Introduction
Sensorisk återkoppling är avgörande för att utföra rörelser. Dagliga aktiviteter är knappast möjligt i frånvaro av proprioception en. Dessutom är motorisk inlärning påverkas av proprioceptiva integration två eller kutan uppfattning 3. Friska människor med intakt sensation kan väga sinnesintryck som härrör från olika sensoriska källor för att möta situationsspecifika behov 4. Denna sensoriska vägning gör människor att utföra svåra uppgifter med hög precision även när vissa aspekter av sensorisk information är opålitliga eller frånvarande (t.ex. promenader i mörker eller med slutna ögon).
Dessutom föreslår olika bevis för att som tillhandahåller förstärkt (eller ytterligare) återkoppling ytterligare förbättrar motorstyrning och / eller motorisk inlärning. Augmented återkoppling ger ytterligare information från en extern källa som kan läggas till uppgiften inneboende (sensorisk) återkoppling till följd av sensoriskasystemet 5,6. Speciellt effekten av innehållet i augmented feedback på motorstyrning och lärande har varit av stort intresse under de senaste åren. En av de frågor som behandlas var hur människor styrkraft och position 7,8. Inledande undersökningar identifierat skillnader i tid till utmattning av en ihållande submaximal kontraktion med antingen position eller force feedback och skillnader i last överensstämmelse (t.ex. 9-12). När försökspersoner försedd med force feedback, var tiden till utmattning av ihållande kontraktion betydligt längre jämfört med när lägesåterkoppling lämnades. Samma fenomen observerades för en mängd olika muskler och lem positioner och ett antal neuromuskulära mekanismer, bland annat en ökad hastighet av motorenheten rekrytering och en större minskning av H-reflexen området under den position styrd sammandragning (för en översikt 13). Men i dessa studier, inte bara den visuella återkoppling men också den fysiska characteristics av muskelsammandragning (dvs., efterlevnaden av mätanordningen) ändrades. Därför nyligen genomförde vi en undersökning inte förändra efterlevnad utan endast förstärkt återkoppling och visat att tillhandahållande av kraft och respons läge ensam under en ihållande submaximal kontraktion kan orsaka skillnader i hämmande aktivitet inom den primära motoriska cortex (M1). Detta visades med hjälp av en stimuleringsteknik som är känd för att agera enbart på kortikala nivå 14, det vill säga under tröskelvärdet transkraniell magnetisk stimulering (subTMS). Till skillnad suprathreshold TMS, svaret som framkallas av subTMS, inte moduleras av retbarhet av spinala a-motoneuroner och retbarhet excitatoriska neuroner och / eller kortikala celler 15-17 men endast av retbarhet av hämmande intrakortikal neuroner. Den postulerade mekanismen bakom denna stimulering teknik är att den tillämpas vid intensiteter under tröskelvärdet för att framkalla en motor evoked potential(MEP). Det visades hos patienter med elektroder implanterade på cervikal nivå som denna typ av stimulering inte producerar någon fallande aktivitet, men att det aktiverar främst hämmande intern inom den primära motoriska cortex 14,18,19. Denna aktivering av hämmande intern orsakar en minskning i den pågående EMG-aktivitet och kan kvantifieras genom mängden av EMG suppression jämfört med EMG-aktivitet som erhölls i försök utan stimulering. I detta avseende visade vi att patienter visade en signifikant större inhiberande aktivitet i prövningar där de fått positionsåterkoppling jämfört med prövningar där force feedback lämnades 20. Dessutom visade vi också att det inte bara presentationen av olika återkopplings modaliteter (kraft mot lägesreglering) men också tolkningen av återkoppling kan ha mycket likartade effekter på beteendemässiga och neurofysiologiska data. Närmare bestämt, när vi berättade deltagarna att erhålla påterkoppling osition (trots att det var force feedback) de också inte bara visas en kortare tid till trötthet, men också en ökad nivå av hämmande M1 aktivitet 21. Använda ett tillvägagångssätt där samma respons men med olika information om dess innehåll alltid tillhandahålls har den fördelen att uppgiften begränsningar, det vill säga, presentationen av feedback, förstärkningen av feedback, eller efterlevnad av lasten är identiska mellan förhållandena att skillnader i prestanda och neural aktivitet är klart relaterade till skillnader i tolkningen av återkoppling och inte påverkas av olika testförhållanden. Således undersökte den aktuella studien om en annan tolkning av en och samma återkoppling påverkar varaktigheten av en ihållande submaximal kontraktion och dessutom har en inverkan på aktivering av hämmande aktivitet av den primära motoriska cortex.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Protokollet som beskrivs här följde riktlinjerna i den etiska kommittén vid universitetet i Freiburg och var i enlighet med Helsingforsdeklarationen (1964).
