Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Behavior
Click here for the English version

Behavior

Force og posisjonskontroll hos mennesker - The Role of Augmented Tilbakemelding

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

Sensorisk tilbakemeldinger er avgjørende for å utføre bevegelser. Daglige aktiviteter er neppe mulig i fravær av en proprioception. Videre er motorisk læring påvirkes av sansemotorisk integrasjon to eller kutan oppfatning tre. Friske mennesker med intakt følelse er i stand til å vekte de sanseinntrykk som kommer fra forskjellige kilder sensoriske for å møte situasjonsspesifikke behov 4. Dette sensoriske veiing gjør mennesker til å utføre vanskelige oppgaver med høy presisjon, selv når noen aspekter av sensorisk informasjon er upålitelige eller fraværende (f.eks vandre i mørket, eller med øynene lukket).

I tillegg foreslår ulike bevis for at å gi utvidet (eller ekstra) tilbakemeldinger forbedrer motorisk kontroll og / eller motorisk læring videre. Augmented tilbakemeldinger gir ytterligere informasjon fra en ekstern kilde som kan legges til oppgaven iboende (sensorisk) tilbakemeldinger som følge av sensorisksystem 5,6. Spesielt effekten av innholdet av utvidet tilbakemelding på motorisk kontroll og læring har vært av stor interesse i de senere år. Ett av spørsmålene adressert var hvordan mennesket kontroll kraft og posisjon 7,8. Innledende undersøkelser vist forskjeller i tid til utmattelse av et vedvarende submaksimal kontraksjon ved hjelp av enten posisjon eller force feedback og forskjeller i lastholder (f.eks 9-12). Når forsøkspersonene ble gitt med force feedback, ble tid til utmattelse av den vedvarende sammentrekning betydelig lengre i forhold til når posisjon tilbakemeldinger ble gitt. Det samme fenomen ble observert for en rekke forskjellige muskler og lemmer posisjoner, og en rekke nevromuskulære mekanismer, herunder en større hastighet på motorenheten rekruttering og en større reduksjon i H-refleks område under stilling styres kontraksjon (for gjennomgang 13). Men i disse studiene, ikke bare visuell tilbakemelding, men også den fysiske characteristics av muskelkontraksjon (ie., overholdelse av måleenhet) ble endret. Derfor har vi nylig gjennomført en studie ikke endre compliance men bare forsterket tilbakemeldinger og gitt bevis for at tilbudet av kraft og posisjon tilbakemeldinger alene under en vedvarende submaksimal kontraksjon kan føre til forskjeller i hemmende aktivitet innenfor den primære motor cortex (M1). Dette ble vist ved hjelp av en stimulering teknikk som er kjent for å opptre utelukkende på cortical nivå 14, nemlig under terskel transkranial magnetisk stimulering (subTMS). I motsetning suprathreshold TMS, responsen fremkalt av subTMS, ikke er modulert av oppstemthet av spinal a-motoneurons og oppstemthet eksitatoriske nevroner og / eller kortikale celler 15-17, men utelukkende av oppstemthet av hemmende intracortical nevroner. Mekanismen bak denne stimulering teknikken er at den er påført på intensiteter under terskelen for å fremkalle en motor fremkalt potensial(MEP). Det ble vist hos pasienter med elektroder implantert på det cervikale nivå at denne type stimulering ikke produserer noen synkende aktivitet, men at det aktiverer primært hemmende interneurons innenfor den primære motor cortex 14,18,19. Denne aktivering av inhiberende interneurons fører til en reduksjon i den pågående EMG-aktivitet og kan kvantifiseres ved mengden av EMG-undertrykkelse i forhold til EMG-aktivitet oppnådd i forsøkene uten stimulering. I denne forbindelse, viste vi at personer viste en betydelig større hemmende aktivitet i studier der de fikk stilling tilbakemeldinger i forhold til studier som tvinger tilbakemeldinger ble gitt 20. Videre viste vi også at ikke bare presentasjonen av ulike tilbakemeldinger modaliteter (kraft vs. posisjonskontroll), men også tolkningen av tilbakemeldinger kan ha svært lignende effekter på atferdsmessige og nevrofysiologiske data. Mer spesifikt, da vi fortalte deltakerne til å motta position tilbakemeldinger (selv om det var force feedback) de også vises ikke bare en kortere tid til utmattelse, men også en økt grad av hemmende M1 aktivitet 21. Ved hjelp av en tilnærming der samme tilbakemelding, men med forskjellig informasjon om innholdet er alltid tilgjengelig, har den fordelen at oppgaven begrensninger, dvs. presentasjon av tilbakemeldinger, gevinsten av tilbakemeldingene, eller etterlevelse av lasten er identiske mellom forholdene så at forskjeller i ytelse og nevrale aktiviteten er klart relatert til forskjeller i tolkningen av tilbakemeldinger og er ikke partisk av ulike testforhold. Således, denne studien undersøkte hvorvidt en annen tolkning av en og samme tilbake påvirker varigheten av en vedvarende submaksimal sammentrekning og dessuten har en innvirkning på aktivering av inhiberende aktivitet av den primære motor cortex.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Protokollen er beskrevet her fulgt retningslinjene for etisk komité ved Universitetet i Freiburg og var i samsvar med Helsinkideklarasjonen (1964).

