Un paradigma de objetivo emergente para evocar respuestas visuomotoras rápidas en los músculos humanos de las extremidades superiores
Summary
Aquí se presenta un paradigma conductual que provoca respuestas visuomotoras rápidas y robustas en los músculos de las extremidades superiores humanas durante los alcances guiados visualmente.
Abstract
Para llegar hacia un objeto visto, la información visual tiene que transformarse en comandos motores. La información visual, como el color, la forma y el tamaño del objeto, se procesa e integra en numerosas áreas cerebrales y, en última instancia, se transmite a la periferia motora. En algunos casos, se necesita una reacción lo más rápido posible. Estas transformaciones visuomotoras rápidas, y sus sustratos neurológicos subyacentes, se entienden mal en los seres humanos, ya que han carecido de un biomarcador confiable. Las respuestas bloqueadas por estímulos (SLR) son ráfagas de latencia corta (<100 ms) de actividad electromiográfica (EMG) que representan la primera oleada de reclutamiento muscular influenciada por la presentación de estímulo visual. Las RSB proporcionan una producción cuantificable de transformaciones visuomotoras rápidas, pero las SLR no se han observado consistentemente en todos los sujetos en estudios anteriores. Aquí describimos un nuevo paradigma conductual con la aparición repentina de un objetivo en movimiento por debajo de un obstáculo que evoca constantemente SLRs robustos. Los participantes humanos generados visualmente guiados se acercan o alejan del objetivo emergente usando un manipulando robótico mientras que los electrodos de superficie registraron la actividad de EMG desde el músculo principal pectoral. En comparación con estudios anteriores que investigaron SLR utilizando estímulos estáticos, las SLR evocadas con este paradigma de objetivo emergente fueron más grandes, evolucionaron antes y estuvieron presentes en todos los participantes. Los tiempos de reacción de alcance (RSE) también se aceleraron en el paradigma de objetivo emergente. Este paradigma ofrece numerosas oportunidades de modificación que podrían permitir el estudio sistemático del impacto de diversas manipulaciones sensoriales, cognitivas y motoras en respuestas visuomotoras rápidas. En general, nuestros resultados demuestran que un paradigma de objetivo emergente es capaz de evocar de manera consistente y robusta la actividad dentro de un sistema visuomotor rápido.
Introduction
Cuando notamos un mensaje en nuestro teléfono celular, se nos pide que realicemos un alcance guiado visualmente para recoger nuestro teléfono y leer el mensaje. Las características visuales como la forma y el tamaño del teléfono se transforman en comandos de motor que nos permiten alcanzar con éxito la meta. Estas transformaciones visuomotoras pueden estudiarse en condiciones de laboratorio, lo que permite un alto grado de control. Sin embargo, hay escenarios donde el tiempo de respuesta es importante, por ejemplo, coger el teléfono si cayera. Los estudios de laboratorio de comportamientos visuomotores rápidos a menudo se basan en paradigmas de objetivos desplazados en los que los movimientos en marcha se modifican en pleno vuelo después de algún cambio en la posición objetivo (por ejemplo, véase la referencia1,2). Mientras que tales correcciones en línea pueden ocurrir en <150 ms3, es difícil determinar el momento exacto de la salida visuomotor rápida utilizando cinemática solo debido a las características de filtrado de paso bajo del brazo, y porque la salida visuomotor rápida reemplaza un movimiento ya en pleno vuelo. Tales complicaciones conducen a la incertidumbre sobre los sustratos subyacentes a las respuestas visuomotoras rápidas subyacentes (ver ref.4 para su revisión). Algunos estudios sugieren que las estructuras subcorticales como el colliículo superior, en lugar de las áreas corticales frontoparietales, pueden iniciar correcciones en línea5.
