İnsanlardaki Kuvvet ve Konum Kontrolü - Artırılmış Görüşleri Rolü
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
Duyusal geribildirim hareketleri gerçekleştirmek için çok önemlidir. Günlük aktiviteler Propriosepsiyon 1 yokluğunda pek mümkün bulunmaktadır. Ayrıca, motor öğrenme proprioseptif entegrasyon 2 veya deri algı 3 etkilenir. Sağlam hissi ile sağlıklı insanlar duruma özgü ihtiyaçları 4 karşılamak amacıyla çeşitli duyusal kaynaklardan kaynaklanan duyusal girdilerin ağırlıklarının mümkün bulunmaktadır. Ağırlığında Bu duyusal (koyu ya da gözleri kapalı yürüyüş gibi) duyusal bilginin bazı yönleri güvenilmez, hatta yok bile yüksek hassasiyet ile zor görevleri gerçekleştirmek için insanları tanır.
Buna ek olarak, çeşitli kanıtlar geri arttırılmış (veya daha fazla) sağlanması daha da motor kontrolü ve / veya motor öğrenmeyi artırdığı göstermektedir. Augmented geribildirim duyusal kaynaklanan görev içsel (duyusal) geribildirim eklenebilir bir dış kaynak tarafından ek bilgiler sağlarSistem 5,6. Özellikle motor kontrol ve öğrenme üzerine artar geribildirim içeriğinin etkisi son yıllarda büyük ilgi olmuştur. Sorulardan biri ele kontrol gücü ve konumunu 7,8 insanlarda nasıl oldu. İlk araştırmalar konum veya yük uyumlu geribildirim ve farklılıkları zorlamak kullanarak sürekli bir submaksimal kasılma yorgunluk zaman farklılıkları tespit (örneğin, 9-12). konular kuvvet geribildirim ile sağlanan zaman, sürekli kasılma yorgunluk zamanı önemli ölçüde daha uzun pozisyon geri besleme sağlandı ne zaman karşılaştırıldı. Aynı olay, motor ünite işe daha büyük bir oranı ve (gözden 13) konumunu kontrol kasılma sırasında H-refleksi bölgede daha büyük bir azalma da dahil olmak üzere, farklı bir kas ve ekstremite çeşitli pozisyonlarda ve nöromüsküler bir dizi mekanizma gözlemlendi. Bununla birlikte, bu çalışmalarda, görsel geri besleme, aynı zamanda, fiziksel Cı sadecekas kasılması haracteristics (yani., ölçüm cihazının uygunluk) değiştirildi. Bu nedenle, son zamanlarda uyum değiştiren bir çalışma yürüttük ama sadece primer motor korteks (M1) içinde inhibitör aktivitesi farklılıklara neden olabilir geribildirim artar ve sürekli submaksimal kasılması sırasında kanıt kuvvet ve yalnız pozisyon geri besleme o karşılık ayırmıştır. Bu kortikal seviyede 14, yani eşik altı transkranial manyetik stimülasyon (subTMS) de sadece hareket bilinen bir uyarım tekniği kullanılarak gösterilmiştir. Suprathreshold TMS aksine, subTMS tarafından uyarılmış yanıt spinal α-motor nöronlar ve uyarılma uyarıcı nöronlar ve / veya kortikal hücrelerin 15-17 eksitabilite değil, sadece inhibitör intrakortikal nöronlar eksitabilite modüle değildir. Bu uyarım tekniği arkasındaki öne mekanizması motor uyarılmış potansiyel uyandırmak için eşik değerinin altında yoğunluklarda uygulanabilir olmasıdır(MEP). Bu uyarım bu tip herhangi inen faaliyeti üretmek değil servikal düzeyde implante elektrotları olan hastalarda gösterilmiştir ama bu öncelikle primer motor korteks 14,18,19 içinde inhibitör internöronlardan harekete geçirir. inhibitör Bu aktivasyon devam EMG aktivitesinde bir azalmaya neden olur ve uyarı olmaksızın çalışmalarda elde edilen EMG aktivitesine kıyasla EMG bastırma miktarı ile tayin edilebilir. Bu bağlamda, biz denekler geribildirim 20 sağlandı zorlamak hangi çalışmalarla karşılaştırıldığında pozisyon geri bildirim aldık hangi çalışmalarda anlamlı olarak daha fazla inhibitör aktivitesini görüntülenen gösterdi. Ayrıca, biz de farklı geribildirim modaliteleri (pozisyon kontrolü vs kuvvet) değil, aynı zamanda geribildirim yorumlanması sunumu sadece davranışsal ve nörofizyolojik verilere çok benzer etkilere sahip olduğunu göstermiştir. biz katılımcılara hitaben yaptığı konuşmada Daha spesifik olarak, s almak içinkonumumuzu geribildirim (o force feedback olmasına rağmen) onlar da yorgunluk kısa bir zaman değil, aynı zamanda inhibitör M1 aktivitesinin 21 artan bir seviyede görüntülenir sadece. Içeriği hakkında farklı bilgiler ile aynı geribildirim ama her zaman sağlanan bir yaklaşım kullanarak görev kısıtları, yani geribildirim sunumu, geribildirim kazanç veya yükün uyum böylece koşulları arasında aynıdır avantajına sahiptir performans ve nöral aktivitenin farklılıklar geribildirim yorumlanmasında farklılıklar açıkça ilişkili ve farklı test koşullarında önyargılı olmadığını. Böylece, mevcut çalışma birinin farklı yorumlanması ve aynı geribildirim sürekli submaksimal kasılma süresini etkiler ve ayrıca primer motor korteksin inhibitör aktivitesinin aktivasyonu üzerinde bir etkisi olup olmadığı araştırıldı.
Protocol
Representative Results
Discussion
güçlendirilmiş geribildirim yorumlanması sürekli submaksimal kasılma yorgunluk ve primer motor korteksin nöral işleme süresini etkiler ise bu çalışmada araştırılmıştır. Sonuçlar en kısa sürede katılımcıların pozisyon geri besleme olarak geri yorumladığı gibi (kuvvet geri bildirim karşılaştırıldığında) olduğunu göstermektedir, yorgunluk zamanı anlamlı olarak kısa ve (subTMS neden EMG bastırma miktarı olarak ölçülmüştür) motor korteksin inhibitör aktivitesi olan oldu daha …
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).