1. Etisk Godkjenning - fagopplæring

  1. Før selve forsøket, instruere alle fag om formålet med studien og potensielle risikofaktorer. Ved søknad transkranial magnetisk stimulering (TMS), er det noen medisinsk risiko inkludert eventuelle hatt epileptiske anfall, metall implantater i øynene og / eller hodet, sykdommer i det kardiovaskulære systemet og graviditet. Ekskluder alle fag bekrefter til en av disse risikofaktorene fra studien.
  2. Inkluder bare friske individer i studien. Ekskluder personer med noen nevrologiske, mentale og / eller ortopediske sykdommer.

2. Subject Forberedelse

  1. Subject plassering
    1. Gjennom hele forsøket, sete fag i en komfortabel stol. Fest hodetav deltakeren ved hjelp av en støpt omfavner halsen, noe som sikrer en stabil hode stilling og unngå eventuelle bevegelser av hodet i forhold til TMS spolen.
    2. Plasser høyre arm av fagene i en spesialbygd armlene for å minimere bevegelser i håndleddet. Fix motivets høyre pekefinger til en skinne montert på armen av en robot. Juster rotasjonsaksen av robotarmen med den metacarpophangeal leddet på høyre hånd, slik at den felles senter samsrotasjonssenteret av roboten.
  2. Force opptak
    1. Måle den kraft som utøves av fagene ved en torquemeter montert på robotarmen og måle posisjonen til robotarmen (svarende til posisjonen av pekefingeren) av et potensiometer som er koblet til rotasjonsaksen av roboten 22.
  3. Elektromyografi (EMG)
    1. Bruke en bipolar konfigurasjon av overflateelektroder for å måle elektrofysiologiske responser utløst av TMS samt muscular aktivering produsert av fagene.
      1. Før du fester elektrodene på huden over første rygg interosseus muskel (FDI) og bortfører pollicis brevis (APB) på høyre hånd, barbere huden av fagene, så litt slipes det med sandpapir eller skrapes gel og desinfisere den med propanol .
      2. Etter dette legger selvklebende EMG elektroder til huden over muskelen magen til FDI og APB. Plassere en ekstra referanseelektrode på olecranon av den samme arm.
      3. Kabel-koble alle elektroder til en EMG forsterker og til en analog-digital omformer. Forsterke EMG-signaler (x 1000), båndpassfilter (10 - 1000 Hz) og prøve på 4 kHz. Oppbevar EMG-signaler for offline analyse.
  4. TMS
    1. Bruke et åttetall spole festet til en TMS stimulator for å stimulere den kontralaterale motor kortikale hånd-området.
    2. Finne den optimale stilling av spolen i forhold til hodebunnen for utløsningmotor fremkalt respons (MEPS) i FDI muskel ved en kartlegging prosedyre:
      1. Plasser spolen ca. 0,5 cm anterior til topp-punktet og over midtlinjen med håndtaket peker på 45 ° mot klokken i forhold til det sagittale plan, indusere en posterior-anterior strømning av strømmen i midten av spolen.
      2. I begynnelsen, velger en liten stimulering (for eksempel under 30% maksimum stimulator utgang, MSO) intensitet for å få de fagene som er vant til de magnetiske pulser.
      3. Deretter øker stimulering intensitet i små skritt, for eksempel 2-3% maksimal stimulator utgang (MSO) og flytte spolen i frontal-rostralt og medio-lateral retning for å finne den optimale stedet (hotspot) for å stimulere FDI muskel. Den sone er definert som det sted hvor den største MEP kan observeres ved en gitt stimuleringsintensitet.
    3. Etter å ha funnet FDI hotspot, bestemme hviler motor terskel (MT) som minimum intensitet som kreves for å fremkalle MEP peak-to-peak amplituder i EMG større enn 50 uV i tre av fem påfølgende forsøk 18. Inspiser størrelsen på parlamentsmedlemmer som vises på nettet på dataskjermen.
    4. Etter utløsning av MEPs med 1,0 * MT, stadig redusere stimulering intensiteten av TMS maskinen i trinn på 2% MSO til MEP ikke lenger kan observeres og en EMG undertrykkelse av den pågående muskelaktivitet blir tydelig.
      Merk: For å skildre TMS indusert EMG undertrykkelse er det nødvendig å bruke et høyt antall stimuleringer (se pkt 5. "Data Processing")

