Controle força e posição em Seres Humanos - O papel do feedback Augmented

Resumo

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.

Resumo

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.

Introdução

feedback sensorial é crucial para executar movimentos. As atividades diárias são quase impossível na ausência de propriocepção ^1. Além disso, a aprendizagem motora é influenciado pela integração proprioceptiva ² ou cutânea percepção ^3. Seres humanos saudáveis ​​com sensação intacta são capazes de ponderar os inputs sensoriais decorrentes de várias fontes sensoriais, a fim de atender às necessidades específicas da situação ^4. Este sensorial de pesagem permite que os seres humanos para realizar tarefas difíceis com alta precisão mesmo quando alguns aspectos da informação sensorial não são confiáveis ​​ou mesmo ausente (por exemplo, andando no escuro ou com os olhos fechados).

Além disso, várias evidências sugere que prover aumentada (ou adicional) o feedback melhora ainda mais o controle motor e / ou aprendizagem motora. realimentação Aumentada fornece informações adicionais por uma fonte externa, que pode ser adicionado à intrínseca de feedback tarefa (sensorial) decorrente da sensorial^5,6 sistema. Especialmente o efeito do conteúdo do feedback aumentado no controle motor e aprendizagem tem sido de grande interesse nos últimos anos. Uma das questões abordadas foi como os humanos de força e controle de posição de ^7,8. As investigações iniciais identificaram diferenças no tempo para a fadiga de uma contração submáxima sustentada usando uma ou outra posição ou force feedback e as diferenças em cumprimento de carga (por exemplo, ^9-12). Quando os sujeitos foram fornecidos com feedback de força, o tempo de fadiga do contracção sustentada foi significativamente maior em comparação com quando foi fornecida realimentação de posição. Observou-se o mesmo fenómeno de uma variedade de diferentes grupos musculares e posições dos membros e um número de mecanismos neuromusculares, incluindo uma maior taxa de recrutamento unidade de motor e um maior decréscimo na área do reflexo H durante a contracção controlada posição (para revisão ^13). No entanto, nestes estudos, não só o feedback visual, mas também o c físicaharacteristics da contração muscular (ie., a conformidade do dispositivo de medição) foi alterada. Por isso, recentemente conduziu um estudo que não alteram o cumprimento mas apenas aumentada de feedback e forneceu provas de que a provisão de força e retorno de posição sozinho durante uma contração submáxima sustentada podem causar diferenças na atividade inibitória dentro do córtex motor primário (M1). Isso foi mostrado usando uma técnica de estimulação que é conhecido por agir unicamente no nível cortical ^14, ou seja, subliminares estimulação magnética transcraniana (subTMS). Ao contrário de TMS suprathreshold, a resposta evocada por subTMS, não é modulada por a excitabilidade de neurónios motores espinais a-e os neurónios excitatórios excitabilidade e / ou células corticais ^15-17, mas unicamente por a excitabilidade de neurónios inibitórios intracortical. O mecanismo postulado por detrás desta técnica é que a estimulação é aplicado em intensidades abaixo do limiar para evocar um motor potencial evocado(MEP). Foi demonstrado em pacientes com eléctrodos implantados ao nível do colo do útero que este tipo de estimulação não produzem qualquer actividade descendente mas que activa interneurónios inibitórios principalmente no córtex motor primário ^14,18,19. Esta activação de interneurónios inibitórios provoca uma diminuição da actividade EMG em curso e pode ser quantificada pela quantidade de supressão de EMG em comparação com a actividade EMG obtidos em ensaios sem estimulação. A este respeito, que mostrou que os sujeitos apresentaram uma actividade inibidora significativamente maior em ensaios em que receberam feedback de posição em comparação com os ensaios em que force feedback foi fornecida ^20. Além disso, também mostrou que não só a apresentação de diferentes modalidades de captação (força vs. controle de posição), mas também a interpretação do feedback pode ter efeitos muito semelhantes sobre dados comportamentais e neurofisiológicos. Mais especificamente, quando disse aos participantes para receber prealimentação OSIÇÃO (apesar de ter sido force feedback) também não só apresentou um tempo mais curto para a fadiga, mas também um aumento do nível de actividade inibidora M1 ^21. Usando uma abordagem em que o mesmo feedback mas com diferentes informações sobre o seu conteúdo é sempre fornecida tem a vantagem de que os constrangimentos de tarefa, isto é, a apresentação do feedback, o ganho da realimentação, ou o cumprimento da carga são idênticos entre as condições assim que as diferenças de desempenho e atividade neural estão claramente relacionadas com diferenças na interpretação do feedback e não são influenciados por diferentes condições de teste. Assim, o presente estudo investigou se uma interpretação diferente de um e o mesmo feedback influencia a duração de uma contracção submáxima constante e, além disso, tem um impacto sobre a activação da actividade inibidora do córtex motor primário.

