Name: 唤起人类上肢肌肉快速视觉运动反应的新兴目标范式 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-08-25T13:15:00.000+00:00
Duration: 9 min 27 s
Description: 学习利用肌电图记录人类上肢肌肉快速视觉运动反应的新兴目标范式。该方法通过机器人装置控制视觉引导的伸手动作，帮助研究者探索感觉、认知和运动因素对神经机制的影响。

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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）。

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&#160;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。
<ol>
	<li>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。
	<ol>
		<li>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。</li>
		<li>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。</li>
		<li>为表面传感器安装粘合剂并涂抹电极凝胶。</li>
		<li>让受试者再次执行与目标肌肉募集相关的动作，将传感器贴附于肌肉肌腹处，并使其方向与目标肌肉纤维走向平行。将接地电极置于与伸手手臂对侧的锁骨上。使用医用胶带将传感器和接地电极固定于周围皮肤。开启肌电系统，以便在整个实验过程中持续采集肌电信号。 
		注意：肌电电极放置后，肌电信号将通过肌电系统被动且连续地采集，并以模拟数据流形式保存，供后续分析使用。</li>
		<li>通过连接至肌电系统的台式显示器或示波器检查肌电信号质量。为评估信号质量，让受试者执行朝向或背离目标肌肉偏好方向的伸手动作，确认肌电活动相应增强或减弱。若静息状态下无活动，则应确保在非偏好方向运动时肌电活动不增加。 
		注意：表面电极采集的肌电信号质量受多种因素影响（如个体脂肪组织分布、受试者姿势等）。建议在偏好（收缩）方向运动时，肌电活动峰值至少为静息水平的2倍，但理想情况下应显著更高。</li>
		<li>如有必要，调整电极位置以确保达到上述活动水平。实验全程保持显示器或示波器连接，以持续监测肌电输出。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>将已安装肌电传感器的受试者安置于机器人辅助伸手装置中，该装置允许在水平面内进行伸手运动，并可对操纵杆施加力。 
	注意：对目标肌肉施加对抗力可增加背景肌电活动，从而使短潜伏期反应（SLR）在刺激呈现后表现为肌肉在偏好方向或非偏好方向活动的增强或减弱。在非偏好方向，基础活动水平尤为重要，因为若无背景负荷力，基础活动与非偏好方向伸手活动将难以区分。在整个实验过程中施加5N向右和2N向下的力（相对于起始位置，目标向左呈现）通常已足够。实验过程中力应保持恒定，必要时可使用较低的力值。
	<ol>
		<li>让受试者坐在实验椅上，优先考虑其在肢体承受额外外力时的舒适度，以尽量减少实验过程中姿势的改变。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. 刺激材料构建/实验装置
<ol>
	<li>使用内置视觉显示的机器人到达装置生成所有实验程序和刺激。 
	注意：确保机器人到达装置配备有视觉输出与操纵杆电机输出之间的接口，能够同时进行模拟信号（例如，操纵杆位置、光电二极管输出）和肌电图（EMG）记录。确保该装置配备有能够运行包含所有预设视觉组件的单个预编程试验区块的软件。内置视觉显示器可以是标准显示器或定制的高质量投影仪；但建议使用更高品质的投影仪，以确保所显示目标的时间和视觉分辨率。
	<ol>
		<li>通过驱动视觉显示器的内置软件生成新兴目标范式（见补充图1）的四个主要组成部分。 
