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Behavior

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

Published: June 19, 2016 doi: 10.3791/53291
Automatic Translation
1,2, 2, 1,3, 1, 2
1Department of Sport Science, University of Freiburg, 2Department of Medicine, Movement and Sport Science, University of Fribourg, 3Bernsteincenter Freiburg

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.

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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

  1. 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'épilepsie, des implants métalliques dans les yeux et / ou de la tête, les maladies du système cardio-vasculaire et la grossesse. Exclure tout sujet en affirmant à l'un de ces facteurs de risque de l'étude.
  2. Inclure uniquement les personnes en bonne santé dans l'étude. Exclure les personnes avec des maladies neurologiques, mentales et / ou orthopédiques.

2. Sous réserve Préparation

  1. placement Sujet
    1. Tout au long de l'ensemble de l'expérience, les sujets de sécurité dans un fauteuil confortable. Fixer la têtedu participant en utilisant un plâtre embrassant le cou, assurant une position de la tête stable et en évitant les mouvements de la tête par rapport à la bobine de TMS.
    2. Placez le bras droit des sujets dans un accoudoir intégré personnalisé pour réduire au minimum les mouvements du poignet. Fixer l'index droit du sujet à une attelle montée sur le bras d'un robot. Aligner l'axe de rotation du bras de robot avec le joint metacarpophangeal de la main droite de sorte que le centre commun correspond au centre de rotation du robot.
  2. enregistrements de la Force
    1. Mesurer la force appliquée par les matières par un couplemètre monté dans le bras de robot et de mesurer la position du bras de robot (correspondant à la position du doigt d'index) par un potentiomètre relié à l'axe du robot 22 par rotation.
  3. Électromyographie (EMG)
    1. Utiliser une configuration bipolaire d'électrodes de surface pour mesurer les réponses électrophysiologiques provoqués par TMS, ainsi que musculaactivation de r produit par les sujets.
      1. Avant de fixer les électrodes sur la peau au cours du premier interosseux dorsal muscle (IED) et l'abducteur brevis (APB) de la main droite, de se raser la peau des sujets, puis légèrement poncer à l'aide de papier de verre ou abraser gel et désinfecter avec propanol .
      2. Suite à cela, fixer des électrodes EMG auto-adhésif à la peau sur le ventre du muscle de la FDI et APB. Placez une électrode de référence supplémentaire sur l'olécrane du même bras.
      3. Câble à connecter toutes les électrodes à un amplificateur EMG et à un convertisseur analogique-numérique. Amplifier les signaux EMG (x 1000), filtre passe-bande (10 - 1000 Hz) et de l'échantillon à 4 kHz. Conserver les signaux EMG pour l'analyse hors ligne.
  4. TMS
    1. Utilisez une figure de huit bobine attachée à un stimulateur de TMS pour stimuler la zone de la main corticale du moteur controlatéral.
    2. Trouver la position optimale de la bobine par rapport au cuir chevelu pour induirepotentiels évoqués moteurs (MPE) dans le muscle IDE par une procédure de cartographie:
      1. Placer la bobine d'environ 0,5 cm en avant au sommet et au-dessus de la ligne médiane de la poignée pointant à 45 ° vers la gauche par rapport au plan sagittal, ce qui induit un flux de postéro-antérieure du courant dans le centre de la bobine.
      2. Au début, choisissez une petite stimulation (par exemple, en dessous de 30% maximum de sortie du stimulateur, MSO) intensité pour obtenir les sujets habitués aux impulsions magnétiques.
      3. Par la suite, augmenter l'intensité de la stimulation par petites étapes, par exemple 2 - 3% de la puissance stimulatrice maximale (MSO) et déplacer la bobine dans le sens frontal-rostrale et médio-latérale pour trouver le site optimal (hotspot) pour stimuler l'IED muscle. Le hotspot est défini comme le lieu où le plus grand MEP peut être observé à une intensité de stimulation donnée.
    3. Après avoir trouvé le hotspot IDE, déterminer repos seuil moteur (MT) comme minimum intensité nécessaire pour évoquer MEP amplitudes crête-à-crête dans l'EMG de plus de 50 mV dans trois des cinq essais consécutifs 18. Inspecter la taille des députés affichés en ligne sur l'écran d'ordinateur.
    4. Après avoir induire MPE 1,0 * MT constamment diminuer l'intensité de stimulation de la machine TMS par paliers de 2% MSO jusqu'à ce que le MEP ne peut plus être observée et une suppression de l'activité EMG musculaire continu devient apparente.
      Remarque: Afin de décrire la suppression de l'EMG de TMS induite, il est nécessaire d'appliquer un nombre élevé de stimulations (voir la section 5. «Traitement des données»)