3. Tilbakemelding Presentasjon

  1. Del deltakerne inn i tre grupper (pF, FF, CON).
  2. Be fag fra stillingen tilbakemeldinger gruppe (PF) i halvparten av forsøkene for å få tilbakemelding om posisjonen til pekefingeren (posisjon feedback) når du flytter pekefingeren ved å trykke mot robot enheten. </ Li>
  3. I den andre halvparten av forsøkene, instruere fag å få tilbakemelding om påførte kraften mens du beveger robotenheten (force feedback).
    Merk: I virkeligheten er imidlertid de alltid får den samme tilbakemeldingen (posisjon feedback).
  4. Be fag fra force feedback-gruppen (FF) for å motta force feedback i halvparten av forsøkene og motta posisjon tilbakemeldinger i den andre halvdelen.
    Merk: Faktisk er denne gruppen utelukkende utstyrt med force feedback.
  5. Ikke instruere kontrollgruppen (CON) om kilden til tilbakemeldingene. Merk: Kontrollgruppen får force feedback i den ene halvdelen av sine prøvelser og posisjon tilbakemeldinger i den andre halvdelen.
  6. Tilfeldig endre rekkefølgen på øktene, det vil si om studiene starter med makt eller posisjon tilbakemeldinger, i alle grupper.
  7. Visuelt vise makt og posisjon tilbakemelding på en dataskjerm plassert en meter foran fagene.
  8. I hver tilstand, presentere en mållinje tilsvarer30% av fagets enkelte maksimal frivillig styrke, eller finger vinkelen på pekefingeren på 30% maksimalt frivillig kontraksjon (MVC), på dataskjermen og instruere underlagt matche målet linjen så tett som mulig.

4. Maksimal isometrisk Force

  1. Etter at emnet er forberedt (EMG), utføre tre isometriske maksimale frivillige sammentrekninger (MVC), som består av en gradvis økning i isometrisk kraft fra null til maks over en 3 sek tidsintervall og maksimal kraft holdt i 2 sek 20,21.
  2. Verbalt oppmuntre faget for å oppnå maksimal styrke. Etter hvert forsøk, la fagene hvile i 90 sek for å unngå tretthet.