		注意：所有组成部分均应通过内置软件生成，并在每次数据采集过程中投射到视觉显示器上。每个组成部分需手动输入软件中，软件会将形状的输入坐标转换为视觉显示器上可见的图形。在数据采集前需完成对所有组成部分及目标运动的完整编码，因此在数据采集过程中无需实验者干预范式运行，范式将根据参与者的反应自动执行。以下坐标（以厘米为单位）是相对于本研究中用于采集参与者数据的机器人到达装置中两个操纵杆原点中点的位置。在每次试验过程中，范式的所有组成部分对参与者均可见，起始位置除外，该位置在移动目标出现后即消失。不同装置可能采用不同的参考坐标系。
		<ol>
			<li>通过手动输入六个矩形的坐标生成倒Y形路径，其坐标如下（y：-19（倒Y顶部）或-34（倒Y底部），x：-/+2（内侧底部倒Y），-/+8（外侧底部倒Y）；宽度0.5，高度：20（顶部）或15（底部））。</li>
			<li>通过手动输入一个大矩形的坐标生成遮挡物（中心位置：0, -29；宽度：35，高度：15），覆盖在倒Y路径的中心区域。该遮挡物的颜色可在不同试验间变化，用以向参与者提供指令。 
			注意：遮挡物在底部中心两个出口之间有一个缺口（0, -29；宽度：5，高度：5）。参与者被指示：“当目标位于遮挡物后方时，注视该缺口。”这样做可确保在目标出现时眼睛处于稳定状态。每个试验开始时，遮挡物将显示为红色或绿色。</li>
			<li>通过手动输入一个圆形的坐标生成移动目标，该圆形将沿倒Y路径向下移动并进入遮挡物后方（起始位置：0, -17；半径：1；速度：10 cm/s，遮挡物后方速度：30 cm/s）。 
			注意：移动目标（T1）在每个试验开始时可见且静止。</li>
			<li>通过指定目标运动的x和y坐标，在软件中定义目标的移动方式。 
			注意：目标速度由连续x和y坐标之间的距离计算得出。目标运动的正确呈现依赖于软件和视觉显示器能否快速连续地更新每个x和y位置。在软件中，当目标的x和y位置完全移至遮挡物下方时，将其状态更改为“对参与者不可见”，直至其x和y位置完全从遮挡物中重新出现。</li>
			<li>生成起始位置（0, -42；半径1）。参与者需将手移动至该位置以启动每次试验。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>在屏幕上实时生成代表参与者手部位置的实时光标（RTC）。 
		注意：实验过程中，参与者的上肢通过一个向上倾斜的镜子被遮挡，该镜子反射向下呈现的目标。此功能可通过装置特有的内置软件实现，即在持续更新的手部x和y坐标上方放置一个目标图像。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. 实验步骤
<ol>
	<li>点击实验者屏幕上相关软件的“开始”按钮，以启动第一次试验，并使机器人伸手装置对受试者的上肢施加作用力。 
	注意：实验者点击开始后，直到各区块之间需要再次点击“开始”前，无需进一步干预。如果持续监测的肌电（EMG）信号发生变化，或受试者无法完成实验，则可能需要实验者介入。一旦发生紧急情况，应立即停止所有实验。当受试者松开手柄时，内置任务程序会自动停止施加在受试者手部的力。建议使用配备紧急情况下可终止实验按钮的设备。
	<ol>
		<li>口头指示受试者通过将实时光标（RTC，由操纵杆位置指示）移至起始位置（T0）来开始第一次试验，停留时间为1–1.5秒不等。遮挡器颜色变化用于提示受试者即将进行的是顺向伸手（pro-reach）或反向伸手（anti-reach）任务。 
		注意：将RTC移入T0位置即启动每次试验。如果受试者在规定时间之前离开T0起始位置，则当RTC重新回到T0时，试验将重新开始。</li>
		<li>确保移动目标（T1）原本静止且可见，位于倒Y形路径顶端（2.1.1.3），在受试者将RTC移入T0后，T1开始沿倒Y形路径向受试者方向移动。 
		注意：T1开始移动后，T0即消失。此后对受试者手臂无任何限制，但仍应指导其保持在假想的T0范围内。</li>
		<li>确保T1移至遮挡器后方，对受试者不可见。在此期间，受试者需保持手部位于假想的T0位置。</li>
		<li>确保T1以30 cm/s的恒定速度沿Y轴方向在遮挡器后方向受试者移动。当T1到达遮挡器长度一半时，沿倒Y形路径之一分叉，并增加一个X轴方向的速度分量，从而保持Y轴方向速度不变。目标消失一段固定延迟时间约0.5秒，该延迟取决于遮挡器尺寸和T1移动速度。</li>
