Action observation training for the acquisition of novel complex motor skills : a behavioral and neurophysiological study

Abstract

Grazie al meccanismo specchio, l’osservazione delle azioni degli altri è in grado di evocare nell’osservatore la stessa rappresentazione motoria riguardante la medesima azione, sia in termini di obiettivo dell’azione, che di caratteristiche cinematiche. Alla luce di questa potenzialità, strategie basate sull’alternanza di osservazione dell’azione ed esecuzione motoria (i.e. Action Observation Training – AOT) sono state implementate per potenziare le abilità motorie. L'obiettivo di questo studio è stato quello di indagare la relazione tra l'efficacia dell'AOT e il grado di similarità cinematica tra chi apprende il compito motorio e il modello osservato. A tale scopo, dodici soggetti sono stati reclutati e sottoposti ad un protocollo di AOT. Il training è stato strutturato in sei sessioni consecutive, ognuna delle quali contenente 15 trials di raggiungimento-afferramento-trasporto di biglie, utilizzando delle bacchette come effettori. Come misura di efficacia principale, è stata considerata la velocità di esecuzione del trial. Come misure di efficacia secondaria, sono stati considerati indici di destrezza manuale come il numero di tentativi di afferramento e i trasporti non andati a buon fine. Durante l’intero training, è stata registrata l’attività muscolare dell’arto superiore destro attraverso l’elettromiografia (EMG) di superficie. Successivamente, l’attività EMG è stata confrontata con quella precedentemente registrata dal modello esperto durante l’esecuzione del medesimo compito motorio. Successivamente, è stato calcolato il grado di similarità cinematica fra soggetto e modello. Dopo l'allenamento, i partecipanti hanno mostrato un miglioramento significativo della velocità di esecuzione del trial e della destrezza manuale (misurata in termini di tentativi di afferramento ed errori di trasporto). È emersa inoltre una correlazione fra il miglioramento della velocità di esecuzione del trial e il grado di convergenza della similarità cinematica del muscolo Opponens Pollicis: maggiore era la convergenza della similarità, maggiore era il miglioramento motorio. Questa correlazione, risultata significativa nell’ambito dell’intera prova, si è dimostrata ancora più forte nella specifica fase di raggiungimento, predicendo qui il 70% del miglioramento motorio. In conclusione, questo studio ha mostrato che il miglioramento della performance motoria indotto dall’Action Observation Training è associato, nonché predetto, dalla similarità motoria tra osservatore (beneficiario dell’AOT) e modello osservato. Questo studio potrebbe aprire la strada alla manipolazione dinamica delle caratteristiche cinematiche degli stimoli osservati, con l’obiettivo di massimizzare l'efficacia dell'AOT.

Via mirror mechanism, the observation of other’s action can evoke in the perceiver the same motor representation concerning the same action, in terms of both action goal and kinematic features. Following this principle, the reiterated observation of an action, followed by its executional attempt, (i.e. action observation training - AOT) is widely adopted for the empowerment of motor skills. The objective of this study was to investigate the relationship between the AOT efficacy and the degree of kinematic similarity between the trainee and the observed model. For this purpose, twelve subjects underwent an AOT protocol consisting in six consecutive sessions of a reach to -grasp-and-lift trials, using chopstick as effectors. Trial speed and secondary dexterity measures were collected across the training session. Muscular activity of the right hand was recorded across sessions in each subject by surface EMG, and subsequently compared with that previously recorded from the model performing the same task, computing their reciprocal kinematic similarity. After training, participants showed a significant improvement of trial speed (p=0.007) and hand dexterity, as measured by grasp attempts (p=0.023) and lifting errors (p=0.036). Trial speed improvement was correlated with the convergence in kinematic simila rity of muscle Opponens Pollicis: the greater was the similarity convergence between trainee and model, the greater was the motor improvement. Such a relationship, significant in the full trial (rho=0.594, p=0.046), was even stronger considering the reaching phase (0.867, p<0.001), here predicting the 70% of motor improvement. In conclusion, our study provided the first, preliminary evidence that the outcome of an Action Obs ervation Training (AOT) is associated with (or even predicted by) the motor similarity between trainee and observed model. This finding would open to the introduction of dynamic manipulations of the kinematic features of the observed stimuli to maximize AOT efficacy.