Ein aufstrebendes Zielparadigma, um schnelle Visuomotor-Antworten auf menschliche Oberkörpermuskeln zu evozieren

Wir interessieren uns dafür, wie das Gehirn visuellen Input schnell in motorischen Output übersetzen kann. Und hier beschreiben wir das aufkommende Zielparadigma, das quantifizierbare und zuverlässige schnelle visuomotorische Reaktionen hervorruft. Zu den schnellen visuomotorischen Reaktionen, die vom Paradigma aufgelistet werden, gehören reizgebundene Reaktionen, bei denen es sich um kurze Ausbrüche von Muskelaktivität handelt, die an den Beginn des visuellen Stimulus gebunden sind.

Ein Paradigma, das zuverlässig schnelle visuomotorische Reaktionen hervorruft, potenziert die Erforschung der zugrunde liegenden neuronalen Mechanismen über die gesamte Lebensspanne und bei neurologischen Erkrankungen wie der Parkinson-Krankheit. Viele Aspekte des entstehenden Zielparadigmas könnten modifiziert werden, um die sensorischen, kognitiven und motorischen Faktoren, die das schnelle visuomotorische System beeinflussen, besser zu verstehen. Beginnen Sie mit der Anwendung von Elektromyographie- oder EMG-Sensoren auf den Zielmuskel der oberen Extremitäten, der an der zu untersuchenden Greifbewegung beteiligt ist.

Visualisieren Sie den Zielmuskel, indem Sie eine Aktion anfordern, von der bekannt ist, dass sie den interessierenden Muskel rekrutiert. Bitten Sie den Teilnehmer für den Schlüsselbeinkopf des Musculus pectoralis major, die Ellbogen an den Seiten zu entspannen und die Handflächen zusammenzudrücken. Wenn es schwierig ist, den Zielmuskel zu visualisieren, tasten Sie den interessierenden Bereich ab, während Sie den Teilnehmer die gewünschte Aktion wiederholt ausführen lassen.

Zielbereiche mit bemerkenswerten Veränderungen im Muskel für die Elektrodenplatzierung. Verwenden Sie Alkoholtupfer, um die Hautbereiche zu reinigen, in denen sich die Elektroden befinden, und tragen Sie Klebstoffe und Elektrodengel auf die Oberflächensensoren auf. Bitten Sie den Teilnehmer, die mit der Muskelrekrutierung verbundene Handlung erneut auszuführen und kleben Sie Sensoren über den Muskelbauch und positionieren Sie sie so, dass sie parallel zur Richtung der Fasern des Zielmuskels liegen.

Platzieren Sie die Erdungselektrode auf dem Schlüsselbein kontralateral zum ausstreckenden Arm und befestigen Sie dann Sensoren und Erdungselektroden mit medizinischem Klebeband an der umgebenden Haut. Schalten Sie das EMG-System ein, um die EMG-Erfassung während des gesamten Experiments zu ermöglichen. Überprüfen Sie die Qualität des EMG-Signals mit einem Desktop-Monitor oder Oszilloskop, das an das System angeschlossen ist.

Lassen Sie den Teilnehmer eine Greifbewegung in oder entgegengesetzt zur bevorzugten Richtung des interessierenden Muskels ausführen und stellen Sie sicher, dass die EMG-Aktivität zu- bzw. abnimmt. Als nächstes setzen Sie den Teilnehmer in ein robotisches Greifgerät, das Greifbewegungen in einer horizontalen Ebene und die Anwendung von Kraft auf das Manipulandum ermöglicht. Setzen Sie den Teilnehmer auf den Versuchsstuhl und maximieren Sie seinen Komfort, um Haltungsänderungen während des gesamten Experiments zu minimieren.

Klicken Sie bei der zugehörigen Software auf Start, die den ersten Versuch und die Kraft auslöst, die von der robotischen Greifvorrichtung erzeugt wird, die auf die obere Extremität des Teilnehmers angewendet wird. Weisen Sie den Teilnehmer verbal an, den ersten Versuch zu starten, indem Sie den Echtzeitcursor oder die RTC für eine Dauer von einer bis 1,5 Sekunden in die Startposition bringen. Der Okkluder ändert die Farbe, um den Pro-Proband darauf hinzuweisen, dass für den bevorstehenden Versuch ein Pro- oder Anti-Reach erforderlich ist.

Bestimmen Sie, ob der Teilnehmer in der Lage ist, eine visuell geführte Reichweite in Abhängigkeit von der Farbe des Okkluders zu generieren. Wenn der Okkluder grün ist, fängt der Teilnehmer das sich bewegende Ziel mit der RTC ab. Wenn der Okkluder rot ist, bewegt der Teilnehmer die RTC vom Ziel weg.

Stellen Sie sicher, dass sich das bewegliche Ziel, das am oberen Rand des invertierten Y-Achse stationär und für den Teilnehmer sichtbar war, auf dem Weg des umgekehrten Y-Achse auf den Teilnehmer zubewegt.Wenn sich das bewegliche Ziel hinter dem Okkluder bewegt, sollte es sich mit einer konstanten Geschwindigkeit von 30 Zentimetern pro Sekunde entlang der Y-Achse bewegen und für den Teilnehmer unsichtbar sein. Während dieser Pause sollte der Teilnehmer die Handhaltung in der vorgestellten Startposition halten. Sobald das bewegliche Ziel die Hälfte der Länge des Occluders erreicht hat, gabelt es sich entlang eines der invertierten Y-Ausgänge mit einer zusätzlichen X-Geschwindigkeitskomponente.

