Name: force and position control in humans - the role of augmented feedback
Uploaded: 2016-06-19T13:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 31 s
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The authors have no acknowledgements.

Il protocollo qui descritto ha seguito le linee guida del comitato etico dell &#39;Università di Friburgo ed era in conformità con la Dichiarazione di Helsinki (1964). 1. Approvazione etico - Soggetto Istruzione <ol><li> Prima l&#39;esperimento vero, istruire tutti i soggetti sullo scopo dello studio e potenziali fattori di rischio. Quando si applica la stimolazione magnetica transcranica (TMS), ci sono alcuni rischi medici tra cui una storia di crisi epilettiche, impianti metallici agli occhi e / o la testa, le malattie del sistema cardiovascolare e la gravidanza. Escludere qualsiasi argomento affermando ad uno di questi fattori di rischio dello studio. </li><li> Includere solo individui sani nello studio. Escludere le persone con alcune malattie neurologiche, mentali e / o ortopedici. </li></ol> 2. Fatte salve Preparazione <ol><li> Oggetto del collocamento <ol><li> Durante l&#39;intero esperimento, i soggetti di seduta in una sedia comoda. Fissare la testadel partecipante utilizzando un cast che abbraccia il collo, garantendo una posizione a testa stabile ed evitando eventuali movimenti della testa relativa bobina TMS. </li><li> Posizionare il braccio destro dei soggetti in un bracciolo su misura per ridurre al minimo i movimenti del polso. Fix indice della mano destra del soggetto di una stecca montata al braccio di un robot. Allineare l&#39;asse di rotazione del braccio del robot con il giunto metacarpophangeal della mano destra in modo che il centro congiunta corrisponde al centro di rotazione del robot. </li></ol></li><li> registrazioni di forza <ol><li> Misurare la forza applicata dai soggetti da un torsiometro montato nel braccio del robot e misurare la posizione del braccio del robot (corrispondente alla posizione del dito indice) da un potenziometro collegato all&#39;asse di rotazione del robot 22. </li></ol></li><li> L&#39;elettromiografia (EMG) <ol><li> Utilizzare una configurazione bipolare di elettrodi di superficie per misurare le risposte elettrofisiologiche indotte da TMS e musculaR attivazione prodotta dai soggetti. <ol><li> Prima di applicare gli elettrodi alla pelle rispetto al primo dorsale interosseo muscolare (IDE) e il rapitore breve del pollice (APB) della mano destra, la barba la pelle dei soggetti, poi un po &#39;carteggiare utilizzando carta vetrata o abrasione gel e disinfettarlo con propanolo . </li><li> A seguito di questo, collegare gli elettrodi EMG autoadesivi per la pelle sopra i ventri muscolari del FDI e APB. Inserire un elettrodo di riferimento supplementare sul olecranon dello stesso braccio. </li><li> Cavo-collegare tutti gli elettrodi ad un amplificatore EMG e ad un convertitore analogico-digitale. Amplificare i segnali EMG (x 1.000), passa-banda-filtro (10 - 1000 Hz) e il campione a 4 kHz. Conservare i segnali EMG per l&#39;analisi offline. </li></ol></li></ol></li><li> TMS <ol><li> Utilizzare una figura di otto bobine collegato a uno stimolatore TMS per stimolare l&#39;area corticale mano controlaterale del motore. </li><li> Trovare la posizione ottimale della bobina rispetto al cuoio capelluto per suscitarepotenziali evocati motori (MEP) nel muscolo FDI da una procedura di mappatura: <ol><li> Posizionare la bobina di circa 0.5 cm anteriormente al vertice e sulla linea mediana con il manico che punta a 45 ° in senso antiorario rispetto al piano sagittale, inducendo un flusso postero-anteriore della corrente nel centro della bobina. </li><li> All&#39;inizio, scegliere un piccolo stimolazione intensità (massimo esempio, inferiore al 30% uscita stimolatore, MSO) per