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Behavior

Steuerkraft und Position in Humans - Die Rolle der Augmented Feedback

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

Sensorisches Feedback ist entscheidend, Bewegungen auszuführen. Tägliche Aktivitäten sind kaum möglich , in Abwesenheit von Propriozeption 1. Darüber hinaus wird das motorische Lernen durch propriozeptive Integration 2 oder kutane Wahrnehmung 3 beeinflusst. Gesunde Menschen mit intakter Empfindung sind in der Lage , die sensorischen Inputs aus verschiedenen sensorischen Quellen , um situationsspezifische Bedürfnisse zu erfüllen 4 ergeben , zu gewichten. Diese sensorischen Wiegen ermöglicht Menschen schwierige Aufgaben mit hoher Präzision durchzuführen , auch wenn einige Aspekte der sensorischen Informationen sind unzuverlässig oder gar nicht vorhanden (zB im Dunkeln zu Fuß oder mit geschlossenen Augen).

Darüber hinaus schlägt verschiedene Hinweise darauf, dass (oder zusätzlich) Feedback verbessert weiter die Motorsteuerung und / oder motorischen Lernens erweitert bereitstellt. Augmented Feedback liefert zusätzliche Informationen, die von einer externen Quelle, die zur Aufgabe intrinsische (sensorischen) Feedback hinzugefügt werden können, von der sensorischen entstehenSystem 5,6. Vor allem die Wirkung des Inhalts von Augmented Feedback über die Motorsteuerung und Lernen hat sich in den letzten Jahren von großem Interesse gewesen. Eine der Fragen war es, wie Steuerkraft Mensch und Position 7,8. Erste Untersuchungen festgestellten Unterschiede in der Zeit zu Ermüdung eines nachhaltigen submaximalen Kontraktion entweder Position oder Force - Feedback und Unterschiede in der Belastung Compliance (zB 9-12). Bei Probanden mit Force-Feedback zur Verfügung gestellt wurden, wurde die Zeit zur Ermüdung der anhaltende Kontraktion signifikant länger im Vergleich zu, wenn die Positionsrückmeldung zur Verfügung gestellt wurde. Das gleiche Phänomen wurde für eine Vielzahl von verschiedenen Muskeln und Gliedpositionen und einer Anzahl von neuromuskulären Mechanismen beobachtet, einschließlich einer größeren Rate der Motoreinheit Einstellungs- und eine größere Abnahme der H-Reflex - Bereich während der Position gesteuert Kontraktion (zur Übersicht 13). Jedoch in diesen Studien nicht nur die visuelle Rückkopplung, sondern auch die physikalische cERKMALE der Muskelkontraktion (dh., die die Einhaltung der Messvorrichtung) wurde geändert. Deshalb führten wir vor kurzem eine Studie nicht die Einhaltung zu verändern, sondern nur Feedback ergänzt und Beweise allein, dass die Bereitstellung von Kraft und Position vorgesehen Feedback während einer anhaltenden submaximalen Kontraktion innerhalb des primären motorischen Kortex (M1) in hemmende Aktivität Unterschiede verursachen. Dies wurde unter Verwendung einer Stimulationstechnik gezeigt , die ausschließlich auf der kortikalen Ebene 14, nämlich unterschwelligen transkranielle Magnetstimulation (subTMS) zu handeln , ist bekannt. Im Gegensatz überschwellige TMS, wird die Antwort durch subTMS evozierten, wird nicht durch die Erregbarkeit der spinalen α-Motoneuronen und die Erregbarkeit exzitatorischer Neuronen und / oder Rindenzellen 15-17 moduliert , sondern allein durch die Erregbarkeit von inhibitorischen intrakortikale Neuronen. Der postulierte Mechanismus hinter dieser Stimulationstechnik ist, dass es mit Intensitäten unterhalb des Schwellenwerts angelegt wird, ein Motor zu evozieren evozierte Potentiale(MEP). Es wurde bei Patienten gezeigt , Elektroden an der zervikalen Ebene implantiert hat, die diese Art der Stimulation keine absteigenden Aktivität produziert , sondern dass es aktiviert in erster Linie hemmende Interneurone im primären motorischen Kortex 14,18,19. Diese Aktivierung der inhibitorischen Inter bewirkt eine Abnahme in der laufenden Aktivität EMG und kann in Versuchen ohne Stimulation, die durch die Menge an EMG-Unterdrückung im Vergleich zu der EMG-Aktivität quantifiziert werden. In dieser Hinsicht haben wir gezeigt , dass Probanden eine deutlich höhere inhibitorische Aktivität in Studien , in denen angezeigt sie Positionsrückmeldung erhielten , im Vergleich mit Studien , in denen Force - Feedback wurden 20 zur Verfügung gestellt. Darüber hinaus haben wir auch gezeigt , dass nicht nur die Präsentation von verschiedenen Feedback Modalitäten (Kraft-Ort - Kontrolle) , sondern auch die Interpretation von Feedback sehr ähnliche Auswirkungen auf die Verhaltens- und neurophysiologische Daten haben kann. Genauer gesagt, wenn wir die Teilnehmer gesagt p erhaltenosition Feedback (auch wenn es Force - Feedback war) sie auch nicht nur eine kürzere Zeit bis zur Ermüdung angezeigt , sondern auch ein erhöhtes Maß an hemmenden M1 Aktivität 21. Aber ein Ansatz , wo die gleiche Rückmeldung mit unterschiedlichen Informationen über den Inhalt ist immer zur Verfügung gestellt hat den Vorteil , dass die Aufgabe Zwänge, dh die Präsentation des Feedback, die Verstärkung der Rückkopplung oder die Einhaltung der Last sind identisch zwischen den Bedingungen so daß Unterschiede in der Leistung und neuronaler Aktivität deutlich zu Unterschieden in der Auslegung des Rückkopplungs verwandten und nicht von unterschiedlichen Testbedingungen vorgespannt ist. So untersuchte die vorliegende Studie, ob eine andere Interpretation von ein und derselben Rückkopplungs die Dauer einer anhaltenden submaximalen Kontraktion beeinflusst und darüber hinaus wirkt sich auf die Aktivierung der inhibitorischen Aktivität des primären Motorkortex.