1. etiskt godkännande - ärendeinstruktion
- Innan det faktiska experimentet, instruera alla ämnen om syftet med studien och potentiella riskfaktorer. Vid tillämpning av transkraniell magnetisk stimulering (TMS), finns det några medicinska risker inklusive någon historia av epileptiska anfall, metalliska implantat i ögonen och / eller huvudet, sjukdomar i det kardiovaskulära systemet och graviditet. Utesluta något ämne som bekräftar att en av dessa riskfaktorer från studien.
- Inkludera endast friska individer i studien. Uteslut individer med några neurologiska, psykiska och / eller ortopediska sjukdomar.
2. Angående Förberedelse
- Angående placering
- Under hela experimentet, säkerhets ämnen i en bekväm stol. Fäst huvudetav deltagare som använder en gjuten omfattar halsen, vilket garanterar en stabil huvudposition och undvika eventuella förflyttningar av huvudet relativt TMS spolen.
- Placera höger arm av ämnena i en specialbyggd armstödet för att minimera rörelser i handleden. Fixera patientens högra pekfinger till en skena monterad på armen hos en robot. Rikta in rotationsaxeln för robotarmen med metacarpophangeal leden mellan höger hand så att det gemensamma centrum matchar rotationscentrum av roboten.
- Force inspelningar
- Mäta den kraft som anbringas av de ämnen av en torquemeter monterad i robotarmen och mäta positionen hos robotarmen (motsvarande läget för pekfingret) med en potentiometer som är ansluten till rotationsaxeln hos roboten 22.
- Elektromyografi (EMG)
- Använd en bipolär konfiguration av ytelektroder för att mäta elektrofysiologiska reaktioner framkallas av TMS samt muscular aktivering produceras av ämnena.
- Innan du fäster elektroderna på huden över den första rygg interosseus muskel (FDI) och kidnappare pollicis brevis (APB) i den högra, raka huden av ämnena, sedan lätt slipa det med sandpapper eller slip gel och desinficera det med propanol .
- Efter detta, fästa självhäftande EMG elektroder på huden över muskeln magar av FDI och APB. Placera en extra referenselektrod på olecranon av samma arm.
- Kabel-ansluta alla elektroder till en EMG-förstärkare och en analog-digitalomvandlare. Förstärka EMG signaler (x 1000), bandpassfilter (10 - 1000 Hz) och prov vid 4 kHz. Förvara EMG signaler för offline analys.
- Använd en bipolär konfiguration av ytelektroder för att mäta elektrofysiologiska reaktioner framkallas av TMS samt muscular aktivering produceras av ämnena.
- TMS
- Använd en siffra på åtta spole ansluten till en TMS stimulator för att stimulera den kontralaterala motor kortikala handen område.
- Hitta den optimala positionen för spolen i förhållande till hårbotten för framkallandemotor framkallade potentialer (ledamöter) i FDI muskeln genom en kartläggning förfarande:
- Placera spolen approximativt 0,5 cm anterior till vertex och över mittlinjen med handtaget pekar på 45 ° moturs i förhållande till sagittalplanet, vilket inducerar en posterior-anterior flöde av strömmen i centrum av spolen.
- I början, välja en liten stimulering intensitet (t.ex. under 30% maximal stimulator utgång, MSO) för att få de ämnen vana att de magnetiska pulserna.
- Därefter öka stimuleringsintensiteten i små steg, exempelvis 2-3% maximum stimulator utgång (MSO) och flytta spolen i frontala-rostralt och medio-laterala riktningen för att finna det optimala stället (hotspot) för stimulering av FDI muskel. Hotspot definieras som den plats där den största MEP kan observeras vid en given stimuleringsintensitet.
- Efter att hitta FDI hotspot, bestämma vila motor tröskel (MT) som minimum intensitet som krävs för att framkalla MEP topp-till-topp-amplituder i EMG större än 50 μV i tre av fem på varandra följande försök 18. Inspektera storleken på ledamöterna visas på nätet på datorskärmen.