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Protocolo

O protocolo descrito aqui seguiu as orientações do comitê de ética da Universidade de Freiburg e estava em conformidade com a Declaração de Helsinque (1964).

1. Aprovação Ética - Instrução Assunto

1. Antes do experimento real, instruir todos os assuntos sobre a finalidade do estudo e fatores de risco potenciais. Ao aplicar a estimulação magnética transcraniana (TMS), existem alguns riscos médicos, incluindo qualquer história de crises epilépticas, implantes metálicos nos olhos e / ou na cabeça, doenças do sistema cardiovascular e gravidez. Excluir qualquer sujeito para afirmar um destes factores de risco a partir do estudo.
2. Inclua apenas os indivíduos saudáveis ​​no estudo. Excluir indivíduos com quaisquer doenças neurológicas, mentais e / ou ortopédicas.

2. Objecto Preparação

1. colocação Assunto
   1. Ao longo de todo o experimento, os indivíduos assento em uma cadeira confortável. Fixar a cabeçado participante usando um elenco abraçando o pescoço, garantindo uma posição da cabeça estável e evitando quaisquer movimentos da cabeça em relação a bobina TMS.
   2. Coloque o braço direito dos sujeitos em um descanso de braço custom-built para minimizar os movimentos do pulso. Fix dedo indicador direito do sujeito para uma tala montado no braço de um robô. Alinhar o eixo de rotação do braço de robô, com a articulação metacarpophangeal da mão direita, de modo que o centro da articulação coincide com o centro de rotação do robô.
2. gravações de força
   1. Medir a força aplicada pelos sujeitos por meio de torquímetro montado no braço de robô e medir a posição do braço do robot (que corresponde à posição do dedo indicador) por um potenciómetro ligado ao eixo de rotação do robô ^22.
3. A eletromiografia (EMG)
   1. Use uma configuração bipolar de eletrodos de superfície para medir as respostas eletrofisiológicas induzidas pela TMS, bem como musculaR activação produzido pelos sujeitos.
      1. Antes de fixar os eletrodos para a pele ao longo do primeiro dorsal interósseo muscular (IDE) eo abdutor curto do polegar (APB) da mão direita, raspar a pele dos sujeitos, em seguida, ligeiramente raspe-lo usando lixa ou abrasão gel e desinfectá-la com propanol .
      2. Em seguida, anexar eletrodos EMG auto-adesivo para a pele ao longo dos ventres musculares do IED e APB. Coloque um eletrodo de referência adicional sobre o olecranon do mesmo braço.
      3. Cabo-conectar todos os eléctrodos a um amplificador EMG e um conversor analógico-digital. Amplificar os sinais EMG (x 1.000), passa-banda-filtro (10 - 1.000 Hz) e a amostra a 4 kHz. Armazenar os sinais de EMG para análise offline.
4. TMS
   1. Use uma figura de oito bobina ligada a um estimulador TMS para estimular a área à cortical do motor contralateral.
   2. Localizar a posição óptima da bobina em relação ao couro cabeludo para eliciarpotenciais evocados motores (MPE) no músculo FDI por um procedimento de mapeamento:
      1. Coloque a bobina de aproximadamente 0,5 cm anterior ao vértice e sobre a linha média com o punho apontando para 45 ° no sentido contrário em relação ao plano sagital, induzindo um fluxo posterior-anterior da corrente no centro da bobina.
      2. No início, escolher uma pequena estimulação (por exemplo, abaixo de 30%, no máximo saída do estimulador, MSO) intensidade para obter os indivíduos habituados aos impulsos magnéticos.
      3. Subsequentemente, aumentar a intensidade de estimulação em pequenos passos, por exemplo, 2-3% de saída máxima estimulador (MSO) e mover a bobina no sentido frontal-rostral e medio-lateral, a fim de encontrar o local óptimo (ponto de acesso) para estimular o IED músculo. O ponto de acesso é definido como o local onde ocorre a maior MEP pode ser observada a uma dada intensidade de estimulação.
   3. Depois de encontrar o hotspot FDI, determinar descansando limiar motor (MT) como o minimum intensidade necessária para evocar MEP amplitudes pico-a-pico na EMG maior do que 50 mV em três de cinco ensaios consecutivos ^18. Inspecione o tamanho dos deputados exibidos on-line na tela do computador.
   4. Após desencadear eurodeputados com 1,0 * MT, constantemente diminuir a intensidade de estimulação da máquina de TMS em passos de 2% até que o MEP MSO não pode mais ser observada e uma supressão da actividade EMG do músculo contínua torna-se aparente.
      Nota: A fim de retratar o TMS induzida supressão EMG é necessário aplicar um elevado número de estímulos (ver secção 5. "Processamento de Dados")