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Protocol

Das hier beschriebene Protokoll folgte den Richtlinien der Ethikkommission der Universität Freiburg und wurde in Übereinstimmung mit der Erklärung von Helsinki (1964).

1. Ethische Genehmigung - Subject Instruction

  1. Vor dem eigentlichen Experiment, anweisen, alle Probanden über den Zweck der Studie und potenziellen Risikofaktoren. Bei der transkraniellen Magnetstimulation (TMS) Anwendung, gibt es einige medizinische Risiken einschließlich der Geschichte von epileptischen Anfällen, Metallimplantaten in die Augen und / oder Kopf, Erkrankungen des Herz-Kreislauf-System und Schwangerschaft. Ausschließen jedes Thema zu einer dieser Risikofaktoren aus der Studie bekräftigen.
  2. Fügen Sie nur gesunde Personen in der Studie. Ausschließen Personen mit irgendwelchen neurologischen, psychischen und / oder orthopädischen Erkrankungen.

2. Gegenstand Vorbereitung

  1. Betreff Platzierung
    1. Während des gesamten Experiments Sitz Probanden in einem bequemen Stuhl. Befestigen Sie den Kopfdes Teilnehmers eine Besetzung umfassen den Hals verwenden, um eine stabile Kopfposition zu sichern und alle Bewegungen des Kopfes relativ TMS Spule zu vermeiden.
    2. Legen Sie den rechten Arm der Probanden in einem speziell angefertigten Armlehne Bewegungen des Handgelenks zu minimieren. Befestigen Sie den rechten Zeigefinger unterliegen einer Schiene an den Arm eines Roboters montiert. Ausrichten der Drehachse des Roboterarms mit dem metacarpophangeal Gelenk der rechten Hand, so dass das Gelenkzentrum des Rotationszentrum des Roboters übereinstimmt.
  2. Force-Aufnahmen
    1. Messen die aufgebrachte Kraft durch die Gegenstände durch einen Drehmomentmesser in dem Roboterarm montiert und messen die Position des Roboterarms (entsprechend der Position des Zeigefinger) von einem Potentiometer zur Drehachse des Roboters 22 verbunden.
  3. Elektromyographie (EMG)
    1. Verwenden Sie eine bipolare Konfiguration von Oberflächenelektroden durch TMS ausgelöst elektrophysiologischen Reaktionen zu messen sowie muscular Aktivierung durch die Gegenstände hergestellt.
      1. Vor dem Anbringen der Elektroden an die Haut über dem ersten Rücken interosseus Muskel (FDI) und der Entführer pollicis brevis (APB) von der rechten Hand, rasieren die Haut der Probanden, dann ist es leicht abreiben Sandpapier oder Gel Abschleifen und desinfizieren sie mit Propanol .
      2. Im Anschluss daran befestigen Selbstklebe-EMG-Elektroden auf die Haut über die Muskelbäuche der FDI und APB. Legen Sie eine zusätzliche Referenzelektrode auf der olecranon des gleichen Arm.
      3. Kabel verbinden alle Elektroden mit einer EMG-Verstärker und an einen Analog-Digital-Wandler. Amplify die EMG-Signale (x 1000), Bandpass-Filter (10 - 1000 Hz) und Probe bei 4 kHz. Speichern Sie die EMG-Signale für die Offline-Analyse.
  4. TMS
    1. Verwenden Sie eine Zahl von acht Spule mit einem TMS-Stimulator angebracht, um den kontralateralen Motor kortikalen Handbereich zu stimulieren.
    2. Finden, die optimale Position der Spule relativ zu der Kopfhaut zum Hervorrufenmotorisch evozierte Potentiale (MEP) in der FDI-Muskel durch ein Mapping-Verfahren:
