Summary

Новые целевые парадигмы, чтобы вызвать быстрые visuomotor ответы на человека верхней конечности мышц

Published: August 25, 2020
doi:

Summary

Представлено здесь поведенческая парадигма, которая вызывает надежные быстрые visuomotor ответы на мышцы верхней конечности человека во время визуально управляемых достигает.

Abstract

Чтобы добраться до увиденного объекта, визуальная информация должна быть преобразована в моторные команды. Визуальная информация, такая как цвет, форма и размер объекта, обрабатывается и интегрируется в многочисленные области мозга, а затем в конечном итоге передается на периферию двигателя. В некоторых случаях реакция необходима как можно быстрее. Эти быстрые висумоторные преобразования и лежащие в их основе неврологические субстраты плохо понимаются в организме человека, поскольку им не хватает надежного биомаркера. Стимул-заблокированные ответы (SLRs) являются короткой задержкой (Lt;100 ms) всплески электромиографической (EMG) деятельности, представляющие первую волну мышечного набора под влиянием визуального стимулирования презентации. СЛР обеспечивают поддающийся количественной оценке результат быстрых висумоторных преобразований, однако в прошлых исследованиях СЛР не наблюдались последовательно во всех предметах. Здесь мы описываем новую, поведенческую парадигму, отличающуюся внезапным появлением движущийся цели ниже препятствия, которое постоянно вызывает надежные SLRs. Человеческие участники, генерируемые визуально управляемыми достигает или от формирующейся цели с помощью роботизированного манипуланда, в то время как поверхностные электроды зафиксировали активность ЭМГ от основной мышцы пекторалиса. По сравнению с предыдущими исследованиями, которые исследовали СЛР с использованием статических стимулов, СЛР, вызванные этой формирующейся целевой парадигмой, были больше, развивались раньше и присутствовали у всех участников. Время реакции (RTs) также было ускорено в формирующейся целевой парадигме. Эта парадигма предоставляет многочисленные возможности для модификации, которые могли бы позволить систематическое изучение влияния различных сенсорных, когнитивных и двигательных манипуляций на быстрые висумоторные реакции. В целом, наши результаты показывают, что формирующаяся целевая парадигма способна последовательно и надежно вызывать активность в быстрой висумоторной системе.

Introduction

Когда мы замечаем сообщение на нашем мобильном телефоне, нам предложено выполнить визуально управляемый охват, чтобы забрать наш телефон и прочитать сообщение. Визуальные функции, такие как форма и размер телефона преобразуются в моторные команды, позволяющие нам успешно достичь цели. Такие висумоторные преобразования могут быть изучены в лабораторных условиях, которые позволяют высокую степень контроля. Тем не менее, есть сценарии, когда время отклика важно, например, ловить телефон, если он должен был упасть. Лабораторные исследования быстрого висуомоторного поведения часто опираются на смещенные целевые парадигмы, в которых движения в полете модифицируются в середине полета после некоторого изменения целевого положения (например, см.справку 1,2). В то время как такие онлайн-коррекции могут произойти в Lt;150 мс3, трудно установить точные сроки быстрого вывода visuomotor с использованием кинематики только из-за низкой проходимой фильтрации характеристик руки, и потому, что быстрый выход visuomotor завершает движение уже в середине полета. Такие осложнения приводят к неопределенности в отношении субстратов, лежащих в основе быстрых висумоторных ответов (см.справку 4 для обзора). Некоторые исследования показывают, что подкоркальные структуры, такие как превосходный колликул, а не фронто-париетальных корковых областях, может инициировать онлайнкоррекции 5.

Эта неопределенность в отношении основных нейронных субстратов может быть обусловлена, по крайней мере частично, отсутствием надежного биомаркера для вывода быстрой висумоторной системы. Недавно мы описали меру быстрых висумоторных реакций, которые могут быть получены из статических поз и записаны с помощью электромиографии (ЭМГ). Стимул-заблокированные ответы (SLRs) время заблокированных очередей активностиЭМГ,которыепредшествуют добровольному движению 6,7, развивается последовательно 100 мс после начала стимула. Как следует из названия, SLRs вызваны стимулом начала, сохраняясь, даже если в конечном итоге движениеудерживается 8 или движется в противоположном направлении9. Кроме того, СЛР, вызванные целевым перемещением в динамической парадигме, связаны с более короткой задержкой онлайн-коррекции10. Таким образом, СЛР обеспечивают объективную меру для систематического изучения вывода быстрой висумоторной системы, участвуют в короткой задержке RTs, так как они могут быть получены из статической осанки и разобран из других сигналов ЭМГ, не связанных с начальной фазой быстрого висумоторного ответа.

