Ulm, Univ. Diss., 2006.

Zeitliche Diskrimination somatosensorischer und kinästhetischer Stimuli wurde als neurophysiologisches Korrelat für propriozeptive Präzision postuliert und bei verschiedenen Bewegungsstörungen als pathologisch beschrieben. Ziel der Untersuchung war es, den Einfluss von Alter und Polyneuropathie auf die kinästhetische (TDMT) und taktile (STDT) zeitliche Wahrnehmungsschwelle sowie die propriozeptive Genauigkeit bei Zeigeversuchen systematisch zu untersuchen. Hierfür wurden 54 gesunde Probanden und 25 Polyneuropathie-Patienten im Alter zwischen 30 und 76 Jahren untersucht. Die STDT-Messung erfolgte mit Oberflächenelektroden, die an der Zeigefingerspitze bzw. am Großzehengrundgelenk angebracht wurden. Die TDMT-Werte wurden mit Hilfe einer sterilen Nadelelektrode erfasst, welche in den Musculus flexor carpi radialis bzw. Musculus tibialis anterior inseriert wurde. Die Daten zur Propriozeption wurden mit Hilfe eines Goniometers erhoben und beinhalteten dabei aktive Zeigeaufgaben (Zeigen auf eine LED, Nachahmung einer Bewegung anhand einer auf einem Computerbildschirm dargebotenen PFEIL-Darstellung unterschiedlicher Länge) und die Einschätzung der Position der jeweiligen Extremität nach passiver Bewegung (PASSIV). Die Messungen erfolgten jeweils ohne visuelle Rückmeldung. Die Zeigefehler (Abweichung von der Zielposition) bzw. Schätzfehler (Abweichung der geschätzten von der tatsächlichen Position nach passiver Auslenkung) wurden als Maß der propriozeptiven Präzision verwendet. Die Ergebnisse der gesunden Probandengruppe zeigten, dass höheres Alter mit höheren STDT- und TDMT-Werten korrelierte. Die Polyneuropathie-Patienten erzielten in allen Bereichen (Diskriminationsschwellen und Propriozeptionsaufgaben) signifikant schlechtere Ergebnisse als die gesunde Kontrollgruppe. Zusätzlich konnte eine statistisch signifikante positive Korrelation zwischen der propriozeptiven Präzision bei den aktiven Zeige-Aufgaben (LED und PFEIL) und den zeitlichen Diskriminationsschwellen (STDT und TDMT) gezeigt werden. In Anbetracht dieser Ergebnisse sollten das Patienten-Alter und mögliche Störungen der peripheren Nervenleitung berücksichtigt werden, wenn STDT-und TDMT-Bestimmungen bei Patienten mit Bewegungsstörungen angewendet werden. Die Korrelation zwischen den Diskriminationsschwellen und der Performance bei aktiven Zeigeversuchen (PFEIL- und LED-Aufgabe) legt nahe, dass STDT und TDMT Indikatoren der propriozeptiven Funktion sein könnten. Es ist weitere Forschungsarbeit notwendig, um diese Beziehung exakt zu beleuchten. Im Falle einer Bestätigung der Befunde auch bei Patienten mit Bewegungsstörungen erscheint denkbar, dass sich STDT und TDMT als vergleichsweise leicht messbare und gut quantifizierbare Parameter der Propriozeption herausstellen mit Potenzial zur differenzialdiagnostischen Anwendung, möglicherweise aber auch als Surrogatparameter einer gezielten rehabilitativen Behandlung. / Objective: To assess the association of somatosensorytemporal discriminationthreshold (STDT) and temporal movement discrimination threshold (TDMT) with age and proprioception. Methods: STDT and TDMT were assessed in 54 healthy subjects aged 30 to 76 yearsand 25 patients with PNP. STDT was tested with surface electrodes placed over the thenar or dorsal foot region. TDMT was probed with needle electrodes in flexor carpiradialis and tibialis anterior muscle. Limb proprioception was assessed by active pointing tasks and by limb position estimation with goniometer-based devices.Pointing (or estimation) error was taken as a measure of proprioceptive performance. Results: Higher age was associated with higher STDT and TDMT, while age did not correlate with proprioceptive performance. In PNP patients,STDT, TDMT and active proprioceptive Peformance were worse at all sites as compared to controls. In Addition,proprioceptive performance in the active pointing task correlated with STDT and TDMT of upper extremities. Conclusions: Temporal discrimination thresholds may prove useful as surrogatemarkers of proprioceptive function. PNP-related impairment of afferent conduction shows high impact on STDT and TDMT. Significance: Comparable modulation of STDT and TDMT by age and peripheral neuropathy may support the notion that their differential changes in movement disorders may result from disease-specific modifications of central networks.