3. Commentaires Présentation

  1. Divisez les participants en trois groupes (pF, fF, CON).
  2. Instruire sujets du groupe de retour de position (pF) dans la moitié des essais pour recevoir des commentaires sur la position de l'index (de retour de position) lors du déplacement de l'index en appuyant sur le dispositif robotique. </ Li>
  3. Dans l'autre moitié des essais, d'instruire les sujets de recevoir des commentaires au sujet de la force appliquée lors du déplacement du dispositif robotique (retour de force).
    Note: En réalité, cependant, ils reçoivent toujours la même réaction (retour de position).
  4. Instruire sujets du groupe de retour de force (fF) pour recevoir le retour de force dans la moitié des essais et recevoir de la rétroaction de position dans l'autre moitié.
    Remarque: En fait, ce groupe est uniquement fourni avec retour de force.
  5. Ne pas charger le groupe de contrôle (CON) sur la source de la rétroaction. Remarque: Le groupe de contrôle reçoit le retour de force dans une moitié de leurs essais et la rétroaction de position dans l'autre moitié.
  6. modifier aléatoirement l'ordre des sessions, à savoir si les essais commencent par la force ou la rétroaction de position, dans tous les groupes.
  7. Visuellement afficher la force et la rétroaction de position sur un écran d'ordinateur placé 1 m devant les sujets.
  8. Dans chaque état, présente une ligne de cible correspondant à30% de la force maximale volontaire individuelle du sujet, ou l'angle de doigt de l'index à 30% au maximum la contraction volontaire (MVC), sur l'écran d'ordinateur et instruire le sujet pour correspondre au plus près de la ligne de cible possible.

4. Maximal isométrique force

  1. Après le sujet est préparé (EMG), effectuer trois contractions volontaires maximales isométriques (MVC), consistant en une augmentation progressive de la force isométrique de zéro au maximum sur une période de temps de 3 secondes et la force maximale détenue pendant 2 sec 20,21.
  2. Verbalement encourager le sujet à atteindre la force maximale. Après chaque essai, permettent aux sujets de se reposer pendant 90 secondes pour éviter la fatigue.

5. Procédure expérimentale

  1. Fatigantes Motor task- contractions soutenues.
    Remarque: La tâche fatigante se compose de deux contractions soutenues exécutées sur des jours différents.
    1. Instruire les sujets pour correspondre à la ligne cible de 30% pour MVCaussi longtemps que possible avec une ligne correspondant à la force appliquée ou la position du doigt correspondant à un niveau de 30% de la force MVC.
      Remarque: La ligne de cible au cours de la rétroaction de position condition (pF-groupe) correspond donc à l'angle des doigts lorsque les sujets correspondent au niveau de 30% MVC force.
    2. Demandez aux sujets de tenir les contractions jusqu'à l'échec de la tâche, qui est défini comme le point où les sujets ne sont plus en mesure de maintenir la force de cible à l'intérieur d'une fenêtre de 5% de la force cible sur une période de 5 sec (fF-groupe). Pour le groupe pF définir l' échec de la tâche que lorsque les participants sont incapables de maintenir l'angle du doigt à l'intérieur de 5% de l'angle cible requis pendant 5 sec 12,23.
    3. Veiller à ce que les deux contractions soutenues sont séparées par au moins 48 heures.
  2. TMS-protocoles
    Remarque: L'expérience subliminale TMS est effectuée le jour séparée pour les contractions fatigantes. Ceci est important car la fatigue a une influencesur la suppression EMG évoquée par subTMS 24,25 donc les différences entre la force et la position ne peut pas être clairement identifié. La séparation des contractions fatigantes à partir des mesures de TMS a l'avantage que les différences dans la suppression EMG peuvent désormais être clairement être attribués à l'interprétation différente de la rétroaction, mais a la limitation que les résultats ne peuvent pas être directement liés aux différences dans le temps à la fatigue des contractions soutenues.
    1. Mener la partie de l'expérience en utilisant du TMS (voir également la section 3. "Feedback présentation") à une autre occasion que les expériences fatigantes. Dans un premier temps , suivre la même procédure exacte que pour la contraction fatigantes (par exemple, les contractions MVC) mais cette fois, demander aux sujets de tenir les contractions aussi longtemps que la stimulation TMS dure. Ainsi, les contractions ne sont pas fatigable et seulement tenue pendant environ 100 secondes lors de chaque essai TMS.
    2. Fournir une pause de 3 minutes entre les troisals pour minimiser tout biais de la fatigue.

