Контроль сил и позиция у людей - Роль дополненной Обратная связь

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

Сенсорная обратная связь имеет решающее значение для выполнения движений. Ежедневная деятельность вряд ли возможны в отсутствие проприоцепции ^1. Кроме того, обучение двигатель под влиянием проприоцептивная интеграции ² или кожным восприятия ^3. Здоровые люди с неповрежденной ощущения способны взвешивать сенсорные входы , возникающие из различных сенсорных источников для удовлетворения конкретных ситуаций потребности ^4. Это сенсорно взвешивание позволяет людям выполнять сложные задачи с высокой точностью , даже если некоторые аспекты сенсорной информации являются ненадежными или даже отсутствуют (например, ходить в темноте или с закрытыми глазами).

Кроме того, различные данные свидетельствуют о том, что предоставление дополненной (или дополнительное) обратной связи дополнительно улучшает управление двигателем и / или обучения двигателя. Дополненная обратной связи предоставляет дополнительную информацию от внешнего источника, который может быть добавлен к задаче внутренней (сенсорной) обратной связи, возникающей от чувственногоСистема ^5,6. Особенно влияние содержания дополненной обратной связи на управление двигателем и обучения был большой интерес в последние годы. Один из вопросов был адресован , как люди контроля силы и положение ^7,8. Первоначальные исследования выявили различия во времени , чтобы усталость длительного субмаксимальной сокращения , используя либо положение или обратной связи по усилию и различия в соответствии нагрузки (например, ^9-12). Когда предметы были обеспечены обратной силы, время усталости устойчивого сокращения значительно больше по сравнению с тем, когда была предоставлена ​​обратная связь по положению. То же явление наблюдалось для ряда различных мышц и позиций конечностей и ряда нервно – мышечных механизмов, в том числе и с большей скоростью единичного набора двигателя и значительное уменьшение Н-рефлекса области во время положения контролируемого сжатия (для обзора ^13). Тем не менее, в этих исследованиях, не только визуальной обратной связи, но и физический Characteristics мышечного сокращения (то есть., соответствие измерительного устройства) было изменено. Таким образом, мы недавно провели исследование, не изменяя соответствия, но только дополненная обратной связи и при условии доказательства того, что предоставление силы и обратной связи по положению только в течение длительного субмаксимальной сокращения могут вызвать различия в ингибиторной активности в пределах первичной моторной коры (М1). Это было показано с помощью метода стимуляции , которая , как известно, действуют исключительно на корковом уровне ^14, а именно подпороговые транскраниальной магнитной стимуляции (subTMS). В отличие от сверхпороговой TMS, ответ , вызванный subTMS, не модулируется возбудимости спинальных альфа-мотонейронов и возбудимости возбуждающих нейронов и / или клеток коры головного мозга ^15-17 , но исключительно за счет возбудимости ингибирующих интракортикальных нейронов. Постулировал механизм, лежащий в этой технике стимуляции является то, что он применяется при интенсивностях ниже порога, чтобы вызвать двигатель вызванных потенциалов(MEP). Показано , у пациентов , имеющих электроды , имплантированные на шейном уровне , что этот тип стимуляции не производит никакой нисходящей активности , но , что он в первую очередь активирует ингибирующие интернейронов в первичной моторной коре ^14,18,19. Эта активация тормозных интернейронов вызывает уменьшение текущей ЭМГ активности и может быть определена количественно с помощью количества подавления EMG по сравнению с активностью ЭМГ, полученных в испытаниях без стимуляции. В связи с этим, мы показали , что испытуемые проявляли значительно большую ингибирующую активность в испытаниях , в которых они получили обратную связь по положению по сравнению с испытаний , в которых силовой обратной связи была предоставлена ^​​20. Кроме того, мы также показали , что не только презентация различных форм обратной связи (силы от управления положением) , но и интерпретации обратной связи может иметь очень схожие эффекты на поведенческие и нейрофизиологических данных. Более конкретно, когда мы рассказали участникам получить робратная связь osition (хотя она была обратной силы) , они также не только отображается более короткое время на усталость , но и повышенный уровень ингибиторной активности M1 ^21. Используя подход , при котором та же обратная связь , но с различной информацией о его содержании всегда предоставляется имеет то преимущество , что ограничения задачи, т.е. представление обратной связи, усиление обратной связи, или соответствие нагрузки идентичны между условиями так что различия в производительности и нервной деятельности, очевидно, связаны с различиями в интерпретации обратной связи и не искаженных различных условий тестирования. Таким образом, данное исследование исследовали, влияет ли другая интерпретация одной и той же обратной связи продолжительность устойчивого субмаксимальной сокращения и, кроме того, оказывает влияние на активацию ингибиторной активности первичной моторной коры.

Protocol

Протокол, описанный здесь следуют рекомендациям комитета по этике Университета Фрайбурга и был в соответствии с Хельсинской декларацией (1964 г.). 1. Этическое одобрение – Тема Инструкция До реального эксперимента, поручить все предметы о цели исследования и потенци?…

Representative Results

Интерпретация обратной связи В процедуре, описанной здесь, предметы были проинструктированы таким образом, чтобы они верили в половине своих испытаний, чтобы получили обратную связь по положению, а в другой половине испытаний, п?…

Discussion

Настоящее исследование изучало если интерпретация дополненной обратной связи влияет на время усталости устойчивого субмаксимальной сокращения и нервной обработки первичной моторной коры. Результаты показывают, что как только участники интерпретировали обратную связь как обратной…

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