Sviluppo e validazione di una libreria di perturbazioni del feedback visivo dell’arto superiore in compiti di reaching

The present thesis work focuses on motor adaptation under conditions of visual hand feedback distortion during the execution of reaching movements in the plane using the upper limb. After investigating the main methods used by the scientific community to induce motor adaptation and the neural mechanisms hypothesized to be involved in this phenomenon, a visual hand feedback perturbation library has been developed and partially validated. The library has been implemented using the C# programming language in the Unity 3D development environment, and offers a series of visual perturbations of different types. Some perturbations, such as the sine function or various forms of error augmentation, are called artificial because they affect movements through stereotypical distortions, without reproducing any physical phenomena; other perturbations, such as the one that emulates the spring-damper system, are called ecological because they simulate more realistically observable phenomena. The perturbations are also distinguished by the number and type of parameters that characterize them, which can be time and/or space-dependent; this kind of design offers a wide range of choices for setting the type of visual feedback distortion, which can then be customized by the operator in a simple and intuitive way according to the specific need. Two library perturbations have been tested in a motor adaptation protocol in which hand motion tracking is entrusted to a CalComp digitizing tablet, which records trajectories in real time and with very high accuracy. The aim of this study is to evaluate the ability of subjects to adapt to visual perturbations during the repetition of simple arm movements in the plane, aimed at reaching a virtual target. To this end, the experimental protocol has been given to healthy subjects by tests conducted in the laboratory, and the performance data collected have been then analyzed to quantify motor adaptation to perturbations. The library of advanced perturbations developed, and partially validated, in this thesis work is proposed to open new perspectives for understanding the mechanisms underlying the adaptive capacity of individuals. The study addressed in this thesis is partly the subject of a national patent application.

Il presente lavoro di tesi si focalizza sull’adattamento motorio in condizioni di distorsione del feedback visivo della mano durante l’esecuzione di movimenti di reaching sul piano mediante l’arto superiore. Dopo aver esaminato i principali metodi adoperati dalla comunità scientifica per indurre l’adattamento motorio e i meccanismi neurali che si ipotizza siano coinvolti in tale fenomeno, è stata sviluppata e parzialmente validata una libreria di perturbazioni del feedback visivo della mano. La libreria è stata implementata mediante il linguaggio di programmazione C# nell’ambiente di sviluppo Unity 3D, e offre una serie di perturbazioni di tipo visivo, di diversa natura. Alcune perturbazioni, come la funzione sinusoidale o varie forme di error augmentation, sono qui definite artificiali perché influenzano i movimenti attraverso distorsioni stereotipate, senza riprodurre alcun fenomeno fisico; altre perturbazioni, come ad esempio quella che emula il sistema molla-smorzatore, sono qui definite ecologiche perché simulano dei fenomeni più realisticamente osservabili. Le perturbazioni si distinguono anche per il numero e la tipologia di parametri che le caratterizzano, che possono dipendere dal tempo e/o dallo spazio; questo tipo di progettazione offre una vasta gamma di scelte per l’impostazione della tipologia di distorsione del feedback visivo, che può essere così customizzata dall’operatore in modo semplice e intuitivo a seconda dell’esigenza specifica. Due perturbazioni della libreria sono state testate in un protocollo di adattamento motorio in cui il tracking del movimento della mano è affidato ad una tavoletta digitalizzatrice CalComp, che registra le traiettorie in tempo reale e con altissima precisione. L’obiettivo dello studio è quello di valutare la capacità degli individui di adattarsi a perturbazioni visive durante la ripetizione di semplici movimenti del braccio sul piano, finalizzati al raggiungimento di un bersaglio virtuale. A tal fine, il protocollo sperimentale è stato somministrato a soggetti sani mediante test condotti in laboratorio e i dati di performance raccolti sono stati successivamente analizzati per quantificare l’adattamento motorio alle perturbazioni. La libreria di perturbazioni avanzate sviluppata, e in parte validata, in questo lavoro di tesi si propone di aprire nuove prospettive per la comprensione dei meccanismi sottostanti la capacità di adattamento degli individui. Lo studio oggetto della presente tesi è in parte oggetto di deposito di domanda di brevetto nazionale.