6. Traitement des données

  1. TMS
    1. Appliquer un total de 100 balayages, 50 balayages avec et 50 balayages sans stimulation, avec un intervalle inter-stimulus allant de 0,8 à 1,1 de la 20,21,25,26. Cet intervalle interstimulus court fait en sorte que les sujets ne doivent pas tenir les contractions pendant trop longtemps les effets de façon fatigantes peuvent être minimisés.
    2. Pour analyser si la stimulation TMS a provoqué une facilitation (MEP) ou une suppression EMG, soustraire les rectifiés, puis moyenne 50 balayages avec stimulation (stimulé EMG) des 50 balayages sans stimulation (contrôle EMG) 20,21,25-27.
      Remarque: Le début de la suppression EMG est défini comme étant le point de temps où l'EMG en moyenne pour les balayages avec la stimulation est inférieure à la EMG de contrôle pendant au moins 4 ms dans un laps de temps de 20 à 50 ms après l'impulsion de TMS. La fin de la suppression est définie comme étant til instant où l'EMG stimulé est plus grand que l'EMG de commande pendant au moins 1 milliseconde et l'étendue de la suppression est calculée comme variation en pourcentage (contrôle stimulée / commande * 100 moyenne).
    3. Utiliser les balayages sans TMS stimulation pour le calcul de l'activation de l' EMG de base et leur moyenne sur la même fenêtre de temps que les essais avec la stimulation 20,21,25,26.
  2. EMG
    1. Déterminer l'activité maximale EMG en calculant la valeur racine carrée moyenne enregistrée dans une fenêtre 0,5s de temps autour de la force maximale mesurée au cours de la MVC teste 20,21.
    2. Pour les contractions soutenues, analyser l'EMG en construisant 8 sec de longues bacs où la racine carrée moyenne de l'EMG redressé est calculé et normalisé à l'activité EMG obtenu au cours des essais MVC 20,21.

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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 position et le fF-groupe toujours reçu un retour de force.

En utilisant cette méthode présente l'avantage que les différences spécifiques de rétroaction (par exemple, le gain du signal, la couleur) peuvent être exclus. Par conséquent, les résultats peuvent être attribués exclusivement à des différences dans l'interprétation de la rétroaction et non à la présentation de la rétroaction lui-même. Il est toutefois théoriquement possible que les sujets ont réalisé que les mêmes réactions a été présenté sans nous dire. Nous therefore toujours demandé à la fin de l'épreuve finale s'ils ont réalisé que les évaluations était toujours le même. Dans le cas de la présente étude, les sujets ont indiqué qu'ils ne reconnaissent pas qu'ils ont été trompés.

contractions soutenues

Quel que soit le groupe (fF ou groupe pF), à savoir, indépendamment du fait que les sujets ont reçu la force ou la rétroaction de position, ils affichent toujours le même schéma: quand ils pensaient contrôler la force, le temps de la fatigue a été significativement plus longue par rapport à quand ils croyaient qu'ils étaient recevoir de la rétroaction de position. Le groupe CON affiché aucune différence entre les deux conditions de rétroaction. Un exemple d'une matière de chacun des trois groupes est représenté sur la figure 1. L'activité EMG IED a augmenté au cours de la contraction soutenue , mais était comparable entre les conditions de réaction (Figure 2).

