تحكم القوة والوظيفة في البشر - دور ملاحظات المعزز

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

ردود الفعل الحسية أمر بالغ الأهمية لأداء الحركات. الأنشطة اليومية بالكاد ممكنة في غياب الحس العميق ^1. وعلاوة على ذلك، يتأثر التعلم الحركي عن طريق التكامل المخصوص ² أو جلدي تصور ^3. البشر صحية مع الإحساس سليمة قادرة على الوزن المدخلات الحسية الناجمة عن مصادر الحسية المختلفة من أجل تلبية احتياجات لوضع معين ^(4). هذا الحسية وزنها تمكن البشر لأداء المهام الصعبة بدقة عالية حتى عند بعض الجوانب من المعلومات الحسية لا يمكن الاعتماد عليها أو حتى غائبة (على سبيل المثال، والمشي في الظلام أو مع عيون مغلقة).

بالإضافة إلى ذلك، تشير الأدلة المختلفة أن تقديم المعزز (أو إضافي) ردود الفعل يحسن مزيد من التحكم في المحركات و / أو التعلم الحركي. يوفر ردود الفعل المضاف على معلومات إضافية من مصدر خارجي والتي يمكن أن تضاف إلى الجوهري (الحسي) ردود الفعل المهمة الناشئة عن الحسيةنظام ^5،6. خصوصا وقد كان تأثير المحتوى من ردود الفعل تضاف على التحكم في المحركات والتعلم من اهتمام كبير في السنوات الأخيرة. كان واحدا من الأسئلة الموجهة كيف البشر قوة السيطرة وموقف ^7،8. حددت التحقيقات الأولية الاختلافات في وقت التعب من انكماش submaximal المستمر باستخدام إما موقف أو قوة ردود الفعل والاختلاف في الامتثال الحمل (على سبيل المثال، ^9-12). عندما قدمت المواضيع مع قوة ردود الفعل، والوقت للوالتعب من الانكماش المستمر ولفترة أطول كثيرا مقارنة عندما قدمت ردود الفعل الموقف. تم ملاحظة نفس الظاهرة لمجموعة متنوعة من العضلات المختلفة، ومواقف الأطراف وعدد من الآليات العصبية والعضلية، بما في ذلك معدل أكبر من محرك وحدة التوظيف وانخفاض أكبر في منطقة H-لا ارادي خلال الانكماش التي تسيطر عليها موقف (للمراجعة ^13). ومع ذلك، في هذه الدراسات، وليس فقط ملاحظات مرئية ولكن أيضا في ج البدنيةharacteristics من تقلص العضلات (أي، والامتثال للجهاز القياس) تم تغيير. ولذلك، فإننا أجريت مؤخرا دراسة لا تغيير الامتثال ولكن زيادته فقط ردود فعل وقدم أدلة على أن توفير القوة وردود الفعل موقف وحدها خلال الانكماش submaximal المستمر يمكن أن يسبب الاختلافات في النشاط المثبطة داخل القشرة الحركية الأولية (M1). وتبين ذلك باستخدام تقنية التحفيز ما هو معروف للعمل فقط على مستوى القشرية ^14، وهي دون العتبي التحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة (subTMS). على عكس suprathreshold TMS، واستجابة حركها subTMS، لا يتم عن طريق التضمين استثارة العمود الفقري α-العصبونات الحركية واستثارة الخلايا العصبية مثير و / أو الخلايا القشرية ^15-17 ولكن فقط عن طريق استثارة الخلايا العصبية المثبطة intracortical. والآلية المفترضة وراء هذه التقنية التحفيز هو أن يتم تطبيقه في شدة تحت عتبة لاستحضار أثار محرك محتمل(MEP). وقد تبين في المرضى الذين يعانون من زرع أقطاب كهربائية على مستوى عنق الرحم أن هذا النوع من التحفيز لا تنتج أي نشاط الهابطة إلا أنه ينشط في المقام الأول interneurons المثبطة داخل القشرة الحركية الأولية ^14،18،19. هذا التنشيط من interneurons المثبطة يؤدي إلى انخفاض في النشاط EMG مستمر، ويمكن أن يكون كميا بمقدار قمع EMG مقارنة مع النشاط EMG التي تم الحصول عليها في التجارب دون التحفيز. وفي هذا الصدد، أظهرنا أن الموضوعات المعروضة على النشاط المثبطة أكبر بكثير في المحاكمات التي تلقى ردود الفعل موقف مقارنة مع التجارب وقدمت ملاحظات ²⁰ التي القوة. وعلاوة على ذلك، نحن أظهرت أيضا أن الأمر لا يقتصر على تقديم طرائق ردود الفعل المختلفة (القوة مقابل السيطرة على الموقف) ولكن أيضا تفسير ردود الفعل يمكن أن يكون لها تأثيرات مشابهة جدا على البيانات السلوكية والعصبية. وبشكل أكثر تحديدا، عندما قلنا المشاركين لتلقي صردود الفعل osition (على الرغم من أنها كانت ردود الفعل القوة) كما أنها تظهر ليس فقط وقت أقصر التعب ولكن أيضا زيادة مستوى النشاط M1 المثبطة ^21. باستخدام هذا النهج حيث يتم توفير ردود الفعل نفسه ولكن مع معلومات مختلفة حول مضمونه دائما لديه ميزة أن القيود المهمة، أي عرض من ردود الفعل، فإن المكسب من ردود الفعل، أو الامتثال للتحميل متطابقة بين الظروف ذلك أن الاختلافات في الأداء والنشاط العصبي هي ذات الصلة بوضوح الاختلافات في تفسير ردود الفعل وليس وتنحاز ظروف الاختبار المختلفة. وهكذا، حققت الدراسة الحالية ما إذا كان تفسيرا مختلفا من واحد ونفس ردود الفعل يؤثر على مدة انكماش submaximal المستدام وله تأثير على تفعيل النشاط المثبطة من القشرة الحركية الأساسية علاوة على ذلك.

Protocol

يتبع بروتوكول صفها هنا للمبادئ التوجيهية للجنة الأخلاقيات من جامعة فرايبورغ وكان وفقا لإعلان هلسنكي (1964). 1. الأخلاقي الموافقة – مع مراعاة التعليمات قبل التجربة الفعلية، إرشاد جمي…

Representative Results

تفسير ردود الفعل في الإجراء الموضح هنا، صدرت تعليمات المواضيع في الطريقة التي يعتقد في نصف محاكماتهم قد تلقت ردود فعل موقف وفي النصف الآخر من التجارب قد تلقت ردود الفعل قوة. في الواقع، انه…

Discussion

التحقيق في هذه الدراسة إذا كان تفسير ردود الفعل زيادتها يؤثر على وقت التعب من انكماش submaximal المستدام والمعالجة العصبية من القشرة الحركية الأساسية. وأظهرت النتائج أن بأسرع ما يفسر المشاركين في التعليق على ردود الفعل موقف (بالمقارنة مع قوة ردود الفعل)، وكان الوقت لالتع…

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