ottenere i soggetti abituati agli impulsi magnetici. </li><li> Successivamente, aumentare l&#39;intensità di stimolazione a piccoli passi, ad esempio 2 - 3% potenza massima stimolatore (MSO) e spostare la bobina in direzione frontale-rostrale e medio-laterale al fine di trovare il sito ottimale (hotspot) per stimolare l&#39;IDE muscolo. L&#39;hotspot è definito come il punto in cui la maggiore MEP può essere osservato in una data intensità di stimolazione. </li></ol></li><li> Dopo aver trovato l&#39;hotspot FDI, determinare soglia motoria (MT) a riposo come il minimum intensità richiesta per evocare MEP ampiezze picco-picco nel EMG maggiore di 50 mV a tre su cinque prove consecutive 18. Controllare la dimensione dei deputati visualizzate on-line sullo schermo del computer. </li><li> Dopo suscitando deputati con 1,0 * MT, diminuire costantemente l&#39;intensità di stimolazione della macchina TMS in passi di 2% MSO finché il deputato non può più essere osservato e una soppressione EMG dell&#39;attività muscolare corso diventa evidente. Nota: Al fine di rappresentare la soppressione EMG TMS indotta è necessario applicare un elevato numero di stimoli (vedi sezione 5. &quot;Data Processing&quot;) </li></ol></li></ol> 3. Risposte Presentazione <ol><li> Dividete i partecipanti in tre gruppi (PF, FF, CON). </li><li> Istruire i soggetti del gruppo di retroazione di posizione (PF), a metà delle prove per ricevere un feedback sulla posizione del dito indice (retroazione) quando si sposta il dito indice premendo contro il dispositivo robotico. &lt;/ Li&gt; <li> Nell&#39;altra metà delle prove, istruire i soggetti per ricevere un feedback sulla forza applicata durante lo spostamento del dispositivo robotico (ritorno di forza). Nota: In realtà, tuttavia, ricevono sempre le stesse risposte (retroazione di posizione). </li><li> Istruire i soggetti del gruppo Force Feedback (FF) per ricevere un feedback vigore a metà delle prove e di ricevere feedback di posizione nell&#39;altra metà. Nota: In realtà, questo gruppo è fornito esclusivamente con ritorno di forza. </li><li> Non indicare al gruppo di controllo (CON) dell&#39;origine del feedback. Nota: Il gruppo di controllo riceve il ritorno di forza in una metà del loro prove e retroazione di posizione nell&#39;altra metà. </li><li> Casualmente modificare l&#39;ordine delle sessioni, cioè se prove iniziano con forza o feedback di posizione, in tutti i gruppi. </li><li> Visivamente visualizzare la forza e la retroazione di posizione sullo schermo del computer posizionati 1 m davanti soggetti. </li><li> In ogni condizione, presentano una linea di destinazione corrispondente alIl 30% dei singoli forza massimale volontaria del soggetto, o l&#39;angolo dito del dito indice al 30% al massimo contrazione volontaria (MVC), sullo schermo del computer e istruire il soggetto in modo che corrisponda il più vicino alla linea di destinazione possibile. </li></ol> 4. massima isometrica Forza <ol><li> Dopo il soggetto viene preparato (EMG), effettuare tre contrazioni volontarie massime isometriche (MVC), costituito da un graduale aumento della forza isometrica da zero al massimo su un periodo di 3 secondi e la forza massima tenuta per 2 sec 20,21. </li><li> Verbalmente incoraggiare il soggetto a raggiungere la forza massima. Dopo ogni prova, permettono ai soggetti di riposare per 90 secondi per evitare l&#39;affaticamento. </li></ol> Procedura sperimentale 5. <ol><li> Faticoso motore task- sostenuta contrazioni. Nota: Il compito faticoso si compone di due contrazioni sostenute eseguiti in giorni separati. <ol><li> Istruire i soggetti in modo che corrisponda alla linea di destinazione del 30% MVC perpiù a lungo possibile con una linea corrispondente alla forza applicata o la posizione delle dita corrispondente ad un livello di forza