La force et la position de contrôle chez l' homme

La question de savoir quand et comment les humains utilisent la position ou forcer l'information pour le contrôle moteur a conduit à un grand nombre de publications dans ce domaine avec des résultats différents résultant probablement des différentes approches méthodologiques. Milner et Hinder 36 par exemple fait valoir que des informations de position plutôt que de forcer l' information est utilisée tout en adaptant à la nouvelle dynamique de l' environnement ( par exemple, des perturbations de la voie de la main lors du déplacement de la cible A à B). Un certain nombre de publications examinant les différences comportementales et neuronales entre la position et la force contrôlée contractions fatigantes soutenue a constaté que le temps de la fatigue est fortement réduite lorsque les sujets sont nécessaires pour contrôler la position par rapport à la force (pour examen s'il vous plaît voir aussi 13). Cette fois réduit à l'échec de tâche a été accompagnée d'un certain nombredes adaptations neuronales , comme une diminution de la H-reflex zone 12, un recrutement plus rapide plus rapide des unités motrices et les différences dans les membres posture 23 ainsi qu'un niveau accru de l' effort perçu pendant les contractions contrôlée positions 12,37-40. Le paradigme de ces études était que les sujets maintenus sous contrôle de position des contractions dans un système conforme alors que les contractions de force contrôlée ont été réalisées dans des conditions rigides. Ainsi, les dernières études et l'étude par Milner et Hinder 36 suggèrent que la position ou de contrôle de la force des changements avec des différences dans la dynamique de l' environnement et les exigences biomécaniques. Ce qui restait clair, cependant, était de savoir comment la position et la force de contrôle est réalisé lorsque la dynamique et de la biomécanique de la tâche restent constantes. Une étude menée récemment a montré lors du changement de rétroaction de la force à la position (ou vice versa), mais la tâche et donc la dynamique est restée la même, qu'il existe des différences dans le temps de fatigue 20. La seule différence entre nos tâches était la source de la rétroaction. En outre, comme dans l'étude actuelle Lauber et al. (2012) utilisé subTMS pour révéler des différences dans la quantité de suppression EMG, et a trouvé une plus grande suppression EMG pendant les positions contrôlées contractions.

Le contrôle neuronal de la force et la position chez l' homme

Le cortex moteur primaire semble une cible utile car il est non seulement une partie de la boucle réflexe transcorticale 41,42 , mais aussi parce qu'elle joue un rôle clé dans le contrôle du mouvement volontaire 43,44. Les résultats de la présente étude soulignent en outre le rôle de M1 pendant la force et la position contrôlée contractions que la suppression plus EMG lors de la position de contraction contrôlée indique une plus grande sensibilité des interneurones inhibiteurs intracorticales dès que les sujets interprétésles évaluations en retour de position. Cette hypothèse est étayée par la découverte que lorsqu'il n'y a pas d'informations sur la source de la rétroaction est fournie, pas de différence dans la suppression de l'EMG a pu être observée. Des observations récentes suggèrent qu'une grande quantité de suppression d' EMG provoquée par la stimulation magnétique indique une plus grande contribution du cortex ( par exemple, M1) 24. Cette activité accrue M1 dans la position contrôlée des mouvements pourrait tirer de changements spécifiques d'interprétation dans l' intégration des signaux proprioceptives 21. Le signal proprioceptive modifié pourrait alors être différemment traitée dans d' autres aires corticales (par exemple, les zones motrices supplémentaires (SMA)) , qui de modifier l'activité de M1 via leur entrée synaptique. Cela serait conforme à la conclusion que des changements de rétroaction proprioceptive ont le potentiel de modifier l' excitabilité intracorticale et cortico 45.

Pris ensemble, le cACTUELLE résultats mettent en évidence que, selon l'interprétation, la rétroaction augmentée peut être différemment intégré, conduisant à des adaptations comportementales et neuronales distinctes au sein du système nerveux central.

EMG suppression par subTMS:

La stimulation subliminale a entraîné une suppression de l'activité EMG dans toutes les conditions de retour. La suppression EMG a cependant été plus grande lorsque les sujets pensés pour recevoir de la rétroaction de position par rapport à quand ils croyaient recevoir le retour de force; encore une fois ce fut indépendant genre de commentaires qu'ils ont vraiment perçu. Ainsi, les sujets du pF et le groupe fF se comportaient le même genre de façon (figure 3A & B). Le groupe CON (figure 3C) affiché aucune différence dans la suppression de l' EMG entre des états. La figure 3 montre les résultats représentatifs des sujets individuels d'al l des groupes qui ont participé à l'étude et à la figure 4 groupe signifient données. Contexte activation EMG n'a pas été différente entre les groupes et les conditions.

subliminaires TMS

Le principe de la stimulation magnétique transcrânienne subliminale est que , à cette faible intensité (ie, en dessous du seuil pour évoquer les députés européens), les interneurones inhibiteurs intracorticales sont activés qui puis réduire synaptique l'excitabilité des cellules cortico 14,27,31. Il en résulte une réduction de l'entraînement d'excitation vers le bas à partir du cortex du muscle lors d'une contraction soutenue submaximal et peut être quantifiée par la réduction de l'activité d'EMG continue. La réduction de l'activité EMG représente une activité inhibitrice agissant sur M1 et est le plus souvent analysé par la taille (surface) de la suppression.