Beim idiopathischen Parkinson Syndrom (IPS) gewinnen nicht-motorische Symptome in Forschung und Klinik zunehmend an Bedeutung. So findet sich in der Literatur vermehrt Evidenz, dass die Propriozeption bei Patienten mit IPS (PmIPS) gestört ist. Verschiedene klinische und neuroanatomische Studien weisen darauf hin, dass es beim IPS zu einer fehlerhaften sensomotorischen Integration von propriozeptiven Informationen in den Basalganglien kommt. Zudem gibt es Hinweise, dass die passiv-sensible Wahrnehmung von Propriozeption pathologisch verändert ist. Außerdem wird vermutet, dass durch propriozeptives Training eine Verbesserung der Parkinsonsymptomatik erreicht werden kann. Ein spezielles Trainingsprogramm, die LSVT-BIG-Therapie, bei der gezielt trainiert wird, Bewegungen mit einer großen Amplitude durchzuführen, konnte motorische Symptome und Mobilität beim IPS effektiv verbessern. In der vorliegenden Arbeit stellten wir folgende Hypothesen auf: Das IPS geht mit einer fehlerhaften sensomotorischen Integration von Propriozeption einher. Die afferente propriozeptive Wahrnehmung ist ebenfalls pathologisch verändert. Eine propriozeptive Rekalibrierung ist mithilfe der LSVT-BIG-Therapie möglich. Für die Überprüfung dieser Hypothesen schlossen wir 30 PmIPS und 15 gesunde Probanden in unsere Fall-Kontroll-Studie ein und führten eine Eingangsuntersuchung durch. 11 PmIPS absolvierten anschließend eine vierwöchige LSVT-BIG-Therapie. Die Folgeuntersuchungen fanden 4 und 8 Wochen nach der Eingangsuntersuchung statt. 78 Diese beinhalteten neuropsychologische Testungen, außerdem die Bestimmung der Lebensqualität, die Erhebung des motorischen Teils der Movement Disorder Society Unified Parkinson´s Disease Rating Scale (MDS-UPDRS III), Untersuchungen zur Feinmotorik, die Durchführung einer diagnostischen Transkraniellen Magnetstimulation (TMS) sowie Testverfahren zur Propriozeption, darunter sowohl Zeigeversuche, als auch die Bestimmung der Position einer Extremität, ohne visuelle Kontrolle. Die Ergebnisse zeigten, dass die IPS-Gruppe gegenüber der gesunden Kontrollgruppe signifikant größere Zeigefehler machte, wohingegen die Bestimmung der Position einer Extremität in beiden Gruppen vergleichbar präzise möglich war. Zusätzlich zeigte eine von sieben Messungen der Feinmotorik einen signifikanten Unterschied zwischen PmIPS und Kontrollen. Die Messungen der TMS erbrachten hingegen keine signifikant messbaren Unterschiede zwischen den Gruppen. In den Folgeuntersuchungen nach therapeutischer Intervention ergaben die Zeigeübungen eine signifikante Verbesserung der BIG-Gruppe im Zeitverlauf. Die Untersuchungen zu Feinmotorik und MDS-UPDRS III ergaben zwar eine tendenzielle Verbesserung durch die LSVT-BIG-Therapie, waren jedoch statistisch nicht signifikant. Die Lebensqualität der PmIPS in der BIG-Gruppe verbesserte sich signifikant nach Intervention. Die Ergebnisse sprechen für die Hypothese der fehlerhaften propriozeptiven Integration beim Morbus Parkinson. Dies zeigte sich für aktive sensomotorische Tasks, nicht hingegen in der passiv-sensiblen propriozeptiven Testung. Auch wenn weitere Studien mit größeren Kohorten benötigt werden, legt unsere Studie nahe, dass die LSVT-BIG-Therapie mit einer propriozeptiven Rekalibrierung einhergeht. Damit erklärt sich möglicherweise der nachhaltige Erfolg der Therapie. / There is growing evidence for proprioceptive dysfunction in patients with Parkinson’s disease (PD). Several clinical and neuranatomical studies conclude, that the sensorimotor integration of proprioception is impaired at the level of the basal ganglia. Moreover, passive perception of propriozeptive information has shown to be altered in PD. The Lee Silvermann Voice Treatment-BIG therapy (LSVT-BIG), a special training program aiming at an increase of movement amplitudes in persons with PD (PwPD), has shown to be effective on motor symptoms. LSVT-BIG is conceptionally based on improving bradykinesia, in particular the decrement of repetitive movements, by proprioceptive recalibration. The aim of our research was to assess proprioceptive impairment in PwPD as compared to matched controls and to probe potential recalibration effects of the LSVT-BIG therapy on proprioception. The following methods were used. Proprioceptive performance, fine motor skills and transcranial magnetic stimulation were assessed in 30 PwPD and 15 matched controls. Measurements with significant impairment in PwPD were chosen as outcome parameters for a standardized 4 weeks amplitude-based training intervention (LSVT-BIG) in 11 PwPD. Proprioceptive performance served as primary outcome measure. Secondary