5. Eksperimentell Prosedyre

  1. Strabasiøs Motor oppgave Vedvarende sammentrekninger.
    Merk: strabasiøs oppgave består av to vedvarende sammentrekninger utført på forskjellige dager.
    1. Instruere fag for å matche målet linjen på 30% MVC forså lenge som mulig med en linje svarende til den påførte kraften eller plasseringen av sin finger som svarer til en kraft nivå på 30% MVC.
      Merk: målet linje under posisjon tilbakemeldinger tilstand (PF-gruppen) tilsvarer derfor fingeren vinkel når motivet matche styrken nivå på 30% MVC.
    2. Be fag for å holde sammentrekningene til oppgave svikt, som er definert som det punkt hvor fagene er ikke lenger i stand til å holde målet kraft inne i en 5% vindu av målet kraft over en periode på 5 sek (fF-gruppe). For pF-gruppe, definerer oppgaven feil som når deltakerne er ute av stand til å opprettholde den finger vinkel innenfor 5% av den nødvendige mål-vinkel i 5 sek 12,23.
    3. Sørg for at de to vedvarende sammentrekninger er atskilt med minst 48 timer.
  2. TMS-protokollen
    Merk: subthreshold TMS forsøket utføres på egen dag til de utmattende sammentrekninger. Dette er viktig som tretthet har en innflytelsepå EMG undertrykkelse fremkalt av subTMS 24,25 så forskjellene mellom makt og posisjon kan ikke være tydelig merket. Skille utmattende trekningene fra TMS målinger har den fordelen at forskjeller i EMG undertrykkelse kan nå være klart tilskrives annen tolkning av tilbakemeldingene, men har den begrensning at resultatene kan ikke direkte knyttes til forskjeller i tid til utmattelse av vedvarende sammentrekninger.
    1. Gjennomføre den delen av forsøket ved hjelp av TMS (se også pkt 3. "Feedback presentasjon") på en egen anledning enn de utmattende eksperimenter. I utgangspunktet følger nøyaktig samme prosedyre som for anstreng kontraksjon (f.eks MVC sammentrekninger), men denne gangen, spør fagene for å holde riene bare så lenge TMS stimulering varer. Dermed sammentrekningene er ikke fatigable og bare holdt for ca 100 sekunder under hver TMS rettssaken.
    2. Gi en pause på 3 min mellom trials å minimere eventuelle skjevheter av trøtthet.

6. Behandling av data

  1. TMS
    1. Anvende totalt 100 sveip, 50 sveip med 50 og feier uten stimulering, med en inter-stimulus intervall som strekker seg 0,8 til 1,1 s 20,21,25,26. Denne korte interstimulus intervall sørger for at fagene ikke trenger å holde riene for lenge så utmattende effekter kan minimeres.
    2. For å analysere om TMS stimulering forårsaket en tilrettelegging (MEP) eller en EMG undertrykkelse, subtrahere utbedret og deretter gjennomsnitt 50 feier med stimulering (stimulert EMG) fra 50 feier uten stimulering (kontroll EMG) 20,21,25-27.
      Merk: Utbruddet av EMG-undertrykkelse er definert som det tidspunkt hvor den gjennomsnittlige EMG for sveipene med stimuleringen er mindre enn kontrollen EMG minst 4 millisekunder i en tidsperiode på 20 til 50 millisekunder etter TMS puls. Enden av undertrykkelse er definert som than øyeblikkelig når den stimulerte EMG er større enn kontroll EMG i minst 1 millisekunder og utstrekningen av undertrykkelse beregnes som prosentvis endring (kontroll-stimulerte / bety kontroll * 100).
    3. Bruk feier uten TMS stimulering for beregning av bakgrunnen EMG aktivering og gjennomsnittlig dem over samme tidsvindu som forsøk med stimulering 20,21,25,26.
  2. EMG
    1. Bestemme den maksimale EMG-aktivitet ved å beregne rot-middel-kvadrat-verdi registreres i et 0.5s tidsvindu rundt toppkraften målt under MVC tester 20,21.
    2. For vedvarende sammentrekninger, analysere EMG ved å bygge 8 sek lange binger der rot-middel-kvadrat av den likerettede EMG beregnet og normalisert til EMG aktivitet oppnådd i løpet av de MVC prøvelser 20,21.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Tolkning av tilbakemeldinger