"> Il existe certaines preuves que cette suppression EMG est que le résultat d'une inhibition intracorticale accrue parce que la stimulation infra - seuil à un niveau sous - corticale n'a pas réussi à provoquer des changements dans l'EMG 31 et aussi parce que subTMS provoque une inhibition simultanée de l'agoniste et de l' antagoniste à l'exclusion de l'influence d'inhibition réciproque vertébrale 25,27,32. en outre, des enregistrements à partir des électrodes épidurales implantés dans la colonne cervicale ont montré aucune réponse après stimulation subTMS 14. Enfin, les projections cortico directes semblent jouer un rôle important lors de l' utilisation subliminale TMS comme Butler et al 33. a démontré que le déclenchement de la suppression de l'EMG peut déjà être observée après seulement 20 ms après la stimulation TMS.

Avec les résultats de l'étude actuelle, il semble très probable que la force et de l'information de position sont différemment intégrés au sein de la centrale neSystème rvous conduisant à une autre activation du cortex moteur primaire. Cela est en outre corroborée par les conclusions de l'étude montrant un temps plus court à la fatigue de la contraction soutenue lors de l'interprétation de la rétroaction en retour de position par rapport à la force des conditions de retour et au contrôle où aucune instruction sur la source de la rétroaction a été donné pour résultat aucune différence dans le temps de la fatigue.

Figure 1
Figure 1. Temps de fatigue des contractions soutenues. Des données représentatives d'un sujet de chaque groupe (fF-pF et le groupe CON) affichant leur temps à la fatigue des contractions soutenues. De gauche à droite, la figure montre que, dès que le sujet du groupe fF reçu le retour de force, le temps de la fatigue a été plus comparé à quand le sujet a cru qu'il / elle recevait la rétroaction de position (dupé). Les sgraphe euxième d'un sujet du groupe pF montre que dès que le sujet a interprété la rétroaction que le retour de force (dupé), le temps de la fatigue a été plus comparé à quand le sujet a reçu des commentaires de position. Le dernier graphique montre que , sans aucune instruction sur la source de la rétroaction, le sujet du groupe CON affiché aucune différence dans le temps de la fatigue. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 2
Figure 2. Activité EMG dans le cours des Contractions soutenus. Les données représentatives d'un sujet de chaque groupe (fF-pF et le groupe CON) affichant une augmentation de l'activité EMG du début à la fin de la contraction. C'était indépendant si les sujets ont toujours reçu un retour de force (groupe fF,A) et cru dans la moitié des essais qu'ils recevaient de retour de position, ou si les sujets toujours reçu la rétroaction de position (groupe pF, B) et croyaient en la moitié de leurs essais qu'ils recevaient un retour de force ou quand ils ne sont pas informés sur la nature du signal (groupe CON, C). S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 3
Figure 3. TMS a évoqué la suppression EMG. Les panneaux de droite montrent la suppression EMG pendant la force et la position de contraction contrôlée pour le groupe fF (A), le groupe pF (B) et le groupe CON (C). Dans les trois sujets représentatifs, la stimulation avec subTMS a entraîné une suppression de l'activité EMG qui était plus grande lorsque le sujet du groupe fF croyait qu'ils recevaient la rétroaction de position (ligne rouge) par rapport à la piste où les sujets ont reçu un retour de force (A, ligne bleue), lorsque le sujet du groupe pF effectivement rétroaction de position reçue (ligne rouge) par rapport à quand le sujet a cru qu'il / elle recevait le retour de force (B, ligne bleue). Si aucune information n'a été donnée il n'y avait pas de différence (contrôle de la force bleue, le contrôle de position rouge) entre la suppression EMG chez les sujets du groupe CON (C). Le panneau de droite sont des images agrandies de la même EMG traces que dans le côté gauche de la figure en soulignant la différence dans la suppression EMG par la zone grisée. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