- Efter framkalla parlamentsledamöter med 1,0 * MT, ständigt minskar stimulering intensitet TMS maskinen i steg om 2% MSO tills MEP inte längre kan observeras och en EMG undertryckande av den pågående muskelaktiviteten blir uppenbar.
Obs: För att skildra TMS inducerade EMG dämpning är det nödvändigt att tillämpa ett stort antal stimuli (se avsnitt 5 "Data Processing")
3. Respons Presentation
- Dela in deltagarna i tre grupper (PF, FF, CON).
- Instruera ämnen från lägesåterkopplings gruppen (PF) i hälften av försöken att få feedback om läget för pekfingret (lägesåterföring) när du flyttar pekfingret genom att trycka mot robotanordningen. </ Li>
- I den andra halvan av försöken, instruera patienter att få feedback om den pålagda kraften när du flyttar robotanordningen (force feedback).
Obs: Men i verkligheten, de alltid får samma feedback (lägesåterföring). - Instruera ämnen från force feedback-gruppen (FF) för att ta emot force feedback i hälften av försöken och få positionsåterkoppling i den andra halvan.
Notera: I själva verket är denna grupp uteslutande försedd med kraftåterkoppling. - Behöver inte instruera kontrollgruppen (CON) om källan till återkopplingen. Notera: Kontrollgruppen erhåller force feedback i en halv av deras försök och positionsåterkoppling i den andra halvan.
- Slumpmässigt ändra ordningen på sessioner, det vill säga om försök börjar med kraft eller position feedback, i alla grupper.
- visa visuellt kraften och positionen feedback på en datorskärm placerad en meter framför ämnena.
- I varje tillstånd, presenterar en mållinje motsvarande30% av patientens individuella maximala frivilliga kraft, eller fingervinkel av pekfingret vid 30% maximalt frivilliga kontraktion (MVC), på datorskärmen och instruera motivet för att matcha mål-linjen så nära som möjligt.
4. Maximal isometrisk kraft
- Efter ämnet framställs (EMG), utföra tre isometriska maximala frivilliga sammandragningar (MVC), som består av en gradvis ökning av isometrisk kraft från noll till maximum under en 3 sek tidsperiod och maximal kraft innehas för 2 sek 20,21.
- Verbalt uppmuntra ämnet för att uppnå maximal kraft. Efter varje försök, låta de ämnen vila i 90 sekunder för att undvika utmattning.
5. Försöksförfarande
- Trött Motor uppgifts- Fortsatt sammandragningar.
Obs! Tröttande uppgift består av två ihållande sammandragningar exekveras på separata dagar.- Instruera patienterna att matcha mållinjen av 30% MVC förså länge som möjligt med en linje som motsvarar den applicerade kraften eller positionen för fingret som motsvarar en kraft med 30% MVC.
Obs! Mållinjen under lägesåterkopplings tillstånd (PF-grupp) motsvarar därför fingret vinkel när försöks matchar kraftnivån på 30% MVC. - Be ämnen att hålla sammandragningar tills uppgiften fel, som definieras som den punkt då försökspersonerna inte längre kan hålla målet kraften i ett fönster 5% av målet kraft under en period av 5 sekunder (FF-gruppen). För PF-gruppen, definiera uppgift misslyckande som när deltagarna inte kan hålla fingret vinkel inom 5% av den erforderliga mål vinkel för 5 sek 12,23.
- Se till att de två ihållande sammandragningar är åtskilda av åtminstone 48 timmar.
- Instruera patienterna att matcha mållinjen av 30% MVC förså länge som möjligt med en linje som motsvarar den applicerade kraften eller positionen för fingret som motsvarar en kraft med 30% MVC.
- TMS-protokoll
Obs! Subthreshold TMS experiment utförs på separat dag till tröttande sammandragningar. Detta är viktigt eftersom trötthet har en påverkanpå EMG dämpning framkallas av subTMS 24,25 så skillnader mellan kraft och läge kan inte tydligt kan identifieras. Separera trött sammandragningar från mätningarna TMS har fördelen att skillnader i EMG undertryckande kan nu tydligt tillskrivas de olika tolkning av feedback, men har begränsningen att resultaten inte direkt kan kopplas till de skillnader i tid till trötthet av ihållande sammandragningar.- Genomför den del av försöket med användning av TMS (se även avsnitt 3 "Feedback presentation") på en separat tillfälle än de tröttande experiment. Inledningsvis följer exakt samma procedur som för trött sammandragning (t.ex. MVC sammandragningar) men den här gången, be de ämnen för att hålla sammandragningar endast så länge TMS stimulans varar. Således, värkarna är inte fatigable och endast innehas för cirka 100 sekunder under varje TMS studie.
