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

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

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.

Protocol

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 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 metálico…

Representative Results

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…

Discussion

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…

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