      1. Platzieren der Spule ungefähr 0,5 cm vor dem Scheitelpunkt und über der Mittellinie mit dem Griff um 45 ° gegen den Uhrzeigersinn relativ zu der Sagittalebene weist, eine posterior-anteriore Fluss des Stroms in der Mitte der Spule zu induzieren.
      2. Zu Beginn wählen Sie eine kleine Stimulation (zB unter 30% maximalen Stimulator - Ausgang, MSO) Intensität die Themen an die magnetischen Impulse zu gewöhnen.
      3. Anschließend erhöhen Sie die Intensität Stimulation in kleinen Schritten, zum Beispiel 2 - 3% maximale Stimulator Ausgang (MSO) und die Spule in der frontalen-rostral und medio-lateraler Richtung, um den optimalen Standort zu finden bewegen (Hotspot) für die FDI stimulierenden Muskel. Der Hotspot wird als der Ort definiert, wo die größte MEP bei einer gegebenen Stimulationsintensität beobachtet werden.
    3. Nach dem FDI-Hotspot zu finden, bestimmen Motor Schwelle (MT) als minimu Ruhem Intensität erforderlich MEP Spitze-Spitze - Amplituden in der EMG zu evozieren größer als 50 & mgr ; V in drei von fünf aufeinander folgenden Studien 18. Überprüfen Sie die Größe der Online auf dem Computerbildschirm angezeigt MEPs.
    4. Nach dem Hervorrufen MEPs mit 1,0 * MT, verringern ständig die Stimulationsintensität der TMS-Maschine in Schritten von 2% MSO, bis die MEP nicht mehr beobachtet werden kann und eine EMG Unterdrückung der laufenden Muskelaktivität deutlich.
      Hinweis: Um die TMS-induzierte EMG Unterdrückung darzustellen es notwendig ist, eine hohe Anzahl von Stimulationen anzuwenden (siehe Abschnitt 5. "Datenverarbeitung")

3. Feedback zur Präsentation

  1. Teilen Sie die Teilnehmer in drei Gruppen (pF, fF, CON).
  2. Instruieren Themen aus der Position Feedback-Gruppe (pF) in der Hälfte der Versuche Feedback über die Position des Zeigefingers (Position Feedback) zu erhalten, wenn sie durch Drücken gegen die Roboter-Vorrichtung mit dem Zeigefinger zu bewegen. </ Li>
  3. In der anderen Hälfte der Versuche, anweisen Themen Feedback über die ausgeübte Kraft zu empfangen, während die Roboter-Vorrichtung (Force-Feedback) bewegt.
    Hinweis: In Wirklichkeit aber sie erhalten immer die gleiche Rückmeldung (Position Feedback).
  4. Instruieren Themen aus der Force-Feedback-Gruppe (fF) Force-Feedback in der Hälfte der Studien erhalten und Positionsrückmeldung in der anderen Hälfte erhalten.
    Hinweis: In der Tat ist diese Gruppe nur mit Force-Feedback zur Verfügung gestellt.
  5. Sie nicht die Kontrollgruppe (CON) über die Quelle des Feedback anweisen. Hinweis: Die Kontrollgruppe erhält Force-Feedback in einer Hälfte ihrer Studien und Positionsrückmeldung in der anderen Hälfte.
  6. ändern in zufälliger Reihenfolge die Reihenfolge der Sitzungen, das heißt, ob Studien mit Kraft oder Position Feedback zu starten, in allen Gruppen.
  7. Optisch zeigen die Kraft und die Positionsrückmeldung auf einem Computer-Bildschirm 1 m vor der Probanden platziert.
  8. In jedem Zustand präsentieren eine Linie Ziel entsprechend30% der individuellen maximalen freiwilligen Kraft des Subjekts oder der Finger Winkel des Zeigefingers bei 30% maximal freiwillige Kontraktion (MVC), auf dem Computerbildschirm und anweisen, die Gegenstand der Ziellinie möglichst genau übereinstimmen.

