Einleitung: Tiermodelle spielen für die Aufklärung pathophysiologischer Mechanismen und die Entwicklung erfolgsversprechender Therapieoptionen zentralnervöser Bewegungsstörungen eine unverzichtbare Rolle. Die Identifizierung von Gendefekten für die Parkinson-Krankheit und Dystonien ermöglichte die Generierung von Tiermodellen mit einer hohen „construct validity“. Weibliche transgene Thy1-aSyn Mäuse sowie DYT1 Knock-in (KI) Mäuse zeigen jedoch keine motorischen Störungen. In der vorliegenden Arbeit sollten zur Aufdeckung sensomotorischer Beeinträchtigungen, die bei Parkinson- und Dystoniepatienten beobachtet werden, detaillierte Untersuchungen des Verhaltens an diesen beiden Mausmodellen durchgeführt werden. Zielstellung: Zunächst sollte ein sensitiver Verhaltenstest konstruiert und entwickelt werden, bei dem sich ändernde sensorische Stimuli während der Ausübung der motorischen Aufgabe impliziert werden. Bei der Etablierung dieses sogenannten „adaptiven rotierenden Balkentests“ (ARB-Test) sollte auch der Einfluss des genetischen Hintergrunds bei Wildtyp-Mäusen evaluiert werden. Daraufhin sollte überprüft werden, ob dieser Test den Endophänotyp der weiblichen Thy1-aSyn Mäuse aufdecken kann. In dem DYT1 KI Mausmodell sollte der Frage nachgegangen werden, ob die Tiere Verhaltensdefizite in spezifischen Tests zeigen, die sensomotorische Verschaltungen untersuchen. Material und Methoden: Die mRNA-Expression von α-Synuclein in der Substantia nigra bei männlichen und weiblichen Thy1-aSyn Mäusen wurde mithilfe der quantitativen Echtzeit-PCR (qPCR) ermittelt. Im Anschluss an die Entwicklung des neuen Verhaltensapparates für den ARB-Test wurden Thy1-aSyn Tiere beider Geschlechter in diesem Versuch getestet und ihre Leistung den Ergebnissen auf etablierten motorischen Verhaltenstests („challenging beam test“, „pole test“) gegenübergestellt. Um den Einfluss des Hintergrundstammes auf das Verhalten der Tiere auf dem ARB-Test zu untersuchen, wurden Wildtypen der reinen C57BL/6J-Linie sowie Hybrid-Tiere des Stammes C57Bl/6J × DBA2 (BDF1) allen drei o. g. Versuchen unterzogen. Bei den Mäusen des DYT1 KI Modells wurde der „adhesive removal test“ und der ARB-Test zur Analyse der Sensomotorik durchgeführt. Im Vergleich dazu wurden vielfältige Verhaltensparameter in einer Reihe vorwiegend motorischer (Offenfeld-Test, „challenging beam test“, „pole test“, Zylinder-Test, Block-Test, Nestbau-Test) und kognitiver („y-maze test“) Verhaltenstests ausgewertet. Ergebnisse: Bei den weiblichen Thy1-aSyn Mäusen wurde eine geringere Expression des Transgens im Vergleich zu den männlichen Tieren festgestellt. Der neue ARB-Test wurde erfolgreich etabliert und konnte signifikante Verhaltensdefizite der weiblichen und männlichen Mutanten des Parkinson-Modells im Vergleich zu den Kontrolltieren aufdecken. Der genetische Hintergrund beeinflusste die Leistung der Wildtypen auf diesem Balkentest. Während die DYT1 KI Tiere in den rein motorischen und kognitiven Versuchen keine Beeinträchtigungen des Verhaltens zeigten, konnten der „adhesive removal test“ sowie der neue ARB-Test signifikante sensomotorische Defizite der KI Mäuse im Unterschied zu den Wildtypen zum Vorschein bringen. Schlussfolgerung: Im Thy1-aSyn Mausmodell konnte die Bedeutung der sensomotorischen Integration für die Ausprägung motorischer Defizite sowie für eine mögliche Kompensation solcher motorischen Beeinträchtigungen demonstriert werden. Hierfür hat sich der neu entwickelte, sensitive ARB-Test als geeignet herausgestellt. Die Aufdeckung von Beeinträchtigungen der Sensomotorik spricht auch bei den DYT1 KI Tieren für den Einfluss einer gestörten sensomotorischen Integration bei der Ausprägung der Symptomatik. Damit eignet sich dieses Mausmodell für die Untersuchung weiterer Parameter, die Auswirkungen auf die Aufdeckung des Phänotyps und die Penetranz der Erkrankung haben sowie um die zugrunde liegenden pathophysiologischen Mechanismen zu erforschen.