3. Apresentação de Feedback

1. Divida os participantes em três grupos (PF, FF, CON).
2. Instrua sujeitos do grupo de feedback de posição (PF) em metade dos ensaios para receber feedback sobre a posição do dedo indicador (feedback posição) ao mover o dedo indicador, pressionando contra o dispositivo robótico.
3. Na outra metade dos ensaios, instruir sujeitos a receber feedback sobre a força aplicada enquanto se move o dispositivo robótico (force feedback).
   Nota: Na realidade, porém, eles sempre recebem o mesmo feedback (realimentação de posição).
4. Instrua sujeitos do grupo de feedback de força (FF) para receber feedback de força em metade dos ensaios e receber feedback de posição na outra metade.
   Nota: Na verdade, este grupo é exclusivamente fornecido com force feedback.
5. Não instruir o grupo controle (CON) sobre a fonte do feedback. Nota: O grupo de controle recebe force feedback em uma metade de seus ensaios e retorno de posição na outra metade.
6. Aleatoriamente alterar a ordem das sessões, isto é, se os testes começam com força ou de retorno da posição, em todos os grupos.
7. Visualmente mostrar a força eo retorno de posição em uma tela de computador colocado 1 m na frente dos sujeitos.
8. Em cada condição, apresentar uma linha de destino que corresponde a30% da força voluntária máxima individual do sujeito, ou o ângulo de dedo do dedo indicador em 30% maximamente contração voluntária (MVC), na tela do computador e instruir o assunto para coincidir com a linha de meta, tanto quanto possível.

4. a força isométrica máxima

1. Depois de o assunto é preparado (EMG), realizar três contrações voluntárias isométrica máxima (MVC), que consiste em um aumento gradual na força isométrica de zero ao máximo durante um intervalo de tempo de 3 segundos e a força máxima realizada durante 2 segundos ^20,21.
2. Verbalmente incentivar o assunto para alcançar a força máxima. Após cada ensaio, permitir que os indivíduos para descansar por 90 segundos para evitar a fadiga.