I prosedyren som er beskrevet her, ble fagene instruert på en måte som de trodde på halvparten av sine studier for å ha mottatt posisjon tilbakemeldinger og i den andre halvdelen av studiene for å ha mottatt force feedback. Faktisk ble de lurt i halvparten av sine prøvelser som de PF-gruppen alltid mottatt posisjon tilbakemeldinger og FF-gruppen alltid fått force feedback.

Ved hjelp av denne metode har den fordel at eventuelle tilbakekoblingsspesifikke forskjeller (for eksempel forsterkning av signalet, farge) kan utelukkes. Derfor kan resultatene være utelukkende tilskrives forskjeller i tolkningen av tilbakemeldinger og ikke til presentasjonen av tilbakemeldinger selv. Det er imidlertid teoretisk mulig at fag innså at den samme tilbakemeldingen ble presentert uten å fortelle oss. Vi therefore alltid spurt på slutten av den endelige testen på om de innså at tilbakemeldingene var alltid den samme. I tilfellet med denne studien, fag rapporterte at de ikke innser at de ble lurt.

vedvarende sammentrekninger

Uavhengig av gruppen (FF eller pF gruppe), det vil si, uansett om individer fikk makt eller posisjon tilbakemeldinger, de vises alltid samme mønster: når de tenkte å kontrollere kraft, tid til utmattelse ble betydelig lengre i forhold til når de trodde de var mottar posisjon tilbakemeldinger. vises CON gruppe ingen forskjeller mellom de to tilbakemeldinger forhold. Et eksempel på en gjenstand fra hver av de tre gruppene er representert i figur 1. Den fdi EMG-aktivitet øket i løpet av vedvarende kontraksjon, men var sammenlignbare mellom tilbakekoblingsbetingelser (figur 2).

Force og posisjonskontroll hos mennesker

Spørsmålet om når og hvordan mennesker bruker stilling eller tvinge informasjon for motorisk kontroll førte til et stort antall publikasjoner på dette feltet med ulike resultater trolig som følge av de ulike metodiske tilnærminger. Milner og Hinder 36 for eksempel hevdet at posisjonsinformasjon i stedet for å tvinge informasjonen blir brukt mens tilpasse seg nye miljø dynamikk (dvs. forstyrrelser av hånden banen når flytter fra mål A til B). En rekke publikasjoner å se på atferdsmessige og nevrale forskjeller mellom posisjon og makt kontrollerte vedvarende utmattende sammentrekninger funnet at tiden for å tretthet er sterkt redusert når motivet er pålagt å kontrollere posisjon i forhold til kraft (for gjennomgang kan du også se 13). Dette redusert tid til oppgaven svikt ble ledsaget av en rekkeav nevrale tilpasninger som en raskere reduksjon i H-refleks område 12, en raskere rekruttering av motoriske enheter og forskjeller i lem holdning 23 samt en forbedret nivå av oppfattet anstrengelse under posisjon kontrollert sammentrekninger 12,37-40. Paradigmet av disse studiene var at fagene opprettholdt posisjon kontrollert sammentrekninger i et kompatibelt system, mens kraft kontrollert trekningene ble utført under strenge betingelser. Dermed sistnevnte studier og studie av Milner og Hinder 36 foreslå den posisjonen eller kraft kontroll endringer med forskjeller i miljø dynamikk og biomekaniske krav. Hva forble uklart, var imidlertid hvordan posisjon og makt kontroll realiseres når dynamikken og biomekanikk av oppgaven forblir konstant. En nylig gjennomført studie viste ved endring av tilbakemeldinger fra kraft til posisjon (eller omvendt), men oppgaven og dermed dynamikken forble det samme, at det er forskjeller i tid til Fatigue 20. Den eneste forskjellen mellom våre oppgaver var kilden til tilbakemeldinger. I tillegg, som i denne studien Lauber et al. (2012) som brukes til å avsløre subTMS forskjeller i mengden av EMG-undertrykkelse, og fant en større EMG undertrykkelse i løpet av posisjonsstyrt sammentrekninger.