Цель нынешнего исследования состоит в том, чтобы представить визуально управляемую парадигму достижения, которая надежно вызывает SLRs. Предыдущие исследования, исследуя SLR сообщили менее 100% обнаружения ставок среди участников, даже при использовании болееинвазивных внутримышечных записей 6,8,9. Низкие показатели обнаружения и зависимость от инвазивных записей ограничивают полезность зеркальных мер в будущих исследованиях быстрой висумоторной системы при заболеваниях или на протяжении всей жизни. Хотя некоторые предметы могут просто не выражать SLRs, стимулы и поведенческие парадигмы, используемые ранее, возможно, не были идеальными, чтобы вызвать SLR. Прошлые отчеты о СЛР, как правило, использовали парадигмы, в которых участники генерируют визуально управляемые достигает статических, внезапно появляющихсяцелей 6,9. Тем не менее, быстрая система visuomotor является наиболее вероятным необходимым в сценариях, где нужно быстро взаимодействовать с падающим или летающим объектом, что приводит к удивлению, если перемещение, а не статические стимулы могут лучше вызвать SLRs. Таким образом, мы адаптировали движущийся целевой парадигмы,используемой для изучения движения глаз 11, и в сочетании с про / анти визуально руководствоваться достижения задачи, используемой для изучения SLR9. По сравнению с результатами парадигм, используемыхранее 6,8,9, было установлено, что SLRs в формирующейся целевой парадигмы развивались раньше, достигли более высоких величин, и были более распространены в нашей выборке участников. В целом, формирующаяся целевая парадигма способствует выражению быстрых висумоторных реакций до такой степени, что объективные меры ЕМГ могут быть сделаны надежно с помощью поверхностных записей, потенцируя исследования в клинических популяциях и на протяжении всей жизни. Кроме того, формирующаяся целевая парадигма может быть изменена по-разному, способствуя более тщательным исследованиям сенсорных, когнитивных и двигательных факторов, способствующих или изменяющих быстрые висумоторные реакции.

Protocol

Все процедуры были одобрены Советом по этике научных исследований в области здравоохранения при Университете Западного Онтарио. Все участники дали информированное согласие, получили оплату за свое участие и могут в любое время выйти из эксперимента. 1. Подготовка участн?…

Representative Results

Стимул заблокирован ответы (SLRs) являются краткие всплески мышечной активности время заблокировано на стимул начала, которые развиваются задолго до большего залпа мышечной набора, связанные с движением начала. Запираемый временем характер SLR произвел ‘бандирование’ мышечной активност?…

Discussion

Люди имеют замечательную способность, когда это необходимо, для создания быстрых, визуально управляемых действий на решетки, которые приближаются к минимальным афферентным и эфферентным задержкам проведения. Ранее мы описали стимул-заблокированных ответов (SLRs) на верхней конечности ?…

Offenlegungen

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Эта работа поддерживается грантом Discovery BDC от Совета по естественным наукам и инженерным исследованиям Канады (NSERC; RGPIN 311680) и операционный грант BDC от Канадских институтов медицинских исследований (CIHR; MOP-93796). RAK была поддержана стипендией для выпускников Онтарио, а ALC была поддержана грантом NSERC CREATE. Экспериментальный аппарат, описанный в этой рукописи, был поддержан Канадским фондом инноваций. Дополнительная поддержка была сшата Канадским фондом первого научного мастерства (BrainsCAN).

