تحكم القوة والوظيفة في البشر - دور ملاحظات المعزز
Summary
Controlling an identical movement with position or force feedback results in different neural activation and motor behavior. This protocol describes how to investigate behavioral changes by looking at neuromuscular fatigue and how to evaluate motor cortical (inhibitory) activity using subthreshold TMS with respect to the interpretation of augmented feedback.
Abstract
During motor behaviour, humans interact with the environment by for example manipulating objects and this is only possible because sensory feedback is constantly integrated into the central nervous system and these sensory inputs need to be weighted in order meet the task specific goals. Additional feedback presented as augmented feedback was shown to have an impact on motor control and motor learning. A number of studies investigated whether force or position feedback has an influence on motor control and neural activation. However, as in the previous studies the presentation of the force and position feedback was always identical, a recent study assessed whether not only the content but also the interpretation of the feedback has an influence on the time to fatigue of a sustained submaximal contraction and the (inhibitory) activity of the primary motor cortex using subthreshold transcranial magnetic stimulation. This paper describes one possible way to investigate the influence of the interpretation of feedback on motor behaviour by investigating the time to fatigue of submaximal sustained contractions together with the neuromuscular adaptations that can be investigated using surface EMG. Furthermore, the current protocol also describes how motor cortical (inhibitory) activity can be investigated using subthreshold TMS, a method known to act solely on the cortical level. The results show that when participants interpret the feedback as position feedback, they display a significantly shorter time to fatigue of a submaximal sustained contraction. Furthermore, subjects also displayed an increased inhibitory activity of the primary cortex when they believed to receive position feedback compared when they believed to receive force feedback. Accordingly, the results show that interpretation of feedback results in differences on a behavioural level (time to fatigue) that is also reflected in interpretation-specific differences in the amount of inhibitory M1 activity.
Introduction
ردود الفعل الحسية أمر بالغ الأهمية لأداء الحركات. الأنشطة اليومية بالكاد ممكنة في غياب الحس العميق 1. وعلاوة على ذلك، يتأثر التعلم الحركي عن طريق التكامل المخصوص 2 أو جلدي تصور 3. البشر صحية مع الإحساس سليمة قادرة على الوزن المدخلات الحسية الناجمة عن مصادر الحسية المختلفة من أجل تلبية احتياجات لوضع معين (4). هذا الحسية وزنها تمكن البشر لأداء المهام الصعبة بدقة عالية حتى عند بعض الجوانب من المعلومات الحسية لا يمكن الاعتماد عليها أو حتى غائبة (على سبيل المثال، والمشي في الظلام أو مع عيون مغلقة).
