Vi beskriver en roman virtuell verklighet baserad setup som utnyttjar frivillig kontroll av å ena sidan att förbättra motor-skill prestanda i andra (icke-tränade) handen. Detta uppnås genom att ge realtid rörelse-baserade sensoriska feedback som om den icke-tränade handen är rörliga. Detta nya tillvägagångssätt kan användas för att förbättra rehabilitering av patienter med ensidig hemipares.
Vad beträffar förvärva motorik är, är utbildning av frivilliga fysisk rörelse överlägsen alla andra former av utbildning (t.ex. utbildning av observation eller passiv rörelse av praktikantens händer av en robotic enhet). Detta utgör naturligtvis en stor utmaning i rehabilitering av en paretic lem eftersom frivillig kontroll av fysisk rörelse är begränsad. Här beskriver vi ett roman utbildning som vi har utvecklat som har potential att kringgå denna stora utmaning. Vi utnyttjade en frivillig kontroll av å ena sidan och gett rörelse-baserade manipulerade sensoriska återkoppling i realtid som om å andra sidan är rörliga. Visuella manipulation genom virtual reality (VR) kombinerades med en enhet som OK vänstra fingrar att passivt följa högra frivilliga fingerrörelser. Hos friska försökspersoner visar vi förbättrad inom-session prestandavinster på en lem i avsaknad av frivillig fysträning. Resultaten hos friska försökspersoner tyder på att träning med unika VR setup kan också vara fördelaktigt för patienter med övre extremiteterna hemipares genom att utnyttja en frivillig kontroll av deras friska hand att förbättra rehabiliteringen av sin drabbade hand.
Fysiska metoder är mest effektiva form av utbildning. Även om detta tillvägagångssätt är väl etablerad1, är det väldigt utmanande i fall där utbildning handen grundläggande motoriska förmåga är begränsad2. För att kringgå problemet, undersökte en stor och växande mängd litteratur olika indirekta metoder av motorisk träning.
En sådan indirekt utbildning strategi använder fysiska praktiken med ena handen för att införa prestandavinster i andra (icke-praktiseras) handen. Detta fenomen, som kallas cross-utbildning (CE) eller intermanual överföring, har studerats ingående 3,4,5,6,7,8,9 och används för att förbättra prestanda i olika motoriska aktiviteter 10,11,12. Exempelvis i idrott skicklighet inställningar, har studier visat att utbildning basket dribbling i ena handen överför till ökade dribblingar kapacitet i den andra, otränade hand 13,14,15.
I en annan indirekt metod underlättas motoriskt lärande genom användning av visuella eller sensoriska feedback. I lärande genom observation, har det visats att betydande prestandavinster kan erhållas genom att passivt observera någon annan utföra den uppgift16,17,18,19 ,20. Likaså visade proprioceptiva utbildning, där de passivt extremiteten, också att förbättra prestanda på motor aktiviteter 12,21,22,23,24 , 25 , 26.
Tillsammans, föreslår dessa rader av forskning att sinnesintryck spelar en viktig roll i lärandet. Här visar vi att manipulera online sensoriska feedback (visuell och proprioceptiva) under fysisk träning av en lem resulterar i förstärkt prestanda vinst i det motsatta ledet. Vi beskriver en utbildning regim som ger optimalt resultat i en hand, i avsaknad av dess frivillig fysträning. Den konceptuella nyheten av den föreslagna metoden är bosatt i det faktum att det kombinerar tre olika former av lärande – nämligen lärande genom observation, CE och passiv rörelse. Här granskat vi om fenomenet med CE, tillsammans med speglad visuell feedback och passiv rörelse, kan utnyttjas för att underlätta inlärningen hos friska försökspersoner i avsaknad av frivilliga fysisk förflyttning av utbildning lemmen.
Begreppet i denna inställning skiljer sig från direkt försök att fysiskt träna handen. På metodologisk nivå – introducerar vi en ny setup inklusive avancerad teknik såsom 3D virtuell verklighet och anpassade inbyggda enheter som tillåter att manipulera visuella och proprioceptiva input i en naturlig miljö miljö. Visar förbättrade resultatet med den föreslagna utbildningen har viktiga konsekvenser för verkliga lärande. Exempelvis barn använda sensoriska feedback på ett sätt som är annorlunda än vuxna27,28,29 och för att optimera motoriskt lärande, barn kan kräva längre perioder av praxis. Användning av CE-tillsammans med manipulerade sensoriska feedback kan minska utbildning varaktighet. Dessutom kan sport färdigheter underlättas med hjälp av denna typ av sofistikerad utbildning. Slutligen kan detta visa sig fördelaktigt för utvecklingen av en ny strategi för rehabilitering av patienter med ensidiga motoriska brister som stroke.
Vi beskriva en roman utbildning setup och visa hur inbäddning virtuella sensoriska feedback i en verklig miljö optimerar motoriskt lärande i en hand som inte är utbildade enligt frivillig kontroll. Vi manipuleras feedback i två modaliteter: visuella och proprioceptiva.