Esta incertidumbre con respecto a los sustratos neuronales subyacentes puede deberse, al menos en parte, a la falta de un biomarcador fiable para la salida del sistema visuomotor rápido. Recientemente, hemos descrito una medida de respuestas visuomotoras rápidas que pueden ser generadas a partir de posturas estáticas y registradas a través de la electromiografía (EMG). Las respuestas bloqueadas por estímulo (SLR) son ráfagas de tiempo bloqueadas de la actividad de EMG que preceden al movimiento voluntario6,7, evolucionando consistentemente 100 ms después del inicio del estímulo. Como su nombre indica, las RSB son evocadas por el inicio del estímulo, persistiendo incluso si se retiene un movimiento eventual8 o se mueve en la dirección opuesta9. Además, las RSM evocadas por el desplazamiento de objetivos en un paradigma dinámico se asocian con correcciones en línea de latencia más corta10. Por lo tanto, los SLR proporcionan una medida objetiva para estudiar sistemáticamente la salida de un sistema visuomotor rápido implicado en los RT de latencia corta, ya que pueden generarse a partir de una postura estática y analizarse a partir de otras señales EMG no relacionadas con la fase inicial de la respuesta visuomotor rápida.
El objetivo del estudio actual es presentar un paradigma de alcance guiado visualmente que suscita sólidamente SLRs. Estudios anteriores que investigan el SLR han notificado tasas de detección inferiores al 100% entre los participantes, incluso cuando se utilizan grabaciones intramusculares más invasivas6,8,9. Las bajas tasas de detección y la dependencia de las grabaciones invasivas limitan la utilidad de las medidas de SLR en futuras investigaciones sobre el sistema visuomotor rápido en la enfermedad o a lo largo de la vida útil. Mientras que algunos sujetos simplemente no expresan SLR, los estímulos y paradigmas de comportamiento utilizados anteriormente pueden no haber sido ideales para evocar el SLR. Los informes anteriores de SLRs han utilizado típicamente paradigmas en los que los participantes generan alcances guiados visualmente hacia la estática, apareciendo repentinamente los objetivos6,9. Sin embargo, un sistema visuomotor rápido es el más probable que se necesita en escenarios donde uno debe interactuar rápidamente con un objeto que cae o volador, lo que lleva a uno a preguntarse si mover en lugar de estímulos estáticos puede evocar mejor SLRs. Por lo tanto, hemos adaptado un paradigma de objetivo móvil utilizado para estudiar los movimientos oculares11,y lo hemos combinado con una tarea de alcance pro/anti guiada visualmente utilizada para examinar el SLR9. En comparación con los resultados de paradigmas utilizados anteriormente6,8,9, se encontró que slRs en el paradigma de destino emergente evolucionó antes, alcanzó magnitudes más altas, y eran más frecuentes en toda nuestra muestra de participante. En general, el paradigma objetivo emergente promueve la expresión de respuestas visuomotoras rápidas a tal grado que las medidas objetivas de EMG se pueden hacer de forma fiable con grabaciones de superficie, potenciador del estudio dentro de las poblaciones clínicas y a lo largo de la vida útil. Además, el paradigma de objetivo emergente se puede modificar de muchas maneras diferentes, promoviendo investigaciones más exhaustivas sobre los factores sensoriales, cognitivos y motores que promueven o modifican las respuestas visuomotoras rápidas.
Protocol
Representative Results
Discussion
Los seres humanos tienen una capacidad notable, cuando es necesario, para generar acciones rápidas y guiadas visualmente en las latencias que se acercan a retrasos mínimos de conducción diferente eferentes. Hemos descrito previamente las respuestas bloqueadas por estímulo (SLR) en la extremidad superior como una nueva medida para las respuestas visuomotoras rápidas6,9,10. Si bien es beneficioso para proporcionar un punto de…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo es apoyado por una Beca Discovery a BDC del Consejo de Investigación de Ciencias Naturales e Ingeniería de Canadá (NSERC; RGPIN 311680) y una Subvención Operativa a BDC de los Institutos Canadienses de Investigación Sanitaria (CIHR; MOP-93796). RAK fue apoyado por una Beca de Posgrado de Ontario, y ALC fue apoyado por una beca NSERC CREATE. El aparato experimental descrito en este manuscrito fue apoyado por la Fundación Canadiense para la Innovación. El apoyo adicional provino del Fondo de Excelencia en Investigación de Canadá (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. |
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