Steuerkraft und Position in Humans - Die Rolle der Augmented Feedback

Summary

Controlling an identical movement with position or force feedback results in different neural activation and motor behavior. This protocol describes how to investigate behavioral changes by looking at neuromuscular fatigue and how to evaluate motor cortical (inhibitory) activity using subthreshold TMS with respect to the interpretation of augmented feedback.

Abstract

During motor behaviour, humans interact with the environment by for example manipulating objects and this is only possible because sensory feedback is constantly integrated into the central nervous system and these sensory inputs need to be weighted in order meet the task specific goals. Additional feedback presented as augmented feedback was shown to have an impact on motor control and motor learning. A number of studies investigated whether force or position feedback has an influence on motor control and neural activation. However, as in the previous studies the presentation of the force and position feedback was always identical, a recent study assessed whether not only the content but also the interpretation of the feedback has an influence on the time to fatigue of a sustained submaximal contraction and the (inhibitory) activity of the primary motor cortex using subthreshold transcranial magnetic stimulation. This paper describes one possible way to investigate the influence of the interpretation of feedback on motor behaviour by investigating the time to fatigue of submaximal sustained contractions together with the neuromuscular adaptations that can be investigated using surface EMG. Furthermore, the current protocol also describes how motor cortical (inhibitory) activity can be investigated using subthreshold TMS, a method known to act solely on the cortical level. The results show that when participants interpret the feedback as position feedback, they display a significantly shorter time to fatigue of a submaximal sustained contraction. Furthermore, subjects also displayed an increased inhibitory activity of the primary cortex when they believed to receive position feedback compared when they believed to receive force feedback. Accordingly, the results show that interpretation of feedback results in differences on a behavioural level (time to fatigue) that is also reflected in interpretation-specific differences in the amount of inhibitory M1 activity.

Introduction

Sensorisches Feedback ist entscheidend, Bewegungen auszuführen. Tägliche Aktivitäten sind kaum möglich , in Abwesenheit von Propriozeption ^1. Darüber hinaus wird das motorische Lernen durch propriozeptive Integration ² oder kutane Wahrnehmung ³ beeinflusst. Gesunde Menschen mit intakter Empfindung sind in der Lage , die sensorischen Inputs aus verschiedenen sensorischen Quellen , um situationsspezifische Bedürfnisse zu erfüllen ⁴ ergeben , zu gewichten. Diese sensorischen Wiegen ermöglicht Menschen schwierige Aufgaben mit hoher Präzision durchzuführen , auch wenn einige Aspekte der sensorischen Informationen sind unzuverlässig oder gar nicht vorhanden (zB im Dunkeln zu Fuß oder mit geschlossenen Augen).

