唤起人类上肢肌肉快速视觉运动反应的新兴目标范式
2020年8月25日
这里展示的是一种行为范式，在视觉引导的到达过程中，它能对人类上肢肌肉产生强大的快速视觉运动反应。
我们对大脑如何快速将视觉输入转化为运动输出感兴趣。在这里，我们描述了新兴的目标范式，它引发了可量化和可靠的快速视觉运动反应。该范式列出的快速视觉运动反应包括刺激锁定反应，这是与视觉刺激发作相关的肌肉活动的短暂爆发。
拥有一种能够可靠地引发快速视觉运动反应的范式，可以加强对整个生命周期和帕金森病等神经系统疾病中潜在神经机制的研究。可以修改新兴目标范式的许多方面，以更好地了解影响快速视觉运动系统的感觉、认知和运动因素。首先将肌电图或 EMG 传感器应用于参与所研究的伸展运动的目标上肢肌肉。
通过请求已知可募集感兴趣肌肉的动作来可视化目标肌肉。对于胸大肌的锁骨头，要求参与者放松两侧的肘部，并将手掌并拢。如果难以看到目标肌肉，请触诊感兴趣的区域，同时让参与者重复执行请求的动作。
针对肌肉有明显变化的区域进行电极放置。使用酒精棉签清洁电极所在的皮肤区域，并将粘合剂和电极凝胶涂抹在表面传感器上。要求参与者再次执行与肌肉募集相关的动作，并将传感器贴在肌肉腹部上，使它们与目标肌肉纤维的方向平行
。将接地电极放在与伸展臂相对的锁骨上，然后用医用胶带将传感器和接地电极固定在周围的皮肤上。打开 EMG 系统以允许在整个实验过程中收集 EMG。使用连接到系统的台式显示器或示波器检查 EMG 信号的质量。
让参与者执行伸手动作，进入或远离感兴趣肌肉的首选方向，并确保 EMG 活动分别增加或减少。接下来，将参与者设置在机器人伸展装置中，该装置允许在水平面上伸展运动并对手部施加力。让参与者坐在实验椅上，最大限度地提高他们的舒适度，以最大限度地减少整个实验过程中的姿势变化。
单击相关软件上的开始，该软件将启动由施加到参与者上肢的机器人伸展装置产生的第一次试验和力。口头指示参与者通过将实时光标或 RTC 置于起始位置 1 到 1.5 秒来开始第一次试用。遮挡物会改变颜色，以指示受试者即将到来的试验需要 pro 或 anti-reach。
确定参与者是否能够根据遮挡物的颜色生成视觉引导的到达。当遮挡物为绿色时，参与者使用 RTC 拦截移动目标。当遮挡物为红色时，参与者将 RTC 从目标上移开。
确保移动目标（在倒 Y 轴顶部静止且对参与者可见）开始沿着倒 Y 轴的路径向参与者移动。当移动目标移动到遮挡物后面时，它应沿 y 轴以每秒 30 厘米的恒定速度移动，并且应该对参与者不可见。在此期间，参与者应将手部位置保持在想象的起始位置。一旦移动目标达到遮挡物长度的一半，它就会沿着其中一个倒置的 Y 输出分叉，并带有额外的 X 速度分量。
目标消失大约半秒的恒定延迟，延迟取决于遮挡物的大小和目标的速度。当移动目标到达遮挡物的边缘时，请确保软件使其不可见，直到出现完整的目标，然后才能将其呈现给参与者。目标应显示在其中一个倒 Y 路径的随机侧，同时参与者的手保持在起始位置。
必须知道目标出现的确切时间，以确保准确测量快速视觉运动反应。在这里，我们在目标出现的确切时间将另一个被参与者看不到的视觉刺激呈现给位于屏幕角落的光电二极管。该光电二极管提供模拟信号，用于调整肌肉活动和反应时间。
根据参与者的到达行为，该软件在试验间隔期间以文本形式提供反馈，这些文本写入了遮挡物。反馈显示 hit 表示正确的拦截，wrong way 表示错误的到达方向，或者 miss 表示在试验间隔期间未检测到正确或错误的响应。移动目标和起始位置在参与者的覆盖行为完成 200 毫秒后重新显示在各自的原始位置。
当参与者将 RTC 带到起始位置时，开始下一次试用。尽量减少参与者在每个块之间的移动，以确保录制的一致性。在口头确认参与者已准备好开始下一个模块后，启动下一个模块并继续监测参与者的表现和 EMG 输出。
刺激锁定反应或 SLR 取决于目标位置，右侧胸大肌上的 SLR 分别包括向左或向右目标呈递后肌肉募集的增加或减少。为了检测 SLR，对反应时间早于或晚于平均反应时间的试验进行了单独的时间序列受试者工作特征分析。该分析表明肌电图发作是否对刺激或运动发作不变，这是由连接早期和晚期鉴别时间的线的斜率决定的，绘制为反应时间的函数。
此处显示了两个对象伸向静止物体或移动目标的数据。参与者 1 在静态范式中没有表现出 SLR，但在新兴目标范式中可以看到明显的 SLR。SLR 在新兴目标范式中参与者 1 的平均肌电图轨迹中也很明显。