4. Maximal isometrischen Kraft

  1. Nach dem Subjekt (EMG) vorbereitet wird, führen drei isometrischen Maximal freiwilligen Kontraktionen (MVC), gehalten in der isometrischen Kraft einer allmählichen Zunahme bestehend aus Null bis Maximum über 3 sec Zeitspanne und die maximale Kraft für 2 sec 20,21.
  2. Verbal das Thema fördern maximale Kraft zu erreichen. Nach jedem Versuch erlauben die Probanden für 90 Sekunden ruhen Müdigkeit zu vermeiden.

5. Versuchsdurchführung

  1. Ermüdenden Motor Task- Kontraktionen Sustained.
    Hinweis: Die ermüdende Aufgabe besteht aus zwei nachhaltig an unterschiedlichen Tagen durchgeführt Kontraktionen.
    1. Weisen Sie die Themen der Ziellinie von 30% MVC passen fürso lange wie möglich mit einer Linie zu der aufgebrachten Kraft oder die Position ihrer Finger entsprechend einem Kraftniveau von 30% MVC entspricht.
      Hinweis: Die Ziellinie bei der Positionsrückkopplungsbedingung (pF-Gruppe) ist daher die Finger Winkel entspricht, wenn die Probanden die Kraftniveau von 30% MVC entsprechen.
    2. Fragen Sie die Themen die Kontraktionen bis Aufgabe Versagen zu halten, der als der Punkt definiert wird, in dem die Themen sind nicht mehr in der Lage, die Zielkraft in einem 5% Fenster der Zielkraft über einen Zeitraum von 5 Sekunden (FF-Gruppe) zu halten. Für die pF-Gruppe definieren Aufgabe Scheitern als wenn die Teilnehmer nicht in der Lage mit dem Finger Winkel innerhalb von 5% des gewünschten Zielwinkel zu halten für 5 s 12,23.
    3. Stellen Sie sicher, dass die beiden anhaltenden Kontraktionen von mindestens 48 Stunden voneinander getrennt sind.
  2. TMS-protocol
    Hinweis: Die unterschwellige TMS Experiment wird an die ermüdende Kontraktionen auf separaten Tag durchgeführt. Dies ist wichtig, da Müdigkeit einen Einfluss hatauf die Unterdrückung EMG durch subTMS 24,25 so Unterschiede zwischen Kraft und Position eindeutig identifiziert werden kann nicht hervorgerufen. Trennen der ermüdenden Kontraktionen von den TMS-Messungen hat den Vorteil, dass Unterschiede in der EMG Unterdrückung kann nun deutlich die unterschiedliche Auslegung der Rückkopplung zurückgeführt werden, sondern muss die Einschränkung, dass die Ergebnisse können nicht direkt auf die Unterschiede in der Zeit zu Ermüdungs ​​verbunden werden der erlittenen Kontraktionen.
    1. das Teil des Experiments Verhalten TMS auf einem separaten Anlass als die ermüdende Experimente (siehe auch Abschnitt 3. "Feedback-Präsentation" sehen). Zunächst folgen die exakt gleiche Verfahren wie für die ermüdenden Kontraktion (zB MVC Kontraktionen) , aber dieses Mal, fragen Sie die Themen , um die Kontraktionen halten nur so lange , wie die TMS Stimulation dauert. Somit werden die Kontraktionen nicht fatigable und nur für ungefähr 100 sec während jedes TMS Studie gehalten.
    2. Geben Sie eine Pause von 3 min zwischen Trials jede Vorspannung von Ermüdung zu minimieren.

6. Datenverarbeitung

  1. TMS
    1. Tragen Sie insgesamt 100 Sweeps 50 Durchläufe mit und 50 Sweeps ohne Stimulation mit einem Inter-Stimulus - Intervall von 0,8 bis 1,1 s 20,21,25,26 reichen. Dieser kurze Interstimulus Intervall stellt sicher, dass die Probanden nicht brauchen die Kontraktionen zu lange so ermüdend Effekte minimiert werden kann zu halten.
    2. Um zu analysieren , ob die TMS - Stimulation eine Erleichterung (MEP) oder eine EMG Unterdrückung verursacht, subtrahieren die gleichgerichtet und dann durchschnittlich 50 Sweeps mit Stimulation (stimulierte EMG) von den 50 Sweeps ohne Stimulation (Kontrolle EMG) 20,21,25-27.
      Hinweis: Das Einsetzen der EMG-Unterdrückung wird als Zeitpunkt definiert, in dem der gemittelte EMG für die Durchläufe mit der Stimulations kleiner ist als der Steuer EMG für mindestens 4 msec in einem Zeitrahmen von 20 bis 50 msec nach dem TMS Puls. Das Ende der Unterdrückung wird als t definierter sofort , wenn die stimulierte EMG größer als die Steuer EMG für mindestens 1 ms und das Ausmaß der Unterdrückung ist , wird als prozentuale Veränderung berechnet (Kontrolle-stimulierte / mittlere Steuer * 100).
    3. Verwenden Sie die Sweeps ohne TMS Stimulation für die Berechnung der Hintergrund EMG Aktivierung und durchschnittlich sie im gleichen Zeitfenster wie die Versuche mit Stimulation 20,21,25,26.
  2. EMG
    1. Bestimmen Sie die maximale Aktivität EMG durch die root mean square - Wert in einem 0,5s Zeitfenster gemessen während der MVC - Tests 20,21 um die Spitzenkraft aufgezeichnet zu berechnen.
    2. Für die anhaltende Kontraktionen, analysieren die EMG durch den Bau von 8 Sekunden langen Behälter , wo das root mean square des berichtigten EMG berechnet und normiert auf die EMG - Aktivität während der MVC - Studien 20,21 erhalten.

