İnsan Üst Ekstremite Kaslarında Hızlı Visuomotor Tepkiler uyandırmak için Yükselen Bir Hedef Paradigma
Summary
Burada sunulan görsel güdümlü ulaşır sırasında insan üst ekstremite kasları üzerinde sağlam hızlı visuomotor tepkiler ortaya çıkarır bir davranış paradigmasıdır.
Abstract
Görülen bir nesneye ulaşmak için görsel bilgilerin motor komutlarına dönüştürülmesi gerekir. Nesnenin rengi, şekli ve boyutu gibi görsel bilgiler işlenir ve çok sayıda beyin alanına entegre edilir, daha sonra sonuçta motor çevreye aktarılır. Bazı durumlarda, bir reaksiyon mümkün olduğunca hızlı gereklidir. Bu hızlı visuomotor dönüşümler, ve altta yatan nörolojik yüzeyler, güvenilir bir biyomarker yoksun olduğu gibi insanlarda kötü anlaşılmaktadır. Uyarıcı kilitli yanıtlar (SLR) kısa gecikme (<100 ms) elektromiyografik (EMG) aktivitesi nin ilk dalgasını temsil eden ve görsel uyarıcı sunumundan etkilenen ilk kas alımını temsil eder. SLR hızlı visuomotor dönüşümlerin ölçülebilir bir çıkış sağlar, ancak SLR sürekli geçmiş çalışmalarda tüm konularda gözlenmemiştir. Burada, sürekli olarak sağlam SLR'leri çağrıştıran bir engelin altında hareket eden bir hedefin ani ortaya çıkışını içeren yeni, davranışsal bir paradigma tanımlıyoruz. Statik uyaranlar kullanılarak SLR'ları araştıran önceki çalışmalarla karşılaştırıldığında, bu ortaya çıkan hedef paradigmasıyla uyarılmış SLR'ler daha büyüktü, daha erken evrimleşmiş ve tüm katılımcılarda mevcuttu. Erişim reaksiyon süreleri (RTs) da ortaya çıkan hedef paradigma hızlandırıldı. Bu paradigma, çeşitli duyusal, bilişsel ve motor manipülasyonların hızlı visuomotor tepkiler üzerindeki etkisinin sistematik olarak incelenmesine izin verebilecek çok sayıda modifikasyon fırsatı sağlar. Genel olarak, sonuçlarımız ortaya çıkan bir hedef paradigmasının hızlı bir visuomotor sistem içinde sürekli ve sağlam bir aktivite yitirme yeteneğine sahip olduğunu göstermektedir.
Introduction
Cep telefonumuzda bir mesaj fark ettiğimizde, telefonumuzu kaldırıp mesajı okumak için görsel olarak yönlendirilmiş bir erişim gerçekleştirmemiz istenir. Telefonun şekli ve boyutu gibi görsel özellikler, hedefe başarılı bir şekilde ulaşmamızı sağlayan motor komutlarına dönüştürülür. Bu tür visuomotor dönüşümler yüksek derecede kontrol sağlayan laboratuvar koşullarında incelenebilir. Ancak, yanıt süresinin önemli olduğu senaryolar vardır, örneğin, düşerse telefonu yakalamak. Hızlı visuomotor davranışların laboratuvar çalışmaları genellikle, hedef konumundaki bazı değişikliklerden sonra uçuş ortasında devam eden hareketlerin değiştirildiği yer değiştirmiş hedef paradigmalarına dayanır (örn. bkz. ref.1,2). Bu tür online düzeltmeler oluşabilir iken <150 ms3, bu kol düşük geçiş filtreleme özellikleri nedeniyle tek başına kinematik kullanarak hızlı visuomotor çıkış tam zamanlamasını tespit etmek zordur, ve hızlı visuomotor çıkış zaten orta uçuş bir hareket yerini çünkü. Bu tür komplikasyonlar hızlı visuomotor yanıtların altında yatan substratlar hakkında belirsizliğe yol açar (gözden geçirilmek üzere ref.4’e bakınız). Bazı çalışmalar, fronto-parietal kortikal alanlar yerine superior kolikulus gibi subkortikal yapıların çevrimiçi düzeltmeler başlatabileceğini düşündürmektedir5.