		<li>当T1到达最靠近受试者的遮挡器边缘时，应确认软件程序不会通过让T1从遮挡器边缘滑出的方式呈现目标，因为这会向视觉系统最初呈现一个“半月形”刺激。相反，应检查软件是否在目标完全露出前保持其不可见，然后才向受试者呈现。 
		注意：此设计旨在控制部分刺激引起的视觉处理效应，尤其是在使用不同速度目标时，这些目标穿越边界的时间不同。部分出现的目标（如半月形刺激）最初包含较高空间频率成分，根据先前研究结果，这会导致短潜伏期反应（SLR）潜伏期延长和幅度降低10。</li>
		<li>检查软件是否在受试者手部仍静止于T0时，将T1随机呈现于两个倒Y路径中的一侧。 
		注意：T1从遮挡器下方出现的同时，屏幕角落会呈现一个次级目标，该位置被光电二极管覆盖。此目标对受试者不可见，但可向集成在机器人伸手装置中的光电二极管提供模拟信号。该光电二极管信号可精确对齐目标出现时间与肌肉活动，确保机器人伸手装置中无滞后或延迟。</li>
		<li>当T1从遮挡器后方出现时，观察受试者是否能根据遮挡器颜色产生视觉引导的伸手动作。当遮挡器为绿色时，要求受试者用RTC拦截T1；当遮挡器为红色时，要求受试者将RTC移离T1。 
		注意：绿色遮挡器颜色（2.1.1.2）表示顺向伸手（即朝向遮挡器方向），红色则表示远离移动目标T1（即反向伸手）。在反向伸手条件下，正确拦截并非基于T1的镜像位置，而是相对于T0的水平距离。</li>
		<li>根据受试者的伸手行为，在试次间期提供反馈，反馈类型包括“命中”（正确拦截）、“错误方向”（顺向/反向伸手方向错误）或“未命中”（未检测到正确或错误反应）。该反馈以文字形式显示在遮挡器上。</li>
		<li>确保在受试者完成伸手动作后200毫秒，T1和T0在其原始位置重新出现。当受试者将RTC移回T0时，开始下一次试验。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>要求每位受试者完成4个区块，每个区块100次试验，每个条件共完成100次伸手动作。将顺向伸手与反向伸手的试次类型随机混合，左右刺激交替呈现。每个区块大约需要7.5分钟完成。 
	注意：建议在使用表面记录时，每个条件至少重复约80次，因为后续分析步骤依赖大量试次的数据以检测短潜伏期反应（SLR）。
	<ol>
		<li>尽量减少每个区块之间的受试者移动，以确保记录的一致性。在口头确认受试者准备好开始下一个区块后，启动下一区块，并持续监控受试者表现和EMG输出。 
		注意：实验者可能需要通过桌面显示器持续监控EMG输出，以检测表面EMG记录中的问题。例如，在长时间伸手运动过程中，由于出汗，表面EMG电极可能会从受试者皮肤上脱落。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>采集控制静态范式的数据，以便与移动目标出现范式所获得的数据进行比较。 
	注意：该控制范式可在移动目标出现范式之前或之后进行。为建立控制静态范式，请重复步骤2.1.1.3、2.1.1.5、2.2、3.1、3.1.1、3.1.7、3.2和3.2.1；但在步骤2.1.1.3中，不要编写T1从屏幕顶部开始并向受试者移动的程序。相反，将T1设置为直接出现在T0的左侧或右侧。此外，此时T0本身应为红色或绿色，类似于移动目标出现范式中使用的遮挡器。试验流程如下所述。
	<ol>
		<li>口头指示受试者将RTC移入T0以启动第一次试验，T0位置与移动目标出现范式中的位置相同。</li>
		<li>确保软件程序将T0显示为红色或绿色，分别表示反向或顺向伸手任务。随机设置1–2秒的保持期，要求受试者在此期间将RTC保持在T0位置。</li>
		<li>确保软件程序在T0左侧或右侧10 cm处呈现一个静止目标。目标侧别在各试次间随机化。</li>
		<li>与移动目标出现范式相同，若T0为绿色，则要求受试者朝目标伸手；若T0为红色，则要求受试者朝与目标完全相反的方向伸手。接触目标或反目标位置后，进入下一次试验。</li>
		<li>确保每位受试者完成4个区块，每个区块100次试验，每个条件共100次伸手动作。试次类型随机混合。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. 分析
<ol>
	<li>使用离线自定义脚本分析所有数据，并剔除错误试验。 
	注意：错误试验的定义包括错误的伸手方向（3.5 cm）、过长的反应时间（RT）（&#62;500 ms），提示可能注意力不集中，或过短的反应时间（&#60;120 ms），提示存在预判行为。
