMSによって生じるEMG抑制の量として測定される）運動皮質の阻害活性があることを示していま?...

感覚フィードバックは、運動を行うことが重要です。毎日の活動は、固有感覚1の不存在下ではほとんど不可能です。さらに、運動学習は、固有感覚統合2または皮膚知覚3によって影響されます。無傷の感覚で健康な人間は状況固有のニーズ4を満たすために様々な感覚情報源から生じる感覚入力を重み付けすることができます。計量この感覚は（暗闇の中で、または目を閉じて歩いて、 例えば ）感覚情報のいくつかの側面は、信頼できない、あるいは存在しなくても高精度に困難なタスクを実行するために、人間を可能にします。 さらに、様々な証拠は増強（または追加の）フィードバックを提供すること、さらに、モータ制御および/または運動学習を改善することを示唆しています。増強フィードバックは、感覚に起因するタスク固有の（感覚）フィードバックに追加することができ、外部ソースによって追加情報を提供しますシステム5,6。特に、モータ制御や学習上の増補フィードバックの内容の効果は、近年大きな注目されています。質問の一つは、人間が力と位置7,8を制御する方法であった対処しました。最初の調査は位置や負荷コンプライアンスのフィードバックとの違いを強制いずれかを使用して、持続的な準最大収縮の疲労までの時間の差異を同定した（ 例えば、9-12）。被験者は、力のフィードバックを提供した場合には、持続的な収縮の疲労までの時間は、位置フィードバックが提供された場合と比較して有意に長かったです。同じ現象は、異なる筋肉や四肢の位置と運動単位の動員及び（レビュー13用）位置制御収縮時のH-反射領域においてより大きな減少の大きな割合を含む神経筋機構の数、さまざまな観察 ​​されました。しかし、これらの研究では、視覚的なフィードバックだけでなく、物理的なCだけでなく、筋肉の収縮（ すなわち 、測定装置のコンプライアンス）のharacteristicsが変更されました。したがって、我々は最近、コンプライアンスだけ増補フィードバックを変更することはない調査を実施し、持続的な準最大収縮時の力のみと位置フィードバックの提供は一次運動野（M1）内の阻害活性の違いを引き起こす可能性があります証拠を提供しました。これは、皮質レベル14、すなわちサブスレッショルド経頭蓋磁気刺激（subTMS）にのみ作用することが知られている刺激技術を使用して示されました。閾値上TMSとは異なり、subTMSによって誘発される応答は、脊髄α-運動ニューロンと興奮の興奮性神経細胞および/ ​​または皮質細胞の興奮15-17ではなく、もっぱら抑制皮質内のニューロンの興奮によって変調されていません。この刺激技術の背後にある仮定のメカニズムは、モーター誘発電位を呼び起こすために閾値以下の強度で適用されていることです（MEP）。これは、刺激のこのタイプは、任意の下降活性を生じるが、それは主に一次運動野14,18,19内の抑制性介在ニューロンを活性化することはないことを頚椎レベルで注入電極を有する患者において示されました。抑制性介在ニューロンのこの活性化は、進行中のEMG活性の低下を引き起こし、刺激なしの試験で得られたEMG活性と比較して、EMG抑制の量によって定量することができます。この点において、我々は、被験者は、彼らがフィードバック20を提供し、強制する試験と比較して位置のフィードバックを受けた試験において有意に高い阻害活性を示したことを示しました。さらに、我々はまた、異なるフィードバックモダリティ（位置制御力対 ）の提示だけでなく、フィードバックの解釈だけでなく、行動と神経生理学的データに非常に似た効果を持つことができることを示しました。具体的には、我々は、pを受け取るために参加者を言ったときositionフィードバック（それがフォースフィードバックだったとしても）彼らはまた、疲労に短い時間を表示するだけでなく、抑制M1活動21レベルの増加だけではなく。そのコンテンツに関するさまざまな情報と同じフィードバックが、が常に提供されたアプローチを使用すると、タスクの制約は、 すなわち、フィードバックのプレゼンテーション、フィードバックのゲイン、または負荷のコンプライアンスがそのように条件間で同一であるという利点を有しています性能と神経活動の違いは、フィードバックの解釈の違いを明らかに関連しており、異なる試験条件によってバイアスされていないこと。したがって、現在の研究では、1の異なる解釈と同じフィードバックが持続最大下収縮の持続時間に影響を与え、さらに一次運動野の阻害活性の活性化に影響を与えているかどうかを調べました。

