Effects of surrogate feedback on the temporal coordination of sequential movements
Creators: name: Bremer, Andreas
Publisher: name: Technische Universität Dortmund
Year: 2016
Subjects: subject: Tapping
subject: Feedback
subject: Wing-Kristoffersen
subject: Zwei-Ebenen-Modell
subject: Taktil
subject: 150
subject: Motorik
subject: Körperbewegung
subject: Tastwahrnehmung

description: Bei der Steuerung von Bewegungen verwendet das motorische System verschiedene Arten von Rückmeldungen, um die Präzision zu erhöhen. Dies lässt sich z.B. bei Greif- und Hebe-Bewegungen beobachten, bei denen die taktile Rückmeldung von den Fingerspitzen dazu genutzt wird, die Griffkraft zu regulieren. Dies ist nicht auf gleiche Modalitäten beschränkt -- so können z.B. auditive Rückmeldungen dazu genutzt werden, die Variabilität bei einer Tapping-Aufgabe zu senken. Eine zentrale Fragestellung im Kontext von Assistenzsystemen für Nutzer mit sensomotorischen Defiziten ist, ob künstlich erzeugte sensorische Rückmeldungen ebenfalls dazu genutzt werden können, die Präzision von Bewegungen zu verbessern. In dieser Arbeit wurden verschiedene Aspekte dieser Fragestellung anhand einer Tapping-Aufgabe untersucht. Hierzu wurden mehrere abhängige Variablen genutzt, z.B. globale Maße wie konstanter und variabler Fehler, aber auch Messungen der aufgewandten Kraft bei den Tapping-Bewegungen. Desweiteren wurde ein bekanntes Modell aus der psychologischen Grundlagenforschung eingesetzt: Das Zwei-Ebenen-Modell (WKM) von Wing und Kristofferson (1973b). Das WKM teilt die bei rhytmischen Bewegungen gemessene Variabilität in zwei Komponenten auf: Eine zentralnervöse Zeitgeber-Struktur und die motorischen Umsetzung. Neuere Studien zeigen, dass der zentrale Zeitgeber sensorisches Feedback integriert -- im Gegensatz zu der ursprünglichen Annahme von Wing und Kristofferson, die den Zeitgeber als offenen Regelkreis annahmen. Daher wurde in dieser Arbeit überprüft, ob sich das WKM eignet, um den Einfluss von künstlichen sensorischen Rückmeldungen auf die Variabilität zu modellieren. Experiment 1 zeigte, dass künstliche taktile Rückmeldungen sowohl am Zeigefinger als auch am großen Zeh integriert werden können, mit lediglich geringen Unterschieden. Experiment 2 erweiterte die Befunde, indem gezeigt wurde, dass taktile Rückmeldungen auch bis zu einem gewissen Grad die endogenen taktilen Rückmelddungen kompensieren können, wenn diese reduziert werden. Jedoch gab es in beiden Experimenten unerwartetes Verhalten der Schätzwerte für zentrale und periphere Varianz. In Experiment 2 wurde bestätigt, dass ca. ein Drittel aller Trials nicht die Modellannahmen erfüllten, was der Grund für das unerwartete Verhalten sein könnte. Um Vergleiche mit anderen Studien zu ermöglichen, wurde das Modell dennoch in den verbleibenden Experimenten angewandt. Die verbleibenden drei Experimente befassten sich mit Fragestellungen, die während Experiment 1 und 2 auftauchten. In Experiment 3 wurde untersucht, ob sich die Vertrautheit mit den künstlichen taktilen Rückmeldungen steigern lässt, wenn die Vorgabe der Tapping-Geschwindigkeit nicht durch Töne erfolgt, sondern ebenfalls durch taktile Pulse. Dies war nicht der Fall. Experiment 4 führte eine künstliche, systematisch variierte Verzögerung der künstlichen Rückmeldungen ein. Die Verzögerung war dazu gedacht, die Verlässlichkeit der künstlichen Rückmeldungen zu manipulieren. In den Maßen für zeitliche Präzision hatte dies bereits einen Effekt ab der niedrigsten Verzögerungsstufe. Bei den Kraftmaßen war der Effekt am ausgeprägtesten für mittlere Verzögerungsstufen. Die Verzögerung wurde bei Experiment 5 beibehalten, aber zusätzlich wurde neben den künstlichen taktilen Rückmeldungen auch auditive Rückmeldungen verwendet. Dies führte zu deutlich ausgeprägteren Effekten in sowohl den Zeit- als auch den Kraftmaßen. Außerdem wurden zwei Altersgruppen miteinander verglichen. Ältere Probanden zeigten im Ganzen eine mit den jüngeren Probanden vergleichbare Leistung bei den Maßen für zeitliche Präzision. Bei den Kraftmaßen zeigten sich hingegen klare Unterschiede zwischen beiden Altersgruppen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Befunde der Experimente in dieser Arbeit zur Literatur passen. Jedoch sprechen die häufigen Verletzungen der Modellannahmen sowie das unverwartete Verhalten der Schätzwerte für zentrale und periphere Varianz gegen die Anwendung des WKM um den Einfluß von künstlichem Feedback zu modellieren. Hierzu erwiesen sich die globalen Maße als geeigneter. Die Kraftmaße erschienen ebenfalls vielversprechend, bedürfen allerdings noch weiterer Erforschung vor einer eventuellen praktischen Anwendung.
