인간의 힘과 위치 제어 - 증강 피드백의 역할

요약

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.

초록

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.

서문

감각 피드백은 운동을 수행 할 중요합니다. 일상적인 활동은 감수 ^하나의 부재에 거의 불가능하다. 또한, 모터의 학습은 고유 수용성 ^통합이 피부 또는 지각 ^(3)에 의해 영향을 받는다. 그대로 감각과 건강한 인간은 상황 별 요구 ^(4)를 충족하기 위해 다양한 감각 소스에서 발생하는 감각 입력을 가중 할 수있다. 계량이 감각은 (어둠 속에서 또는 눈을 감고 함께 걷고, 예를 들어) 감각 정보의 일부 측면은 신뢰할 수없는 또는없는 경우에도 높은 정밀도로 어려운 작업을 수행 할 사람을 수 있습니다.

또한, 다양한 증거는 의견을 증강 (또는 추가)을 제공하는 것이 더 모터 제어 및 / 또는 운동 학습을 향상 것이 좋습니다. 증강 피드백은 감각에서 발생하는 작업 고유 (감각) 피드백에 추가 할 수있는 외부 소스에 의한 추가 정보를 제공합니다시스템 ^5,6. 특히, 모터 제어 및 학습 증강 피드백 내용의 효과가 최근 큰 관심이되고있다. 질문 중 하나 해결 제어 힘과 위치 ^7,8을 인간 방법이었다. 초기 조사는 위치 또는 부하 준수 피드백과 차이점을 강제를 사용하여 지속적인 준 최대 수축의 피로 시간의 차이를 확인 (예 : ^9-12). 피험자는 힘 피드백이 제공되었을 때, 지속적인 수축 피로 시간은 상당히 길어 위치 피드백이 제공 될 때와 비교 하​​였다. 동일한 현상은 모터 유닛 채용 더 큰 속도 (평가 ¹³⁾ 위치 제어 수축 동안 H 반사 영역에서의 더 큰 감소를 포함하여, 다양한 근육과 다리의 다양한 위치 및 신경근 메커니즘 다수 관찰되었다. 그러나, 이들 연구에서, 시각적 피드백뿐만 아니라 물리적 C뿐만근육 수축의 haracteristics (예., 측정 장치의 준수)가 변경되었다. 따라서, 우리는 최근에 준수를 변경하지 않는 연구를 수행하지만 일차 운동 피질 (M1) 내에서 억제 활성의 차이가 발생할 수 있습니다 피드백을 증강하고 지속적인 준 최대 수축하는 동안 증거에게 힘과 단독으로 위치 피드백의 제공을 제공했다. 이것은 피질 레벨 ^(14), 즉 서브 드레시 홀드 두개 자기 자극 (subTMS)에서 단독으로 작용하는 것으로 알려져 자극 기법을 이용하여 도시 하였다. 초과 임계 TMS는 달리, subTMS에 의해 유발 응답은 척추 α-의 motoneurons과 흥분 흥분성 신경 세포 및 / 또는 대뇌 피질 세포 ^15-17의 흥분이 아니라 전적으로 억제 intracortical 신경 세포의 흥분에 의해 변조되지 않습니다. 이 자극 기법 뒤에 가정기구는 모터가 잠재적 유발 연상하는 임계 값보다 강도에 적용되는 것입니다(MEP). 그것은 자극이 유형의 모든 내림차순 활동을 생성하지 않습니다 경부 수준에서 이식 된 전극을 갖는 환자에 나타내었다하지만 그것은 주로 일차 운동 피질 ^14,18,19 내에서 억제의 interneurons을 활성화합니다. 억제의 interneurons이 활성화가 진행중인 EMG 활성의 저하를 일으키는 자극없이 시험에서 수득 된 EMG 활성 비교 EMG 억제의 양에 의해 정량화 될 수있다. 이 점에서 우리는 환자들이 피드백 ^(20)를 제공 한 강제하는 시험과 비교하여 위치 피드백을 수신하는 시험에서 상당히 큰 저해 활성을 표시 것으로 나타났다. 또한, 우리는 또한 다른 피드백 양식 (위치 제어 대 힘)뿐만 아니라 피드백의 해석의 표현뿐만 아니라,이 행동 및 신경 생리 학적 데이터에 매우 유사한 효과를 가질 수 있음을 보여 주었다. 우리는 참가자 말했을 때보다 구체적으로는, 페이지를받을osition 피드백 (가 힘 피드백을했다하더라도) 그들은 또한 피로 짧은 시간뿐만 아니라 억제 M1 활동 ^(21)의 증가 수준을 표시뿐만 아닙니다. 콘텐츠에 대해 서로 다른 정보와 같은 피드백하지만 항상 제공되는 방식을 사용하여 작업 제약, 즉 피드백의 제공, 피드백의 게인이나 부하의 컴플라이언스 때문에 조건과 동일한 장점을 갖는다 성능 및 신경 활동의 차이는 상기 피드백의 해석에 차이가 명확하게 관련되어 있으며 다른 시험 조건에 의해 바이어스되지 않은 것이다. 따라서, 현재의 연구는 하나의 다른 해석과 같은 피드백이 지속 준 최대 수축의 지속 시간에 영향을하고 또한 일차 운동 피질의 억제 활성의 활성화에 영향이 있는지 조사 하였다.

