本文展示了一种行为范式，可在人类上肢肌肉进行视觉引导的伸手运动期间，诱发强烈的快速视觉运动反应。
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本文内容
摘要
摘要
为了触及可见物体，视觉信息必须转化为运动指令。物体的颜色、形状和大小等视觉信息在多个脑区中被处理和整合，最终传递至运动外周系统。在某些情况下，需要尽快产生反应。然而，人类中这种快速视觉-运动转换及其潜在的神经基础尚不明确，原因在于缺乏可靠的生物标志物。刺激锁定反应（SLR）是一种短潜伏期（<100 ms）的肌电图（EMG）活动爆发，代表了受视觉刺激呈现影响的首波肌肉募集。SLR为快速视觉-运动转换提供了可量化的输出指标，但在以往的研究中，并非所有受试者都能稳定观察到SLR。本文介绍了一种新的行为范式，其特征是移动目标突然从障碍物下方出现，能够稳定诱发显著的SLR。实验中，人类受试者使用机械臂装置朝向或远离突然出现的目标进行视觉引导的伸手动作，同时通过表面电极记录胸大肌的肌电活动。与以往使用静态刺激研究SLR的工作相比，该“目标突然出现”范式所诱发的SLR幅度更大、出现更早，并且在所有受试者中均能观察到。此外，在该范式下，伸手反应时间（RT）也更短。该范式具有多种可修改的参数，可用于系统研究各种感觉、认知和运动操作对快速视觉-运动反应的影响。总体而言，我们的结果表明，“目标突然出现”范式能够稳定而强烈地激活快速视觉-运动系统中的活动。
引言
当我们注意到手机上有消息时，会促使我们执行一个视觉引导的伸手动作，以拿起手机并阅读消息。手机的形状和大小等视觉特征会被转化为运动指令，使我们能够成功地到达目标。这类视觉-运动转换可以在实验室条件下进行研究，从而实现高度的控制。然而，在某些情况下反应时间至关重要，例如，当手机即将掉落时需要迅速抓住。对快速视觉-运动行为的实验室研究通常依赖于目标位移范式，即在运动过程中，当目标位置发生改变时（例如，参见文献1,2），正在进行的动作会在中途被调整。尽管此类在线校正可在<150 ms内发生3，但由于手臂具有低通滤波特性，且快速的视觉-运动输出会叠加在已经进行中的运动之上，仅通过运动学数据难以精确确定快速视觉-运动输出的确切时间。这些复杂性导致人们对快速视觉-运动反应的神经基础仍存在不确定性（参见文献4以了解综述）。一些研究表明，可能是上丘等皮层下结构，而非额顶叶皮层区域，启动了此类在线校正过程5。
这种对快速视觉运动系统输出缺乏可靠生物标志物的情况，可能至少在一定程度上导致了目前对相关神经基础的不确定性。最近，我们描述了一种可用于检测快速视觉运动反应的指标，该反应可由静态姿势引发，并通过肌电图（EMG）记录。刺激锁定反应（SLRs）是一类与刺激....
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方案
所有程序均经西安大略大学健康科学研究伦理委员会批准。所有参与者均签署知情同意书，参与研究可获得报酬，且有权随时退出 在实验的任何时间点。
1. 受试者准备
注意：研究纳入了少量健康的年轻参与者（3名女性，2名男性；平均年龄：26岁 ± 3.5岁）。所有参与者均为右利手，视力正常或矫正至正常，且无当前视觉、神经或肌肉骨骼系统疾病。有上肢肌肉骨骼损伤或疾病史的参与者被排除在外。
- 将肌电图（EMG）传感器放置于参与研究的上肢目标肌肉上。本实验中，记录的是右侧胸大肌锁骨部的肌电信号，该肌肉在跨身体（向左）伸手动作中被募集。
注意：也可记录上肢其他肌肉，或胸大肌胸骨部及外侧部的肌电信号。- 通过要求受试者执行已知可募集目标肌肉的动作来观察该肌肉。对于胸大肌锁骨部，可让受试者双肘自然垂于体侧，并将掌心相互推压。若难以观察目标肌肉，可在受试者重复执行该动作时触诊目标区域，并选择肌肉形态变化明显的部位作为电极放置位置。
注意：此处“观察”指通过受试者执行募集该肌肉的动作时，透过皮肤观察肌肉的轮廓变化，以识别目标肌肉。此方法有助于准确定位目标肌肉。 - 使用酒精棉片清洁目标肌肉表面将要放置电极的皮肤区域，以及接地电极将要放置的部位。
- 为表面传感器安装粘合剂并涂抹电极凝胶。
- 让受试者再次执行与目....