Altta yatan nöral yüzeylere ilişkin bu belirsizlik, en azından kısmen, hızlı visuomotor sistemin çıkışı için güvenilir bir biyomarker eksikliği nedeniyle olabilir. Son zamanlarda statik duruşlardan oluşabilen ve elektromiyografi (EMG) ile kaydedilen hızlı visuomotor yanıtların bir ölçüsünü tanımladık. Uyarıcı kilitli yanıtlar (SLR) gönüllühareketöncesinde EMG aktivitesizaman kilitli patlamaları 6,7, sürekli gelişen ~ 100 ms uyarıcı başlangıcından sonra. Adından da anlaşılacağı gibi, SLR uyarıcı başlangıçlı tarafından uyarılmış, nihai bir hareket8 tevkif veya ters yönde hareket etse bile devam9. Ayrıca, dinamik bir paradigma hedef deplasman tarafından uyarılmış SLR kısa gecikme online düzeltmeler ile ilişkilidir10. Böylece, SLR sistematik kısa gecikme RTs dahil hızlı visuomotor sistemin çıktısını incelemek için objektif bir önlem sağlamak, onlar statik bir duruş oluşturulan olabilir ve hızlı visuomotor yanıtın ilk aşaması ile ilgisi olmayan diğer EMG sinyalleri ayrıştırılmış.
Bu çalışmanın amacı, SLR’leri sağlam bir şekilde ortaya çıkan görsel güdümlü bir erişim paradigması sunmaktır. SLR araştıran önceki çalışmalarda katılımcılar arasında daha az% 100 algılama oranları bildirdin, hatta daha invaziv intramüsküler kayıtları kullanırken6,8,9. Düşük algılama oranları ve invaziv kayıtlara duyulan güven, hastalıkta veya yaşam süresi boyunca hızlı visuomotor sisteme yönelik gelecekteki araştırmalarda SLR önlemlerinin kullanışlılığını sınırlar. Bazı denekler sadece SLR ifade olmayabilir, uyaranlar ve davranış paradigmaları daha önce kullanılan SLR uyandırmak için ideal olmayabilir. SLR geçmiş raporlar genellikle katılımcıların statik doğru görsel güdümlü ulaşır oluşturmak paradigmalar kullanmış, aniden görünen hedefleri6,9. Ancak, hızlı bir visuomotor sistem büyük olasılıkla bir hızla düşen veya uçan bir nesne ile etkileşim gerekir senaryolarda gerekli olan, statik uyaranyerine hareket daha iyi slr uyandırmak eğer merak bir yol açan. Bu nedenle, göz hareketlerini incelemek için kullanılan hareketli bir hedef paradigma adapte ettik11, ve bir pro / anti görsel güdümlü erişim görevi ile birleştirilmiştir SLR9. Daha önce kullanılan paradigmaların sonuçları ile karşılaştırıldığında6,8,9, ortaya çıkan hedef paradigmasında ki SLR’lerin daha erken evrimleştiği, daha yüksek büyüklüklere ulaştığı ve katılımcı örneğimizde daha yaygın olduğu bulunmuştur. Genel olarak, ortaya çıkan hedef paradigma, nesnel EMG önlemlerinin yüzey kayıtları, klinik popülasyonlar içinde ve yaşam süresi boyunca güçbirlaltı çalışması yla güvenilir bir şekilde yapılabildiği kadar hızlı visuomotor yanıtların ekspresyonunu teşvik etmektedir. Ayrıca, ortaya çıkan hedef paradigma birçok farklı şekilde değiştirilebilir, duyusal içine daha ayrıntılı araştırmalar teşvik, bilişsel, ve hızlı visuomotor yanıtları değiştirmek veya değiştirmek motor faktörler.
Protocol
Representative Results
Discussion
İnsanlar, gerektiğinde, en az afferent ve efferent iletim gecikmelerine yaklaşan gecikme gevemelerinde hızlı, görsel güdümlü eylemler üretme kapasitesine sahiptir. Biz daha önce hızlı visuomotor yanıtlar 6 için yeni bir önlem olarak üst ekstremite uyarıcı kilitli yanıtları (SLR) tarif ettik6,9,10. Görme uyarıcıdan etkilenen üst ekstremite kas alımının ilk yönü için deneme-by-deneme kriter sağlamad…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma, Kanada Doğa Bilimleri ve Mühendislik Araştırma Konseyi’nden (NSERC; RGPIN 311680) ve Kanada Sağlık Araştırma Enstitüleri’nden (CIHR; MOP-93796). RAK, Ontario Lisansüstü Bursu ile desteklendi ve ALC bir NSERC CREATE bursu ile desteklendi. Bu el yazmasında açıklanan deneysel cihaz Kanada Yenilik Vakfı tarafından desteklenmiştir. Ek destek Kanada İlk Araştırma Mükemmellik Fonu (BrainsCAN) geldi.
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. |
References
- 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).
- 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).
- 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).
- Gaveau, V., et al. Automatic online control of motor adjustments in reaching and grasping. Neuropsychologia. 55 (1), 25-40 (2014).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Kowler, E. Cognitive expectations, not habits, control anticipatory smooth oculomotor pursuit. Vision Research. 29 (9), 1049-1057 (1989).
- 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).
- 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).
- Krekelberg, B., Vatakis, A., Kourtzi, Z. Implied motion from form in the human visual cortex. Journal of Neurophysiology. 94 (6), 4373-4386 (2005).
- 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).
- 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).