The human senses constitute a highly complex system based on various sensory organs, afferent pathways, and central processing locations, which allow us to interact with the environment, but also with ourselves. A further domain is important to achieve this interaction: the motor system, which allows linguistic communication and locomotion, for example. It becomes evident that sensory receptors work as a source of information to initiate, optimize, or cease motor activity. One generic term for such sensory sources is the somatosensory system, which is mainly based on receptors located in muscles, tendons, and the skin (cutaneous sensitivity). In this regard, it has been shown that cutaneous sensitivity contributes to human balance regulation. However, there are still debates concerning the exact role of plantar (foot sole) receptor inputs in particular, and how their isolated contribution to, e.g., balance regulation may be assessed accordingly. To investigate the interaction between plantar cutaneous sensitivity and human balance capabilities, several aspects need to be considered which are still controversial and inconclusive in the scientific community. For example, when assessing cutaneous vibration sensitivity, it is well-known that increasing vertical forces of the contactor toward the skin usually result in improved sensitivity. However, it has not been profoundly investigated whether assessing plantar vibratory sensitivity differs when comparing a standing or sitting posture, which obviously involves different contactor forces. In addition, many studies implementing cutaneous sensitivity show certain limitations with respect to adequate data analyses. A similar aspect also applies when assessing balance performance: devices allowing an investigation of dynamic balance performance (induced by unexpected platform perturbations while standing, for example) have only been partially investigated with regard to their biomechanical quality criteria, such as reliability. With these considerations in mind, the present doctoral thesis is based on five published studies. Study 1 investigates if plantar sensitivity is influenced by different body positions when collecting data. Study 2 asks how to appropriatly analze plantar sensitivity data. Study 3 examines the reliability of dynamic balance responses using the so-called Posturomed device, and Study 4 identifies the isolated role of plantar inputs on balance responses, when an acute sensory manipulation is induced that exclusively affects plantar aspects. Ultimately, clinical fields of application (based on the previous four studies) are highlighted in Study 5. The main findings of the first four studies can be summarized as follows. First, higher contact forces when standing compared to sitting did not influence plantar sensitivity. This is an important finding, as plantar sensitivity tests (often performed during sitting) may, hence, be brought into context with balance tests usually performed during standing. Second, plantar sensitivity data are shown to exhibit heteroscedasticity, meaning that the measurement error increases as the values increase. In Study 2, we provided an easy-to-follow example for how to account for heteroscedasticity by logarithmizing the raw data, and how to control whether this approach was successful in eliminating heteroscedasticity. Third, dynamic balance responses assessed via the Posturomed device exhibit an overall good reliability. Occasional significant differences were shown to be clinically non-relevant, identified by root mean square error calculations. Fourth, a permanent plantar sensory manipulation (hypothermia) was successfully achieved and maintained throughout data collection. Study 4 showed that the reduced plantar sensory input due to the hypothermic manipulation was compensated during more unchallenging balance conditions (standing still). There was no full compensation during more challenging balance conditions (unexpected platform perturbations during standing), however, with the body reacting with cautious motor behavior. This became evident by decreased outcome measures following hypothermic plantar sensory manipulation. These four studies shed further light onto investigations combining sensory and motor tests, especially with regard to physiological and methodological aspects that should be considered when analyzing and interpreting associated data. Finally, this doctoral thesis also provides an example of identifying clinical fields of application concerning sensory-focused research. In Study 5, we highlight the role of sensory research in the (early) diagnosis of diseases associated with cognitive decline. For this purpose, various instruments such as sensory tests or coordinative motor tests are implemented. Preliminary results suggest that not only classical cognitive parameters