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Representative Results

Interpretation von Feedback

Im hier beschriebenen Verfahren wurden die Probanden in einer Weise angewiesen, die sie in die Hälfte ihrer Versuche glaubte an Position Feedback und in der anderen Hälfte der Force-Feedback erhalten haben Studien erhalten haben. In der Tat wurden sie in die Hälfte ihrer Versuche, wie sie die pF-Gruppe immer Positionsrückmeldung erhalten betrogen und die fF-Gruppe immer Force-Feedback erhalten.

Mit dieser Methode hat den Vorteil , dass die Feedback - spezifische Unterschiede (zB Verstärkung des Signals, Farbe) ausgeschlossen werden kann. Daher können die Ergebnisse nur auf Unterschiede in der Auslegung des Rückkopplungs zurückzuführen und nicht auf die Darstellung der Rückkopplung selbst. Es ist jedoch theoretisch möglich, dass die Probanden erkannt, dass das gleiche Feedback ohne uns mitzuteilen, vorgestellt wurde. Wir therefosind immer am Ende des letzten Test gefragt, ob sie, dass das Feedback realisiert war immer gleich. Im Falle der vorliegenden Studie berichteten Probanden, dass sie nicht erkennen, dass sie betrogen wurden.

Sustained Kontraktionen

Unabhängig von der Gruppe (fF oder pF Gruppe), dh unabhängig davon , ob Probanden Kraft oder Positionsrückmeldung erhalten, sie angezeigt immer das gleiche Muster: wenn sie gedacht , um Kraft zu steuern, die Zeit bis zur Erschöpfung länger war signifikant im Vergleich zu , wenn sie glaubten , sie waren Empfangen von Positionsrückmeldung. Die CON-Gruppe zeigte keine Unterschiede zwischen den beiden Rückkopplungsbedingungen. Ein Beispiel für einen Gegenstand aus jeder der drei Gruppen ist in Abbildung 1 dargestellt. Die FDI EMG - Aktivität im Verlauf der anhaltende Kontraktion erhöht , sondern war vergleichbar zwischen Rückkopplungsbedingungen (Abbildung 2).

Kraft und Positionskontrolle beim Menschen

Die Frage, wann und wie der Mensch Position verwenden oder Informationen für die Motorsteuerung zwingen, führte zu einer Vielzahl von Publikationen in diesem Bereich mit unterschiedlichen Ergebnissen wahrscheinlich aus den verschiedenen methodischen Ansätzen zur Folge hat. Milner und Hinder 36 zum Beispiel argumentiert , dass Positionsinformationen nicht zwingen , um Informationen verwendet wird , während an neue Umweltdynamik Anpassung (dh Störungen der Hand Weg , wenn sie von Ziel A nach B zu bewegen). Eine Reihe von Publikationen auf Verhaltens- und neuronale Unterschiede zwischen Position und Kraft gesteuert nachhaltige ermüdenden Kontraktionen gefunden suchen , dass die Zeit zur Ermüdung stark reduziert wird , wenn die Probanden erforderlich Position im Vergleich zu steuern , um Kraft (revidierbarer 13 siehe). Diese reduzierte Zeitausfall zu Aufgabe wurde durch eine Reihe begleitetneuronaler Anpassungen wie eine schnellere Abnahme der H-Reflex - Bereich 12, eine schnellere Rekrutierung von motorischen Einheiten und Unterschiede in den Extremitäten Haltung 23 sowie eine Steigerung des Niveaus der wahrgenommenen Anstrengung während der Position gesteuert Kontraktionen 12,37-40. Das Paradigma dieser Studien war, dass die Probanden Position kontrollierte Kontraktionen in einem konformen System beibehalten, während die Kraft gesteuert Kontraktionen unter strengen Bedingungen durchgeführt wurden. So deuten die letzteren Studien und die Studie von Milner und Hinder 36, der Position oder Kraftregelung ändert sich mit Unterschieden in der Umweltdynamik und biomechanischen Anforderungen. Was blieb unklar war jedoch, wie Position und Kraftsteuerung realisiert wird, wenn die Dynamik und Biomechanik der Aufgabe konstant bleiben. Eine kürzlich durchgeführte Studie zeigte, wenn das Feedback von Kraft auf die Position (oder umgekehrt), aber die Aufgabe zu ändern und so blieb die Dynamik gleich, dass es Unterschiede in der Zeit zu Fatigue 20. Der einzige Unterschied zwischen unserer Aufgaben war die Quelle der Rückkopplungs. Zusätzlich wie in der aktuellen Studie Lauber et al. (2012) verwendet subTMS Unterschiede in der Höhe der EMG - Unterdrückung zu offenbaren, und fand eine größere EMG Unterdrückung während der Position gesteuert Kontraktionen.