outcome measures included the motor part of the MDS-UPDRS, the nine-hole-peg test, and a questionnaire on quality of life. Post-interventional assessments were conducted at weeks 4 and 8. The results show, that compared to the control group, PwPD produced significantly larger pointing errors. However, PwPD and matched controls did not differ in indicating wrist position. After 4 weeks of LSVT-BIG therapy and even more so after an additional 4 weeks of continued training, proprioceptive performance improved significantly. In addition, quality of life improved as indicated by a questionnaire. Accordingly, we can conlcude that sensorimotor integration of propriozeption is altered but not passsive perception of propriozeptive information. Furthermore, LSVT-BIG training may achieve a recalibration of proprioceptive processing in PwPD. Our data indicates a probable physiological mechanism of a symptom-specific, amplitude-based behavioral intervention in PwPD.

Stuttgart, Univ., Diss., 1999.

Stuttgart, Univ., Diss., 2001.

In der Puppenhandillusion (PHI) wird durch die synchrone Berührung der nicht-sichtbaren Hand des Probanden und einer sichtbaren Puppenhand ein illusio-näres Körperzugehörigkeitsgefühl induziert. Dieses Paradigma erlaubt es zu untersuchen, wie das Gehirn widersprüchliche multisensorische Informationen während einer perzeptiven Inferenz auflöst. Vorausgehende Studien weisen darauf hin, dass der Konflikt zwischen visueller und propriozeptiver Information vor der PHI durch eine Abschwächung des so-matosensiblen Inputs behoben wird. Um herauszufinden, ob eine Exzitabilitäts-Minderung des primären somatosensiblen Kortex die PHI verstärken kann, kam die kathodale transkranielle Gleichstromstimulation (c-tDCS) zum Einsatz. An dreißig gesunden Probanden wurde die PHI ohne (=baseline) und während tDCS untersucht. Jeder Proband erhielt kathodale, anodale und sham-Stimulation an drei unterschiedlichen Tagen im Abstand von je einer Woche. Das PHI-Paradigma wurde in sechs Distanzen (von 17,5 bis 67,5 cm) zwischen der eigenen Hand und der Puppenhand durchgeführt. Das Auftreten der PHI wurde anhand eines Fragebogens (Illusionsscore, IS) und der Abweichung der gefühlten Handposition in Bezug zur realen Position (relativer Drift, RD) evalu-iert. Die kathodale Stimulation war mit einem signifikanten Anstieg des IS im Vergleich zur anodalen Stimulation assoziiert, wohingegen die RD-Werte über alle Stimulationsarten hinweg vergleichbar waren. Die fehlende Signifikanz zwischen Verum und Sham-Stimulation wurde auf die geringe Effektstärke bei vergleichsweise kleinem Probandenkollektiv bezogen. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen jedoch eine verstärkte Wahrnehmung der PHI unabhängig von demographischen Faktoren, wenn kathodale tDCS über dem kontralateralen primären somatosensiblen Kortex appliziert wurde. Dies unterstützt unsere Hypothese, dass eine Abschwächung der somatosensiblen Präzision den Weg für eine erleichterte Integration eines fremden Körperteils in das eigene Körperschema ebnet. / In the rubber hand illusion (RHI), illusory bodily ownership is induced by synchronous touch of a participant's hidden hand and a visible surrogate. This paradigm allows investigating how the brain resolves conflicting multisensory evidence during perceptual inference. Previous studies suggest that the conflict between visual and proprioceptive information preceding the RHI is solved by attenuation of the somatosensory input. To investigate whether excitability-decreasing transcranial direct current stimulation (cathodal tDCS) over the primary somatosensory cortex may enhance the RHI, thirty healthy subjects underwent RHI without (baseline) and during tDCS. Each subject received cathodal, anodal, and sham stimulation at independent sessions on three separate days. The RHI paradigm was applied at six interval distances between the real and artificial hand. Occurrence of the RHI was evaluated by a questionnaire (illusion score) and the perceived hand misplacement (relative drift). Compared to sham, neither cathodal, nor anodal tDCS induced significant changes of the illusion score. However, cathodal tDCS was associated with significantly higher illusion scores compared to anodal stimulation. The relative drift was comparable between stimulation modes. Our findings point to a differential impact of cathodal vs. anodal tDCS over the somatosensory region on RHI perception. This may indicate that an attenuation - in contrast to an enhancement - of somatosensory precision might pave the way for the integration of an artificial limb into one's body schema.