- 通过要求受试者执行已知可募集目标肌肉的动作来观察该肌肉。对于胸大肌锁骨部，可让受试者双肘自然垂于体侧，并将掌心相互推压。若难以观察目标肌肉，可在受试者重复执行该动作时触诊目标区域，并选择肌肉形态变化明显的部位作为电极放置位置。
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结果
刺激锁定反应（SLR）是一类短暂的肌肉活动爆发，其时间与刺激 onset 相锁定，且出现在与运动 onset 相关的大规模肌肉募集之前。由于SLR具有时间锁定特性，在按反应时间（RT）排序的所有试验中，可在约100 ms处观察到呈“条带状”分布的肌肉活动（图1a，由灰色方框标示）。如图1a所示，SLR依赖于目标位置，右侧胸大肌的SLR表现为：当目标向左或向右呈现时，肌肉募集相应增加或减少。通过RT分割分析（方法4.1.4）检测SLR，即对早期和晚期RT试验分别进行时间序列ROC分析（图1b—紫色与绿色对比）。该分析用于判断肌电（EMG） onset 是否相对于刺激或运动 onset 保持不变，其依据是连接早期与晚期判别时间的直线斜率，该斜率以RT为函数作图得出（图1c）。以往使用静态刺激研究SLR的文献报道，在所有受试者中的检测率低于70%8,.......
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讨论
人类在需要时能够产生快速的视觉引导动作，其反应潜伏期接近传入和传出神经传导延迟的最小值。我们此前已将上肢的刺激锁定反应（SLR）描述为一种评估快速视觉运动反应的新指标6,9,10。尽管SLR在逐次试验中可作为视觉刺激影响上肢肌肉募集初始阶段的有效基准，但并非所有受试者都能表现出该反应，且其检测常依赖于侵入性的肌内记录。本文介绍了一种新兴目标范式（补充文件1），并将其结果与静态目标范式下的结果进行了比较。新兴目标范式的优点在个体参与者中尤为明显：在静态范式中未表现出SLR的参与者，在新兴目标范式中却能表现出明显的SLR（例如，图2，参与者1—第1行与第2行对比）。此外，新兴目标范式中出现的SLR幅度远大于其他范式，有时甚至达到与自主运动相当的水平（图2，参与者2；
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本研究工作获得了加拿大自然科学与工程研究理事会（NSERC；RGPIN 311680）向 BDC 提供的发现基金，以及加拿大卫生研究院（CIHR；MOP-93796）向 BDC 提供的运行基金支持。RAK 获得了安大略省研究生奖学金的支持，ALC 获得了 NSERC CREATE 基金的支持。本论文中所描述的实验装置得到了加拿大创新基金会的支持。额外支持来自加拿大卓越研究基金（BrainsCAN）。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| Bagnoli-8 台式表面肌电系统 | Delsys Inc. | 可使用其他到达装置 | |
| Kinarm 末端点机器人 | Kinarm, Kingston, Ontario, Canada | 可使用其他到达装置 | |
| MATLAB（版本 R2016a）Stateflow 和 Simulink 应用程序 | The MathWorks, Inc., Natick, Massachusetts, United States | ||
| PROPixx 投影仪 | VPIXX Saint-Bruno, QC, Canada | 这是为 Kinarm 定制的附加组件。可使用其他显示设备。分辨率：1920 x 1080。也可使用标准观察显示器。 |
参考文献
- 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.
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重印与许可