Neuronale Steuerung von Kraft und Position beim Menschen

Die primären motorischen Kortex scheint ein lohnendes Ziel , da es nicht nur ein Teil der transkortikalen Reflexschleife 41,42 , sondern auch, weil es spielt eine wichtige Rolle bei der freiwilligen Bewegungssteuerung 43,44. Die Ergebnisse der vorliegenden Studie unterstreichen die Rolle von M1 während Kraft und Position gesteuert Kontraktionen als der größere EMG Unterdrückung während der Position gesteuert Kontraktion, sobald eine größere Anfälligkeit von intrakortikale inhibitorischen Inter zeigt, wie die Probanden interpretiertBewertungen als Positionsrückmeldung. Dies wird durch den Befund unterstützt, dass, wenn keine Informationen über die Quelle der Rückkopplungs vorgesehen ist, konnte kein Unterschied in der EMG Suppression beobachtet werden. Neuere Beobachtungen deuten darauf hin , dass eine große Menge an EMG - Unterdrückung durch die magnetische Stimulation verursacht einen größeren Beitrag des Kortex anzeigt (dh M1) 24. Diese erhöhte M1 Aktivität in Bewegungen Position gesteuert könnte von Interpretation spezifischen Veränderungen ableiten proprioceptive Signale 21 zu integrieren. Das modifizierte proprioceptive Signal könnte dann verarbeitet werden , unterschiedlich in anderen kortikalen Arealen (zB Zusatzmotor Bereiche (SMA)) , die als die Aktivität von M1 über ihre synaptischen Eingang ändern. Dies würde mit dem Befund in Einklang stehen, die das Potenzial in proprioceptive Feedback verändert haben intrakortikale und corticospinal Erregbarkeit 45 zu ändern.

Zusammengenommen die current Ergebnisse zeigen, dass je nach Auslegung, Augmented Feedback anders integriert werden können, innerhalb des zentralen Nervensystems zu deutlichen Verhaltens und neuronale Anpassungen führen.

EMG Unterdrückung von subTMS:

Die unterschwellige Stimulation führte zu einer Unterdrückung der EMG-Aktivität während der gesamten Rückkopplungsbedingungen. Die EMG Unterdrückung war jedoch größer, wenn die Probanden gedacht, um Positionsrückmeldung erhalten im Vergleich zu, wenn sie glaubten, Force-Feedback zu erhalten; dies war wieder unabhängig, welche Art von Feedback, das sie wirklich wahrgenommen. So Subjekte der pF und der fF Gruppe verhielt sich die gleiche Art und Weise (3A & B). Die CON - Gruppe (3C) zeigten keine Unterschiede in der EMG Unterdrückung zwischen den Bedingungen. Abbildung 3 zeigt repräsentative Ergebnisse aus den einzelnen Themen al l Gruppen , die in der Studie und Abbildung 4 Gruppe teilgenommen bedeuten Daten. Hintergrund EMG Aktivierung war nicht anders zwischen den Gruppen und Bedingungen.

subthreshold TMS

Das Prinzip der unterschwelligen transkranielle Magnet Reiz besteht darin , dass bei dieser niedrigen Intensitäten (dh unterhalb der Schwelle MEPs hervorzurufen), intrakortikale hemmende Interneurone aktiviert werden , die dann synaptically die Erregbarkeit der Zellen corticospinal 14,27,31 reduzieren. Dies führt zu einer Verringerung des exzitatorischen Fahrt von der Kortex bis auf den Muskel während einer submaximalen anhaltende Kontraktion und kann durch die Verringerung der laufenden EMG-Aktivität quantifiziert werden. Die Reduktion der EMG-Aktivität darstellt inhibitorische Aktivität auf M1 wirkende und wird am häufigsten durch die Größe (Fläche) der Unterdrückung analysiert.