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프로토콜

여기에 설명 된 프로토콜은 프라이 부르크 대학의 윤리위원회의 가이드 라인을 따라 헬싱키 선언 (1964)에 따라이었다.

1. 윤리 승인 - 주제 명령

1. 실제 실험 전에 연구 및 잠재적 위험 요인의 목적에 대해 모든 주제 지시. 경 두개 자기 자극 (TMS)을 적용 할 때, 간질 발작, 눈 및 / 또는 머리에 금속 임플란트, 심장 혈관 시스템과 임신의 질병의 역사 등 일부 의료 위험이 있습니다. 이 연구에서 이러한 위험 인자 중 하나에 긍정 어떤 주제를 제외합니다.
2. 연구에만 건강한 개인을 포함합니다. 어떤, 신경 정신 및 / 또는 정형 외과 질환을 가진 개인을 제외합니다.

2. 제목 준비

1. 주제 배치
   1. 전체 실험을하는 동안, 편안한 의자 좌석 과목. 머리를 고정안정적인 머리 위치를 보장하고 상대적으로 머리 TMS 코일의 운동을 피하고, 목을 껴안은 캐스트를 사용하여 참가자의.
   2. 손목의 움직임을 최소화하기 위해 맞춤형 암 레스트에있는 주제의 오른쪽 팔을 놓습니다. 로봇의 팔에 장착 된 부목에 피사체의 오른쪽 검지 손가락을 수정합니다. 접합부 중앙 로봇의 회전 중심과 일치하도록 오른손 metacarpophangeal 조인트 로봇 암의 회전축 정렬.
2. 강제 녹화
   1. 로봇 암에 장착 torquemeter 의해 피험자에 의해 가해지는 힘을 측정하고, 로봇 ^(22)의 회전축에 접속 된 가변 저항기에 의해 (집게 손가락의 위치에 대응하는) 로봇 암의 위치를 측정한다.
3. 근전도 (EMG)
   1. 전기 생리 TMS 의해 유도 반응뿐만 아니라 muscula을 측정하기 위해 표면 전극의 양극 구성을 사용주제에 의해 생산 연구 활성화.
      1. 오른쪽의 근육 (FDI) interosseus 첫 번째 지느러미를 통해 피부에 전극을 부착하고, 납치범이 브레비스 (APB)에 무지하기 전에 약간 후, 피험자의 피부를 면도 젤을 사포를 사용하거나 연마를 연마하고 프로판올과 소독 .
      2. 이 후, FDI와 APB의 근육 배 이상 피부에 자체 접착 EMG 전극을 부착합니다. 같은 암의 주두에 추가 기준 전극을 배치합니다.
      3. EMG 증폭기 및 아날로그 - 디지털 변환기 모든 전극을 케이블 연결합니다. 근전도 신호를 증폭 (X 1000), 대역 통과 필터 (10 - 1,000 Hz에서) 4 kHz의 샘플에서. 오프라인 분석을위한 EMG 신호를 저장합니다.
4. TMS
   1. 반대측 모터 대뇌 피질의 손 영역을 자극하기 위해 TMS 자극에 부착 된 팔 코일의 그림을 사용합니다.
   2. 도출하기위한 두피 코일에 대하여 최적의 위치를​​ 찾기모터는 매핑 절차에 의해 FDI 근육의 전위 (유럽 의회 의원)을 유발 :
      1. 약 0.5 cm 전방 정점 및 상기 코일의 중심에 현재의 후방 - 전방의 흐름을 유도하는, 시상면 45 ° 반 시계 방향으로 상대 가리키는 핸들 중앙선 위에 코일을 배치했다.
      2. 처음에, 자기 펄스에 익숙한 주제를 얻을 수있는 작은 자극 (예를 들어, 아래 30 % 최대 자극기 출력, MSO) 강도를 선택합니다.
      3. 3 % 최대 자극기 출력 (MSO) 및 FDI 자극에 대한 최적 사이트 (핫 스폿)를 찾기 위해 입쪽 정면 및 메디 - 횡 방향으로 상기 코일을 이동 -이어서, 예를 들면, 2 작은 단계 자극 강도를 높일 근육. 핫 스폿은 가장 MEP는 주어진 자극 강도에서 관찰 할 수있는 위치로 정의된다.
   3. 외국인 직접 투자 핫스팟을 발견 한 후, minimu로 모터 임계 값 (MT)를 쉬고 결정m의 강도는 3 ~ 5 중 연속 시험 ^(18)의 EMG에서보다 큰 50 μV을 MEP 피크 - 투 - 피크 진폭을 연상해야합니다. 컴퓨터 화면에 온라인으로 표시되는 유럽 의회 의원의 크기를 검사합니다.
   4. 1.0 * MT와 MEP들를 도출 한 후, 계속해서 MEP가 더 이상 관찰되지 않을 때까지 2 % MSO 단계에서 TMS 시스템의 자극 강도 저하 및 지속적인 근육 활동의 EMG 억제 명백해진다.
      참고 : TMS 유도 EMG 억제를 묘사하기 위해이 자극 (섹션을 참조하십시오 5. "데이터 처리")의 높은 숫자를 적용 할 필요가있다