Det finns några kritiska steg i protokollet presenteras. Det första består systemet av flera separata komponenter (handskar, VR headset, kamera, och passiv rörelse enhet) som ska anslutas noggrant när du konfigurerar VR miljön. Därför bör experimenter hålla den exakta ordning som beskrivs i protokollet och kontrollera personernas bekvämlighet.
Kombinationen av visuell och proprioceptiva manipulation under utbildning infördes betydligt högre prestandavinster i icke-tränade handen i förhållande till andra befintliga utbildning typer såsom lärande genom observation17och CE3 med och utan passiv hand rörelser24,25,26.
Det är en öppen fråga huruvida den förbättrade prestandan vinster i nuvarande demonstrationen generaliserar till andra uppgifter, utbildning varaktigheter, feedback formerna eller hand identiteter (vänster aktiva handen eller bi-manual rörelser). Den aktuella studien var begränsad till högerhänta försökspersoner med hjälp av en enkel finger sekvens aktivitet. Dessutom bygger proprioception manipulation i aktuella inställning på ett system som tillåter mycket begränsade rörelser (såsom finger flexion/extension) för en relativt kortsiktiga utbildning. Ytterligare arbete krävs för att upprätta generaliserbarhet av presenterade installationen till andra typer av beteenden.
Den nuvarande setup kan förlängas på flera sätt. Första, nya typer av modaliteter kan läggas till exempel bindande olika auditiv ljud till olika fingerrörelser under aktiviteten sekvens. Detta kan resultera i en supra-additiva effekt som ytterligare optimerar lärande i otränat handen. För det andra, den nuvarande utformningen av systemet möjliggör en lätt swap mellan frivilliga glidande handen (höger hand i nuvarande beskrivning) och passivt yoked hand (vänster hand). Framtida studier kan kapitalisera på denna flexibilitet att undersöka hur riktningen på överföring (mellan dominerande och icke-dominanta händer3) kan ändra nivån på prestandavinster när du använder de presenterade sensoriska manipulationer. Slutligen kan den unika VR setup vi utvecklat anpassas till mer komplexa uppgifter (i motsats till enkla finger sekvens aktiviteten). Virtuell simulering av externa objekt såsom bollar, pins och anslagstavlor kan bäddas in i den verkliga miljön som ger en fyllig och engagerande träningsupplevelse.
När det gäller framtida tillämpningar, kan den effekt som anges i denna studie lätt användas med kliniska populationer såsom patienter med övre-lem hemipares genom att införa fysisk träning med den friska handen och som ger visuell feedback som om den drabbade handen är flytta. Med tanke på att frivillig kontroll av den drabbade extremiteten är begränsad i dessa populationer, har denna utbildning systemet potential att kringgå utmaningarna av direkt fysisk terapi av den drabbade handen och kanske resulterar i bättre återhämtning priser30 ,31. Detta tillvägagångssätt, att utnyttja fenomenet cross-utbildning och spegel-terapi, tillsammans med väletablerade rehabilitering uppgifter, har inte tidigare testats i kliniska patienter och har potential för att ge en effektivare rehabilitering regimen. Slutligen, eftersom denna inställning är delvis herr kompatibel, det möjliggör användning av hela-hjärnan funktionell magnetresonanstomografi (fMRI) sond de relevanta neurala kretsar engagerade under sådan utbildning12.
The authors have nothing to disclose.
Denna studie stöddes av jag-kärnan Program planering och budgetering kommittén Israel Science Foundation (grant nr 51/11), och The Israel Science Foundation (beviljar nr 1771/13 och 2043/13) (R.M.); Yosef Sagol stipendiet för neurovetenskap forskning, den israeliska presidentens hedersstipendium för neurovetenskap forskning och Sagol skola för neurovetenskap gemenskap (O.O.). Finansiärerna hade ingen roll i studiedesign, datainsamling och analys, beslut om att offentliggöra eller beredning av manuskriptet. Författarna tackar E. Kagan och A. Hakim hjälpen Lihi Sadeh och Y. Siman-Tov, Yuval Wilchfort med filmning och setup, och datainsamling, O. Levy från Rehabit-Tec System för att ge åtkomst till enhetens passiv rörelse.
Oculus Development Kit 1 | Oculus VR | The Oculus Rift DK1 is a virtual reality headset developed and manufactured by Oculus VR, and contains development kit. | |
5DT Data Glove 14 MRI Right-handed and left handed | Fifth dimension Technologies | 100-0009 and 100-0010 | The 5DT Data Glove Ultra is designed to satisfy the stringent requirements of modern Motion Capture and Animation Professionals. It offers comfort, ease of use, a small form factor and multiple application drivers. The high data quality, low cross-correlation and high data rate make it ideal for realistic realtime animation. |
PlayStation Eye Camera | Sony | The PlayStation Eye (trademarked PLAYSTATION Eye) is a digital camera device, similar to a webcam, for thePlayStation 3. The technology uses computer vision and gesture recognition to process images taken by the camera. | |
REHABILITATION SYSTEM REHABIT-TEC | Rehabit-Tec | www.rehabit-tec.com | The Rehabit-Tec Rehabilitation system is a rehabilitation system intended to allow a CVA injured individual advance self rehabilitation on the basis of mirror movements |