"> Es gibt einige Hinweise darauf , dass diese EMG Unterdrückung ist ausschließlich das Ergebnis einer erhöhten intrakortikale Hemmung weil subthreshold Stimulation bei einer subkortikalen Ebene 31 zu induzieren Änderungen des EMG fehlgeschlagen ist und auch , weil subTMS bewirkt eine gleichzeitige Hemmung der Agonisten und Antagonisten ohne den Einfluss Zusätzlich spinaler reziproke Hemmung 25,27,32., Aufnahmen von epidurale Elektroden im Bereich der Halswirbelsäule implantiert zeigte keine Reaktionen nach subTMS Stimulation 14. Schließlich direkte corticospinal Projektionen scheinen eine wichtige Rolle zu spielen , wenn unterschwellige TMS als Butler et al. 33 nachdem bereits beobachtet werden kann, der Beginn der EMG Unterdrückung nur 20 ms nach der Stimulation TMS gezeigt, dass.

Zusammen mit den Ergebnissen der aktuellen Studie scheint es sehr wahrscheinlich, dass die Kraft und Positionsinformationen unterschiedlich innerhalb des zentralen ne integriert sindrvous System zu einer anderen Aktivierung des primären motorischen Kortex führen. Dies wird auch durch die Ergebnisse der aktuellen Studie unterstützt eine kürzere Zeit zur Ermüdung der anhaltenden Kontraktion zeigt, wenn das Feedback als Positionsrückmeldung im Vergleich zu interpretieren Feedback Bedingungen zu zwingen, und an die Steuerung, wo keine Anweisung über die Quelle der Feedback gegeben wurde, was zu kein Unterschied in der Zeit, zu ermüden.

Abbildung 1
Abbildung 1. Zeit zu Ermüdung von Sustained Contractions. Repräsentative Daten von einem Thema aus jeder Gruppe (FF-pF und CON - Gruppe) ihre Zeit zur Ermüdung der erlittenen Kontraktionen anzeigt. Von links die Figur nach rechts zeigt, dass, sobald das Thema aus der fF Gruppe Force-Feedback erhalten haben, länger die Zeit zur Ermüdung wurde im Vergleich zu, wenn das Thema, das er glaubte / sie Stellungsrückmeldung erhielt (ausgetrickst). Die second Graph von einem Gegenstand der pF-Gruppe zeigt, dass, sobald das Subjekt das Feedback als Force-Feedback (ausgetrickst) interpretiert wurde die Zeit zur Ermüdung länger im Vergleich zu, wenn die Subjektposition Feedback erhalten. Die letzte Kurve zeigt , dass ohne Instruktion über die Quelle des Feedback, das Thema aus der CON - Gruppe keinen Unterschied in der Zeit zu Ermüdung angezeigt. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Figur 2
Abbildung 2. EMG - Aktivität im Verlauf der Sustained Contractions. Repräsentative Daten von einem Thema aus jeder Gruppe (FF-pF und CON - Gruppe) eine Erhöhung der EMG - Aktivität von Anfang an bis zum Ende der Kontraktion anzeigt. Das war unabhängig davon, ob die Probanden immer Force-Feedback (fF Gruppe erhielt,A) und in der Hälfte der Versuche glaubte , dass sie Positionsrückmeldung erhielten, oder wenn sich die Personen immer empfangenen Positionsrückmeldung (pF - Gruppe, B) und glaubte an die Hälfte ihrer Studien , die sie Force - Feedback erhielten , oder wenn sie nicht informiert über die Art des Signals (CON Gruppe, C). Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Figur 3
Abbildung 3. TMS evozierte EMG - Unterdrückung. Die rechten Tafeln zeigen die EMG Unterdrückung während der Kraft und die Position gesteuert Kontraktion für die fF Gruppe (A), die pF - Gruppe (B) und der CON - Gruppe (C). In allen drei repräsentativen Probanden führte die Stimulation mit subTMS in einer Unterdrückung tatsächlich der EMG - Aktivität , die größer war , als das Thema von der fF Gruppe glaubte , dass sie Positionsrückmeldung (rote Linie) im Vergleich zu den Spuren erhielten, dass die Gegenstände Force - Feedback erhalten (A, blaue Linie), wenn das Objekt von der pF - Gruppe empfangenen Positionsrückmeldung (rote Linie) im Vergleich zu , wenn das Subjekt glaubte , dass er / sie Force - Feedback erhielt (B, blaue Linie). Wenn keine Informationen gegeben gab es keinen Unterschied (blaue Kraftsteuerung, rot Lageregelung) zwischen der EMG - Unterdrückung bei den Probanden aus der CON - Gruppe (C). Im rechten Bereich sind vergrößerte Bilder der gleichen EMG Spuren wie auf der linken Seite der Figur den Unterschied in der EMG Unterdrückung durch die grau schattierte Fläche hervorheben. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