	<ol>
		<li>通过确定运动切向速度超过峰值的8%的时间点，计算每次试验伸手运动的反应时间（RT）。 
		注意：也可采用其他方法定义反应时间。</li>
		<li>为分析肌肉活动，使用离线脚本将肌电图（EMG）信号转换为源微伏值，去除任何直流偏移，对EMG信号进行整流，并使用7点移动平均滤波器对信号进行滤波。</li>
		<li>采用时间序列受试者工作特征（ROC）分析，检测短潜伏期反应（SLR）6,7的存在及其潜伏期。 
		注意：也可采用其他方法确定SLR活动的时间锁定特性。
		<ol>
			<li>执行时间序列ROC分析时，根据目标呈现侧和试验条件对EMG数据进行分类（图1a显示了朝向伸手任务中左侧与右侧的数据）。</li>
			<li>计算在目标呈现前100 ms至目标呈现后300 ms范围内，每个时间点（1 ms）两个数据群体的ROC曲线下面积（例如，图2c）。 
			注意：ROC值为0.5表示分辨能力处于随机水平，而值为1或0则分别表示相对于目标呈现的完全正确或完全错误的分辨。</li>
			<li>将连续10个时间点中最早出现8个点超过0.6阈值的时间点定义为分辨潜伏期（图2c中由垂直红色或蓝色线指示）。 
			注意：阈值及超过阈值的点数可根据表面或肌内EMG记录的质量和数量进行调整，也可使用自助法分析客观确定置信区间。以往研究表明，0.6的阈值大约对应于95%的置信区间12。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>为确定朝向伸手试验中是否存在SLR，采用基于反应时间的分半分析法（见图18），即根据反应时间将试验分为早期和晚期两组，并分别对这两组数据执行步骤4.1.3.2和4.1.3.3（图1a中的紫色试验和绿色试验）。
		<ol>
			<li>将早期分辨时间与平均早期反应时间作为一个数据点绘出，再将晚期分辨时间与平均晚期反应时间作为第二个数据点在同一图中绘出，并用直线连接这两个点（图1c）。当该直线斜率超过67.5˚时，判定存在SLR。 
			注意：在此图中，90˚的斜率表示EMG分辨时间与刺激呈现完全锁定（即EMG活动以相同的潜伏期启动，不受后续运动时间影响），而45˚的斜率表示EMG分辨时间与运动起始完全锁定。实际应用中，通常采用67.5˚（介于45˚与90˚之间）作为判断SLR是否存在的临界值：斜率 &#62; 67.5˚ 表示存在SLR，斜率 &#60; 67.5˚ 表示不存在SLR；该标准表明EMG活动更倾向于与刺激呈现而非运动起始时间锁定。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>若确定存在SLR，则将所有试验的分辨潜伏期定义为SLR潜伏期（见步骤4.1.3.3）。</li>
		<li>将SLR幅度定义为从SLR潜伏期至分辨潜伏期后30 ms期间，左右侧平均EMG轨迹之间的差值（例如，图2c中深红色与浅红色轨迹，或深蓝色与浅蓝色轨迹之间的差异）。 
		注意：幅度的时间范围可根据需要延长或缩短。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Veerman, M. M., Brenner, E., Smeets, J. B. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+latency+for+correcting+a+movement+depends+on+the+visual+attribute+that+defines+the+target%5BTitle%5D)+AND+%22Experimental+Brain+Research%22%5BJournal%5D)">The latency for correcting a movement depends on the visual attribute that defines the target.</a> Experimental Brain Research. 187 (2), 219-228 (2008).</li>
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</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