Darüber hinaus schlägt verschiedene Hinweise darauf, dass (oder zusätzlich) Feedback verbessert weiter die Motorsteuerung und / oder motorischen Lernens erweitert bereitstellt. Augmented Feedback liefert zusätzliche Informationen, die von einer externen Quelle, die zur Aufgabe intrinsische (sensorischen) Feedback hinzugefügt werden können, von der sensorischen entstehenSystem ^5,6. Vor allem die Wirkung des Inhalts von Augmented Feedback über die Motorsteuerung und Lernen hat sich in den letzten Jahren von großem Interesse gewesen. Eine der Fragen war es, wie Steuerkraft Mensch und Position ^7,8. Erste Untersuchungen festgestellten Unterschiede in der Zeit zu Ermüdung eines nachhaltigen submaximalen Kontraktion entweder Position oder Force – Feedback und Unterschiede in der Belastung Compliance (zB ^9-12). Bei Probanden mit Force-Feedback zur Verfügung gestellt wurden, wurde die Zeit zur Ermüdung der anhaltende Kontraktion signifikant länger im Vergleich zu, wenn die Positionsrückmeldung zur Verfügung gestellt wurde. Das gleiche Phänomen wurde für eine Vielzahl von verschiedenen Muskeln und Gliedpositionen und einer Anzahl von neuromuskulären Mechanismen beobachtet, einschließlich einer größeren Rate der Motoreinheit Einstellungs- und eine größere Abnahme der H-Reflex – Bereich während der Position gesteuert Kontraktion (zur Übersicht ^13). Jedoch in diesen Studien nicht nur die visuelle Rückkopplung, sondern auch die physikalische cERKMALE der Muskelkontraktion (dh., die die Einhaltung der Messvorrichtung) wurde geändert. Deshalb führten wir vor kurzem eine Studie nicht die Einhaltung zu verändern, sondern nur Feedback ergänzt und Beweise allein, dass die Bereitstellung von Kraft und Position vorgesehen Feedback während einer anhaltenden submaximalen Kontraktion innerhalb des primären motorischen Kortex (M1) in hemmende Aktivität Unterschiede verursachen. Dies wurde unter Verwendung einer Stimulationstechnik gezeigt , die ausschließlich auf der kortikalen Ebene ^14, nämlich unterschwelligen transkranielle Magnetstimulation (subTMS) zu handeln , ist bekannt. Im Gegensatz überschwellige TMS, wird die Antwort durch subTMS evozierten, wird nicht durch die Erregbarkeit der spinalen α-Motoneuronen und die Erregbarkeit exzitatorischer Neuronen und / oder Rindenzellen ^15-17 moduliert , sondern allein durch die Erregbarkeit von inhibitorischen intrakortikale Neuronen. Der postulierte Mechanismus hinter dieser Stimulationstechnik ist, dass es mit Intensitäten unterhalb des Schwellenwerts angelegt wird, ein Motor zu evozieren evozierte Potentiale(MEP). Es wurde bei Patienten gezeigt , Elektroden an der zervikalen Ebene implantiert hat, die diese Art der Stimulation keine absteigenden Aktivität produziert , sondern dass es aktiviert in erster Linie hemmende Interneurone im primären motorischen Kortex ^14,18,19. Diese Aktivierung der inhibitorischen Inter bewirkt eine Abnahme in der laufenden Aktivität EMG und kann in Versuchen ohne Stimulation, die durch die Menge an EMG-Unterdrückung im Vergleich zu der EMG-Aktivität quantifiziert werden. In dieser Hinsicht haben wir gezeigt , dass Probanden eine deutlich höhere inhibitorische Aktivität in Studien , in denen angezeigt sie Positionsrückmeldung erhielten , im Vergleich mit Studien , in denen Force – Feedback wurden ²⁰ zur Verfügung gestellt. Darüber hinaus haben wir auch gezeigt , dass nicht nur die Präsentation von verschiedenen Feedback Modalitäten (Kraft-Ort – Kontrolle) , sondern auch die Interpretation von Feedback sehr ähnliche Auswirkungen auf die Verhaltens- und neurophysiologische Daten haben kann. Genauer gesagt, wenn wir die Teilnehmer gesagt p erhaltenosition Feedback (auch wenn es Force – Feedback war) sie auch nicht nur eine kürzere Zeit bis zur Ermüdung angezeigt , sondern auch ein erhöhtes Maß an hemmenden M1 Aktivität ^21. Aber ein Ansatz , wo die gleiche Rückmeldung mit unterschiedlichen Informationen über den Inhalt ist immer zur Verfügung gestellt hat den Vorteil , dass die Aufgabe Zwänge, dh die Präsentation des Feedback, die Verstärkung der Rückkopplung oder die Einhaltung der Last sind identisch zwischen den Bedingungen so daß Unterschiede in der Leistung und neuronaler Aktivität deutlich zu Unterschieden in der Auslegung des Rückkopplungs verwandten und nicht von unterschiedlichen Testbedingungen vorgespannt ist. So untersuchte die vorliegende Studie, ob eine andere Interpretation von ein und derselben Rückkopplungs die Dauer einer anhaltenden submaximalen Kontraktion beeinflusst und darüber hinaus wirkt sich auf die Aktivierung der inhibitorischen Aktivität des primären Motorkortex.

Protocol

Das hier beschriebene Protokoll folgte den Richtlinien der Ethikkommission der Universität Freiburg und wurde in Übereinstimmung mit der Erklärung von Helsinki (1964). 1. Ethische Genehmigung – Subject Instruction Vor dem eigentlichen Experiment, anweisen, alle Probanden über den Zweck der Studie und potenziellen Risikofaktoren. Bei der transkraniellen Magnetstimulation (TMS) Anwendung, gibt es einige medizinische Risiken einschließlich der Geschichte von epileptischen Anfäl…

Representative Results

Interpretation von Feedback Im hier beschriebenen Verfahren wurden die Probanden in einer Weise angewiesen, die sie in die Hälfte ihrer Versuche glaubte an Position Feedback und in der anderen Hälfte der Force-Feedback erhalten haben Studien erhalten haben. In der Tat wurden sie in die Hälfte ihrer Versuche, wie sie die pF-Gruppe immer Positionsrückmeldung erhalten betrogen und die fF-Gruppe immer Force-Feedback e…

Discussion

Die vorliegende Studie untersucht, ob die Interpretation von Augmented-Feedback die Zeit zu Ermüdungs ​​einer anhaltenden submaximalen Kontraktion und das neuronale Verarbeitung des primären Motorkortex beeinflußt. Die Ergebnisse zeigen, dass, sobald die Teilnehmer die Feedback als Stellungsrückmeldung (im Vergleich zu Kraftrückmeldung) interpretiert, war die Zeit zu Ermüdungs ​​wesentlich kürzer und die inhibitorische Aktivität des motorischen Cortex (als die Menge an EMG-Unterdrückung durch subTMS ver…

Materials

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