- Ge en paus på 3 minuter mellan trials att minimera någon bias av trötthet.
6. Data Processing
- TMS
- Applicera totalt 100 svep, 50 svep med och 50 svep utan stimulering, med en inter-stimulus intervall som sträcker sig från 0,8 till 1,1 s 20,21,25,26. Denna korta interstimulus intervall ser till att de ämnen som inte behöver hålla sammandragningar för länge så tröttande effekter kan minimeras.
- För att analysera om TMS stimulering orsakade en underlättande (MEP) eller en EMG dämpning, subtrahera de likriktade och sedan genomsnitt 50 sveper med stimulering (stimulerad EMG) från 50 sveper utan stimulering (kontroll EMG) 20,21,25-27.
Notera: Starten av EMG undertryckande definieras som den tidpunkt då den medelvärdes EMG för svepen med stimuleringen är mindre än kontrollen EMG i minst 4 msek hos en tidsram på 20 till 50 ms efter TMS pulsen. I slutet av den undertryckande definieras som than ögonblick när den stimulerade EMG är större än kontroll EMG minst 1 ms och omfattningen av förtrycket beräknas som procentuell förändring (kontroll-stimulerad / betyda kontroll * 100). - Använd svepen utan TMS stimulans för beräkningen av bakgrunden EMG aktivering och i genomsnitt dem under samma tidsfönster som försöken med stimulering 20,21,25,26.
- EMG
- Bestäm den maximala EMG-aktivitet genom att beräkna rms-kvadratvärdet registreras i en 0,5 s tidsfönster runt toppkraften mätt under MVC testar 20,21.
- För ihållande sammandragningar, analysera EMG genom att bygga 8 sek långa fack där rms-torget i den likriktade EMG beräknas och normaliserades till EMG-aktivitet som erhållits under MVC försöken 20,21.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Tolkning av återkoppling
I förfarandet som beskrivs här, fick försökspersonerna instrueras på ett sätt som de trodde i hälften av sina försök att ha fått positionsåterkoppling och den andra hälften av försöken att ha fått force feedback. I själva verket var de lurade i hälften av sina studier eftersom de PF-gruppen alltid fått återkoppling läge och FF-gruppen alltid fått force feedback.
Med den här metoden har fördelen att eventuella återkoppling specifika skillnader (t.ex. förstärkning av signalen, färg) kan uteslutas. Därför kan resultaten enbart tillskrivas skillnader i tolkningen av återkoppling och inte till presentationen av feedback själv. Det är dock teoretiskt möjligt att försökspersonerna insåg att samma återkoppling presenterades utan att berätta. vi therefore alltid bett i slutet av det sista testet om de insåg att feedback var alltid densamma. I fallet med den aktuella studien, rapporterade ämnen som de inte inser att de lurades.
ihållande sammandragningar
Oavsett gruppen (FF eller pF grupp), det vill säga oavsett om försökspersoner fick kraft eller positionsåterkoppling, de visade alltid samma mönster: när de trodde att kontrollera kraft, tid att trötthet var signifikant längre jämfört med när de trodde att de var mottagning av positionsåterkoppling. CON gruppen visade inga skillnader mellan de två återkopplingsförhållanden. Ett exempel på ett föremål från var och en av de tre grupperna representeras i figur 1. FDI EMG-aktivitet ökade under loppet av ihållande sammandragning men var jämförbar mellan återkopplings förhållanden (Figur 2).