Materials

Bagnoli-8 Desktop Surface EMG System Delsys Inc. Another reaching apparatus may be used
Kinarm End-Point Robot Kinarm, Kingston, Ontario, Canada Another reaching apparatus may be used
MATLAB (version R2016a) Stateflow and Simulink applications The MathWorks, Inc., Natick, Massachusetts, United States
PROPixx projector VPIXX Saint-Bruno, QC, Canada This is a custom built addon for the Kinarm. Other displays may be used.
Resolution: 1920 x 1080. Standard viewing monitors may also be used.

Referenzen

  1. Veerman, M. M., Brenner, E., Smeets, J. B. J. The latency for correcting a movement depends on the visual attribute that defines the target. Experimental Brain Research. 187 (2), 219-228 (2008).
  2. Soechting, J. F., Lacquaniti, F. Modification of trajectory of a pointing movement in response to a change in target location. Journal of Neurophysiology. 49 (2), 548-564 (1983).
  3. Day, B. L., Lyon, I. N. Voluntary modification of automatic arm movements evoked by motion of a visual target. Experimental Brain Research. 130 (2), 159-168 (2000).
  4. Gaveau, V., et al. Automatic online control of motor adjustments in reaching and grasping. Neuropsychologia. 55 (1), 25-40 (2014).
  5. Day, B. L., Brown, P. Evidence for subcortical involvement in the visual control of human reaching. Brain A Journal of Neurology. 124, 1832-1840 (2001).
  6. Pruszynski, A. J., et al. Stimulus-locked responses on human arm muscles reveal a rapid neural pathway linking visual input to arm motor output. European Journal of Neuroscience. 32 (6), 1049-1057 (2010).
  7. Corneil, B. D., Olivier, E., Munoz, D. P. Visual responses on neck muscles reveal selective gating that prevents express saccades. Neuron. 42 (5), 831-841 (2004).
  8. Wood, D. K., Gu, C., Corneil, B. D., Gribble, P. L., Goodale, M. A. Transient visual responses reset the phase of low-frequency oscillations in the skeletomotor periphery. European Journal of Neuroscience. 42 (3), 1919-1932 (2015).
  9. Gu, C., Wood, D. K., Gribble, P. L., Corneil, B. D. A Trial-by-Trial Window into Sensorimotor Transformations in the Human Motor Periphery. Journal of Neuroscience. 36 (31), 8273-8282 (2016).
  10. Kozak, R. A., Kreyenmeier, P., Gu, C., Johnston, K., Corneil, B. D. Stimulus-locked responses on human upper limb muscles and corrective reaches are preferentially evoked by low spatial frequencies. eNeuro. 6 (5), (2019).
  11. Kowler, E. Cognitive expectations, not habits, control anticipatory smooth oculomotor pursuit. Vision Research. 29 (9), 1049-1057 (1989).
  12. Goonetilleke, S. C., et al. Cross-species comparison of anticipatory and stimulus-driven neck muscle activity well before saccadic gaze shifts in humans and nonhuman primates. Journal of Neurophysiology. 114 (2), 902-913 (2015).
  13. Franklin, D. W., Reichenbach, A., Franklin, S., Diedrichsen, J. Temporal evolution of spatial computations for visuomotor control. Journal of Neuroscience. 36 (8), 2329-2341 (2016).
  14. Krekelberg, B., Vatakis, A., Kourtzi, Z. Implied motion from form in the human visual cortex. Journal of Neurophysiology. 94 (6), 4373-4386 (2005).
  15. Gribble, P. L., Everling, S., Ford, K., Mattar, A. Hand-eye coordination for rapid pointing movements: Arm movement direction and distance are specified prior to saccade onset. Experimental Brain Research. 145 (3), 372-382 (2002).
  16. Paré, M., Munoz, D. P. Saccadic reaction time in the monkey: advanced preparation of oculomotor programs is primarily responsible for express saccade occurrence. Journal of Neurophysiology. 76 (6), 3666-3681 (1996).
check_url/de/61428?article_type=t

Play Video

Diesen Artikel zitieren
Kozak, R. A., Cecala, A. L., Corneil, B. D. An Emerging Target Paradigm to Evoke Fast Visuomotor Responses on Human Upper Limb Muscles. J. Vis. Exp. (162), e61428, doi:10.3791/61428 (2020).

View Video