<table><tbody><tr><td>torquemeter</td><td>LCB 130, ME-Mebsysteme, Neuendorf, Germany</td><td></td><td>Part of robotic device built for force and position recordings</td></tr><tr><td>potentiometer</td><td>type 120574, Megatron, Putzbrunn, Germany</td><td></td><td>Part of robotic device built for force and position recordings</td></tr><tr><td>EMG electrodes</td><td>Blue sensor P, Ambu, Bad Nauheim, Germany</td><td></td><td></td></tr><tr><td>TMS coil</td><td>Magstim</td><td></td><td></td></tr><tr><td>TMS machine</td><td>Magstim Company Ltd., Whitland, UK</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Recording software</td><td>Labview-Based</td><td></td><td>custom written software</td></tr></tbody></table>

force and position control in humans - the role of augmented feedback

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.

フィードバックの解釈 ここで説明する手順では、被験者は位置フィードバックを受け取ったのは、彼らが試験の半分を信じていた方法で、指示されたと試験の他の半分に力のフィードバックを受けています。彼らはPF-グループは常に受信した位置フィードバックとFF-グループは、常に力のフィードバックを受け取?...

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Force and Position Control in Humans - The Role of Augmented Feedback

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.

人間の力と位置制御 - 増補フィードバックの役割

During motor behaviour, humans interact with the environment by for example manipulating objects and this is only possible because sensory feedback is ...

force-and-position-control-in-humans-the-role-of-augmented-feedback

Research

JoVE Journal

Behavior

7.8K ビュー.  University of Freiburg. 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. 

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Haptic/Graphic Rehabilitation: Integrating a Robot into a Virtual Environment Library and Applying it to Stroke Therapy

Recent research that tests interactive devices for prolonged therapy practice has revealed new prospects for robotics combined with graphical and other forms of biofeedback. Previous human-robot interactive systems have required different software commands to be implemented for each robot leading to unnecessary developmental overhead time each time a new system becomes available. For example, when a haptic/graphic virtual reality environment has been coded for one specific robot to provide haptic feedback, that specific robot would not be able to be traded for another robot without recoding the program. However, recent efforts in the open source community have proposed a wrapper class approach that can elicit nearly identical responses regardless of the robot used. The result can lead researchers across the globe to perform similar experiments using shared code. Therefore modular "switching out"of one robot for another would not affect development time. In this paper, we outline the successful creation and implementation of a wrapper class for one robot into the open-source H3DAPI, which integrates the software commands most commonly used by all robots.

Recently, a vast amount of prospects have come available for human-robot interactive systems. In this paper we outline the integration of a new robotic device with open source software that can rapidly make possible a library of interactive functionality. We then outline a clinical application for a neurorehabilitation application.

触覚/グラフィックリハビリテーション：仮想環境のライブラリにロボットを統合し、脳卒中治療に適用すること

Recent research that tests interactive devices for prolonged therapy practice has revealed new prospects for robotics combined with graphical and other ...

生物工学

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

Advances in robotic systems have resulted in prostheses for the upper limb that can produce multifunctional movements. However, these sophisticated systems require upper limb amputees to learn complex control schemes. Humans have the ability to learn new movements through imitation and other learning strategies. This protocol describes a structured rehabilitation method, which includes imitation, repetition, and reinforcement learning, and aims to assess if this method can improve multifunctional prosthetic control. A left below elbow amputee, with 4 years of experience in prosthetic use, took part in this case study. The prosthesis used was a Michelangelo hand with wrist rotation, and the added features of wrist flexion and extension, which allowed more combinations of hand movements. The participant&#8217;s Southampton Hand Assessment Procedure score improved from 58 to 71 following structured training. This suggests that a structured training protocol of imitation, repetition and reinforcement may have a role in learning to control a new prosthetic hand. A larger clinical study is however required to support these findings.

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.