In der vorliegenden Studie untersuchten wir das Körperselbstgefühl von Patienten mit Morbus Parkinson und altersgematchten gesunden Teilnehmern mithilfe der Puppenhandillusion. Bei diesem Paradigma wird dadurch, dass die verdeckte Hand der Testperson zeitgleich mit einer sichtbaren Puppenhand bestrichen wird, das Gefühl hervorgerufen, die Kunsthand sei die eigene (gemessen mittels Fragebogen zur Illusion und propriozeptivem Drift). Eine zeitlich versetzte (asynchrone) Stimulation dient als Kontrollbedingung. Innerhalb der Parkinsonpatienten wurde darüber hinaus eine Untergruppe zusätzlich im medikamentösen OFF-Zustand untersucht. Die Annahme, dass die Parkinsonerkrankung mit einer gestörten Körperselbstwahrnehmung einhergeht, spiegelt sich in den Ergebnissen wider: Bei den Patienten mit Parkinsonerkrankung trat unabhängig vom Stimulationsmodus ein höherer propriozeptiver Drift als bei den Gesunden ein. Wurden die Patienten anschließend nach dem Erleben der Illusion befragt, fielen die Antworten allerdings nur während der asynchronen Durchführung positiver als bei der Kontrollgruppe aus. Die Untersuchungen des Drifts und Fragebogens im ON- gegenüber OFF-Zustand lieferten keinen Unterschied. Die vorliegende Studie liefert Hinweise darauf, dass die gemessenen Unterschiede bei Parkinsonpatienten gegenüber Gesunden auf ein internes Rauschen eingehender sensorischer Signale beim Morbus Parkinson sowie auf die Beteiligung nicht-dopaminerger Systeme zurückzuführen sein könnten. Die zunehmende Aufmerksamkeit gegenüber einer veränderten Körperwahrnehmung bei Parkinsonpatienten und deren Grundlagen im Bereich der multisensorischen Integration könnte künftig neue Möglichkeiten in der ganzheitlichen Therapie liefern mit dem Ziel, die Lebensqualität der Patienten zu steigern. / In this study, we assessed the rubber hand illusion in patients with Parkinson’s disease (PD) and age-matched healthy controls. In this experimental setup, stroking a visible plastic hand simultaneously with the covered real hand elicits the feeling of ownership over the seen hand. Proprioceptive bias and an illusion score were used as measures of the illusion. Asynchronous stroking served as a control condition. A subgroup of patients with PD additionally underwent the experiments “OFF medication”. Compared to controls, patients with PD showed higher proprioceptive bias independent of stroking condition and had higher illusion scores in the asynchronous condition. In patients with PD, there were no significant differences between ON- and OFF-medication state. These findings may indicate an internal “noise” during multisensory integration in patients with PD and the involvement of non-dopaminergic transmitter systems. Increasing attention towards altered body perception and its multisensory underpinning in patients with PD will provide new avenues for an integrated treatment concept and might eventually improve the patients’ quality of life.