and questionnaires should be used to identify and better understand cognitive decline. / Die menschlichen Sinne stellen ein sehr komplexes System dar, welches auf verschiedenen sensorischen Organen, afferenten Leitungsbahnen und zentralen Verarbeitungsstellen basiert und es uns ermöglicht, mit der Umwelt, aber auch mit uns selbst, zu interagieren. Dahingehend ist eine weitere wichtige Domäne wichtig, um diese Interaktion zu bewerkstelligen: das motorische System, welches etwa eine sprachliche Kommunikation oder auch die Fortbewegung ermöglicht. Es wird somit offensichtlich, dass sensorische Rezeptoren eine Informationsquelle darstellen, um motorische Aktivität zu initiieren, zu optimieren oder zu beenden. Ein grundlegender Terminus für solch sensorische Quellen ist das somatosensorische System, welches überwiegend auf Rezeptoren in Muskulatur, Sehnen und der Haut (kutane Sensibilität) beruht. Diesbezüglich wurde bereits aufgezeigt, dass die kutane Sensibilität einen Beitrag bei der menschlichen Gleichgewichtsregulation leistet. Allerdings existieren dabei nachwievor Diskussionen in Bezug auf die genaue Bedeutung plantarer (die Fußsohle betreffend) Rezeptor-Inputs und inwieweit deren isolierte Bedeutung bei der Gleichgewichtsregulation entsprechend ermittelt werden kann. Um die Interaktion zwischen der kutanen Sensorik der Fußsohle und der menschlichen Gleichgewichtsfähigkeit zu erforschen, sollten verschiedene Aspekte berücksichtigt werden, welche nachwievor kontrovers und nicht eindeutig in der Wissenschaft diskutiert werden. Bei Erhebungen der kutanen Vibrationssensibilität, als Beispiel, ist bereits bekannt, dass erhöhte Vertikalkräfte, mit denen der Vibrationsstößel gegen die Haut appliziert ist, generell zu einer verbesserten Sensibilität/Sensorik führen. Allerdings wurde noch nicht klar erforscht, ob sich die plantare Vibrationssensibilität zwischen einer stehenden und sitzenden Haltung der Probanden/innen unterscheidet, wobei hier natürlich unterschiedliche Vertikalkräfte der Stößel wahrscheinlich sind. Darüber hinaus zeigen viele Studien, welche die Hautsensibilität untersuchen, gewisse Limitierungen in Bezug auf eine adäquate Datenanalyse. Ein sehr ähnlicher Aspekt trifft auch auf die Evaluierung der Gleichgewichtsfähigkeit zu: Messgeräte, welche dabei eine Erfassung der dynamischen Gleichgewichtsfähigkeit zulassen (z.B. eingeleitet durch unerwartete Plattform-Perturbationen während des Stehens), wurden bisher nur teilweise auf die biomechanischen Gütekriterien hin untersucht, wie etwa die Reliabilität. Aufgrund dieser Überlegungen basiert die vorliegende Dissertation auf fünf publizierten Studien, welche folgende Aspekte untersuchten: Wird die plantare Sensibilität durch verschiedene Körperpositionen während der Datenaufnahme beeinflusst (Studie 1)? Wie können plantare Sensibilitätsdaten angemessen analysiert werden (Studie 2)? Darüber hinaus wurde ebenso untersucht, inwiefern das sogenannte 'Posturomed'-Messgerät bei der Beurteilung dynamischer Gleichgewichtsantworten reliable Messwerte liefert (Studie 3). Ferner wurde in Studie 4 untersucht, inwiefern isoliert plantare Inputsignale bei Gleichgewichtsantworten relevant sind (anhand einer akuten sensorischen Manipulation, welche ausschließlich die Fußsohle betrifft). In Studie 5 werden konkrete klinische Anwendungsbeispiele aufgrund der vier hier vorgestellten Studien aufgezeigt. Die Hauptergebnisse der ersten vier Studien können wie folgt zusammengefasst werden: Erstens, höhere vertikale Kontaktkräfte während des Stehens verglichen mit sitzenden Positionen führten zu keinen Unterschieden bzgl. der plantaren Sensibilität. Dies ist eine wichtige Erkenntnis, da plantare Sensorikmessungen (oft während des Sitzens durchgeführt) dadurch in Kontext mit Gleichgewichtstests gebracht werden können, welche normalerweise im Stehen erfolgen. Zweitens, Daten der plantaren Sensorik zeigten Heteroskedastizität, was bedeutet, dass sich der Messfehler mit Größenzunahme der Messwerte ebenso erhöht. Wir konnten in Studie 2 ein leicht zu erschließendes Beispiel aufzeigen, wie das Problem der Heteroskedastizität durch eine Logarithmierung der Rohdaten behandelt werden konnte und wie kontrolliert werden konnte, ob diese Behandlung erfolgreich war. Drittens, die dynamischen Gleichgewichtsantworten, welche mittels des 'Posturomed' ermittelt wurden, zeigen insgesamt eine gute Reliabilität. Gelegentlich auftretende signifikante Unterschiede wurden anhand von Berechnungen der Wurzel der mittleren Fehlerquadratsumme (root mean square error, RMSE) als klinisch nicht relevant eingestuft. Viertens, eine anhaltende plantar-sensorische Manipulation (Hypothermie) wurde erfolgreich eingeleitet und während der Datenerhebung aufrecht erhalten. Studie 4 zeigte ferner, dass die hypothermisch eingeleiteten reduzierten plantaren Sensorik-Inputs während der eher nicht