description: The human motor system integrates various sources of feedback to increase movement precision. This can be observed, for instance, when lifting an object with the thumb and index finger, where the tactile sensory feedback of the fingertips is being used to control the amount of grip force applied. Other modalities can be used as well (e.g., auditory feedback helps to produce more regular intervals in a tapping task). In the context of an assistance system for users with sensorimotor deficits, a general question is whether artificially generated sensory feedback can be used as surrogate sensory feedback to enhance movement precision. This thesis examined several aspects of this question by means of a tapping task. Several methods were chosen to evaluate whether the feedback was integrated. Global measures of timing precision (viz., constant and variable error), as well as measurement of the applied force at the tapping movements during the continuation phase were employed. Furthermore, a well-known model from basic psychological research, the two-level timing model for interresponse intervals by Wing and Kristofferson (1973b), was applied. The two-level timing model distinguishes a central timing structure and the motor implementation processes by partitioning the observed global interresponse interval variance into a central and a peripheral variance component. Recent studies showed that the central timing structure seems to integrate sensory feedback—despite that it was originally assumed as an open loop process. Therefore, it was assessed whether the two-level timing model is also suited to model the influence of surrogate sensory feedback on the timing of movements, and how the variance components are influenced under such circumstances. Experiment 1 showed that surrogate tactile feedback could be integrated when applied on both the finger and the hallux (big toe) with little differences. Experiment 2 extended the findings, showing that the surrogate tactile feedback could compensate for missing sensory reafferences to some extent. However, in both experiments, the estimators of the two-level timing model also showed unexpected behavior, such as an increase of the peripheral variance with target interval. In Experiment 2, it was confirmed that about a third of all trials did not met the model assumptions, which may be the cause for the unexpected behavior. To maintain comparability with a number of studies, the remaining experiments continued to apply the variance decomposition, despite the unmet assumptions. The remaining three experiments addressed questions which arose during Experiments 1 and 2. Experiment 3 investigated whether the pacing modality could increase the familiarity with the surrogate tactile feedback, if the tapping speed was also given using tactile pacing stimuli instead of audio stimuli. This was not the case. Experiment 4 introduced a systematically varied delay of the surrogate feedback signal in order to manipulate the perceived reliability. The delay manifested in the temporal measures already at the lowest level of delay. Furthermore, the force measures (e.g., amplitudes) indicated that the force regulation was most economic for mid-range values of the delay. Experiment 5 compared the influence of two different modalities (tactile vs. audio) across systematically varied delays. The effects of audio feedback were much more pronounced, on both the temporal and force measures. Furthermore, two different age groups were compared. The older adults generally performed comparable to the younger adults at the temporal measures. The force measures instead showed clear differences between both age groups in general but also regarding the integration of surrogate feedback in particular. To conclude, the effects found were generally in line with the literature. However, the problematic behavior of the estimators as well as the frequently unmet model assumptions oppose the application of the two-level timing model in this context. For evaluating the effect of surrogate sensory feedback, the global measures of timing precision performed better. Force measures also seemed promising, but require further research to increase understanding prior to application in a practical context.