3. 피드백 프리젠 테이션

1. 세 그룹 (PF, FF, CON)에 참가자를 나눕니다.
2. 로봇 장치에 눌러 검지 손가락을 이동할 때 집게 손가락 (위치 ​​피드백)의 위치에 대한 피드백을받을 수있는 시험의 절반에 위치 피드백 그룹 (PF)에서 대상을 지시한다.
3. 시련의 나머지 절반에서는 로봇 장치 (포스 피드백)을 이동하면서 가해진 힘에 대한 피드백을받을 수 과목을 지시합니다.
   주 : 그러나 실제로 그들은 항상 같은 의견 (위치 ​​피드백)을 수신한다.
4. 시련의 절반에 힘 피드백을 받고 나머지 절반에 위치 피드백을받을 수있는 포스 피드백 그룹 (FF)에서 대상을 지시합니다.
   주 : 사실,이 그룹 단독으로 힘 피드백이 제공된다.
5. 피드백의 소스에 대한 대조군 (CON)를 지시하지 마십시오. 참고 : 대조군은 다른 반으로 한 시련의 절반 위치 피드백 피드백을 강요 받는다.
6. 무작위 시험은 모든 그룹에서 힘 또는 위치 피드백을 시작할지 여부, 즉, 세션의 순서를 변경.
7. 시각적으로 힘 및 컴퓨터 스크린상의 위치 피드백 피사체 앞에 1m 배치 표시.
8. 각 조건에있어서, 대상 라인에 대응하는 제시30 피사체의 개별 최대 자율 힘 % 또는 컴퓨터 스크린에 30 % 최대로 자발적으로 수축 (MVC)에서 검지의 손가락 각도와 가능한 한 가깝게 대상 회선에 맞는 대상을 지시한다.

4. 최대한 아이소 메트릭 힘

1. 피사체 (EMG)를 제조 한 후, 3 초 시간 범위에 걸쳐 최대 0에서 아이소 메트릭 힘의 점진적인 증가와 2 초 ^{(20, 21)} 개최 최대의 힘으로 이루어진 세 개의 아이소 메트릭 최대 자발적 수축 (MVC)를 수행합니다.
2. 구두로 최대한의 힘을 달성하기 위해 주제를 바랍니다. 각 시험 후, 피사체가 피로를 방지하기 위해 90 초 동안 휴식을 할 수 있습니다.