Neural kontroll av kraft og posisjon hos mennesker

Den primære motor cortex synes en verdig mål som det er ikke bare en del av transcortical refleks sløyfe 41,42, men også fordi den spiller en viktig rolle under frivillig bevegelse kontroll 43,44. Resultatene av denne studien ytterligere fremheve rolle M1 under kraft og posisjon styres sammentrekninger som jo større EMG undertrykkelse under stilling styres sammentrekning indikerer en økt mottakelighet for intracortical hemmende interneurons så snart emnene tolkettilbakemeldingene som posisjon tilbakemeldinger. Dette understøttes av det funn at når ingen informasjon om kilden til tilbake er gitt, kunne observeres ingen forskjell i EMG undertrykkelse. Nylige observasjoner tyder på at en stor mengde av EMG-undertrykkelse forårsaket av den magnetiske stimulering indikerer en større bidrag av cortex (dvs. M1) 24. Denne økte M1 aktivitet i posisjon kontrollert bevegelser kan utlede fra tolke konkrete endringer i å integrere proprioseptive signaler 21. Den modifiserte proprioseptiv signal kan deretter bli annerledes behandlet i andre kortikale områder (f.eks supplerende motoriske områder (SMA)) som enn modifisere aktiviteten til M1 via deres synaptiske innspill. Dette vil være i tråd med funn at endringer i proprioseptive tilbakemeldinger har potensial til å endre intracortical og corticospinal oppstemthet 45.

Tatt sammen, cjeldende funn markere at avhengig av tolkning, kan utvidet tilbakemelding være annerledes integrert, noe som fører til ulike atferdsmessige og nevrale tilpasninger innenfor det sentrale nervesystemet.

EMG undertrykkelse av subTMS:

Den subthreshold stimulering resulterte i en undertrykkelse i EMG aktivitet under alle tilbakemeldinger forhold. EMG undertrykkelse var imidlertid større når fagene tenkt å motta posisjon tilbakemeldinger i forhold til når de antas å motta force feedback; igjen dette var uavhengig av hvilken type tilbakemeldinger de virkelig oppfattet. Dermed emner av PF og FF gruppe oppførte seg på samme slags måte (figur 3A & B). Den CON gruppe (Figur 3C) vises ingen forskjeller i EMG undertrykkelse mellom forhold. Figur 3 viser representative resultater fra enkeltfag i al l grupper som deltok i studien, og figur 4 gruppe bety data. Bakgrunn EMG aktivering var ikke forskjellig mellom gruppene og betingelser.

subthreshold TMS

Prinsippet om subthreshold transkranial magnetisk stimuli er at på dette lave intensiteter (dvs. under terskelen for å fremkalle parlamentsmedlemmer), er intracortical hemmende interneurons aktivert som deretter postsynaptisk redusere oppstemthet av corticospinal celler 14,27,31. Dette resulterer i en reduksjon av den eksitatoriske kjøring fra cortex ned til muskelen i løpet av en submaksimal vedvarende kontraksjon og kan kvantifiseres ved reduksjon av den pågående EMG-aktivitet. Reduksjonen i EMG-aktivitet representerer inhibitorisk aktivitet som virker på M1 og er oftest analysert ved størrelsen (arealet) av undertrykkelsen.