Kraft och positionskontroll hos människor
Frågan om när och hur människor använder position eller tvinga informationen för motorstyrning ledde till ett stort antal publikationer inom detta område med olika resultat troligen pga olika metodologiska ansatser. Milner och Hinder 36 till exempel hävdade att positionsinformation snarare än att tvinga information används samtidigt anpassa sig till nya miljö dynamik (dvs., störningar i handens väg när du flyttar från mål A till B). Ett antal publikationer titta på beteendemässiga och neurala skillnader mellan position och kraft kontrollerad ihållande trött sammandragningar fann att tiden till utmattning är mycket reduceras när ämnen som krävs för att styra ställning jämfört med kraft (för granskning se även 13). Denna minskade tid att uppgiften inte åtföljdes av ett antalav neurala anpassningar som en snabbare minskning av H-reflex område 12, en snabbare rekrytering av motoriska enheter och skillnader i lem hållning 23 samt en högre nivå av upplevd ansträngning under positionsstyrda sammandragningar 12,37-40. Paradigm för dessa studier var att patienter hållna positionsstyrda sammandragningar i ett kompatibelt system, medan kraftstyrda sammandragningar utfördes under strikta förhållanden. Således, de senare studier och studier av Milner och Hinder 36 tyder på att positions eller kraftstyrning förändringar skillnader i miljö dynamik och biomekaniska krav. Det som återstod dock oklart var hur positionen och kraftstyrning realiseras när dynamiken och biomekanik uppgiften förblir konstanta. En nyligen genomförd studie visade vid byte av feedback från kraft till position (eller vice versa) men uppgiften och därmed dynamiken förblev densamma, att det finns skillnader i tid till Fatigue 20. Den enda skillnaden mellan våra uppgifter var källan till den feedback. Dessutom, som i den aktuella studien Lauber et al. (2012) använde subTMS att avslöja skillnader i mängden av EMG förtryck, och fann en större EMG dämpning under positionsstyrda sammandragningar.
Neural kontroll av våld och ställning i människor
Den primära motoriska cortex verkar givande mål eftersom det är inte bara en del av transkortikal reflexslingan 41,42 men också därför att den spelar en viktig roll under frivillig rörelsekontroll 43,44. Resultaten av denna studie belysa ytterligare roll M1 under kraft och positionsstyrda sammandragningar som större EMG dämpning under positionen kontrollerade sammandragning tyder på en större känslighet för intrakortikal hämmande intern så snart de ämnen tolkasåterkopplingen som positionsåterkoppling. Detta stöds av upptäckten att när ingen information om källan till feedback ges, kunde observeras ingen skillnad i EMG suppression. Nya observationer tyder på att en stor mängd EMG suppression orsakad av magnetisk stimulering indikerar ett större bidrag av hjärnbarken (dvs M1) 24. Denna ökade M1 aktivitet i positionsstyrda rörelser kan härleda från tolkning specifika förändringar integrera proprioceptiva signaler 21. Den modifierade proprioceptiva signal kan då vara olika bearbetas i andra kortikala områden (t.ex. kompletterande motoriska områden (SMA)) som än modifiera aktiviteten av M1 via deras synaptiska ingång. Detta skulle vara i linje med konstaterandet att förändringar i proprioceptiva återkoppling har potential att ändra intrakortikal och kortikospinala retbarhet 45.
Tagna tillsammans, de cNUVARANDE iakttagelser markerar att beroende på tolkningen, kan förstärkt återkoppling vara annorlunda integrerade, vilket leder till tydliga beteende och neurala anpassningar inom det centrala nervsystemet.
EMG suppression av subTMS:
Den subthreshold stimulering resulterade i en dämpning i EMG-aktivitet under alla återkopplingsförhållanden. EMG undertryckande var dock större när de ämnen tros ta emot positionsåterkoppling jämfört med när de trodde att få force feedback; igen detta var oberoende vilken typ av feedback de verkligen uppfattas. Således, ämnen av PF och FF gruppen betedde samma typ av sätt (figur 3A och B). CON gruppen (Figur 3C) visade inga skillnader i EMG undertryckande mellan villkor. Figur 3 visar representativa resultat från enskilda ämnena al L-grupper som deltog i studien och Figur 4 grupp medeldata. Bakgrund EMG aktivering var inte annorlunda mellan grupper och villkor.
subthreshold TMS
Principen om subthreshold transkraniell magnetisk stimulans är att vid denna låga intensiteter (dvs under tröskelvärdet för att framkalla ledamöter), är intrakortikal hämmande intern aktiveras som sedan synaptically minska retbarhet av kortikospinala celler 14,27,31. Detta resulterar i en minskning av den excitatoriska enhet från cortex ner till muskeln under en submaximal ihållande kontraktion och kan kvantifieras genom reduktionen av den pågående EMG-aktivitet. Minskningen av EMG-aktivitet representerar inhiberande aktivitet verkar på M1 och är oftast analyseras av storleken (arean) för undertryckning.