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Abbildung 4. TMS evozierte EMG Suppression -. Gruppendaten in der PF- (A) und die FF- (B) Gruppen führte die Stimulation mit subTMS in einer größeren Unterdrückung während der Position gesteuert Aufgabe im Vergleich zu der Kraft gesteuert Aufgabe. Wenn keine Informationen gegeben gab es keinen Unterschied in der EMG - Unterdrückung (C). Fehlerbalken zeigen Standardfehler des Mittelwerts. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

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Discussion

Die vorliegende Studie untersucht, ob die Interpretation von Augmented-Feedback die Zeit zu Ermüdungs ​​einer anhaltenden submaximalen Kontraktion und das neuronale Verarbeitung des primären Motorkortex beeinflußt. Die Ergebnisse zeigen, dass, sobald die Teilnehmer die Feedback als Stellungsrückmeldung (im Vergleich zu Kraftrückmeldung) interpretiert, war die Zeit zu Ermüdungs ​​wesentlich kürzer und die inhibitorische Aktivität des motorischen Cortex (als die Menge an EMG-Unterdrückung durch subTMS verursacht gemessen) größer. Da die Aufgabe zwischen den Bedingungen nicht ändern, zeigen die aktuellen Ergebnisse Unterschiede in Kraft- und Positionssteuerungsstrategien auf die Auslegung der Quelle des Feedback-abhängig. Die meisten früheren Versuche auf dem Feedback fokussiert spezifische Aspekte wie die Timing - 28 oder der Frequenz 29,30 des Feedback während der vorliegenden Studie untersucht , ob Informationen über den Inhalt des Rückkopplungssignals und damit die Interpretation darüber beeinflussen könnenmotorisches Verhalten.

Eine Einschränkung dieses Verfahrens ist, dass es nicht immer möglich ist, eine TMS evozierte EMG Unterdrückung in jeder ohne vorherige Erleichterung zu verursachen. Einige Studien berichtet , dass es in 50% der Testpersonen nur möglich war , die EMG - Unterdrückung in Abwesenheit einer anfänglichen Erleichterung zu bewirken aber , dass das Verfahren trotzdem als ein gültiges Werkzeug angenommen zur Quantifizierung intrakortikale Hemmung 24,26,34. Dies ist wahrscheinlich der Fall , wenn die Schwellenwerte für die Aktivierung von inhibitorischen und exzitatorischen Inter sind sehr ähnlich 25,35.

Darüber hinaus ist es wichtig, das unterschwellige TMS Experiment auf einem separaten Gelegenheit als die ermüdende Kontraktionen zu leiten. Der Grund dafür ist, dass die Ermüdung der EMG Unterdrückung haben und beeinflussen können was bedeutet, dass Unterschiede zwischen Kraft und Position hart sein könnte zu interpretieren. Zum einen hat dies den Vorteil, dass die Messungen durch Trennen, es möglich ist to verknüpfen Potentialunterschiede in der EMG-Unterdrückung mit der Auslegung des Rückkopplungs aber auf der anderen Seite hat die Einschränkung, dass die Ergebnisse können nicht direkt auf die Unterschiede in der Zeit, zu Ermüdung der anhalt Kontraktionen verknüpft werden.

Es ist auch sehr wichtig, dass die gleichen Experimentator die einzelnen Experimente führt so Probanden nicht bewusst, dass sie im Sinne betrogen werden könnten, dass sie eine andere Art von Feedback erhalten, als ihnen gesagt wurde.

Wie ist der aktuelle Ansatz nicht verraten, was genau die Unterschiede in der Zeit zu Ermüdung und die Unterschiede in der EMG Unterdrückung zwischen der Kraft und der Position gesteuert Kontraktion verursacht. Während Müdigkeit, eine Reihe peripheren, subcortical und kortikalen Mechanismus könnte eine Rolle spielen. Für die Unterschiede in der EMG Suppression mit subTMS evozierten, ist es sehr wahrscheinlich, dass eine veränderte inhibitorische Aktivität für die beobachteten Ergebnisse verantwortlich ist. Ein Weg, um test dies würde ein modifiziertes TMS-Protokoll wie kurze intrakortikale Inhibition (SICI) eine mögliche künftige Anwendung zu bedienen.

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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

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References

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Verhalten Heft 112 Neurophysiologie Augmented Feedback Force Control Positionsregelung Motor Cortex Trancranial Magnetstimulation intrakortikale Inhibition EMG Unterdrückung
Steuerkraft und Position in Humans - Die Rolle der Augmented Feedback
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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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