Robots that support humans in physically demanding tasks require accurate force sensing capabilities. A common way to achieve this is by monitoring the interaction with the environment directly with dedicated force sensors. Major drawbacks of such special purpose sensors are the increased costs and the reduced payload of the robot platform. Instead, this thesis investigates how the functionality of such sensors can be approximated by utilizing force estimation approaches. Most of today’s robots are equipped with rich proprioceptive sensing capabilities where even a robotic arm, e.g., the UR5, provides access to more than hundred sensor readings. Following this trend, it is getting feasible to utilize a wide variety of sensors for force estimation purposes. Human proprioception allows estimating forces such as the weight of an object by prior experience about sensory-motor patterns. Applying a similar approach to robots enables them to learn from previous demonstrations without the need of dedicated force sensors. This thesis introduces Behavior-Specific Proprioception Models (BSPMs), a novel concept for enhancing robotic behavior with estimates of the expected proprioceptive feedback. A main methodological contribution is the operationalization of the BSPM approach using data-driven machine learning techniques. During a training phase, the behavior is continuously executed while recording proprioceptive sensor readings. The training data acquired from these demonstrations represents ground truth about behavior-specific sensory-motor experiences, i.e., the influence of performed actions and environmental conditions on the proprioceptive feedback. This data acquisition procedure does not require expert knowledge about the particular robot platform, e.g., kinematic chains or mass distribution, which is a major advantage over analytical approaches. The training data is then used to learn BSPMs, e.g. using lazy learning techniques or artificial neural networks. At runtime, the BSPMs provide estimates of the proprioceptive feedback that can be compared to actual sensations. The BSPM approach thus extends classical programming by demonstrations methods where only movement data is learned and enables robots to accurately estimate forces during behavior execution.

Trotz der Entwicklungen der letzten Jahre kommt es in der Robotik immer noch vor, dass mobile Roboter scheinbar sinnlose Handlungen ausführen. Der Grund für dieses Verhalten ist oftmals, dass sich das interne Weltbild des Roboters stark von der tatsächlichen Situation, in der sich der Roboter befindet, unterscheidet. Die darauf basierende Robotersteuerung wählt infolge dieser Diskrepanz scheinbar sinnlose Handlungen aus. Eine wichtige Ursache von Lokalisierungsfehlern stellen Kollisionen des Roboters mit anderen Robotern oder seiner Umwelt dar. Mit Hilfe eines Hindernismodells wird der Roboter in die Lage versetzt, Hindernisse zu erkennen, sich ihre Position zu merken und Kollisionen zu vermeiden. Ferner wird in dieser Arbeit eine Erweiterung der Bewegungsmodellierung beschrieben, die die Bewegung in Mobilitätszustände untergliedert, die jeweils ein eigenes Bewegungsmodell besitzen und die mit Hilfe von Propriozeption unterschieden werden können. Mit Hilfe der Servo-Motoren des Roboters lässt sich eine Art Propriozeption erzielen: der momentan gewünschte, angesteuerte Gelenkwinkel wird mit dem tatsächlich erreichten, im Servo-Motor gemessenen Winkel verglichen. Dieser "Sinn" erlaubt eine bessere Beschreibung der Roboterbewegung. Verbesserung des Sensormodells wird das bisher wenig untersuchte Konzept der Negativinformation, d.h. das Ausbleiben einer erwarteten Messung, genutzt. Bestehende Lokalisierungsansätze nutzen diese Information nicht, da es viele Gründe für ein Ausbleiben einer erwarteten Messung gibt. Eine genaue Modellierung des Sensors ermöglicht es jedoch, Negativinformation nutzbar zu machen. Eine Weltmodellierung, die Negativinformation verarbeiten kann, ermöglicht eine Lokalisierung des Roboters in Situationen, in denen einzig auf Landmarken basierende Ansätze scheitern. / Despite the dramatic advancements in the field of robotics, robots still tend to exhibit erratic behavior when facing unexpected situations, causing them, for example, to run into walls. This is mainly the result of the robot''s internal world model no longer being an accurate description of the environment and the robot''s localization within the environment. The key challenge explored in this dissertation is the creation of an internal world model for mobile robots that is more robust and accurate in situations where existing approaches exhibit a tendency to fail. First, means to avoid a major source of localization error - collisions - are investigated. Efficient collision avoidance is achieved by creating a model of free space in the direct vicinity of the robot. The model is based on camera images and serves as a short term memory, enabling the robot to avoid obstacles that are out of sight. It allows the robot to efficiently circumnavigate obstacles. The motion model of the robot is enhanced by integrating proprioceptive information. Since the robot lacks sensors dedicated to proprioception, information about the current state and configuration of the robot''s body is generated by comparing control commands and actual motion of individual joints. This enables the robot to detect collisions with other robots or obstacles and is used as additional information for modeling locomotion. In the context of sensing, the notion of negative information is introduced. Negative information marks the ascertained absence of an expected observation in feature-based localization. This information is not used in previous work on localization because of the several reasons for a sensor to miss a feature, even if the object lies within its sensing range. This information can, however, be put to good use by carefully modeling the sensor. Integrating negative information allows the robot to localize in situations where it cannot do so based on landmark observation alone.