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La figure 4. TMS EMG évoquée Suppression -. Dans le groupe de données PF- (A) et (B) des groupes FF-, la stimulation avec subTMS a donné lieu à une suppression plus importante pendant la tâche de contrôle de position par rapport à la tâche de la force contrôlée. Si aucune information n'a été donnée il n'y avait pas de différence dans la suppression EMG (C). Les barres d'erreur indiquent l' erreur standard de la moyenne. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

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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 causée par subTMS) est plus grand. Comme la tâche n'a pas changé entre les conditions, les résultats actuels indiquent des différences dans les stratégies de force et de contrôle de position en fonction de l'interprétation de la source de la rétroaction. La plupart des expériences précédentes ont porté sur des aspects spécifiques de rétroaction tels que le moment 28 ou la fréquence 29,30 du retour alors que la présente étude a évalué si les informations concernant le contenu du signal de retour et donc l'interprétation à ce sujet peut affecterle comportement du moteur.

Une limitation de cette méthode est qu'elle ne soit pas toujours possible de provoquer une suppression de l'EMG évoquée TMS dans tous les sujets sans facilitation préalable. Certaines études ont indiqué qu'il était possible que dans 50% des sujets pour provoquer la suppression EMG en l'absence d'une facilitation initiale , mais que la méthode est néanmoins acceptée comme un outil valable pour la quantification de l' inhibition intracorticale 24,26,34. Ceci est probablement le cas lorsque les seuils pour l'activation des interneurones excitateurs et inhibiteurs sont très similaires 25,35.

En outre, il est important de mener l'expérience subliminale de TMS à une autre occasion que les contractions fatigantes. La raison en est que la fatigue peut avoir et influence sur la suppression EMG signifie que les différences entre la force et la position peuvent être difficiles à interpréter. D'une part, cela présente l'avantage que, en séparant les mesures, il est possible de to relier les différences potentielles dans la suppression EMG avec l'interprétation de la rétroaction, mais d'autre part a la limitation que les résultats ne peuvent pas être directement liés aux différences dans le temps à la fatigue des contractions soutenues.

Il est également très important que le même expérimentateur mène les expériences individuelles afin que les sujets ne soient pas conscients du fait qu'ils pourraient être trompés dans le sens où ils reçoivent un autre type de commentaires que ce qu'ils ont dit.

Ce que l'approche actuelle ne révèle pas est exactement ce causé les différences de temps à la fatigue et les différences dans la suppression EMG entre la force et la position de contrôle contraction. Au cours de la fatigue, un nombre périphérique, subcortical et mécanisme cortical pourraient jouer un rôle. Les différences dans la suppression de l'EMG évoquée avec subTMS, il est très probable qu'une activité d'inhibition altéré est responsable des résultats observés. Une façon de TEst serait d'utiliser un protocole de TMS modifié tel que court l'inhibition intracorticale (SICI) étant une application potentielle future.