"> Det finns vissa belägg för att denna EMG suppression är enbart ett resultat av en ökad intrakortikal inhibering eftersom subthreshold stimulering vid en subkortikal nivå misslyckades med att inducera förändringar i EMG 31 och även på grund subTMS orsakar en samtidig inhibering av agonisten och antagonisten exklusive påverkan av spinal reciprok inhibition 25,27,32. Dessutom inspelningar från epidural elektroder implanteras i halsryggen visade inga reaktioner efter subTMS stimulering 14. Slutligen direkta kortikospinala prognoser tycks spela en viktig roll när man använder subthreshold TMS som Butler et al. 33 visat att uppkomsten av EMG suppression kan observeras redan efter bara 20 ms efter TMS stimulering.Tillsammans med resultaten från den aktuella studien verkar det mycket troligt att kraft och positionsinformation är olika integrerade inuti den centrala nervous system som leder till en annan aktivering av den primära motoriska cortex. Detta stöds också av resultaten från den aktuella studien visar en kortare tid till utmattning av ihållande sammandragning vid tolkningen av feedback positionsåterkoppling jämfört med force feedback villkor och i den kontroll där ingen undervisning om källan feedback gavs resulterar i ingen skillnad i tid att trötthet.
Figur 1. Dags att trötthet av Sustained sammandragningar. Representativa data från ett ämne från varje grupp (FF-PF och CON grupp) visar sin tid till utmattning av ihållande sammandragningar. Från vänster till höger i figuren visar att så snart ämnet från FF gruppen fick force feedback, var det dags att trötthet längre jämfört med när motivet trodde han / hon ta emot feedback läge (luras). second graf från en individ av pF gruppen visar att så snart ämnet tolkat återkoppling som force feedback (luras), var tiden till trötthet längre jämfört med när motivet mottagna positionsåterkoppling. Den sista diagrammet visar att utan någon instruktion om källan till feedback, föremål från CON gruppen visade ingen skillnad i tid till trötthet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2. EMG aktivitet i samband med oför sammandragningar. Representativa data från ett ämne från varje grupp (FF-PF och CON grupp) visar en ökning av EMG-aktivitet från början till slutet av kontraktion. Detta var oberoende om de ämnen alltid fått force feedback (FF grupp,A) och trodde på hälften av de prövningar som de fick positionsåterkoppling, eller om de ämnen alltid mottagna lägesåterföring (PF grupp, B) och trodde på hälften av sina prövningar som de fick force feedback eller när de inte informerades om vilken typ av signal (CON grupp, C). klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3. TMS framkallade EMG förtryck. De högra fälten visar EMG suppression under kraften och positionen kontrollerad kontraktion för fF gruppen (A), den pF gruppen (B) och CON gruppen (C). I alla tre representativa patienter, stimulering med subTMS resulterade i en undertryckning av EMG-aktivitet som var större när motivet från FF gruppen trodde att de fick återkopplingsläge (röd linje) jämfört med leden där försökspersoner fick force feedback (A, blå linje), när motivet från pF gruppen faktiskt mottagna återkopplingsläge (röd linje) jämfört med när motivet trodde att han / hon erhöll force feedback (B, blå linje). När ingen information gavs det inte fanns någon skillnad (blå kraftstyrning, röd lägesstyrning) mellan EMG dämpning i de ämnen från CON gruppen (C). Den högra panelen är förstorade bilder av samma EMG spår efter i den vänstra sidan av figuren belyser skillnaden i EMG undertryckande av den grå skuggade området. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
igure 4 "src =" / filer / ftp_upload / 53291 / 53291fig4.jpg "/>
Figur 4. TMS Evoked EMG bekämpande -. Grupp data I pf- (A) och FF- (B) grupper, stimulering med subTMS resulterade i en större dämpning under positionen kontrollerade uppgiften jämfört med den kraft som kontrollerade uppgiften. När ingen information gavs det inte fanns någon skillnad i EMG suppression (C). Felstaplar indikerar standardfel av medelvärdet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Föreliggande studie undersökt om tolkningen av augmented återkoppling påverkar tiden för utmattning av en ihållande submaximal kontraktion och den neurala bearbetning av det primära motoriska cortex. Resultaten visar att så snart som deltagarna tolkade återkoppling som positionsåterkoppling (jämfört med force feedback), tiden för utmattning var signifikant kortare och den inhibitoriska aktiviteten av motoriska cortex (mätt som mängden EMG suppression orsakad av subTMS) är större. Eftersom uppgiften inte förändras mellan villkor, de nuvarande fynd tyder på skillnader i kraft och läge kontrollstrategier beroende på tolkningen av källan till feedback. De flesta tidigare försök inriktade på återkoppling specifika aspekter såsom timing 28 eller frekvensen 29,30 av feedback, medan denna studie utvärderades huruvida information om innehållet i återkopplingssignalen och därmed tolkningen om det kan påverkamotoriken.