del 30% MVC. Nota: la linea di destinazione durante la condizione di retroazione di posizione (PF-gruppo) corrisponde quindi all&#39;angolo dito quando i soggetti corrispondono al livello di forza del 30% MVC. </li><li> Chiedi soggetti a tenere le contrazioni fino guasto di operazione, che è definito come il punto in cui i soggetti non sono più in grado di trattenere la forza di destinazione all&#39;interno di una finestra 5% della forza destinataria su un periodo di 5 sec (fF-gruppo). Per il pF-gruppo, definire guasto di operazione come quando i partecipanti sono in grado di mantenere l&#39;angolo barretta entro 5% dell&#39;angolo di destinazione richiesti per 5 sec 12,23. </li><li> Assicurarsi che i due contrazioni sostenute sono separati da almeno 48 ore. </li></ol></li><li> TMS-protocollo Nota: L&#39;esperimento sottosoglia TMS viene effettuata sul giorno separato per le contrazioni affaticanti. Ciò è importante in quanto la fatica ha un&#39;influenzasulla soppressione EMG evocata da subTMS 24,25 così le differenze tra la forza e la posizione non può essere chiaramente identificato. Separando le contrazioni affaticanti dalle misure TMS ha il vantaggio che differenze nella soppressione EMG possono ora essere chiaramente da attribuire alla diversa interpretazione del feedback, ma ha la limitazione che i risultati non possono essere direttamente collegati alle differenze nel tempo di affaticamento delle contrazioni subite. <ol><li> Condurre la parte dell&#39;esperimento con TMS (vedi anche il paragrafo 3 &quot;Feedback presentazione&quot;) in un&#39;altra occasione che gli esperimenti faticosi. Inizialmente, seguire la stessa procedura come per la contrazione affaticante (ad esempio, contrazioni MVC) ma questa volta, chiedere ai soggetti di tenere le contrazioni solo finché la stimolazione TMS dura. Così, le contrazioni non sono fatigable e mantenuto per circa 100 secondi durante ogni prova TMS. </li><li> Fornire una pausa di 3 minuti tra trials per ridurre al minimo ogni pregiudizio di fatica. </li></ol></li></ol> 6. Elaborazione dati <ol><li> TMS <ol><li> Applicare un totale di 100 scansioni, 50 spazza con e 50 spazza senza stimolazione, con un intervallo inter-stimolo che vanno 0,8-1,1 s 20,21,25,26. Questo breve intervallo interstimulus fa in modo che i soggetti non hanno bisogno di tenere le contrazioni per troppo tempo gli effetti in modo affaticanti possono essere minimizzati. </li><li> Per analizzare se la stimolazione TMS ha causato una facilitazione (MEP) o una soppressione EMG, sottrarre i rettificate e poi media 50 sweep con stimolazione (stimolati EMG) dalle 50 spazza senza stimolazione (controllo EMG) 20,21,25-27. Nota: L&#39;inizio della soppressione EMG è definito come il punto di tempo in cui la EMG media per le scansioni con la stimolazione è inferiore al EMG di controllo per almeno 4 msec in un arco di tempo di 20 a 50 msec dopo l&#39;impulso TMS. La fine della soppressione è definita come tegli istante in cui il EMG stimolato è maggiore della EMG di controllo per almeno 1 msec e l&#39;entità della soppressione è calcolato come variazione percentuale (controllo stimolata /: controllo * 100). </li><li> Utilizzare la spazza senza stimolazione TMS per il calcolo dello sfondo attivazione EMG e medio dello stesso finestra temporale come le prove con 20,21,25,26 stimolazione. </li></ol></li><li> EMG <ol><li> Determinare la massima attività EMG calcolando il valore root-mean-square registrati in una finestra di 0.5s volta la forza di picco misurata durante il test MVC 20,21. </li><li> Per le contrazioni subite, analizzare l&#39;EMG con la costruzione di cassonetti lungo 8 secondi in cui la radice-quadratico medio del EMG rettificato è calcolato e normalizzati per l&#39;attività EMG ottenuto durante le prove MVC 20,21. </li></ol></li></ol>

The authors have nothing to disclose.

Il presente studio ha indagato se l&#39;interpretazione di feedback aumentata influenza il tempo di fatica di una contrazione submassimale sostenuta e l&#39;elaborazione neurale della corteccia motoria primaria. I risultati mostrano che, non appena i partecipanti interpretato il feedback come feedback di posizione (rispetto al force feedback), il tempo di affaticamento era significativamente più breve e l&#39;attività inibitoria della corteccia motoria (misurata come quantità di EMG soppressione causata da subTMS) vi...

feedback sensoriale è fondamentale per eseguire movimenti. Le attività quotidiane sono quasi impossibile in assenza di propriocezione 1. Inoltre, l&#39;apprendimento motorio è influenzato da integrazione propriocettiva 2 o cutanea percezione 3. Gli esseri umani sani con sensazione intatte sono in grado di pesare gli input sensoriali derivanti da varie fonti sensoriali al fine di soddisfare le esigenze specifiche di Situazione 4. Questo sensoriale del peso permette agli esseri umani di svolgere compiti difficili con alta precisione anche quando alcuni aspetti delle informazioni sensoriali sono inaffidabili o addirittura assente (ad esempio, camminando al buio o con gli occhi chiusi). Inoltre, varie prove suggeriscono che fornire aumentata (o ulteriore) un feedback migliora ulteriormente il controllo del motore e / o apprendimento motorio. retroazione Augmented fornisce ulteriori informazioni da una fonte esterna, che può essere aggiunto alla intrinseca retroazione compito (sensoriale) derivanti dalla sensorialeSistema 5,6. Soprattutto l&#39;effetto del contenuto di feedback aumentata sul controllo del motore e l&#39;apprendimento è stato di grande interesse negli ultimi anni. Una delle domande rivolte era come gli esseri umani la forza il controllo e la posizione 7,8. Le indagini iniziali identificate differenze nel tempo alla fatica di una contrazione submassimale sostenuto che utilizzano entrambe le posizioni o force feedback e le differenze nel rispetto carico (ad esempio, 9-12). Quando i soggetti sono stati forniti con ritorno di forza, il momento di fatica della contrazione sostenuta era significativamente più lungo rispetto a quando è stato fornito feedback di posizione. Lo stesso fenomeno è stato osservato per una varietà di diversi muscoli e posizioni degli arti e un certo numero di meccanismi neuromuscolari, tra cui un maggior tasso di reclutamento di unità motorie e una maggiore diminuzione dell&#39;area H-reflex durante la contrazione controllata di posizione (per la revisione 13). Tuttavia, in questi studi, non solo il feedback visivo, ma anche il c fisicaharacteristics della contrazione muscolare (es., la conformità del dispositivo di misura) è stato modificato. Pertanto, abbiamo recentemente condotto uno studio non alterare la conformità, ma solo aumentata di feedback e dimostrato che le prestazioni di forza e di retroazione di posizione da solo durante una contrazione submassimale sostenuta può causare differenze di attività inibitoria all&#39;interno della corteccia motoria primaria (M1). Ciò è stato dimostrato utilizzando una tecnica di stimolazione che è noto per agire esclusivamente a livello corticale 14, vale a dire sottosoglia stimolazione magnetica transcranica (subTMS). Diversamente suprathreshold TMS, la risposta evocata da subTMS, non è modulata dalla eccitabilità spinali alfa-motoneuroni e l&#39;eccitabilità neuroni eccitatori e / o cellule corticali 15-17, ma solo dalla eccitabilità dei neuroni intracorticali inibitori. Il meccanismo ipotizzato dietro questa tecnica di stimolazione è che viene applicato alle intensità di sotto della soglia di evocare un motore potenziali evocati(MEP). È stato dimostrato in pazienti con elettrodi impiantati a livello cervicale che questo tipo di stimolazione non produce alcuna attività discendente ma che attiva principalmente interneuroni inibitori nella corteccia motoria primaria 14,18,19. Questa attivazione di interneuroni inibitori provoca una diminuzione dell&#39;attività EMG continuo e può essere quantificata la quantità di soppressione EMG rispetto all&#39;attività EMG ottenute negli studi senza stimolazione. A questo proposito, abbiamo dimostrato che i soggetti hanno mostrato una significativamente maggiore attività inibitoria nei trial in cui hanno ricevuto feedback di posizione rispetto alle prove in cui Force Feedback è disponibile 20. Inoltre, abbiamo anche dimostrato che non solo la presentazione di diverse modalità di feedback (forza rispetto al controllo della posizione), ma anche l&#39;interpretazione di feedback può avere effetti molto simili su dati comportamentali e neurofisiologici. Più in particolare, quando abbiamo detto ai partecipanti di ricevere pretroazione osizione (anche se era force feedback) che, inoltre, non solo visualizzati un tempo più breve per la fatica, ma anche un aumento del livello di attività inibitoria M1 21. Usando un approccio in cui le stesse risposte ma con diverse informazioni sul suo contenuto è sempre disponibile ha il vantaggio che i vincoli compito, cioè, la presentazione del feedback, il guadagno del feedback, o la conformità del carico sono identici tra condizioni così che le differenze in termini di prestazioni e attività neurale sono chiaramente correlata alle differenze di interpretazione del feedback e non sono influenzati da differenti condizioni di prova. Così, questo studio esaminato se una diversa interpretazione di uno stesso risposte influenza la durata di una contrazione submassimale sostenuta e inoltre ha un impatto sulla attivazione di attività inibitoria della corteccia motoria primaria.

<table><tbody><tr><td>torquemeter</td><td>LCB 130, ME-Mebsysteme, Neuendorf, Germany</td><td></td><td>Part of robotic device built for force and position recordings</td></tr><tr><td>potentiometer</td><td>type 120574, Megatron, Putzbrunn, Germany</td><td></td><td>Part of robotic device built for force and position recordings</td></tr><tr><td>EMG electrodes</td><td>Blue sensor P, Ambu, Bad Nauheim, Germany</td><td></td><td></td></tr><tr><td>TMS coil</td><td>Magstim</td><td></td><td></td></tr><tr><td>TMS machine</td><td>Magstim Company Ltd., Whitland, UK</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Recording software</td><td>Labview-Based</td><td></td><td>custom written software</td></tr></tbody></table>

force and position control in humans - the role of augmented feedback

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.

Interpretazione di feedback Nel procedimento descritto qui, i soggetti sono stati istruiti in modo che ritenevano metà delle loro prove di aver ricevuto retroazione di posizione e l&#39;altra metà delle prove di aver ricevuto le risposte forza. In realtà, sono stati ingannati nella metà dei loro prove in quanto il PF-gruppo sempre ricevuto un feedback di posizione e la FF-gruppo sempre ricevuto feedback forza. </p...

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Force and Position Control in Humans - The Role of Augmented Feedback

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.

Forza e controllo della posizione in Humans - Il ruolo del feedback Augmented

During motor behaviour, humans interact with the environment by for example manipulating objects and this is only possible because sensory feedback is ...

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Universidad San Sebastian

Research

JoVE Journal

Behavior

7.8K Views.  University of Freiburg. 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. 

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Haptic/Graphic Rehabilitation: Integrating a Robot into a Virtual Environment Library and Applying it to Stroke Therapy

Recent research that tests interactive devices for prolonged therapy practice has revealed new prospects for robotics combined with graphical and other forms of biofeedback. Previous human-robot interactive systems have required different software commands to be implemented for each robot leading to unnecessary developmental overhead time each time a new system becomes available. For example, when a haptic/graphic virtual reality environment has been coded for one specific robot to provide haptic feedback, that specific robot would not be able to be traded for another robot without recoding the program. However, recent efforts in the open source community have proposed a wrapper class approach that can elicit nearly identical responses regardless of the robot used. The result can lead researchers across the globe to perform similar experiments using shared code. Therefore modular "switching out"of one robot for another would not affect development time. In this paper, we outline the successful creation and implementation of a wrapper class for one robot into the open-source H3DAPI, which integrates the software commands most commonly used by all robots.

Recently, a vast amount of prospects have come available for human-robot interactive systems. In this paper we outline the integration of a new robotic device with open source software that can rapidly make possible a library of interactive functionality. We then outline a clinical application for a neurorehabilitation application.

Haptic / grafica di riabilitazione: integrazione di un robot in un ambiente di biblioteca virtuale e sua applicazione alla terapia Corsa

Recent research that tests interactive devices for prolonged therapy practice has revealed new prospects for robotics combined with graphical and other ...

Ricerca

Bioingegneria

A Structured Rehabilitation Protocol for Improved Multifunctional Prosthetic Control: A Case Study

Advances in robotic systems have resulted in prostheses for the upper limb that can produce multifunctional movements. However, these sophisticated systems require upper limb amputees to learn complex control schemes. Humans have the ability to learn new movements through imitation and other learning strategies. This protocol describes a structured rehabilitation method, which includes imitation, repetition, and reinforcement learning, and aims to assess if this method can improve multifunctional prosthetic control. A left below elbow amputee, with 4 years of experience in prosthetic use, took part in this case study. The prosthesis used was a Michelangelo hand with wrist rotation, and the added features of wrist flexion and extension, which allowed more combinations of hand movements. The participant&#8217;s Southampton Hand Assessment Procedure score improved from 58 to 71 following structured training. This suggests that a structured training protocol of imitation, repetition and reinforcement may have a role in learning to control a new prosthetic hand. A larger clinical study is however required to support these findings.

As prosthetic development moves towards the goal of natural control, harnessing amputees&#8217; inherent ability to learn new motor skills may enable proficiency. This manuscript describes a structured rehabilitation protocol, which includes imitation, repetition, and reinforcement learning strategies, for improved multifunctional prosthetic control.

Un protocollo riabilitativo strutturato per Improved multifunzionale protesica di controllo: un caso di studio

Advances in robotic systems have resulted in prostheses for the upper limb that can produce multifunctional movements. However, these sophisticated ...

Comportamento

Movement Retraining using Real-time Feedback of Performance

Any modification of movement - especially movement patterns that have been honed over a number of years - requires re-organization of the neuromuscular patterns responsible for governing the movement performance. This motor learning can be enhanced through a number of methods that are utilized in research and clinical settings alike. In general, verbal feedback of performance in real-time or knowledge of results following movement is commonly used clinically as a preliminary means of instilling motor learning. Depending on patient preference and learning style, visual feedback (e.g. through use of a mirror or different types of video) or proprioceptive guidance utilizing therapist touch, are used to supplement verbal instructions from the therapist. Indeed, a combination of these forms of feedback is commonplace in the clinical setting to facilitate motor learning and optimize outcomes.
Laboratory-based, quantitative motion analysis has been a mainstay in research settings to provide accurate and objective analysis of a variety of movements in healthy and injured populations. While the actual mechanisms of capturing the movements may differ, all current motion analysis systems rely on the ability to track the movement of body segments and joints and to use established equations of motion to quantify key movement patterns. Due to limitations in acquisition and processing speed, analysis and description of the movements has traditionally occurred offline after completion of a given testing session.
This paper will highlight a new supplement to standard motion analysis techniques that relies on the near instantaneous assessment and quantification of movement patterns and the display of specific movement characteristics to the patient during a movement analysis session. As a result, this novel technique can provide a new method of feedback delivery that has advantages over currently used feedback methods.

Retraining abnormal movement patterns following injury or disease is a key component of physical rehabilitation. Recent advances in technology have permitted accurate assessment of movement during a variety of tasks, with near instantaneous quantification of results. This provides new opportunities for modification of faulty movement patterns in real time.

Movimento Riqualificazione con feedback in tempo reale delle prestazioni

Any modification of movement - especially movement patterns that have been honed over a number of years - requires re-organization of the neuromuscular ...

Medicina

Characterization of the Sense of Agency over the Actions of Neural-machine Interface-operated Prostheses

This work describes a methodological framework that can be used to explicitly and implicitly characterize the sense of agency developed over the neural-machine interface (NMI) control of sensate virtual or robotic prosthetic hands. The formation of agency is fundamental in distinguishing the actions that we perform with our limbs as being our own. By striving to incorporate advanced upper-limb prostheses into these same perceptual mechanisms, we can begin to integrate an artificial limb more closely into the user&#39;s existing cognitive framework for limb control. This has important implications in promoting user acceptance, use, and effective control of advanced upper-limb prostheses. In this protocol, participants control a virtual prosthetic hand and receive kinesthetic sensory feedback through their preexisting NMIs. A series of virtual grasping tasks are performed and perturbations are systematically introduced to the kinesthetic feedback and virtual hand movements. Two separate measures of agency are employed: established psychophysical questionnaires (to capture the explicit experience of agency) and a time interval estimate task to capture the implicit sense of agency (intentional binding). Results of this protocol (questionnaire scores and time interval estimates) can be analyzed to quantify the extent of agency formation.

Here we present a protocol which characterizes the sense of agency developed over the control of sensate virtual or robotic prosthetic hands. Psychophysical questionnaires are employed to capture the explicit experience of agency, and time interval estimates (intentional binding) are employed to implicitly measure the sense of agency.

Caratterizzazione del senso dell'Agenzia sulle azioni della protesi operati interfaccia neurale-macchina

This work describes a methodological framework that can be used to explicitly and implicitly characterize the sense of agency developed over the ...

Applying Incongruent Visual-Tactile Stimuli during Object Transfer with Vibro-Tactile Feedback

The application of incongruent sensory signals that involves disrupted tactile feedback is rarely explored, specifically with the presence of vibrotactile feedback (VTF). This protocol aims to test the effect of VTF on the response to incongruent visual-tactile stimuli. The tactile feedback is acquired by grasping a block and moving it across a partition. The visual feedback is a real-time virtual presentation of the moving block, acquired using a motion capture system. The congruent feedback is the reliable presentation of the movement of the block, so that the subject feels that the block is grasped and see it move along with the path of the hand. The incongruent feedback appears as the movement of the block diverts from the actual movement path, so that it seems to drop from the hand when it is actually still held by the subject, thereby contradicting the tactile feedback. Twenty subjects (age 30.2 &#177; 16.3) repeated 16 block transfers, while their hand was hidden. These were repeated with VTF and without VTF (total of 32 block transfers). Incongruent stimuli were presented randomly twice within the 16 repetitions in each condition (with and without VTF). Each subject was asked to rate the difficulty level of performing the task with and without the VTF. There were no statistically significant differences in the length of the hand paths and durations between transfers recorded with congruent and incongruent visual-tactile signals &#8211; with and without the VTF. The perceived difficulty level of performing the task with the VTF significantly correlated with the normalized path length of the block with VTF (r = 0.675, p = 0.002). This setup is used to quantify the additive or reductive value of VTF during motor function that involves incongruent visual-tactile stimuli. Possible applications are prosthetics design, smart sport-wear, or any other garments that incorporate VTF.

We present a protocol to apply incongruent visual-tactile stimuli during an object transfer task. Specifically, during block transfers, performed while the hand is hidden, a virtual presentation of the block shows random occurrences of false block drops. The protocol also describes adding vibrotactile feedback while performing the motor task.

Applicazione di stimoli visivi e tattili incongruenti durante il trasferimento di oggetti con feedback vibro-tattile

The application of incongruent sensory signals that involves disrupted tactile feedback is rarely explored, specifically with the presence of vibrotactile ...

Real-Time Proxy-Control of Re-Parameterized Peripheral Signals using a Close-Loop Interface

The fields that develop methods for sensory substitution and sensory augmentation have aimed to control external goals using signals from the central nervous systems (CNS). Less frequent however, are protocols that update external signals self-generated by interactive bodies in motion. There is a paucity of methods that combine the body-heart-brain biorhythms of one moving agent to steer those of another moving agent during dyadic exchange. Part of the challenge to accomplish such a feat has been the complexity of the setup using multimodal bio-signals with different physical units, disparate time scales and variable sampling frequencies.
In recent years, the advent of wearable bio-sensors that can non-invasively harness multiple signals in tandem, has opened the possibility to re-parameterize and update the peripheral signals of interacting dyads, in addition to improving brain- and/or body-machine interfaces. Here we present a co-adaptive interface that updates efferent somatic-motor output (including kinematics and heart rate) using biosensors; parameterizes the stochastic bio-signals, sonifies this output, and feeds it back in re-parameterized form as visuo/audio-kinesthetic reafferent input. We illustrate the methods using two types of interactions, one involving two humans and another involving a human and its avatar interacting in near real time. We discuss the new methods in the context of possible new ways to measure the influences of external input on internal somatic-sensory-motor control.

We present protocols and methods of analyses to build co-adaptive interfaces that stream, parameterize, analyze, and modify human body and heart signals in close-loop. This setup interfaces signals derived from the peripheral and central nervous systems of the person with external sensory inputs to help track biophysical change.

Controllo proxy in tempo reale dei segnali periferici rimizionati utilizzando un'interfaccia a circuito chiuso

The fields that develop methods for sensory substitution and sensory augmentation have aimed to control external goals using signals from the central ...

A Method for Evaluating Timeliness and Accuracy of Volitional Motor Responses to Vibrotactile Stimuli

Artificial sensory feedback (ASF) systems can be used to compensate for lost proprioception in individuals with lower-limb impairments. Effective design of these ASF systems requires an in-depth understanding of how the parameters of specific feedback mechanism affect user perception and reaction to stimuli. This article presents a method for applying vibrotactile stimuli to human participants and measuring their response. Rotating mass vibratory motors are placed at pre-defined locations on the participant's thigh, and controlled through custom hardware and software. The speed and accuracy of participants' volitional responses to vibrotactile stimuli are measured for researcher-specified combinations of motor placement and vibration frequency. While the protocol described here uses push-buttons to collect a simple binary response to the vibrotactile stimuli, the technique can be extended to other response mechanisms using inertial measurement units or pressure sensors to measure joint angle and weight bearing ratios, respectively. Similarly, the application of vibrotactile stimuli can be explored for body segments other than the thigh.

This article describes a technique for applying vibrotactile stimuli to the thigh of a human participant, and measuring the accuracy and reaction time of the participant&#39;s volitional response for various combinations of stimulation location and frequency.

Un metodo per la valutazione tempestività e l&#39;accuratezza delle risposte volitivo motore a vibrotattili stimoli

Artificial sensory feedback (ASF) systems can be used to compensate for lost proprioception in individuals with lower-limb impairments.  Effective design ...

Experimental Methods to Study Human Postural Control

Many components of the nervous and musculoskeletal systems act in concert to achieve the stable, upright human posture. Controlled experiments accompanied by appropriate mathematical methods are needed to understand the role of the different sub-systems involved in human postural control. This article describes a protocol for performing perturbed standing experiments, acquiring experimental data, and carrying out the subsequent mathematical analysis, with the aim of understanding the role of musculoskeletal system and central control in human upright posture. The results generated by these methods are important, because they provide insight into the healthy balance control, form the basis for understanding the etiology of impaired balance in patients and the elderly, and aid in the design of interventions to improve postural control and stability. These methods can be used to study the role of somatosensory system, intrinsic stiffness of ankle joint, and visual system in postural control, and may also be extended to investigate the role of vestibular system. The methods are to be used in the case of an ankle strategy, where the body moves primarily about the ankle joint and is considered a single-link inverted pendulum.

This article presents an experimental/analytic framework to study human postural control. The protocol provides step-by-step procedures for performing standing experiments, measuring body kinematics and kinetics signals, and analyzing the results to provide insight into the mechanisms underlying human postural control.

Metodi sperimentali per studiare il controllo posturale umano

Many components of the nervous and musculoskeletal systems act in concert to achieve the stable, upright human posture. Controlled experiments accompanied ...

WheelCon: A Wheel Control-Based Gaming Platform for Studying Human Sensorimotor Control

Feedback control theory has been extensively implemented to theoretically model human sensorimotor control. However, experimental platforms capable of manipulating important components of multiple feedback loops lack development. This paper describes WheelCon, an open-source platform aimed at resolving such insufficiencies. Using only a computer, a standard display, and inexpensive gaming steering wheel equipped with a force feedback motor, WheelCon safely simulates the canonical sensorimotor task of riding a mountain bike down a steep, twisting, bumpy trail. The platform provides flexibility, as will be demonstrated in the demos provided, so that researchers may manipulate the disturbances, delay, and quantization (data rate) in the layered feedback loops, including a high-level advanced plan layer and a low-level delayed reflex layer. In this paper, we illustrate WheelCon&#39;s graphical user interface (GUI), the input and output of existing demos, and how to design new games. In addition, we present the basic feedback model and the experimental results from the demo games, which align well with the model&#39;s prediction. The WheelCon platform can be downloaded at https://github.com/Doyle-Lab/WheelCon. In short, the platform is featured to be cheap, simple to use, and flexible to program for effective sensorimotor neuroscience research and control engineering education.

WheelCon is a novel, free and open-source platform to design video games that noninvasively simulates mountain biking down a steep, twisting, bumpy trail. It contains components presenting in human sensorimotor control (delay, quantization, noise, disturbance, and multiple feedback loops) and allows researchers to study the layered architecture in sensorimotor control.

WheelCon: una piattaforma di gioco basata sul controllo delle ruote per studiare il controllo del senso umano

Feedback control theory has been extensively implemented to theoretically model human sensorimotor control. However, experimental platforms capable of ...

Neuroscienze

Effects of feedback

Feedback in control systems plays a critical role in shaping various operational parameters, extending beyond simple error reduction to influence stability, bandwidth, gain, impedance, and sensitivity. Understanding these effects requires examining a basic feedback system characterized by defined input, output, error, and feedback signals.
Feedback significantly modifies the gain of a control system. The gain of a system without feedback is altered by a factor of one plus GH, where G represents the open-loop gain and H is the feedback factor. This alteration means feedback can amplify or attenuate the gain depending on the frequency range, thus influencing the overall system performance.
Stability is another crucial aspect affected by feedback. Stability refers to the system&#39;s ability to accurately follow an input command and maintain a controllable output. An unstable system cannot reliably track input commands, resulting in erratic and uncontrollable outputs. Feedback can impact stability in two opposing ways: it can either destabilize an initially stable system or stabilize an unstable one. If the product GH equals negative one, the system becomes unstable, as any finite input results in an infinite output. Conversely, incorporating a negative feedback loop can stabilize an otherwise unstable system by adjusting the feedback gain appropriately.
In addition to gain and stability, feedback also affects a system&#39;s response to extraneous signals and noise. In the presence of disturbances, feedback helps minimize the impact of these unwanted signals. If the factor in the feedback loop&#39;s denominator is greater than unity and the system remains stable, the noise component is effectively reduced. This reduction is crucial in maintaining the integrity of the desired signal and ensuring the system&#39;s robustness against external interferences.
Overall, feedback mechanisms are indispensable in refining the performance of control systems. By carefully designing and implementing feedback loops, engineers can enhance stability, control gain, minimize noise, and improve the system&#39;s responsiveness and accuracy. The strategic use of feedback thus plays a pivotal role in advancing the efficacy and reliability of modern control systems across various applications.

Effetti del feedback

Feedback in control systems extends beyond error reduction, impacting aspects like stability, bandwidth, gain, impedance, and sensitivity.
The significant ...