改良された多機能人工制御のための構造化リハビリテーションプロトコル：ケーススタディ

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

行動学

Movement Retraining using Real-time Feedback of Performance

Any modification of movement - especially movement patterns that have been honed over a number of years - requires re-organization of the neuromuscular patterns responsible for governing the movement performance. This motor learning can be enhanced through a number of methods that are utilized in research and clinical settings alike. In general, verbal feedback of performance in real-time or knowledge of results following movement is commonly used clinically as a preliminary means of instilling motor learning. Depending on patient preference and learning style, visual feedback (e.g. through use of a mirror or different types of video) or proprioceptive guidance utilizing therapist touch, are used to supplement verbal instructions from the therapist. Indeed, a combination of these forms of feedback is commonplace in the clinical setting to facilitate motor learning and optimize outcomes.
Laboratory-based, quantitative motion analysis has been a mainstay in research settings to provide accurate and objective analysis of a variety of movements in healthy and injured populations. While the actual mechanisms of capturing the movements may differ, all current motion analysis systems rely on the ability to track the movement of body segments and joints and to use established equations of motion to quantify key movement patterns. Due to limitations in acquisition and processing speed, analysis and description of the movements has traditionally occurred offline after completion of a given testing session.
This paper will highlight a new supplement to standard motion analysis techniques that relies on the near instantaneous assessment and quantification of movement patterns and the display of specific movement characteristics to the patient during a movement analysis session. As a result, this novel technique can provide a new method of feedback delivery that has advantages over currently used feedback methods.

Retraining abnormal movement patterns following injury or disease is a key component of physical rehabilitation. Recent advances in technology have permitted accurate assessment of movement during a variety of tasks, with near instantaneous quantification of results. This provides new opportunities for modification of faulty movement patterns in real time.

パフォーマンスのリアルタイムのフィードバックを使用して再教育運動

Any modification of movement - especially movement patterns that have been honed over a number of years - requires re-organization of the neuromuscular ...

医学

Characterization of the Sense of Agency over the Actions of Neural-machine Interface-operated Prostheses

This work describes a methodological framework that can be used to explicitly and implicitly characterize the sense of agency developed over the neural-machine interface (NMI) control of sensate virtual or robotic prosthetic hands. The formation of agency is fundamental in distinguishing the actions that we perform with our limbs as being our own. By striving to incorporate advanced upper-limb prostheses into these same perceptual mechanisms, we can begin to integrate an artificial limb more closely into the user&#39;s existing cognitive framework for limb control. This has important implications in promoting user acceptance, use, and effective control of advanced upper-limb prostheses. In this protocol, participants control a virtual prosthetic hand and receive kinesthetic sensory feedback through their preexisting NMIs. A series of virtual grasping tasks are performed and perturbations are systematically introduced to the kinesthetic feedback and virtual hand movements. Two separate measures of agency are employed: established psychophysical questionnaires (to capture the explicit experience of agency) and a time interval estimate task to capture the implicit sense of agency (intentional binding). Results of this protocol (questionnaire scores and time interval estimates) can be analyzed to quantify the extent of agency formation.

Here we present a protocol which characterizes the sense of agency developed over the control of sensate virtual or robotic prosthetic hands. Psychophysical questionnaires are employed to capture the explicit experience of agency, and time interval estimates (intentional binding) are employed to implicitly measure the sense of agency.

ニューラル マシン インターフェイス運営義足の操作上代理店の感覚の特性

This work describes a methodological framework that can be used to explicitly and implicitly characterize the sense of agency developed over the ...

Applying Incongruent Visual-Tactile Stimuli during Object Transfer with Vibro-Tactile Feedback

The application of incongruent sensory signals that involves disrupted tactile feedback is rarely explored, specifically with the presence of vibrotactile feedback (VTF). This protocol aims to test the effect of VTF on the response to incongruent visual-tactile stimuli. The tactile feedback is acquired by grasping a block and moving it across a partition. The visual feedback is a real-time virtual presentation of the moving block, acquired using a motion capture system. The congruent feedback is the reliable presentation of the movement of the block, so that the subject feels that the block is grasped and see it move along with the path of the hand. The incongruent feedback appears as the movement of the block diverts from the actual movement path, so that it seems to drop from the hand when it is actually still held by the subject, thereby contradicting the tactile feedback. Twenty subjects (age 30.2 &#177; 16.3) repeated 16 block transfers, while their hand was hidden. These were repeated with VTF and without VTF (total of 32 block transfers). Incongruent stimuli were presented randomly twice within the 16 repetitions in each condition (with and without VTF). Each subject was asked to rate the difficulty level of performing the task with and without the VTF. There were no statistically significant differences in the length of the hand paths and durations between transfers recorded with congruent and incongruent visual-tactile signals &#8211; with and without the VTF. The perceived difficulty level of performing the task with the VTF significantly correlated with the normalized path length of the block with VTF (r = 0.675, p = 0.002). This setup is used to quantify the additive or reductive value of VTF during motor function that involves incongruent visual-tactile stimuli. Possible applications are prosthetics design, smart sport-wear, or any other garments that incorporate VTF.