"> Det finnes noe bevis for at dette EMG undertrykkelse er utelukkende et resultat av en øket intracortical inhibering fordi under terskelverdien stimulering ved en subkortikal nivå ikke klarte å indusere endringer i EMG 31 og også fordi subTMS bevirker en samtidig inhibering av agonist og antagonist med unntak av påvirkning av spinal gjensidig hemming 25,27,32. i tillegg har opptak fra epidural elektroder implantert i cervicalcolumna viste ingen svar etter subTMS stimulering 14. Endelig direkte corticospinal anslag synes å spille en viktig rolle når du bruker subthreshold TMS som Butler et al. 33 viste at angrep av EMG undertrykkelse kan observeres allerede etter bare 20 ms etter TMS stimulering.

Sammen med resultatene av denne studien virker det meget sannsynlig at kraft og posisjonsinformasjon som er ulikt integrert i den sentrale nervous system som fører til en annen aktivering av den primære motor cortex. Dette er videre støttet av funnene i denne studien viser en kortere tid til utmattelse av den vedvarende kontraksjon når man tolker tilbakemeldingene som posisjon tilbakemeldinger i forhold til force feedback forhold og til kontroll der ingen instruksjon om kilden av tilbakemeldingene ble gitt som resulterer i ingen forskjell i tid til tretthet.

Figur 1
Figur 1. Tid til Fatigue av vedvarende sammentrekninger. Representative data fra ett fag fra hver gruppe (FF-PF og CON gruppe) viser sin tid til utmattelse av de vedvarende sammentrekninger. Fra venstre til høyre figuren viser at så snart emnet fra FF gruppen fikk force feedback, ble tid til utmattelse lenger i forhold til når motivet trodde han / hun var mottar tilbakemelding posisjon (lurt). de second graf fra en gjenstand for pF gruppen viser at så snart emnet tolket tilbakemeldinger som force feedback (lurt), ble det tid til utmattelse lenger i forhold til når motivet mottatt posisjon tilbakemeldinger. Den siste grafen viser at uten noen instruksjon om kilden til tilbakemeldinger, vises emne fra CON gruppe ingen forskjell i tid til utmattelse. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 2
Figur 2. EMG aktivitet i løpet av den vedvarende sammentrekninger. Representative data fra ett fag fra hver gruppe (FF-PF og CON gruppe) viser en økning i EMG aktivitet fra starten til slutten av sammentrekning. Dette var uavhengig om fagene alltid fått force feedback (FF gruppe,A) og trodde på halvparten av forsøkene at de mottar posisjon tilbakemeldinger, eller hvis fagene alltid mottatte posisjon feedback (pF gruppe B) og trodde på halvparten av sine prøvelser at de mottar force feedback eller når de ikke ble informert om arten av signalet (CON gruppe C). klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 3
Figur 3. TMS fremkalt EMG undertrykkelse. Den høyre panel viser EMG undertrykkelse under kraft og posisjon styres sammentrekning for fF gruppe (A), den pF gruppe (B) og den CON gruppen (C). I alle tre representative fag, stimulering med subTMS resulterte i undertrykkelse av EMG aktivitet som var større når motivet fra FF gruppen mente at de fikk tilbakemeldinger posisjon (rød linje) i forhold til stien der individer fikk force feedback (A, blå linje), når motivet fra pF gruppe faktisk mottatt posisjon feedback (rød linje) sammenlignet med når motivet trodde at han / hun mottok force feedback (B, blå linje). Når ingen informasjon ble gitt var det ingen forskjell (blå kraft kontroll, rød posisjon kontroll) mellom EMG undertrykkelse i fagene fra CON gruppe (C). Høyre panel er forstørrede bilder av samme EMG sporer som i venstre side av figuren fremhever forskjellen i EMG undertrykkelse av grå skyggelagt område. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

