Force et contrôle de position chez les humains - Le rôle de la rétroaction augmentée

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

rétroaction sensorielle est essentiel d'effectuer des mouvements. Les activités quotidiennes ne sont guère possibles en l'absence de proprioception ^1. En outre, l' apprentissage moteur est influencée par l' intégration proprioceptive ² ou cutanée perception ^3. L' homme en bonne santé avec sensation intacte sont en mesure de pondérer les entrées sensorielles provenant de différentes sources sensorielles afin de répondre aux besoins spécifiques à la situation ^4. Cette sensorielle pesant permet l' homme d'effectuer des tâches difficiles avec une grande précision , même si certains aspects de l'information sensorielle ne sont pas fiables ou même absents (par exemple, la marche dans l'obscurité ou les yeux fermés).

En outre, diverses preuves suggèrent que fournissant augmentée (ou plus) la rétroaction améliore encore le contrôle moteur et / ou l'apprentissage moteur. rétroaction augmentée fournit des informations supplémentaires par une source extérieure qui peut être ajoutée à la tâche intrinsèque (sensorielle) la rétroaction provenant de la sensoriellesystème ^5,6. Surtout l'effet du contenu de la rétroaction augmentée sur le contrôle moteur et l'apprentissage a été d'un grand intérêt ces dernières années. L' une des questions abordées était de savoir comment les humains force de commande et la position ^7,8. Les premières investigations ont identifié des différences dans le temps à la fatigue d'une contraction submaximal soutenue en utilisant soit la position ou retour de force et les différences dans le respect de la charge (par exemple, ^9-12). Lorsque les sujets ont été fournis avec retour de force, le temps de la fatigue de la contraction soutenue a été significativement plus longue par rapport à la date de retour de position a été fournie. Le même phénomène a été observé pour une variété de différents muscles et positions des membres et un certain nombre de mécanismes neuromusculaires, y compris un plus grand taux de recrutement des unités motrices et une plus grande diminution de la superficie réflexe H pendant la contraction contrôlée de position (pour examen ^13). Cependant, dans ces études, non seulement la rétroaction visuelle mais aussi la physique caractéristiques de la contraction musculaire (ie., la conformité du dispositif de mesure) a été modifié. Par conséquent, nous avons récemment mené une étude ne modifiant pas la conformité, mais seulement augmentée commentaires et fourni des preuves de cette disposition de la force et de la rétroaction de position seule pendant une contraction submaximal soutenue peut causer des différences dans l'activité inhibitrice dans le cortex moteur primaire (M1). Ceci a été démontré en utilisant une technique de stimulation qui est connue pour agir uniquement au niveau cortical ^14, à savoir subliminaires stimulation magnétique transcrânienne (subTMS). A la différence supraliminaire TMS, la réponse évoquée par subTMS, n'a pas été modulée par l'excitabilité des a-motoneurones spinaux et de l'excitabilité des neurones excitateurs et / ou des cellules corticales ^15-17 , mais uniquement par l'excitabilité des neurones inhibiteurs intracorticales. Le mécanisme postulé derrière cette technique de stimulation est qu'elle est appliquée à des intensités inférieures au seuil d'évoquer un moteur potentiel évoqué(MEP). Il a été montré chez les patients ayant des électrodes implantées au niveau cervical que ce type de stimulation ne produit aucune activité descendante mais qu'il active principalement interneurones inhibiteurs au sein du cortex moteur primaire ^14,18,19. Cette activation des interneurones inhibiteurs provoque une diminution de l'activité en cours d'EMG et peut être quantifiée par la quantité de suppression d'EMG par rapport à l'activité d'EMG obtenus dans les essais sans stimulation. À cet égard, nous avons montré que les sujets ont montré une activité inhibitrice significativement plus élevée dans les essais dans lesquels ils ont reçu la rétroaction de position par rapport aux essais dans lesquels le retour de force a été fournie ^20. En outre, nous avons également montré que non seulement la présentation des différentes modalités de rétroaction (force en fonction du contrôle de position) , mais aussi l'interprétation de la rétroaction peut avoir des effets très similaires sur les données comportementales et neurophysiologiques. Plus précisément, lorsque nous avons dit aux participants de recevoir pÉvaluations osition (même si elle était de retour de force) ils ont aussi non seulement affiché un temps plus court à la fatigue , mais aussi une augmentation du niveau d'activité inhibitrice M1 ^21. En utilisant une approche où les mêmes réactions mais avec différentes informations sur son contenu est toujours fourni a l'avantage que les tâches contraintes, à savoir, la présentation de la rétroaction, le gain de la rétroaction, ou la conformité de la charge sont identiques entre les conditions de sorte que les différences dans la performance et l'activité neuronale sont clairement liées à des différences dans l'interprétation de la rétroaction et ne sont pas biaisées par différentes conditions de test. Par conséquent, la présente étude a examiné si une interprétation différente d'un seul et même rétroaction influe sur la durée de la contraction submaximale soutenue et a un effet sur l'activation de l'activité inhibitrice du cortex moteur primaire par ailleurs.

Protocol

Le protocole décrit ici a suivi les directives du comité d'éthique de l'Université de Fribourg et est conforme à la déclaration d'Helsinki (1964). 1. Approbation éthique – Instruction Sujet Avant l'expérience réelle, d'instruire tous les sujets sur le but de l'étude et les facteurs de risque potentiels. Lors de l'application de stimulation magnétique transcrânienne (TMS), il y a des risques médicaux, y compris des antécédents de crises d&…

Representative Results

Interprétation des commentaires Dans la procédure décrite ici, les sujets ont reçu l'instruction d'une manière qui ils ont cru dans la moitié de leur procès pour avoir reçu des commentaires de position et dans l'autre moitié des essais d'avoir reçu le retour de force. En fait, ils ont été trompés dans la moitié de leur procès comme ils le groupe pF toujours reçu la rétroaction de posit…

Discussion

La présente étude a examiné si l'interprétation de la rétroaction augmentée influe sur le temps à la fatigue d'une contraction submaximal soutenue et le traitement neuronal du cortex moteur primaire. Les résultats montrent que, dès que les participants ont interprété les évaluations en retour de position (par rapport à retour de force), le temps à la fatigue était significativement plus courte et que l'activité inhibitrice du cortex moteur (mesuré comme la quantité de suppression d'EMG …

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