herausfordernden quasi-statischen Gleichgewichtsbedingungen (einfaches aufrechtes Stehen) kompensiert werden konnten. Während der herausfordernden Gleichgewichtskonditionen (unerwartete Perturbationen der Plattform während des Stehens) hingegen wurde keine vollständige Kompensation erreicht. Allerdings reagierten die Probanden mit einem vorsichtigen motorischen Verhalten. Dies wurde durch die reduzierten Ergebnisparameter infolge der plantaren hypothermischen Manipulation ersichtlich. Die vier hier genannten Studien zeigen weitere Erkenntnisse in Bezug auf Forschungsaktivitäten, welche sensorische und motorische Tests vereinen. Dies trifft speziell in Hinblick auf physiologische und methodologische Aspekte zu, welche bei der Analyse und Interpretation derartiger Daten in Betracht gezogen werden sollten. Zuletzt bietet diese Arbeit auch ein Beispiel dafür, welche klinischen Anwendungsfelder im Bereich der sensorisch-fokussierten Forschung identifiziert werden können. In Studie 5 wird dafür die Bedeutung sensorischer Forschung bei der (Früh-) Diagnose von Erkrankungen aufgezeigt, welche mit kognitiven Einschränkungen in Verbindung gebracht werden. Für diesen Zweck werden verschiedene Instrumente eingebracht, wie etwa sensorische oder koordinativ-motorische Tests. Vorläufige Ergebnisse deuten dabei bereits an, dass nicht nur die klassischen kognitiven Parameter und Fragebögen bei der Identifizierung oder zum Zwecke des besseren Verstehens kognitiven Verfalls einbezogen werden sollten.

Im Fokus der vorliegenden kumulativ angefertigten Arbeit stehen vier wissenschaftliche Untersuchungen, deren Thematik die Vibrationssensorik des Menschen darstellt. Die aus Vibrationen gewonnenen Informationen führen zu wichtigen Regulationsmechanismen zum Beispiel zur Aufrechterhaltung des Gleichgewichtes und des Ganges. Die Ermittlung von sogenannten Vibrationswahrnehmungsschwellen stellt eine Möglichkeit zur Quantifizierung des Funktionszustandes des somatosensorischen Systems dar. In diesem Zusammenhang ist die Kontrolle und Standardisierung einflussnehmender Messbedingungen auf die Bewertung der Vibrationssensorik wichtig. Im ersten Beitrag der vorliegenden Arbeit rückt die Rolle der Auflagekraft, mit welcher der Stößel der Messgeräte die zu untersuchende Hautpartie belastet, in den Fokus (Studie I). In den sich anschließenden Beiträgen werden die Wirkmechanismen der mechanischen Hauteigenschaften auf die Wahrnehmung von Vibrationen aus evolutionsbiologischer (Studie II) und pathologischer (Studie III) Sichtweise betrachtet. Im letzten Beitrag wird die potentielle Wirkung von unterschwelligen Rauschstimulationen als mögliche bewegungstherapeutische Maßnahme zur Verbesserung der sensorischen Leistungsfähigkeit untersucht (Studie IV). Am Ende der Arbeit erfolgt die übergreifende Diskussion der einzelnen Beiträge. Mit Hilfe der gewonnen Erkenntnisse werden Handlungsempfehlungen zur Verbesserung der Quantifizierung der Vibrationssensorik in klinischen und wissenschaftlichen Bereichen abgeleitet. Das erweiterte Verständnis über die Wirkmechanismen verschiedener Einflussgrößen auf die Vibrationssensorik unterstützt die gezielte Erforschung von bewegungstherapeutischen Maßnahmen zur Steigerung der sensorischen Leistungsfähigkeit des Menschen. / The focus of the present cumulative dissertation is on four scientific investigations that deal with the human vibration sensory system. The information obtained from vibrations leads to important regulatory mechanisms, for example to maintain balance and gait. Determining so-called vibration perception thresholds represents a possibility to quantify the functional condition of the somatosensory system. In this context, it is important to control and standardize the measurement conditions that influence the evaluation of the vibration sensory system. The first article of the present dissertation focuses on the role of the contact force with which the probe of a measuring device loads the skin area to be examined (Study I). In the subsequent contributions, the action mechanisms of mechanical skin properties regarding vibration perception are considered from an evolutionary (Study II) and pathological (Study III) point of view. In the last paper, the potential effect of subliminal noise stimulation is examined as a possible exercise therapy intervention to improve sensory performance (Study IV). A comprehensive discussion of the individual contributions is included at the end of the present dissertation. Using the gained knowledge, recommendations are derived to improve the quantification of vibration sensation in clinical and scientific areas. The broadened understanding of the mechanisms of action of different influencing variables regarding vibration sensation supports the targeted research of exercise therapy interventions to increase sensory performance in humans.