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Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Rothwell, J. C., Traub, M. M., Day, B. L., Obeso, J. A., Thomas, P. K., Marsden, C. D. Manual motor performance in a deafferented man. Brain a journal of neurology. 105, 515-542 (1982).
  2. Rosenkranz, K., Rothwell, J. C. Modulation of proprioceptive integration in the motor cortex shapes human motor learning. The J Neurosci. 32 (26), 9000-9006 (2012).
  3. Choi, J. T., Lundbye-Jensen, J., Leukel, C., Nielsen, J. B. Cutaneous mechanisms of isometric ankle force control. Ex Brain Res. 228 (3), 377-384 (2013).
  4. Peterka, R. J., Loughlin, P. J. Dynamic regulation of sensorimotor integration in human postural control. J Neurophys. 91 (1), 410-423 (2004).
  5. Schmidt, R. A., Lee, T. D. Motor Control and Learning: A Behavioral Emphasis. , Human Kinetics. Champaign. (2011).
  6. Lauber, B., Keller, M. Improving motor performance: Selected aspects of augmented feedback in exercise and health. Eur J Sport Sci. 14 (1), 36-42 (2014).
  7. Antfolk, C., D'Alonzo, M., Rosén, B., Lundborg, G., Sebelius, F., Cipriani, C. Sensory feedback in upper limb prosthetics. Exp rev med dev. 10 (1), 45-54 (2013).
  8. Lundborg, G., Rosén, B. Sensory substitution in prosthetics. Hand clinics. 17 (3), 481-488 (2001).
  9. Maluf, K. S., Shinohara, A. M., Stephenson, J. L., Enoka, Muscle activation and time to task failure differ with load type and contraction intensity for a human hand muscle. Ex Brain Res. 167 (2), 165-177 (2005).
  10. Mottram, C. J., Jakobi, J. M., Semmler, J. G., Enoka, R. M. Motor-Unit Activity Differs With Load Type During a Fatiguing Contraction. J Neurophys. 93 (3), 1381-1392 (2005).
  11. Baudry, S., Maerz, A. H., Enoka, R. M. Presynaptic Modulation of Ia Afferents in Young and Old Adults When Performing Force and Position Control. J Neurophys. 103 (2), 623-631 (2010).
  12. Klass, M., Lévénez, M., Enoka, R. M., Duchateau, J., Le, M. Spinal Mechanisms Contribute to Differences in the Time to Failure of Submaximal Fatiguing Contractions Performed With Different Loads. J Neurophys. 99, 1096-1104 (2008).
  13. Enoka, R. M., Baudry, S., Rudroff, T., Farina, D., Klass, M., Duchateau, J. Unraveling the neurophysiology of muscle fatigue. J Electromyogr Kinesiol. 21 (2), 208-219 (2011).
  14. Di Lazzaro, V., Oliviero, D. R. A., Ferrara, P. P. L., Mazzone, A. I. P., Rothwell, P. T. J. C. Magnetic transcranial stimulation at intensities below active motor threshold activates intracortical inhibitory circuits. Ex Brain Res. 119 (2), 265-268 (1998).
  15. Nielsen, J. B., Petersen, N. Evidence favouring different descending pathways to soleus motoneurones activated by magnetic brain stimulation in man. J Physiol. 486 (3), 779-788 (1995).
  16. Ugawa, Y., Terao, Y., Hanajima, R., Sakai, K., Kanazawa, I. Facilitatory effect of tonic voluntary contraction on responses to motor cortex stimulation. Electroen Clin Neuro. 97 (6), 451-454 (1995).
  17. Morita, H., Olivier, E., Baumgarten, J., Petersen, N. C., Institut, P., Kiel, È Differential changes in corticospinal and Ia input to tibialis anterior and soleus motor neurones during voluntary contraction in man. Acta Physiol Scand. 70 (1), 65-76 (2000).
  18. Kujirai, T., et al. Corticocortical inhibition in human motor cortex. The J Physiol. 471, 501-519 (1993).
  19. Di Lazzaro, V., Rothwell, J. C. Cortico-spinal activity evoked and modulated by non-invasive stimulation of the intact human motor cortex. J Physiol. 19, 4115-4128 (2014).
  20. Lauber, B., Leukel, C., Gollhofer, A., Taube, W. Time to Task Failure and Motor Cortical Activity Depend on the Type of Feedback in Visuomotor Tasks. PLoS ONE. 7 (3), 32433 (2012).
  21. Lauber, B., Keller, M., Leukel, C., Gollhofer, A., Taube, W. Specific interpretation of augmented feedback changes motor performance and cortical processing. Ex Brain Res. 227 (1), 31-41 (2013).
  22. Lauber, B., Lundbye-Jensen, J., Keller, M., Gollhofer, A., Taube, W., Leukel, C. Cross-limb interference during motor learning. PLoS ONE. , 81038 (2013).
  23. Rudroff, T., Jordan, K., Enoka, J. A., Matthews, S. D. Discharge of biceps brachii motor units is modulated by load compliance and forearm posture. Ex Brain Res. 202 (1), 111-120 (2010).
  24. Seifert, T., Petersen, N. C. Changes in presumed motor cortical activity during fatiguing muscle contraction in humans. Acta Physiol. 199, 317-325 (2010).