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；<strong class="xfig"...

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&#60;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）是一类与刺激时间同步的EMG活动爆发，出现在自主运动之前6,7，通常在刺激呈现后约100毫秒内稳定出现。顾名思义，SLRs由刺激 onset 诱发，即使最终未产生运动8，或运动方向相反9，该反应仍可持续存在。此外，在动态范式中由目标位移诱发的SLRs与更短潜伏期的在线校正反应相关10。因此，SLRs为系统研究参与短潜伏期反应时（RTs）的快速视觉运动系统的输出提供了一种客观的测量手段，因为它们可由静态姿势产生，并能从其他与快速视觉运动反应初始阶段无关的EMG信号中分离出来。
本研究的目的是提出一种能够稳健诱发短潜伏期反应（SLR）的视觉引导 reaching 范式。以往关于 SLR 的研究报道，在参与者中的检测率低于 100%，即使使用了更具侵入性的肌内记录方法6,8,9。检测率偏低以及对侵入性记录的依赖，限制了 SLR 测量在未来针对疾病状态或全生命周期中快速视觉运动系统研究中的应用价值。尽管部分受试者可能本身并不表现出 SLR，但先前研究所采用的刺激和行为范式可能并非诱发 SLR 的最佳选择。以往关于 SLR 的报告通常采用让参与者向静止且突然出现的目标进行视觉引导 reaching 的范式6,9。然而，快速视觉运动系统最可能在需要快速与下落或飞行物体互动的情境中发挥作用，这引发人们&#160;思考：移动刺激是否比静态刺激更能有效诱发 SLR。因此，我们改进了一种用于研究眼动的移动目标范式11，并将其与一种用于考察 SLR 的 pro/anti 视觉引导 reaching 任务相结合9。与先前范式所得结果相比6,8,9，我们发现，在新兴目标范式中，SLR 出现更早、幅值更高，并且在受试者样本中更为普遍。总体而言，新兴目标范式极大地促进了快速视觉运动反应的表达，使得通过表面肌电图（EMG）记录即可可靠地进行客观测量，从而为临床人群及全生命周期的研究提供了可能。此外，新兴目标范式还可进行多种不同方式的修改，有助于更深入地探究促进或调节快速视觉运动反应的感觉、认知和运动因素。