Das Ziel verschwindet für eine konstante Verzögerung von etwa einer halben Sekunde, wobei die Verzögerung von der Größe des Okkluders und der Geschwindigkeit des Ziels abhängt. Wenn das sich bewegende Ziel den Rand des Occluders erreicht, stellen Sie sicher, dass die Software es unsichtbar hält, bis das vollständige Ziel aufgetaucht ist, und es erst dann dem Teilnehmer präsentiert. Das Ziel sollte einer zufälligen Seite auf einem der invertierten Y-Pfade präsentiert werden, während die Hand des Teilnehmers in der Ausgangsposition bleibt.

Der genaue Zeitpunkt des Auftauchens des Ziels muss bekannt sein, um eine genaue Messung der schnellen visuomotorischen Reaktionen zu gewährleisten. Hier präsentieren wir einen weiteren visuellen Stimulus, der vom Teilnehmer nicht gesehen wird, auf eine Fotodiode, die sich in der Ecke des Bildschirms genau zum Zeitpunkt des Auftauchens des Ziels befindet. Diese Fotodiode liefert ein analoges Signal für die Ausrichtung der Muskelaktivität und der Reaktionszeiten.

Abhängig vom Greifverhalten des Teilnehmers gibt diese Software während des Intervalls zwischen den Versuchen eine Rückmeldung in Form von Text, der auf den Okkluder geschrieben wird. Das Feedback sagt Treffer für korrektes Abfangen, falscher Weg für falsche Reichweitenrichtung oder Fehlschlag für weder richtige noch falsche Reaktionen, die während des Intervalls zwischen den Versuchen erkannt wurden. Das bewegliche Ziel und die Startposition erscheinen 200 Millisekunden nach Abschluss des Reichweitenverhaltens des Teilnehmers wieder an ihren jeweiligen ursprünglichen Positionen.

Starten Sie den nächsten Versuch, wenn der Teilnehmer die RTC in die Startposition bringt. Minimieren Sie die Bewegung des Teilnehmers zwischen den einzelnen Blöcken, um die Konsistenz der Aufnahmen zu gewährleisten. Nach der mündlichen Bestätigung, dass der Teilnehmer bereit ist, den nächsten Block zu beginnen, initiieren Sie den nächsten Block und überwachen Sie weiterhin die Leistung der Teilnehmer und die EMG-Ausgabe.

Stimulus-Locked-Responses (SLRs) hingen vom Zielort ab, wobei SLRs am rechten Pectoralis major aus einer Zunahme oder Abnahme der Muskelrekrutierung nach links bzw. rechts richteter Zielpräsentation bestanden. Um SLRs zu detektieren, wurden separate Zeitreihen-Betriebskennlinienanalysen an Versuchen mit früheren oder späteren Reaktionszeiten als durchschnittlich durchgeführt. Diese Analyse zeigte, ob der Beginn der Elektromyographie invariant gegenüber dem Stimulus- oder Bewegungsbeginn war, was durch die Steigung der Linie zwischen frühen und späten Diskriminierungszeiten bestimmt wurde, die als Funktion der Reaktionszeit aufgetragen wurde.

Hier werden Daten von zwei Probanden gezeigt, die sich auf ein stationäres Objekt oder ein sich bewegendes Ziel zubewegen. Teilnehmer eins zeigt keine SLR im statischen Paradigma, aber eine klare SLR ist im entstehenden Zielparadigma zu sehen. Die SLR zeigte sich auch in den mittleren Elektromyographie-Spuren für Teilnehmer eins im aufkommenden Zielparadigma.

Während Teilnehmer zwei sowohl im statischen als auch im emergenten Zielparadigma eine SLR aufwies, war die Größe der SLR im emergenten Zielparadigma viel größer. Im Durchschnitt war die SLR-Magnitude im entstehenden Paradigma im Vergleich zum statischen Paradigma erheblich größer. Im Gegensatz dazu unterschied sich die Latenz der detektierten SLRs nicht zwischen den beiden Paradigmen.

SLRs wurden bei allen fünf Teilnehmern des Emerging Target-Paradigmas nachgewiesen, aber nur bei drei Teilnehmern eines Paradigmas mit statischen Targets. Die SLR-Magnituden in der Anti-Reach-Bedingung waren im Vergleich zu der in der Pro-Reach-Bedingung gedämpft. Das Paradigma könnte variiert werden, um die sensorischen, kognitiven oder motorischen Faktoren besser zu verstehen, die schnelle visuomotorische Reaktionen beeinflussen.

Zukünftige Experimente könnten die Zielgeschwindigkeit variieren, die Zeit hinter dem Okkluder ändern oder von den Teilnehmern verlangen, zu wählen, welche Hand sie bewegen möchten. Wir haben begonnen, zuverlässige Reaktionen zu verwenden, die durch das aufkommende Zielparadigma hervorgerufen werden, um das schnelle visuomotorische System bei älteren Teilnehmern und bei Patienten mit Parkinson-Krankheit zu untersuchen.