虽然参与者 2 在静态和新兴目标范式中都表现出 SLR，但在新兴目标范式中 SLR 的幅度要大得多。平均而言，与静态范式相比，新兴目标中的 SLR 幅度要大得多。相比之下，检测到的 SLR 的潜伏期在两种范式之间没有差异。
在新兴目标范式的所有 5 名参与者中均检测到 SLR，但在具有静态目标的范式中仅在 3 名参与者中检测到 SLR。与 pro-reach 条件下的 SLR 幅度相比，anti-reach 条件下的 SLR 幅度较弱。可以改变范式以更好地了解影响快速视觉运动反应的感觉、认知或运动因素。
未来的实验可能会改变目标速度，改变遮挡物后面的时间，或要求参与者选择要移动的手。我们已经开始使用新兴目标范式引发的可靠反应来研究老年参与者和帕金森病患者的快速视觉运动系统。
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概述
本研究提出了一种行为范式，旨在通过视觉引导的伸手动作来引发人类上肢肌肉的强烈快速视觉运动反应。通过使用肌电图（EMG），该研究探讨了视觉输入如何迅速转化为运动输出，并在各种情况下理解神经机制的应用，包括神经系统疾病。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 行为心理学
- 运动控制
背景
- 该研究旨在阐明视觉线索转化为运动行为的过程。
- 它强调了快速视觉运动反应的重要性及其在整个生命周期中的相关性。
- 理解视觉运动控制对于研究帕金森病等相关疾病的研究至关重要。
- 使用肌电图来监测与伸手动作相关的肌肉活动。
研究目的
- 开发一个可靠的范式来引发快速视觉运动反应。
- 探索影响这些反应的感觉、认知和运动因素。
- 为研究健康个体和神经系统疾病患者的神经机制创建一个平台。
使用的方法
- 主要平台涉及使用机器人伸手装置进行受控运动。
- 参与者利用放置在目标上肢肌肉上的EMG传感器进行伸手任务。
- 该方法强调与刺激锁定的反应及其与反应时间的相关性。
- 清洁皮肤区域和固定电极对于准确的EMG信号收集至关重要。
- 试验期间的参与者反馈增强了数据收集过程。
主要结果
- 该范式成功产生了与视觉刺激呈现相关的量化快速视觉运动反应。
- 与刺激锁定的反应根据目标位置而变化，表现出肌肉招募的动态变化。
- 视觉和EMG数据的整合使得对视觉运动系统的分析更加精细。
- 试验期间的反馈有助于改进参与者的表现，进一步验证了观察到的相互作用。
结论
- 本研究为理解将视觉线索转化为可执行的运动反应的大脑机制提供了一个框架。
- 影响包括对各种人群视觉运动控制的更深入理解，特别是在神经系统环境中。
- 该范式的未来适应可能会加强对感觉-运动整合和行为适应性的洞察。
常见问题
Executive Industry Relevance
The emerging target paradigm provides a reliable biomarker for fast visuomotor responses, addressing a critical gap in mechanistic de-risking for target validation in neurological drug discovery. By enabling consistent, quantifiable EMG-based readouts of rapid sensorimotor transformation, the paradigm supports predictive confidence in early discovery stages, particularly for CNS targets affecting motor circuitry. This facilitates go/no-go decisions in preclinical programs targeting disorders like Parkinson's disease, where visuomotor deficits are early biomarkers.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses related to visuomotor pathway integrity and rapid sensorimotor transformation.