We present a protocol to apply incongruent visual-tactile stimuli during an object transfer task. Specifically, during block transfers, performed while the hand is hidden, a virtual presentation of the block shows random occurrences of false block drops. The protocol also describes adding vibrotactile feedback while performing the motor task.

振動触覚フィードバックを用いた物体移動時の不適合視覚触覚刺激の適用

The application of incongruent sensory signals that involves disrupted tactile feedback is rarely explored, specifically with the presence of vibrotactile ...

Real-Time Proxy-Control of Re-Parameterized Peripheral Signals using a Close-Loop Interface

The fields that develop methods for sensory substitution and sensory augmentation have aimed to control external goals using signals from the central nervous systems (CNS). Less frequent however, are protocols that update external signals self-generated by interactive bodies in motion. There is a paucity of methods that combine the body-heart-brain biorhythms of one moving agent to steer those of another moving agent during dyadic exchange. Part of the challenge to accomplish such a feat has been the complexity of the setup using multimodal bio-signals with different physical units, disparate time scales and variable sampling frequencies.
In recent years, the advent of wearable bio-sensors that can non-invasively harness multiple signals in tandem, has opened the possibility to re-parameterize and update the peripheral signals of interacting dyads, in addition to improving brain- and/or body-machine interfaces. Here we present a co-adaptive interface that updates efferent somatic-motor output (including kinematics and heart rate) using biosensors; parameterizes the stochastic bio-signals, sonifies this output, and feeds it back in re-parameterized form as visuo/audio-kinesthetic reafferent input. We illustrate the methods using two types of interactions, one involving two humans and another involving a human and its avatar interacting in near real time. We discuss the new methods in the context of possible new ways to measure the influences of external input on internal somatic-sensory-motor control.

We present protocols and methods of analyses to build co-adaptive interfaces that stream, parameterize, analyze, and modify human body and heart signals in close-loop. This setup interfaces signals derived from the peripheral and central nervous systems of the person with external sensory inputs to help track biophysical change.

クローズループインタフェースを用いた再パラメータ化周辺信号のリアルタイムプロキシ制御

The fields that develop methods for sensory substitution and sensory augmentation have aimed to control external goals using signals from the central ...

A Method for Evaluating Timeliness and Accuracy of Volitional Motor Responses to Vibrotactile Stimuli

Artificial sensory feedback (ASF) systems can be used to compensate for lost proprioception in individuals with lower-limb impairments. Effective design of these ASF systems requires an in-depth understanding of how the parameters of specific feedback mechanism affect user perception and reaction to stimuli. This article presents a method for applying vibrotactile stimuli to human participants and measuring their response. Rotating mass vibratory motors are placed at pre-defined locations on the participant's thigh, and controlled through custom hardware and software. The speed and accuracy of participants' volitional responses to vibrotactile stimuli are measured for researcher-specified combinations of motor placement and vibration frequency. While the protocol described here uses push-buttons to collect a simple binary response to the vibrotactile stimuli, the technique can be extended to other response mechanisms using inertial measurement units or pressure sensors to measure joint angle and weight bearing ratios, respectively. Similarly, the application of vibrotactile stimuli can be explored for body segments other than the thigh.

This article describes a technique for applying vibrotactile stimuli to the thigh of a human participant, and measuring the accuracy and reaction time of the participant&#39;s volitional response for various combinations of stimulation location and frequency.

振動触覚刺激に随意運動反応の適時性と精度の評価方法

Artificial sensory feedback (ASF) systems can be used to compensate for lost proprioception in individuals with lower-limb impairments.  Effective design ...

Experimental Methods to Study Human Postural Control

Many components of the nervous and musculoskeletal systems act in concert to achieve the stable, upright human posture. Controlled experiments accompanied by appropriate mathematical methods are needed to understand the role of the different sub-systems involved in human postural control. This article describes a protocol for performing perturbed standing experiments, acquiring experimental data, and carrying out the subsequent mathematical analysis, with the aim of understanding the role of musculoskeletal system and central control in human upright posture. The results generated by these methods are important, because they provide insight into the healthy balance control, form the basis for understanding the etiology of impaired balance in patients and the elderly, and aid in the design of interventions to improve postural control and stability. These methods can be used to study the role of somatosensory system, intrinsic stiffness of ankle joint, and visual system in postural control, and may also be extended to investigate the role of vestibular system. The methods are to be used in the case of an ankle strategy, where the body moves primarily about the ankle joint and is considered a single-link inverted pendulum.