بالإضافة إلى ذلك، تشير الأدلة المختلفة أن تقديم المعزز (أو إضافي) ردود الفعل يحسن مزيد من التحكم في المحركات و / أو التعلم الحركي. يوفر ردود الفعل المضاف على معلومات إضافية من مصدر خارجي والتي يمكن أن تضاف إلى الجوهري (الحسي) ردود الفعل المهمة الناشئة عن الحسيةنظام 5،6. خصوصا وقد كان تأثير المحتوى من ردود الفعل تضاف على التحكم في المحركات والتعلم من اهتمام كبير في السنوات الأخيرة. كان واحدا من الأسئلة الموجهة كيف البشر قوة السيطرة وموقف 7،8. حددت التحقيقات الأولية الاختلافات في وقت التعب من انكماش submaximal المستمر باستخدام إما موقف أو قوة ردود الفعل والاختلاف في الامتثال الحمل (على سبيل المثال، 9-12). عندما قدمت المواضيع مع قوة ردود الفعل، والوقت للوالتعب من الانكماش المستمر ولفترة أطول كثيرا مقارنة عندما قدمت ردود الفعل الموقف. تم ملاحظة نفس الظاهرة لمجموعة متنوعة من العضلات المختلفة، ومواقف الأطراف وعدد من الآليات العصبية والعضلية، بما في ذلك معدل أكبر من محرك وحدة التوظيف وانخفاض أكبر في منطقة H-لا ارادي خلال الانكماش التي تسيطر عليها موقف (للمراجعة 13). ومع ذلك، في هذه الدراسات، وليس فقط ملاحظات مرئية ولكن أيضا في ج البدنيةharacteristics من تقلص العضلات (أي، والامتثال للجهاز القياس) تم تغيير. ولذلك، فإننا أجريت مؤخرا دراسة لا تغيير الامتثال ولكن زيادته فقط ردود فعل وقدم أدلة على أن توفير القوة وردود الفعل موقف وحدها خلال الانكماش submaximal المستمر يمكن أن يسبب الاختلافات في النشاط المثبطة داخل القشرة الحركية الأولية (M1). وتبين ذلك باستخدام تقنية التحفيز ما هو معروف للعمل فقط على مستوى القشرية 14، وهي دون العتبي التحفيز المغناطيسي عبر الجمجمة (subTMS). على عكس suprathreshold TMS، واستجابة حركها subTMS، لا يتم عن طريق التضمين استثارة العمود الفقري α-العصبونات الحركية واستثارة الخلايا العصبية مثير و / أو الخلايا القشرية 15-17 ولكن فقط عن طريق استثارة الخلايا العصبية المثبطة intracortical. والآلية المفترضة وراء هذه التقنية التحفيز هو أن يتم تطبيقه في شدة تحت عتبة لاستحضار أثار محرك محتمل(MEP). وقد تبين في المرضى الذين يعانون من زرع أقطاب كهربائية على مستوى عنق الرحم أن هذا النوع من التحفيز لا تنتج أي نشاط الهابطة إلا أنه ينشط في المقام الأول interneurons المثبطة داخل القشرة الحركية الأولية 14،18،19. هذا التنشيط من interneurons المثبطة يؤدي إلى انخفاض في النشاط EMG مستمر، ويمكن أن يكون كميا بمقدار قمع EMG مقارنة مع النشاط EMG التي تم الحصول عليها في التجارب دون التحفيز. وفي هذا الصدد، أظهرنا أن الموضوعات المعروضة على النشاط المثبطة أكبر بكثير في المحاكمات التي تلقى ردود الفعل موقف مقارنة مع التجارب وقدمت ملاحظات 20 التي القوة. وعلاوة على ذلك، نحن أظهرت أيضا أن الأمر لا يقتصر على تقديم طرائق ردود الفعل المختلفة (القوة مقابل السيطرة على الموقف) ولكن أيضا تفسير ردود الفعل يمكن أن يكون لها تأثيرات مشابهة جدا على البيانات السلوكية والعصبية. وبشكل أكثر تحديدا، عندما قلنا المشاركين لتلقي صردود الفعل osition (على الرغم من أنها كانت ردود الفعل القوة) كما أنها تظهر ليس فقط وقت أقصر التعب ولكن أيضا زيادة مستوى النشاط M1 المثبطة 21. باستخدام هذا النهج حيث يتم توفير ردود الفعل نفسه ولكن مع معلومات مختلفة حول مضمونه دائما لديه ميزة أن القيود المهمة، أي عرض من ردود الفعل، فإن المكسب من ردود الفعل، أو الامتثال للتحميل متطابقة بين الظروف ذلك أن الاختلافات في الأداء والنشاط العصبي هي ذات الصلة بوضوح الاختلافات في تفسير ردود الفعل وليس وتنحاز ظروف الاختبار المختلفة. وهكذا، حققت الدراسة الحالية ما إذا كان تفسيرا مختلفا من واحد ونفس ردود الفعل يؤثر على مدة انكماش submaximal المستدام وله تأثير على تفعيل النشاط المثبطة من القشرة الحركية الأساسية علاوة على ذلك.
Protocol
Representative Results
Discussion
التحقيق في هذه الدراسة إذا كان تفسير ردود الفعل زيادتها يؤثر على وقت التعب من انكماش submaximal المستدام والمعالجة العصبية من القشرة الحركية الأساسية. وأظهرت النتائج أن بأسرع ما يفسر المشاركين في التعليق على ردود الفعل موقف (بالمقارنة مع قوة ردود الفعل)، وكان الوقت لالتع…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors have no acknowledgements.
Materials
| 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. , (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, &. #. 2. 0. 0. ;. 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. , (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).
