Control de la fuerza y ​​de posición en los seres humanos - El papel de Evaluación Aumentada

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

retroalimentación sensorial es fundamental la realización de movimientos. Las actividades diarias son difícilmente posible en ausencia de la propiocepción ^1. Por otra parte, el aprendizaje motor está influenciada por la integración propioceptiva ² o ³ percepción cutánea. Los seres humanos sanos con sensación intacta son capaces de ponderar los estímulos sensoriales que surgen de distintas fuentes sensoriales con el fin de satisfacer las necesidades específicas de la situación ^4. Esto permite a los seres humanos con un peso sensorial para realizar tareas difíciles con alta precisión incluso cuando algunos aspectos de la información sensorial no son fiables o incluso ausente (por ejemplo, caminar en la oscuridad o con los ojos cerrados).

Además, diversas evidencias sugieren que la provisión aumentada (o adicional) de realimentación mejora aún más el control del motor y / o el aprendizaje motor. retroalimentación aumentada proporciona información adicional por una fuente externa que se puede añadir a la retroalimentación tarea intrínseca (sensorial) que surge de la sensorialsistema de ^5,6. Especialmente el efecto del contenido de la retroalimentación aumentada en el control motor y el aprendizaje ha sido de gran interés en los últimos años. Una de las preguntas dirigidas fue cómo los seres humanos fuerza de control y la posición ^7,8. Las investigaciones iniciales identificaron diferencias en el tiempo a la fatiga de una contracción submáxima sostenida utilizando ya sea la posición o la fuerza de respuesta y las diferencias en el cumplimiento de la carga (por ejemplo, ^9-12). Cuando los sujetos se les proporcionó la fuerza de respuesta, el tiempo a la fatiga de la contracción sostenida fue significativamente más largo en comparación con cuando se proporcionó retroalimentación de posición. Se observó el mismo fenómeno para una variedad de diferentes músculos y las posiciones de las extremidades y una serie de mecanismos neuromusculares, incluyendo una mayor tasa de reclutamiento de unidades motoras y una mayor disminución de la superficie H-reflex durante la contracción controlada posición (para revisión ^13). Sin embargo, en estos estudios, no sólo la información visual sino también la c físicoaracterísticas de la contracción muscular (es decir., la conformidad del dispositivo de medición) se alteró. Por lo tanto, recientemente hemos realizado un estudio de no alterar el cumplimiento, pero sólo aumentamos la retroalimentación y presentó pruebas de que el suministro de la fuerza y ​​de realimentación de posición solos durante una contracción submáxima sostenida pueden causar diferencias en la actividad inhibitoria dentro de la corteza motora primaria (M1). Esto se demostró usando una técnica de estimulación que se sabe que actúa únicamente a nivel cortical ^14, a saber subumbral estimulación magnética transcraneal (subTMS). A diferencia de supraumbral TMS, la respuesta evocada por subTMS, no está modulada por la excitabilidad de las motoneuronas espinales alfa y las neuronas excitadoras excitabilidad y / o células corticales ^15-17 sino únicamente por la excitabilidad de las neuronas inhibidoras intracorticales. El mecanismo postulado detrás de esta técnica de estimulación es que se aplica a intensidades por debajo del umbral para evocar un motor potencial evocado(MEP). Se ha demostrado en pacientes con electrodos implantados a nivel cervical que este tipo de estimulación no produce ninguna actividad descendente pero que activa principalmente interneuronas inhibidoras dentro de la corteza motora primaria ^14,18,19. Esta activación de las interneuronas inhibidoras causa una disminución en la actividad EMG en curso y se puede cuantificar por la cantidad de supresión de EMG en comparación con la actividad EMG obtenidos en los ensayos sin estimulación. En este sentido, hemos demostrado que los sujetos mostraron una significativa mayor actividad inhibidora en los ensayos en los que recibieron retroalimentación de la posición en comparación con ensayos en los que se proporcionó retroalimentación ²⁰ Fuerza. Además, también mostró que no sólo la presentación de diferentes modalidades de retroalimentación (fuerza frente a control de posición), sino también la interpretación de retroalimentación puede tener efectos muy similares sobre los datos de comportamiento y neurofisiológicos. Más específicamente, cuando nos dijeron que los participantes para recibir pretroalimentación OSICIÓN (a pesar de que era la fuerza de respuesta) también muestran no sólo un tiempo más corto a la fatiga, sino también un mayor nivel de actividad inhibitoria ²¹ M1. El uso de un enfoque en el que se proporciona siempre la misma regeneración pero con diferente información acerca de su contenido tiene la ventaja de que las restricciones de tareas, es decir, la presentación de la realimentación, la ganancia de la realimentación, o el cumplimiento de la carga son idénticos entre las condiciones por lo que las diferencias en el rendimiento y la actividad neuronal están claramente relacionados con las diferencias en la interpretación de las votaciones y no están sesgados por diferentes condiciones de ensayo. Por lo tanto, el presente estudio investigó si una interpretación diferente de uno y el mismo retroalimentación influye en la duración de una contracción submáxima sostenida y además tiene un impacto en la activación de la actividad inhibidora de la corteza motora primaria.

Protocol

El protocolo descrito aquí siguió las directrices del comité de ética de la Universidad de Friburgo y estaba de acuerdo con la declaración de Helsinki (1964). 1. La aprobación ética – Instrucción Asunto Antes del experimento real, instruir a todos los sujetos sobre el propósito del estudio y los factores de riesgo potenciales. Cuando se aplica la estimulación magnética transcraneal (TMS), existen algunos riesgos médicos, incluyendo cualquier antecedente de convulsiones…

Representative Results

Interpretación de retroalimentación En el procedimiento descrito aquí, los sujetos fueron instruidos de una manera que ellos creían en la mitad de sus pruebas de haber recibido retroalimentación de posición y en la otra mitad de los ensayos que han recibido retroalimentación de fuerza. De hecho, ellos fueron engañados por la mitad de sus ensayos, ya que el FP-grupo siempre ha recibido retroalimentación de pos…

Discussion

El presente estudio investigó si la interpretación de la retroalimentación aumentada influye en el tiempo a la fatiga de una contracción submáxima sostenido y el procesamiento neuronal de la corteza motora primaria. Los resultados muestran que tan pronto como los participantes interpretaron la realimentación como de realimentación de posición (en comparación con la fuerza de respuesta), el tiempo a la fatiga fue significativamente más corta y la actividad inhibidora de la corteza motora (medida como la cantida…

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