This article presents an experimental/analytic framework to study human postural control. The protocol provides step-by-step procedures for performing standing experiments, measuring body kinematics and kinetics signals, and analyzing the results to provide insight into the mechanisms underlying human postural control.

人間の姿勢制御を研究する実験的方法

Many components of the nervous and musculoskeletal systems act in concert to achieve the stable, upright human posture. Controlled experiments accompanied ...

WheelCon: A Wheel Control-Based Gaming Platform for Studying Human Sensorimotor Control

Feedback control theory has been extensively implemented to theoretically model human sensorimotor control. However, experimental platforms capable of manipulating important components of multiple feedback loops lack development. This paper describes WheelCon, an open-source platform aimed at resolving such insufficiencies. Using only a computer, a standard display, and inexpensive gaming steering wheel equipped with a force feedback motor, WheelCon safely simulates the canonical sensorimotor task of riding a mountain bike down a steep, twisting, bumpy trail. The platform provides flexibility, as will be demonstrated in the demos provided, so that researchers may manipulate the disturbances, delay, and quantization (data rate) in the layered feedback loops, including a high-level advanced plan layer and a low-level delayed reflex layer. In this paper, we illustrate WheelCon&#39;s graphical user interface (GUI), the input and output of existing demos, and how to design new games. In addition, we present the basic feedback model and the experimental results from the demo games, which align well with the model&#39;s prediction. The WheelCon platform can be downloaded at https://github.com/Doyle-Lab/WheelCon. In short, the platform is featured to be cheap, simple to use, and flexible to program for effective sensorimotor neuroscience research and control engineering education.

WheelCon is a novel, free and open-source platform to design video games that noninvasively simulates mountain biking down a steep, twisting, bumpy trail. It contains components presenting in human sensorimotor control (delay, quantization, noise, disturbance, and multiple feedback loops) and allows researchers to study the layered architecture in sensorimotor control.

WheelCon:人間の感覚運動制御を研究するためのホイールコントロールベースのゲームプラットフォーム

Feedback control theory has been extensively implemented to theoretically model human sensorimotor control. However, experimental platforms capable of ...

神経科学

Effects of feedback

Feedback in control systems plays a critical role in shaping various operational parameters, extending beyond simple error reduction to influence stability, bandwidth, gain, impedance, and sensitivity. Understanding these effects requires examining a basic feedback system characterized by defined input, output, error, and feedback signals.
Feedback significantly modifies the gain of a control system. The gain of a system without feedback is altered by a factor of one plus GH, where G represents the open-loop gain and H is the feedback factor. This alteration means feedback can amplify or attenuate the gain depending on the frequency range, thus influencing the overall system performance.
Stability is another crucial aspect affected by feedback. Stability refers to the system&#39;s ability to accurately follow an input command and maintain a controllable output. An unstable system cannot reliably track input commands, resulting in erratic and uncontrollable outputs. Feedback can impact stability in two opposing ways: it can either destabilize an initially stable system or stabilize an unstable one. If the product GH equals negative one, the system becomes unstable, as any finite input results in an infinite output. Conversely, incorporating a negative feedback loop can stabilize an otherwise unstable system by adjusting the feedback gain appropriately.
In addition to gain and stability, feedback also affects a system&#39;s response to extraneous signals and noise. In the presence of disturbances, feedback helps minimize the impact of these unwanted signals. If the factor in the feedback loop&#39;s denominator is greater than unity and the system remains stable, the noise component is effectively reduced. This reduction is crucial in maintaining the integrity of the desired signal and ensuring the system&#39;s robustness against external interferences.
Overall, feedback mechanisms are indispensable in refining the performance of control systems. By carefully designing and implementing feedback loops, engineers can enhance stability, control gain, minimize noise, and improve the system&#39;s responsiveness and accuracy. The strategic use of feedback thus plays a pivotal role in advancing the efficacy and reliability of modern control systems across various applications.

フィードバックの効果

Feedback in control systems extends beyond error reduction, impacting aspects like stability, bandwidth, gain, impedance, and sensitivity.
The significant ...

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