<table><tbody><tr><td>Bagnoli-8 台式表面肌电系统</td><td>Delsys Inc.</td><td></td><td>可使用其他到达装置</td></tr><tr><td>Kinarm 末端点机器人</td><td>Kinarm, Kingston, Ontario, Canada</td><td></td><td>可使用其他到达装置</td></tr><tr><td>MATLAB（版本 R2016a）Stateflow 和 Simulink 应用程序</td><td>The MathWorks, Inc., Natick, Massachusetts, United States</td><td></td><td></td></tr><tr><td>PROPixx 投影仪</td><td>VPIXX Saint-Bruno, QC, Canada</td><td></td><td>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。</td></tr></tbody></table>

一种激发人类上肢肌肉快速视觉运动反应的新出现靶向范式

An Emerging Target Paradigm to Evoke Fast Visuomotor Responses on Human Upper Limb Muscles

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（&#60;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。

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,...

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。

要抓取看到的物体，视觉信息必须转化为运动指令。诸如物体的颜色、形状……

我们关注大脑如何将视觉输入快速转化为运动输出。在此，我们介绍一种新兴的目标范式，该范式可诱发可量化且可靠的快速视觉运动反应。该范式所记录的快速视觉运动反应包括刺激锁定反应，即与视觉刺激呈现同步出现的短暂肌肉活动。建立一种能够可靠引发快速视觉运动反应的范式，有助于研究整个生命周期以及帕金森病等神经系统疾病中潜在的神经机制。新兴目标范式中的许多方面均可进行修改，以更深入地理解影响快速视觉运动系统的感知、认知和运动因素。首先，在所研究的 reaching 运动涉及的上肢肌肉上应用肌电图（electromyography 或 EMG）传感器。通过要求受试者执行已知可激活目标肌肉的动作来观察该肌肉。对于胸大肌的锁骨部，可让受试者将肘部放松置于身体两侧，并双手掌相互推压。如果难以观察到目标肌肉，可在受试者重复执行该动作的同时，触诊目标区域。在肌肉上选择因显著变化而适合放置电极的目标区域。使用酒精棉片清洁将要安放电极的皮肤区域，并在表面传感器上涂抹粘合剂和电极凝胶。请受试者再次执行与目标肌肉激活相关的动作，将传感器贴附于肌肉肌腹上，确保其方向与目标肌肉的肌纤维走向平行。将接地电极置于对侧锁骨（相对于受试手臂），然后使用医用胶带将传感器和接地电极固定于周围皮肤。打开肌电图（EMG）系统，以便在实验全程采集EMG信号。通过连接至系统的台式显示器或示波器检查EMG信号质量。让受试者朝向或背离目标肌肉的偏好方向执行伸手动作，并确保肌电活动相应地增加或减少。接下来，将受试者安置在机器人辅助的伸手装置中，该装置允许在水平平面内进行伸手运动，并可对操纵杆施加力。让受试者坐在实验椅上，尽量保证其舒适，以减少实验过程中姿势的变化。点击相关软件上的“开始”按钮，以启动第一次试验，并使机器人辅助上肢运动装置对受试者的上肢施加作用力。口头指示受试者通过将实时光标（RTC）移至起始位置并保持1至1.5秒，来开始第一次试验。遮挡板会改变颜色，以提示受试者下一次试验需要执行顺向或反向伸手动作。根据遮挡物的颜色，判断参与者是否能够产生视觉引导下的抓取动作。当遮挡物为绿色时，参与者使用手控光标（RTC）拦截移动的目标；当遮挡物为红色时，参与者则将手控光标移离目标。确保移动目标（在倒Y形路径顶端静止且对参与者可见）开始沿倒Y形路径向参与者方向移动。当移动目标进入遮挡物后方时，应沿y轴以每秒30厘米的恒定速度移动，并对参与者保持不可见。在此期间，参与者应将手保持在假想的起始位置。当移动目标到达遮挡物长度的一半时，其将沿倒Y形路径的其中一条分支转向，并增加一个X轴方向的速度分量。目标会消失一个恒定的延迟时间，大约为半秒，该延迟时间取决于遮挡物的大小和目标的移动速度。当移动的目标到达遮挡物边缘时，需确保软件使其保持不可见，直到整个目标完全露出后，才向参与者呈现。在参与者的手仍处于起始位置时，目标应随机出现在倒Y形路径的其中一侧。必须准确知晓目标出现的时间，以确保对快速视觉运动反应进行精确测量。在此，我们向位于屏幕角落的光电二极管在目标出现的精确时刻呈现另一种视觉刺激，该刺激不会被受试者看到。该光电二极管提供一个模拟信号，用于肌肉活动与反应时间的同步对齐。根据参与者的伸手行为，该软件会在试次间隔期间在遮挡物上显示文字形式的反馈。反馈内容包括：正确拦截时显示“hit”，伸手方向错误时显示“wrong way”，以及在试次间隔期间未检测到正确或错误反应时显示“miss”。在参与者完成伸手动作后200毫秒，移动目标和起始位置将重新出现在各自原始位置。当参与者将RTC移回起始位置时，开始下一次试验。尽量减少参与者在每个区块之间的移动，以确保记录的一致性。在口头确认参与者已准备好开始下一个区块后，启动下一个区块，并持续监测参与者的表现和肌电图（EMG）输出。刺激锁定反应（SLRs）依赖于目标位置，右侧胸大肌的刺激锁定反应表现为：当目标向左或向右呈现时，肌肉募集相应地增加或减少。为了检测刺激锁定反应，分别对反应时间早于或晚于平均值的试验进行了独立的时间序列受试者工作特征分析。该分析用于判断肌电图激活是否对刺激或运动起始保持不变，这一判断依据是将早期和晚期辨别时间连接成的直线斜率，该斜率以反应时间为函数进行绘制。此处展示了两名受试者伸手抓取静止物体或移动目标的数据。在静态范式中，受试者一未表现出短潜伏期反应（SLR），但在目标出现范式中可观察到明显的SLR。在目标出现范式中，受试者一的平均肌电图轨迹也显示出明显的SLR。尽管参与者二在静态目标和出现目标两种范式中均表现出SLR，但在出现目标范式中SLR的幅度要大得多。平均而言，与静态范式相比，出现目标范式中的SLR幅度显著更大。相比之下，两种范式中检测到的SLR潜伏期并无差异。在出现目标范式中，所有五名参与者均检测到了短潜伏期反应（SLRs），而在静态目标范式中仅三名参与者检测到。在反向伸手条件下，SLR的幅度较之于正向伸手条件有所减弱。该范式可进一步调整，以更深入地理解影响快速视觉运动反应的感觉、认知或运动因素。未来的实验可以改变目标移动速度、调整目标在遮挡物后方的时间，或要求参与者选择使用哪只手进行移动。我们已开始利用新兴目标范式诱发的可靠反应，研究老年人群以及帕金森病患者的快速视觉运动系统。