En begränsning med denna metod är att det inte alltid är möjligt att orsaka en TMS framkallade EMG-suppression i varje ämne utan föregående underlättande. Vissa studier rapporterade att det var endast möjligt i 50% av de ämnen som orsakar EMG dämpning i avsaknad av en inledande underlättande men att metoden är dock godtagbart som ett giltigt verktyg för att kvantifiera intrakortikal hämning 24,26,34. Detta är förmodligen fallet när tröskelvärdena för aktivering av hämmande och excitatoriska interneuronen är mycket lika 25,35.
Dessutom är det viktigt att genomföra subthreshold TMS experiment på en separat tillfälle än de tröttande sammandragningar. Anledningen är att trötthet kan ha och inflytande på EMG undertryckande innebär att skillnaderna mellan kraft och position kan vara svårt att tolka. Å ena sidan har detta den fördelen att genom att separera de mätningar, är det möjligt to länka eventuella skillnader i EMG undertryckande med tolkningen av feedback, men å andra sidan har den begränsningen att resultaten inte direkt kan kopplas till skillnader i tiden till utmattning av ihållande sammandragningar.
Det är också mycket viktigt att samma försöks genomför de individuella experiment så individer inte blir medvetna om att de kan bli lurad i den meningen att de får en annan typ av återkoppling än de blev tillsagda.
Vad den nuvarande strategin inte avslöjar är exakt vad som orsakade skillnaderna i tid till trötthet och skillnaderna i EMG dämpning mellan kraften och positionen kontrollerade kontraktion. Under trötthet, kunde ett antal perifera subkortikala och kortikala mekanism spelar en roll. För skillnader i EMG undertryckande framkallade med subTMS, är det mycket troligt att en förändrad hämmande aktivitet är ansvarig för de observerade resultaten. Ett sätt till test detta skulle vara att använda en modifierad TMS protokoll såsom kort intrakortikal inhibition (SICI) är en potentiell framtida tillämpning.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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 |
References
- 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).
- 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).
- 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).
- Peterka, R. J., Loughlin, P. J. Dynamic regulation of sensorimotor integration in human postural control. J Neurophys. 91 (1), 410-423 (2004).
- Schmidt, R. A., Lee, T. D. Motor Control and Learning: A Behavioral Emphasis. , Human Kinetics. Champaign. (2011).
- 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).
- 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).
- Lundborg, G., Rosén, B. Sensory substitution in prosthetics. Hand clinics. 17 (3), 481-488 (2001).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Kujirai, T., et al. Corticocortical inhibition in human motor cortex. The J Physiol. 471, 501-519 (1993).
- 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).
- 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).
- 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).
- Lauber, B., Lundbye-Jensen, J., Keller, M., Gollhofer, A., Taube, W., Leukel, C. Cross-limb interference during motor learning. PLoS ONE. , 81038 (2013).
- 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).
- Seifert, T., Petersen, N. C. Changes in presumed motor cortical activity during fatiguing muscle contraction in humans. Acta Physiol. 199, 317-325 (2010).
- 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).
- Zuur, A. T., et al. Contribution of afferent feedback and descending drive to human hopping. J Physiol. 5, 799-807 (2010).
- Petersen, N. C., et al. Suppression of EMG activity by transcranial magnetic stimulation in human subjects during walking. J Physiol. 537, 651-656 (2001).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Porter, R., Lemon, R. N. Corticospinal Function and Voluntary Movement. , Oxford Univ. Press. (1993).
- 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).
- Evarts, E. V., Tanji, J. Reflex and intended responses in motor cortex pyramidal tract neurons of monkey. J Neurophys. 39 (5), 1069-1080 (1976).
- Cheney, P. D., Fetz, E. E. Corticomotoneuronal cells contribute to long-latency stretch reflexes in the rhesus monkey. J Physiol. 349, 249-272 (1984).
- 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).