5. 실험 절차

1. 피로 모터 Task-는 수축을 지속.
   참고 : 피로 작업이 별도의 일에서 실행이 지속적으로 수축으로 구성되어 있습니다.
   1. MVC에 대해 30 %의 타겟 라인과 일치하도록 피험자에게 지시한 가능한 라인이인가 된 힘 또는 30 % MVC의 힘 레벨에 대응하는 손가락의 위치에 대응.
      주 : 피험자 30 % MVC의 힘 수준과 일치 할 때, 위치 피드백 조건 (PF 그룹)시 목표 라인 따라서 손가락 각도에 대응한다.
   2. 주제는 더 이상 5 초 (FF 그룹)에 걸쳐 대상 인구의 5 % 창 내부 목표 힘을 보유 할 수있는 지점으로 정의되는 작업 실패 할 때까지 수축을 유지하기 위해 주제를 물어보십시오. PF-그룹의 참가자가 5 초 ^12,23에 필요한 목표 각도의 5 % 이내 손가락 각도를 유지할 수없는 경우와 같이 작업 실패를 정의한다.
   3. 두 지속적인 수축이 최소 48 시간으로 구분되어 있는지 확인합니다.
2. TMS 프로토콜
   주 : 서브 쓰레 숄드 TMS 실험이 피로 수축에 별도의 날에 실시한다. 피로의 영향이 있기 때문에 이것은 중요subTMS ^{24, 25} 이렇게 힘과 위치의 차이에 의해 유발 근전도 억제에 명확하게 식별 할 수 없습니다. TMS를 측정에서 피로 수축 분리하면 EMG 억제 차이 이제 명확 피드백의 다른 해석에 기인 할 수있는 장점을 가지고 있지만, 그 결과는 직접적 피로 시간의 차이에 링크 할 수없는 한계를 갖는다 지속적인 수축.
   1. TMS를 사용하여 실험의 일부를 실시 피로 실험보다 별도의 경우에 (도 부 (3) '의견 발표 "참조). 처음의 피로 수축 (예를 들어, MVC 수축)하지만,이 시간과 동일한 절차에 따라 만만큼 TMS 자극이 지속으로 수축을 유지하기 위해 주제를 부탁드립니다. 따라서, 수축 지치기 쉬운 및 각 TMS 시험 기간 동안 약 100 초 동안 유지되지 않습니다.
   2. 트라이 사이 3 분의 휴식을 제공합니다루게릭 병은 피로의 편견을 최소화합니다.

6. 데이터 처리

1. TMS
   1. 0.8에서 1.1의 ^{20,21,25,26까지} 간 자극 간격으로, 자극없이 100 스윕, 50 스윕 50 스윕의 총을 적용합니다. 이 짧은 interstimulus 간격은 피사체가 너무 오래 너무 피로 효과를 최소화 할 수의 수축을 보유 할 필요가 없습니다 있는지 확인합니다.
   2. TMS 자극이 촉진 (MEP) 또는 EMG 억제를 야기하는 경우 분석하기 위해, 자극 (제어 EMG) ^{20,21,25-27없이} 50 스윕에서 자극 (자극 EMG)와 정류 된 후 평균 50 스윕을 뺍니다.
      주 : EMG 억제의 개시는 자극과 스위프 평균 EMG는 TMS 펄스 후 20 내지 50 밀리 초들의 기간에 적어도 4 밀리위한 제어 EMG 미만인 시점으로 정의된다. 억제의 단부가 t로 정의된다유도 브릴 EMG는 변동률로서 산출되는 적어도 1 밀리위한 제어 EMG 및 억제의 정도보다 큰 경우에는 그 즉시 _(대조군 * 100 평균 / 제어 자극).
   3. 배경 EMG 활성의 계산 TMS 자극없이 스윕을 사용하여 자극 ^{20,21,25,26와} 시험과 동일한 시간 창에 걸쳐 그들을 평균.
2. EMG
   1. MVC의이 ^{(20, 21)를} 테스트하는 동안 측정 한 피크 력 주위 0.5 초 시간 윈도우에 기록 된 제곱 평균 값을 산출하여 최대 EMG 활성을 결정한다.
   2. 지속적인 수축의 경우, 정류 EMG의 제곱 평균 제곱근은 MVC 시험 ^{(20, 21)} 중 얻은 EMG 활동에 계산 표준화되어 8 초 긴 쓰레기통을 구축하여 EMG를 분석 할 수 있습니다.

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결과

피드백의 해석

여기에 설명 된 절차, 대상은 위치 피드백을받은하는 그들의 시련의 절반을 믿는 방법으로 지시하고, 시험의 나머지 절반에 힘 피드백을받은 데. 사실, 그들은 PF-그룹은 항상 위치 피드백 항상 힘 피드백을받은 FF-그룹을받은 그들은 그들의 시련의 절반의 속임수에 계속해서 넘어갔습니다.

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토론

증강 피드백의 해석은 지속적인 준 최대 수축의 피로와 일차 운동 피질의 신경 처리 시간에 영향을 미치는 경우 본 연구는 조사 하였다. 결과는 즉시 참가자가 위치 피드백과 의견을 해석으로 (피드백을 강제로 비교) 보여, 피로에 시간이 크게 단축하고 (subTMS에 의한 EMG 억제의 양 측정) 운동 피질의 억제 활성되어 있었다 더. 태스크 상태 사이에서 변경되지 않은 때, 현재의 결과는 피드백의 소스?...

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자료

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