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Research

科研

JoVE Journal

Neuroscience

神经科学

唤起人类上肢肌肉快速视觉运动反应的新兴目标范式

来源： Kuhn, Y. 等 初级运动皮层内的皮层内抑制可通过改变注意力焦点进行调节。 视频实验杂志...

经颅磁刺激调节人体肌肉反应

本研究采用单脉冲经颅磁刺激刺激初级运动皮层，结合神经导航以及手部肌肉肌电活动的记录，探索受试者观察动作序列时的皮质脊髓兴奋性。...

动作观察期间皮质脊髓兴奋性的调节

目前尚不清楚来自腹侧视觉通路的自上而下信号如何影响运动。我们建立了一种实验范式，用于检测在三维深度反转错觉条件下朝向目标的运动行为。研究发现，在错觉和真实视觉条件下，无论是有意识的目标导向运动，还是自动动作，均存在显著差异。...

探索自上而下视觉过程对运动行为影响的方法

一些患有单侧脑性瘫痪的儿童似乎忽视了其受累上肢仍保留的功能。这种发育性忽视在文献中已有广泛描述，但其涉及的认知过程尚未得到研究。为了研究上肢控制背后的认知因素，本研究设计了一种事件相关电位实验方案。...

通过目标反应任务中的事件相关电位研究单侧脑性瘫痪儿童上肢使用认知过程

使用经颅磁刺激（TMS）研究人类运动控制需要整合数据采集系统，以控制TMS的递送并同时记录人类行为。本文提供了通过TMS研究人类运动时整合数据采集系统的详细方法学。...

结合多种数据采集系统研究皮质脊髓输出与多节段生物力学

本文介绍了一种构建自动装置的方案，该装置可引导猴子执行灵活的伸手抓握任务。该装置结合了三维平移装置和旋转台，能够在三维空间中的任意位置呈现多个物体。...

用于在三维工作空间中呈现可抓握物体的装置设计与使用

本文提供了一种实验方案，可让用户选择性地改变与姿势扰动后恢复平衡相关的运动的可操作性及/或运动约束。...

一种改进的前倾-释放技术以强调反应性平衡中的反应抑制与动作选择

本研究提出了一种在选择性神经转接手术后增强假肢功能的方案。康复干预措施包括患者信息告知与筛选、促进伤口愈合、上肢感觉运动区域的皮质再激活、选择性肌肉激活训练、日常生活中假肢使用训练，以及定期随访评估。...

上肢截肢患者接受选择性神经转接术的治疗干预

伸手是人类与环境互动的一项基本技能。已有许多研究致力于采用多种方法来表征伸手行为。本文提供了一种开源的经颅磁刺激应用方案，用于评估人类在执行伸手任务过程中皮质脊髓兴奋性的状态。...

评估目标导向 reaching 行为期间的皮质脊髓兴奋性

本文提出了一种在自然手指手势过程中同步记录手部肌电图（EMG）和视觉手指追踪的全面实验方案。视觉数据旨在为基于肌电图的手指手势识别计算模型的开发提供准确的真值基准。...

利用高分辨率表面肌电图与计算机视觉捕捉动态手指手势

学习利用肌电图记录人类上肢肌肉快速视觉运动反应的新兴目标范式。该方法通过机器人装置控制视觉引导的伸手动作，帮助研究者探索感觉、认知和运动因素对神经机制的影响。

一种激发人类上肢肌肉快速视觉运动反应的新出现靶向范式

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