- Operational Value: Provides a reproducible, stimulus-locked EMG readout (SLRs <100 ms) to functionally validate targets influencing upper limb motor recruitment.
- Predictive Value: Supports portfolio triage by offering a biomarker with consistent presence across all subjects, reducing biological variability in target engagement studies.
Screening & Assay Development
- Assay Readiness: Prepares a disease-relevant system (human upper limb musculature) for downstream compound screening via standardized EMG acquisition and robotic manipulandum control.
- Quantitative Output: Generates measurable SLR magnitude and latency as dependent variables for dose-response or compound effect profiling.
- Scalability: The paradigm’s modular design allows adaptation for high-throughput evaluation of sensory, cognitive, or motor modulators in discovery campaigns.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Directly links discovery-phase mechanistic insights to preclinical validation in models of Parkinson’s disease and aging, where fast visuomotor decline is clinically relevant.
- Risk-Adjusted Advancement: Enables early detection of target-mediated effects on sensorimotor speed, informing go/no-go decisions before costly later-stage trials.
- Biomarker Alignment: SLRs serve as a translational biomarker with cross-species potential, supporting target engagement validation in early clinical phases.
Pipeline & Workflow Integration
The paradigm fits within the discovery-to-preclinical continuum, specifically supporting lead identification through mechanistic de-risking of visuomotor targets and enabling analytics-driven compound screening.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing of neural targets involved in rapid visuomotor transformation by isolating stimulus-locked muscle responses from movement confounds.
- Screening: Delivers assay-ready, reproducible EMG outputs (SLR magnitude, latency) that allow reliable comparison across experimental conditions.
- Analytics: Provides time-series ROC analysis of EMG onset invariance to distinguish stimulus-driven from movement-driven responses, a key quantitative readout for target mechanism deconvolution.
- Translational Research: Connects to preclinical continuity through demonstrated applicability in elderly and Parkinson’s disease cohorts, aligning with biomarker-driven advancement strategies.
- Enterprise Reuse: The modular paradigm—featuring occluder timing, photodiode alignment, and robotic reach tracking—can be standardized across sites for cross-functional collaboration in multisite discovery programs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Reduces mechanistic ambiguity in visuomotor pathways by providing a consistent, quantifiable biomarker of fast sensorimotor transformation.
- Operational Value: Standardizes EMG acquisition, stimulus timing, and participant positioning to ensure reproducibility across laboratories and study sites.
- Strategic Value: Improves capital efficiency by enabling early, target-specific go/no-go decisions based on sensorimotor functional readouts.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of CNS targets by delivering human-relevant, mechanistically informative data on fast visuomotor system integrity.
Implementation Considerations
- Requires expertise in neuromotor assessment, EMG signal processing, and robotic manipulandum operation for accurate stimulus-response alignment.
- Dependent on instrumentation including surface EMG sensors, photodiode for stimulus timing, robotic reaching apparatus, and real-time feedback control systems.
- Necessitates cross-team standardization of electrode placement protocols, occluder timing parameters, and reach instruction scripts to ensure data comparability.
- Involves adaptation considerations for different upper limb muscles (e.g., pectoralis major, deltoid) and participant populations (e.g., elderly, motor-impaired) while preserving stimulus-locked response validity.
- Practical limitations include the need for precise temporal alignment of target emergence with EMG acquisition and exclusion of participants with excessive movement artifact or poor signal-to-noise ratio.