igur 4 "src =" / files / ftp_upload / 53291 / 53291fig4.jpg "/>
Figur 4. TMS fremkalt EMG Suppression -. Gruppedata i den pf- (A) og (B) fF- grupper, stimulering med subTMS resulterte i en større undertrykkelse under stilling styres oppgave i forhold til den kraft som styres oppgave. Når ingen informasjon ble gitt var det ingen forskjell i EMG undertrykkelse (C). Feilfelt indikere standard feil av gjennomsnittet. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Denne studien undersøkte om tolkningen av utvidet tilbakemelding påvirker tid til utmatting av en vedvarende submaksimal sammentrekning og det neurale behandling av den primære motor cortex. Resultatene viser at så snart deltakerne tolket tilbakemeldings som posisjons-tilbake (sammenlignet for å tvinge feedback), tid til tretthet var betydelig kortere, og den inhiberende aktivitet av den motor cortex (målt som mengden av EMG-undertrykkelse forårsaket av subTMS) får større. Som oppgaven ikke endret mellom forhold, dagens funn indikerer forskjeller i kraft og posisjon kontrollstrategier avhengig av tolkning av kilden til tilbakemeldinger. De fleste tidligere forsøk fokusert på tilbakekoblings spesifikke aspekter slik som tidspunktet 28 eller frekvensen 29,30 av tilbakemeldingene, mens den foreliggende studien evaluerte hvorvidt informasjon om innholdet i tilbakekoblingssignalet, og således tolkningen om det kan påvirkemotor atferd.

En begrensning ved denne metoden er at det ikke alltid er mulig å bevirke en TMS fremkalt EMG undertrykkelse i hver gjenstand uten forutgående tilrettelegging. Noen studier har rapportert at det var mulig bare i 50% av pasientene til å bevirke at EMG-undertrykkelse i fravær av et innledende tilrettelegging men at metoden er ikke desto mindre akseptert som en gyldig verktøy for å kvantifisere intracortical inhibering 24,26,34. Dette er trolig tilfelle når terskler for aktivering av hemmende og eksitatoriske interneurons er svært lik 25,35.

Videre er det viktig å gjennomføre den under terskelverdien TMS eksperiment på en separat anledning enn utmattende sammentrekninger. Grunnen er at tretthet kan ha og innflytelse på EMG undertrykkelse noe som betyr at forskjeller mellom kraft og posisjon kan være vanskelig å tolke. På den ene siden av dette har den fordel at ved å skille målingene, er det mulig to knytte potensielle forskjeller i EMG undertrykkelse med tolkningen av tilbakemeldinger, men på den annen side har den begrensning at resultatene kan ikke direkte knyttes til forskjeller i tid til utmattelse av de vedvarende sammentrekninger.

Det er også svært viktig at den samme eksperimentator gjennomfører de enkelte forsøkene så fagene ikke blir klar over at de kan bli lurt i den forstand at de får en annen slags tilbakemeldinger enn de ble fortalt.

Hva dagens tilnærming avslører ikke er hva forårsaket forskjellene i tid til utmattelse og forskjeller i EMG undertrykkelse mellom makt og posisjon kontrollert sammentrekning. I løpet av tretthet, kan et antall perifert, subkortikal og kortikale mekanisme spille en rolle. For de forskjeller i EMG undertrykkelse fremkalt med subTMS, er det svært sannsynlig at en endret hemmende aktivitet er ansvarlig for de observerte resultatene. En måte å test dette ville være å benytte en modifisert TMS protokoll slik som kort intracortical inhibering (SICI) er en potensiell fremtidig anvendelse.

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

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).

Tags

Behavior nevrofysiologi Augmented Feedback Force Control posisjonskontroll Motor Cortex Trancranial magnetisk stimulering Intracortical Hemming EMG undertrykkelse
Force og posisjonskontroll hos mennesker - The Role of Augmented Tilbakemelding
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Lauber, B., Keller, M., Leukel, C.,… More

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter