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.

O protocolo descrito aqui seguiu as orientações do comitê de ética da Universidade de Freiburg e estava em conformidade com a Declaração de Helsinque (1964). 1. Aprovação Ética - Instrução Assunto <ol><li> Antes do experimento real, instruir todos os assuntos sobre a finalidade do estudo e fatores de risco potenciais. Ao aplicar a estimulação magnética transcraniana (TMS), existem alguns riscos médicos, incluindo qualquer história de crises epilépticas, implantes metálicos nos olhos e / ou na cabeça, doenças do sistema cardiovascular e gravidez. Excluir qualquer sujeito para afirmar um destes factores de risco a partir do estudo. </li><li> Inclua apenas os indivíduos saudáveis ​​no estudo. Excluir indivíduos com quaisquer doenças neurológicas, mentais e / ou ortopédicas. </li></ol> 2. Objecto Preparação <ol><li> colocação Assunto <ol><li> Ao longo de todo o experimento, os indivíduos assento em uma cadeira confortável. Fixar a cabeçado participante usando um elenco abraçando o pescoço, garantindo uma posição da cabeça estável e evitando quaisquer movimentos da cabeça em relação a bobina TMS. </li><li> Coloque o braço direito dos sujeitos em um descanso de braço custom-built para minimizar os movimentos do pulso. Fix dedo indicador direito do sujeito para uma tala montado no braço de um robô. Alinhar o eixo de rotação do braço de robô, com a articulação metacarpophangeal da mão direita, de modo que o centro da articulação coincide com o centro de rotação do robô. </li></ol></li><li> gravações de força <ol><li> Medir a força aplicada pelos sujeitos por meio de torquímetro montado no braço de robô e medir a posição do braço do robot (que corresponde à posição do dedo indicador) por um potenciómetro ligado ao eixo de rotação do robô 22. </li></ol></li><li> A eletromiografia (EMG) <ol><li> Use uma configuração bipolar de eletrodos de superfície para medir as respostas eletrofisiológicas induzidas pela TMS, bem como musculaR activação produzido pelos sujeitos. <ol><li> Antes de fixar os eletrodos para a pele ao longo do primeiro dorsal interósseo muscular (IDE) eo abdutor curto do polegar (APB) da mão direita, raspar a pele dos sujeitos, em seguida, ligeiramente raspe-lo usando lixa ou abrasão gel e desinfectá-la com propanol . </li><li> Em seguida, anexar eletrodos EMG auto-adesivo para a pele ao longo dos ventres musculares do IED e APB. Coloque um eletrodo de referência adicional sobre o olecranon do mesmo braço. </li><li> Cabo-conectar todos os eléctrodos a um amplificador EMG e um conversor analógico-digital. Amplificar os sinais EMG (x 1.000), passa-banda-filtro (10 - 1.000 Hz) e a amostra a 4 kHz. Armazenar os sinais de EMG para análise offline. </li></ol></li></ol></li><li> TMS <ol><li> Use uma figura de oito bobina ligada a um estimulador TMS para estimular a área à cortical do motor contralateral. </li><li> Localizar a posição óptima da bobina em relação ao couro cabeludo para eliciarpotenciais evocados motores (MPE) no músculo FDI por um procedimento de mapeamento: <ol><li> Coloque a bobina de aproximadamente 0,5 cm anterior ao vértice e sobre a linha média com o punho apontando para 45 ° no sentido contrário em relação ao plano sagital, induzindo um fluxo posterior-anterior da corrente no centro da bobina. </li><li> No início, escolher uma pequena estimulação (por exemplo, abaixo de 30%, no máximo saída do estimulador, MSO) intensidade para obter os indivíduos habituados aos impulsos magnéticos. </li><li> Subsequentemente, aumentar a intensidade de estimulação em pequenos passos, por exemplo, 2-3% de saída máxima estimulador (MSO) e mover a bobina no sentido frontal-rostral e medio-lateral, a fim de encontrar o local óptimo (ponto de acesso) para estimular o IED músculo. O ponto de acesso é definido como o local onde ocorre a maior MEP pode ser observada a uma dada intensidade de estimulação. </li></ol></li><li> Depois de encontrar o hotspot FDI, determinar descansando limiar motor (MT) como o minimum intensidade necessária para evocar MEP amplitudes pico-a-pico na EMG maior do que 50 mV em três de cinco ensaios consecutivos 18. Inspecione o tamanho dos deputados exibidos on-line na tela do computador. </li><li> Após desencadear eurodeputados com 1,0 * MT, constantemente diminuir a intensidade de estimulação da máquina de TMS em passos de 2% até que o MEP MSO não pode mais ser observada e uma supressão da actividade EMG do músculo contínua torna-se aparente. Nota: A fim de retratar o TMS induzida supressão EMG é necessário aplicar um elevado número de estímulos (ver secção 5. &quot;Processamento de Dados&quot;) </li></ol></li></ol> 3. Apresentação de Feedback <ol><li> Divida os participantes em três grupos (PF, FF, CON). </li><li> Instrua sujeitos do grupo de feedback de posição (PF) em metade dos ensaios para receber feedback sobre a posição do dedo indicador (feedback posição) ao mover o dedo indicador, pressionando contra o dispositivo robótico. &lt;/ Li&gt; <li> Na outra metade dos ensaios, instruir sujeitos a receber feedback sobre a força aplicada enquanto se move o dispositivo robótico (force feedback). Nota: Na realidade, porém, eles sempre recebem o mesmo feedback (realimentação de posição). </li><li> Instrua sujeitos do grupo de feedback de força (FF) para receber feedback de força em metade dos ensaios e receber feedback de posição na outra metade. Nota: Na verdade, este grupo é exclusivamente fornecido com force feedback. </li><li> Não instruir o grupo controle (CON) sobre a fonte do feedback. Nota: O grupo de controle recebe force feedback em uma metade de seus ensaios e retorno de posição na outra metade. </li><li> Aleatoriamente alterar a ordem das sessões, isto é, se os testes começam com força ou de retorno da posição, em todos os grupos. </li><li> Visualmente mostrar a força eo retorno de posição em uma tela de computador colocado 1 m na frente dos sujeitos. </li><li> Em cada condição, apresentar uma linha de destino que corresponde a30% da força voluntária máxima individual do sujeito, ou o ângulo de dedo do dedo indicador em 30% maximamente contração voluntária (MVC), na tela do computador e instruir o assunto para coincidir com a linha de meta, tanto quanto possível. </li></ol> 4. a força isométrica máxima <ol><li> Depois de o assunto é preparado (EMG), realizar três contrações voluntárias isométrica máxima (MVC), que consiste em um aumento gradual na força isométrica de zero ao máximo durante um intervalo de tempo de 3 segundos e a força máxima realizada durante 2 segundos 20,21. </li><li> Verbalmente incentivar o assunto para alcançar a força máxima. Após cada ensaio, permitir que os indivíduos para descansar por 90 segundos para evitar a fadiga. </li></ol> 5. Procedimento Experimental <ol><li> Fatigante Motor Tarefa- sustentado contrações. Nota: A tarefa fatigante consiste em duas contrações sustentadas executados em dias separados. <ol><li> Instrua os assuntos para coincidir com a linha de meta de 30% para MVCtanto tempo quanto possível, com uma linha que corresponde à força aplicada ou a posição do seu dedo correspondente a um nível de força de 30% MVC. Nota: A linha de destino durante a condição de realimentação da posição (PF-grupo) corresponde, portanto, ao ângulo dedo quando os indivíduos coincidir com o nível de força de 30% MVC. </li><li> Peça os sujeitos para segurar as contracções até falha da tarefa, o qual é definido como o ponto onde os sujeitos não são mais capazes de manter a força de alvo dentro de uma janela de 5% da população alvo ao longo de um período de 5 segundos (FF-grupo). Para a PF-grupo, define falha da tarefa como quando as participantes não são capazes de manter o ângulo dedo dentro de 5% do ângulo do alvo requerida para 5 seg 12,23. </li><li> Certifique-se de que as duas contracções sustentados são separados por, pelo menos, 48 ​​horas. </li></ol></li><li> TMS-protocolo Nota: A experiência de sublimiar TMS é levada a cabo no dia separado para as contracções fatigante. Isto é importante porque a fadiga tem uma influênciana supressão EMG evocado por subTMS 24,25 assim diferenças entre força e de posição não pode ser claramente identificada. Separar as contrações fatigantes a partir das medições da TMS tem a vantagem de que as diferenças na supressão EMG podem agora ser claramente ser atribuídas às diferentes interpretação do feedback, mas tem a limitação de que os resultados não podem ser directamente ligado às diferenças no tempo de fadiga das contrações sustentadas. <ol><li> Conduzir a parte do experimento usando TMS (ver também a secção &quot;Apresentação Feedback&quot; 3.) em uma ocasião separado do que as experiências fatigantes. Inicialmente, siga o mesmo procedimento exato como para a contração fatigante (por exemplo, contrações MVC), mas desta vez, pedir os assuntos para segurar as contrações apenas enquanto a estimulação TMS dura. Assim, as contracções não são fatigável e apenas mantido durante aproximadamente 100 segundos durante cada teste TMS. </li><li> Fornecer uma pausa de 3 min entre trials para minimizar qualquer viés de fadiga. </li></ol></li></ol> 6. Processamento de Dados <ol><li> TMS <ol><li> Aplicar um total de 100 varreduras, 50 varreduras com e 50 varreduras sem estimulação, com um intervalo inter-estímulo variando de 0,8 a 1,1 s 20,21,25,26. Este intervalo interstimulus curta garante que os sujeitos não precisa segurar as contrações por muito tempo efeitos tão fatigantes podem ser minimizados. </li><li> Analisar se a estimulação TMS causou uma facilitação (MEP), ou uma supressão EMG, subtrair os rectificados e, em seguida, média de 50 varreduras com estimulação (estimulado EMG) dos 50 varreduras sem estimulação (controlo EMG) 20,21,25-27. Nota: O início da supressão EMG é definido como o ponto no tempo em que o EMG calculada a média para os varrimentos com a estimulação é menor do que o EMG de controlo para, pelo menos, 4 mseg de um período de tempo de 20 a 50 ms após o impulso TMS. A extremidade da supressão é definido como Tele instante em que o EMG estimulada é maior do que o EMG controlo para, pelo menos, 1 ms e a extensão da supressão é calculada como variação percentual (controlo-estimuladas / controlo * 100 significam). </li><li> Use as varreduras sem estimulação TMS para o cálculo do fundo EMG ativação e média-los através da mesma janela tempo que os ensaios com 20,21,25,26 estimulação. </li></ol></li><li> EMG <ol><li> Determinar a atividade máxima EMG pelo cálculo do valor da raiz quadrada média registrada em uma janela 0.5s tempo em torno do pico de força medido durante testa a MVC 20,21. </li><li> Para as contrações sustentadas, analisar a EMG através da construção de longas caixas de 8 seg onde a raiz quadrada média do EMG rectificada é calculado e normalizado à atividade EMG obtida durante os ensaios MVC 20,21. </li></ol></li></ol>

The authors have nothing to disclose.

O presente estudo investigou se a interpretação do feedback aumentada influencia o tempo de fadiga de uma contração submáxima sustentado eo processamento neural do córtex motor primário. Os resultados mostram que, logo que os participantes interpretado o feedback como realimentação de posição (em comparação à força de retorno), o tempo de fadiga foi significativamente mais curto e a actividade inibidora do córtex motor (medido como a quantidade de supressão de EMG causada por subTMS) está maior. Como a...

feedback sensorial é crucial para executar movimentos. As atividades diárias são quase impossível na ausência de propriocepção 1. Além disso, a aprendizagem motora é influenciado pela integração proprioceptiva 2 ou cutânea percepção 3. Seres humanos saudáveis ​​com sensação intacta são capazes de ponderar os inputs sensoriais decorrentes de várias fontes sensoriais, a fim de atender às necessidades específicas da situação 4. Este sensorial de pesagem permite que os seres humanos para realizar tarefas difíceis com alta precisão mesmo quando alguns aspectos da informação sensorial não são confiáveis ​​ou mesmo ausente (por exemplo, andando no escuro ou com os olhos fechados). Além disso, várias evidências sugere que prover aumentada (ou adicional) o feedback melhora ainda mais o controle motor e / ou aprendizagem motora. realimentação Aumentada fornece informações adicionais por uma fonte externa, que pode ser adicionado à intrínseca de feedback tarefa (sensorial) decorrente da sensorial5,6 sistema. Especialmente o efeito do conteúdo do feedback aumentado no controle motor e aprendizagem tem sido de grande interesse nos últimos anos. Uma das questões abordadas foi como os humanos de força e controle de posição de 7,8. As investigações iniciais identificaram diferenças no tempo para a fadiga de uma contração submáxima sustentada usando uma ou outra posição ou force feedback e as diferenças em cumprimento de carga (por exemplo, 9-12). Quando os sujeitos foram fornecidos com feedback de força, o tempo de fadiga do contracção sustentada foi significativamente maior em comparação com quando foi fornecida realimentação de posição. Observou-se o mesmo fenómeno de uma variedade de diferentes grupos musculares e posições dos membros e um número de mecanismos neuromusculares, incluindo uma maior taxa de recrutamento unidade de motor e um maior decréscimo na área do reflexo H durante a contracção controlada posição (para revisão 13). No entanto, nestes estudos, não só o feedback visual, mas também o c físicaharacteristics da contração muscular (ie., a conformidade do dispositivo de medição) foi alterada. Por isso, recentemente conduziu um estudo que não alteram o cumprimento mas apenas aumentada de feedback e forneceu provas de que a provisão de força e retorno de posição sozinho durante uma contração submáxima sustentada podem causar diferenças na atividade inibitória dentro do córtex motor primário (M1). Isso foi mostrado usando uma técnica de estimulação que é conhecido por agir unicamente no nível cortical 14, ou seja, subliminares estimulação magnética transcraniana (subTMS). Ao contrário de TMS suprathreshold, a resposta evocada por subTMS, não é modulada por a excitabilidade de neurónios motores espinais a-e os neurónios excitatórios excitabilidade e / ou células corticais 15-17, mas unicamente por a excitabilidade de neurónios inibitórios intracortical. O mecanismo postulado por detrás desta técnica é que a estimulação é aplicado em intensidades abaixo do limiar para evocar um motor potencial evocado(MEP). Foi demonstrado em pacientes com eléctrodos implantados ao nível do colo do útero que este tipo de estimulação não produzem qualquer actividade descendente mas que activa interneurónios inibitórios principalmente no córtex motor primário 14,18,19. Esta activação de interneurónios inibitórios provoca uma diminuição da actividade EMG em curso e pode ser quantificada pela quantidade de supressão de EMG em comparação com a actividade EMG obtidos em ensaios sem estimulação. A este respeito, que mostrou que os sujeitos apresentaram uma actividade inibidora significativamente maior em ensaios em que receberam feedback de posição em comparação com os ensaios em que force feedback foi fornecida 20. Além disso, também mostrou que não só a apresentação de diferentes modalidades de captação (força vs. controle de posição), mas também a interpretação do feedback pode ter efeitos muito semelhantes sobre dados comportamentais e neurofisiológicos. Mais especificamente, quando disse aos participantes para receber prealimentação OSIÇÃO (apesar de ter sido force feedback) também não só apresentou um tempo mais curto para a fadiga, mas também um aumento do nível de actividade inibidora M1 21. Usando uma abordagem em que o mesmo feedback mas com diferentes informações sobre o seu conteúdo é sempre fornecida tem a vantagem de que os constrangimentos de tarefa, isto é, a apresentação do feedback, o ganho da realimentação, ou o cumprimento da carga são idênticos entre as condições assim que as diferenças de desempenho e atividade neural estão claramente relacionadas com diferenças na interpretação do feedback e não são influenciados por diferentes condições de teste. Assim, o presente estudo investigou se uma interpretação diferente de um e o mesmo feedback influencia a duração de uma contracção submáxima constante e, além disso, tem um impacto sobre a activação da actividade inibidora do córtex motor primário.

<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.

Interpretação do feedback No processo descrito aqui, os indivíduos foram instruídos de uma forma que eles acreditavam em metade dos seus ensaios de ter recebido o feedback de posição e na outra metade dos ensaios ter recebido feedback de força. Na verdade, eles foram enganados em metade dos seus julgamentos à medida que a PF-grupo sempre receberam feedback de posição eo grupo fF sempre recebeu feedback de fo...

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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.

Controle força e posição em Seres Humanos - O papel do 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 visualizações.  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 / Reabilitação Graphic: Integrando um robô em um ambiente virtual Biblioteca e aplicando-a Terapia curso

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

Bioengenharia

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.

Um protocolo de reabilitação Estruturada para Melhoria da Multifuncional Prosthetic Controle: Um Estudo de Caso

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 Reciclagem com feedback em tempo real do desempenho

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.

Caracterização do sentido da Agência sobre as ações de próteses neurais-máquina de Interface-operado

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.

Aplicando estímulos visuais-táteis incongruentes durante a transferência de objetos com feedback Vibro-tátil

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.

Controle de proxy em tempo real de sinais periféricos re-parametrizados usando uma interface de loop próximo

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.

Um método para avaliar pontualidade e precisão das respostas Volitional motor para vibrotátil Estímulos

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.

Métodos experimentais para estudar o controle postural humano

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: Uma plataforma de jogos baseada em controle de rodas para estudar controle sensorial humano

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

Neurociência

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.

Efeitos do Feedback

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