5. Procedimento Experimental

1. Fatigante Motor Tarefa- sustentado contrações.
   Nota: A tarefa fatigante consiste em duas contrações sustentadas executados em dias separados.
   1. Instrua os assuntos para coincidir com a linha de meta de 30% para MVCtanto tempo quanto possível, com uma linha que corresponde à força aplicada ou a posição do seu dedo correspondente a um nível de força de 30% MVC.
      Nota: A linha de destino durante a condição de realimentação da posição (PF-grupo) corresponde, portanto, ao ângulo dedo quando os indivíduos coincidir com o nível de força de 30% MVC.
   2. Peça os sujeitos para segurar as contracções até falha da tarefa, o qual é definido como o ponto onde os sujeitos não são mais capazes de manter a força de alvo dentro de uma janela de 5% da população alvo ao longo de um período de 5 segundos (FF-grupo). Para a PF-grupo, define falha da tarefa como quando as participantes não são capazes de manter o ângulo dedo dentro de 5% do ângulo do alvo requerida para 5 seg ^12,23.
   3. Certifique-se de que as duas contracções sustentados são separados por, pelo menos, 48 ​​horas.
2. TMS-protocolo
   Nota: A experiência de sublimiar TMS é levada a cabo no dia separado para as contracções fatigante. Isto é importante porque a fadiga tem uma influênciana supressão EMG evocado por subTMS ^24,25 assim diferenças entre força e de posição não pode ser claramente identificada. Separar as contrações fatigantes a partir das medições da TMS tem a vantagem de que as diferenças na supressão EMG podem agora ser claramente ser atribuídas às diferentes interpretação do feedback, mas tem a limitação de que os resultados não podem ser directamente ligado às diferenças no tempo de fadiga das contrações sustentadas.
   1. Conduzir a parte do experimento usando TMS (ver também a secção "Apresentação Feedback" 3.) em uma ocasião separado do que as experiências fatigantes. Inicialmente, siga o mesmo procedimento exato como para a contração fatigante (por exemplo, contrações MVC), mas desta vez, pedir os assuntos para segurar as contrações apenas enquanto a estimulação TMS dura. Assim, as contracções não são fatigável e apenas mantido durante aproximadamente 100 segundos durante cada teste TMS.
   2. Fornecer uma pausa de 3 min entre trials para minimizar qualquer viés de fadiga.

6. Processamento de Dados

1. TMS
   1. Aplicar um total de 100 varreduras, 50 varreduras com e 50 varreduras sem estimulação, com um intervalo inter-estímulo variando de 0,8 a 1,1 s ^20,21,25,26. Este intervalo interstimulus curta garante que os sujeitos não precisa segurar as contrações por muito tempo efeitos tão fatigantes podem ser minimizados.
   2. Analisar se a estimulação TMS causou uma facilitação (MEP), ou uma supressão EMG, subtrair os rectificados e, em seguida, média de 50 varreduras com estimulação (estimulado EMG) dos 50 varreduras sem estimulação (controlo EMG) ^20,21,25-27.
      Nota: O início da supressão EMG é definido como o ponto no tempo em que o EMG calculada a média para os varrimentos com a estimulação é menor do que o EMG de controlo para, pelo menos, 4 mseg de um período de tempo de 20 a 50 ms após o impulso TMS. A extremidade da supressão é definido como Tele instante em que o EMG estimulada é maior do que o EMG controlo para, pelo menos, 1 ms e a extensão da supressão é calculada como variação percentual (controlo-estimuladas / _controlo * 100 significam).
   3. Use as varreduras sem estimulação TMS para o cálculo do fundo EMG ativação e média-los através da mesma janela tempo que os ensaios com ^20,21,25,26 estimulação.
2. EMG
   1. Determinar a atividade máxima EMG pelo cálculo do valor da raiz quadrada média registrada em uma janela 0.5s tempo em torno do pico de força medido durante testa a MVC ^20,21.
   2. Para as contrações sustentadas, analisar a EMG através da construção de longas caixas de 8 seg onde a raiz quadrada média do EMG rectificada é calculado e normalizado à atividade EMG obtida durante os ensaios MVC ^20,21.

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Resultados

Interpretação do feedback

No processo descrito aqui, os indivíduos foram instruídos de uma forma que eles acreditavam em metade dos seus ensaios de ter recebido o feedback de posição e na outra metade dos ensaios ter recebido feedback de força. Na verdade, eles foram enganados em metade dos seus julgamentos à medida que a PF-grupo sempre receberam feedback de posição eo grupo fF sempre recebeu feedback de fo...

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Discussão

O presente estudo investigou se a interpretação do feedback aumentada influencia o tempo de fadiga de uma contração submáxima sustentado eo processamento neural do córtex motor primário. Os resultados mostram que, logo que os participantes interpretado o feedback como realimentação de posição (em comparação à força de retorno), o tempo de fadiga foi significativamente mais curto e a actividade inibidora do córtex motor (medido como a quantidade de supressão de EMG causada por subTMS) está maior. Como a...

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Materiais

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