Die motorischen Fähigkeiten humanoider Roboter werden häufig von antriebsbedingten Nichtlinearitäten und Reibungseffekten negativ beeinflusst. Zur deren Kompensation werden üblicherweise modellbasierte Regelkreise genutzt, die i.d.R. von einer hochfrequenten Signalverarbeitung und mehreren Sensorqualitäten abhängen. Entgegen solch modellbasierten Techniken werden in der vorliegenden Arbeit modellfreie Steuerungsmethoden auf Basis parallel gekoppelter Antriebe entwickelt. Zur Entwicklung und Untersuchung dieser Steuerungsmethoden wird nach der von Pfeifer in seinem Werk “How the body shapes the way we think” beschriebenen synthetischen Methodik vorgegangen. Entgegen modellbasierten Untersuchungen auf Basis von Simulationen stehen bei der synthetischen Methodik empirische Untersuchungen am realen System im Vordergrund. Als Ausgangspunkt dienen konventionelle elektromechanische Antriebe mit deren bekannten leistungseinschränkenden Nichtlinearitäten und Reibungseffekten. Durch die parallele Kopplung mehrerer Antriebe an einem einzelnen Gelenk wird das Spektrum der Steuerungsmöglichkeiten deutlich erweitert. Es zeigt sich, dass (1) durch eine konstante antagonistische Vorspannung das Arbeitsverhalten von konventionellen Proportionalreglern optimiert werden kann, (2) durch dynamische asymmetrische Änderung der Vorspannung Nichtlinearitäten bei niedrigen Geschwindigkeiten ausgeglichen werden können und (3) getriebebedingte Reibungseffekte mit einer phasenverschobenen Pulsmodulation der Steuersignale kompensiert werden können. Weiterhin wird gezeigt, wie die erarbeiteten Steuerungsmethoden auf beliebig viele parallel gekoppelte Antriebe übertragen werden können. Für den praktischen Einsatz der Steuerungsmethoden werden diese in einer hybriden Steuerung zusammengeführt. Diese wird durch eine weitere Funktion, den Energiesparmodus beim Halten statischer Positionen, ergänzt und am humanoiden Roboter Myon implementiert und experimentell evaluiert. / Motor functions of humanoid robots are often negatively influenced by nonlinearities and friction effects of the actuators. The popular means of compensation are control circuits based on modelling, which rely on powerful HF Signal processing and various sensor qualities. In contrast, this thesis develops non-modelling control methods based on parallel coupled actuators. Development and exploration of these control methods follow Pfeifer’s synthetic methodology as described in his work “How the body shapes the way we think”. In contrast to the analysis based on emulation as used in modelling, the synthetic methodology focuses rather on empirical tests within the real system. The present work explores control methods for parallel coupled actuators for use in robot points. It starts from conventional electromechanical actuators with their known power limiting nonlinearities and frictional effects. Linking several parallel coupled actuators to a single joint significantly expands the spectrum of control capabilities. Using two parallel coupled actuators as an example, it is examined to which extent undesirable properties of single actuators can be compensated. The results show that (1) the Performance of conventional proportional controllers can be optimized by a constant antagonistic bias voltage, (2) nonlinearities at low velocities can be balanced out by a dynamic asymmetrical adjustment of the bias, and that (3) gear related frictional effects can be compensated by a phase shifted pulse modulation of the control signals. In addition, it is shown how the developed control methods can be applied to a random number of parallel coupled actuators. For practical use, the various control methods are combined in a hybrid control, which is supplemented by an energy saving mode when maintaining static positions. The hybrid control is being implemented into the humanoid robot Myon and evaluated by experiment.