  25. Sidhu, S. K., Lauber, B., Cresswell, A. G., Carroll, T. Sustained cycling exercise increases intracortical inhibition. Med Sci Spo Exerc. 45 (4), 654-662 (2013).
  26. Zuur, A. T., et al. Contribution of afferent feedback and descending drive to human hopping. J Physiol. 5, 799-807 (2010).
  27. Petersen, N. C., et al. Suppression of EMG activity by transcranial magnetic stimulation in human subjects during walking. J Physiol. 537, 651-656 (2001).
  28. Molier, B. I., Van Asseldonk, E. H. F., Hermens, H. J., Jannink, M. J. A. Nature, timing, frequency and type of augmented feedback; does it influence motor relearning of the hemiparetic arm after stroke? A systematic review. Disabil Rehabil. 32 (22), 1799-1809 (2010).
  29. Moran, K. A., Murphy, C., Marshall, B. The need and benefit of augmented feedback on service speed in tennis. Med Sci Sports Exerc. 44 (4), 754-760 (2012).
  30. Keller, M., Lauber, B., Gehring, D., Leukel, C., Taube, W. Jump performance and augmented feedback Immediate benefits and long-term training effects. Hum Mov Sci. 36, 177-189 (2014).
  31. Davey, N. J., Romaiguere, P., Maskill, D. W., Ellaway, P. H. Suppression of voluntary motor activity revealed using transcranial magnetic stimulation of the motor cortex in man. J Physiol. 477 (2), 223-235 (1994).
  32. Leukel, C., Lundbye-jensen, J., Gruber, M., Zuur, A. T., Gollhofer, A., Taube, W. Short-term pressure induced suppression of the short-latency response: a new methodology for investigating stretch reflexes. J Appl Phys. 107 (4), 1051-1058 (2010).
  33. Butler, J. E., Larsen, T. S., Gandevia, S. C., Petersen, N. C. The nature of corticospinal paths driving human motoneurons during voluntary contractions. J Physiol. 584 (2), 651-659 (2007).
  34. Bentley, D. J., Smith, P. A., Davie, A. J., Zhou, S. Muscle activation of the knee extensors following high intensity endurance exercise in cyclists. Eur J Appl Physiol. 81 (4), 297-302 (2000).
  35. Sidhu, S. K., Cresswell, A. G., Carroll, T. Motor cortex excitability does not increase during sustained cycling exercise to volitional exhaustion. J Appl Physiol. 113 (3), 401-409 (2012).
  36. Milner, T. E., Hinder, M. R. Position information but not force information is used in adapting to changes in environmental dynamics. J Neurophys. 96 (2), 526-534 (2006).
  37. Rudroff, T., Justice, J. N., Matthews, S., Zuo, R., Enoka, R. M. Muscle activity differs with load compliance during fatiguing contractions with the knee extensor muscles. Ex Brain Res. 203 (2), 307-316 (2010).
  38. Rudroff, T., Justice, J. N., Holmes, M. R., Matthews, S. D., Enoka, R. M. Muscle activity and time to task failure differ with load compliance and target force for elbow flexor muscles. J Appl Physiol. 110 (1), 125-136 (2013).
  39. Griffith, E. E., Yoon, T., Hunter, S. K. Age and Load Compliance Alter Time to Task Failure for a Submaximal Fatiguing Contraction with the Lower Leg. J Appl Physiol. 108 (6), 1510-1519 (2010).
  40. Maluf, K. S., et al. Task failure during fatiguing contractions performed by humans Task failure during fatiguing contractions performed by humans. J Appl Physiol. 99 (2), 389-396 (2011).
  41. Porter, R., Lemon, R. N. Corticospinal Function and Voluntary Movement. , Oxford Univ. Press. (1993).
  42. Scott, S. H. The role of primary motor cortex in goal-directed movements: insights from neurophysiological studies on non-human primates. Cur Neurobio. 13 (6), 671-677 (2003).
  43. Evarts, E. V., Tanji, J. Reflex and intended responses in motor cortex pyramidal tract neurons of monkey. J Neurophys. 39 (5), 1069-1080 (1976).
  44. Cheney, P. D., Fetz, E. E. Corticomotoneuronal cells contribute to long-latency stretch reflexes in the rhesus monkey. J Physiol. 349, 249-272 (1984).
  45. Kobayashi, M., Ng, J., Théoret, H., Pascual-Leone, A. Modulation of intracortical neuronal circuits in human hand motor area by digit stimulation. Ex Brain Res. 149 (1), 1-8 (2003).

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Comportement numéro 112 neurophysiologie Feedback Augmentée Force Control contrôle de position Cortex moteur Trancranial Stimulation Magnétique intracorticale Inhibition suppression EMG
Force et contrôle de position chez les humains - Le rôle de la rétroaction augmentée
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Lauber, B., Keller, M., Leukel, C., Gollhofer, A., Taube, W. Force and Position Control in Humans - The Role of Augmented Feedback. J. Vis. Exp. (112), e53291, doi:10.3791/53291 (2016).

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