Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Wyłaniający się paradygmat docelowy wywołujący szybkie reakcje wzrokowo-ruchowe na mięśniach kończyn górnych człowieka

3.7K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/61428

⸱

25 sierpnia 2020

 ,  , 
1Graduate Program in Neuroscience, Western University, 2Department of Physiology and Pharmacology, Western University, 3Department of Psychology, Western University, 4Robarts Research Institute

W tym artykule

Podsumowanie

Prezentowany tutaj jest paradygmat behawioralny, który wywołuje silne szybkie reakcje wzrokowo-motoryczne na mięśniach kończyn górnych człowieka podczas wzrokowo kierowanych dotrzeń.

Streszczenie

Aby dotrzeć do widzianego obiektu, informacje wizualne muszą zostać przekształcone w polecenia motoryczne. Informacje wizualne, takie jak kolor, kształt i rozmiar obiektu, są przetwarzane i integrowane w wielu obszarach mózgu, a następnie ostatecznie przekazywane do peryferii motorycznych. W niektórych przypadkach konieczna jest jak najszybsza reakcja. Te szybkie przemiany wzrokowo-motoryczne i leżące u ich podstaw podłoża neurologiczne są słabo poznane u ludzi, ponieważ brakuje im wiarygodnego biomarkera. Reakcje zablokowane pod kątem bodźca (SLR) to krótkie opóźnienia (<100 ms) wybuchy aktywności elektromiograficznej (EMG) reprezentujące pierwszą falę rekrutacji mięśni, na którą wpływa prezentacja bodźca wzrokowego. SLR zapewniają wymierny wynik szybkich przemian wzrokowo-ruchowych, ale SLR nie były konsekwentnie obserwowane u wszystkich osób w poprzednich badaniach. W tym miejscu opisujemy nowy, behawioralny paradygmat charakteryzujący się nagłym pojawieniem się ruchomego celu poniżej przeszkody, która konsekwentnie przywołuje na myśl solidne lustrzanki. Ludzcy uczestnicy generowali wizualnie kierowane sięgania w kierunku lub od wyłaniającego się celu za pomocą robotycznego manipulandum, podczas gdy elektrody powierzchniowe rejestrowały aktywność EMG z mięśnia piersiowego większego. W porównaniu z poprzednimi badaniami, w których badano lustrzanki za pomocą bodźców statycznych, lustrzanki wywołane tym wyłaniającym się paradygmatem docelowym były większe, ewoluowały wcześniej i były obecne u wszystkich uczestników. Czasy reakcji zasięgu (RT) zostały również przyspieszone w powstającym paradygmacie docelowym. Paradygmat ten daje liczne możliwości modyfikacji, które mogą pozwolić na systematyczne badanie wpływu różnych manipulacji sensorycznych, poznawczych i motorycznych na szybkie reakcje wzrokowo-motoryczne. Ogólnie rzecz biorąc, nasze wyniki pokazują, że wyłaniający się paradygmat docelowy jest w stanie konsekwentnie i solidnie wywoływać aktywność w szybkim układzie wzrokowo-ruchowym.

Wprowadzenie

Gdy zauważymy wiadomość na naszym telefonie komórkowym, jesteśmy proszeni o wykonanie wizualnego gestu, aby podnieść nasz telefon i przeczytać wiadomość. Cechy wizualne takie jak kształt i rozmiar telefonu są przekształcane w komendy motoryczne, co pozwala nam skutecznie osiągnąć cel. Takie przemiany wzrokowo-ruchowe mogą być badane w warunkach laboratoryjnych, które pozwalają na wysoki stopień kontroli. Są jednak scenariusze, w których ważny jest czas reakcji, np. złapanie telefonu, gdyby upadł. Badania laboratoryjne nad szybkimi zachowaniami wzrokowo-motorycznymi często opierają się na paradygmatach przemieszczonego celu, w których trwające ruchy są modyfikowane w trakcie lotu po pewnej zmianie pozycji docelowej (np. patrz ref.1,2). Podczas gdy takie poprawki online mogą wystąpić w ciągu <150ms 3, trudno jest ustalić dokładny czas szybkiego wyjścia wzrokowo-motorycznego przy użyciu samej kinematyki ze względu na charakterystykę filtrowania dolnoprzepustowego ramienia oraz dlatego, że szybki sygnał wzrokowo-ruchowy zastępuje ruch już w trakcie lotu. Takie komplikacje prowadzą do niepewności co do substratów leżących u podstaw szybkich reakcji wzrokowo-ruchowych (zobacz ref.4 w celu przeglądu). Niektóre badania sugerują, że struktury podkorowe, takie jak wzgórek górny, a nie obszary korowe czołowo-ciemieniowe, mogą inicjować korekty online5.

Ta niepewność co do leżących u podstaw substratów neuronalnych może wynikać, przynajmniej częściowo, z braku wiarygodnego biomarkera dla wyjścia szybkiego układu wzrokowo-ruchowego. Niedawno opisaliśmy pomiar szybkich reakcji wzrokowo-ruchowych, które mogą być generowane na podstawie pozycji statycznych i rejestrowane za pomocą elektromiografii (EMG). Reakcje zablokowane na bodziec (SLR) to zablokowane w czasie wybuchy aktywności EMG, które poprzedzają dobrowolny ruch6,7, ewoluujące konsekwentnie ~100 ms po wystąpieniu bodźca. Jak sama nazwa wskazuje, SLR-y są wywoływane przez nadejście bodźca, utrzymując się nawet wtedy, gdy ewentualny ruch zostanie wstrzymany8 lub porusza się w przeciwnym kierunku9. Co więcej, SLR-y wywołane przemieszczeniem celu w paradygmacie dynamicznym są związane z krótszymi opóźnieniami poprawek online10. W ten sposób SLR zapewniają obiektywną miarę do systematycznego badania wyników szybkiego układu wzrokowo-ruchowego zaangażowanego w RT o krótkim opóźnieniu, ponieważ mogą być generowane z pozycji statycznej i analizowane z innych sygnałów EMG niezwiązanych z początkową fazą szybkiej reakcji wzrokowo-ruchowej.

Celem obecnego badania jest przedstawienie wizualnie sterowanego paradygmatu docierania, który solidnie wywołuje lustrzanki. Poprzednie badania nad SLR wykazały mniej niż 100% wykrywalność u uczestników, nawet przy użyciu bardziej inwazyjnych nagrań domięśniowych6,8,9. Niskie wskaźniki wykrywalności i poleganie na zapisach inwazyjnych ograniczają przydatność pomiarów SLR w przyszłych badaniach nad szybkim układem wzrokowo-ruchowym w chorobie lub przez całe życie. Podczas gdy niektóre osoby mogą po prostu nie wyrażać lustrzanek, bodźce i paradygmaty behawioralne używane wcześniej mogły nie być idealne do wywołania lustrzanki. Wcześniejsze doniesienia o lustrzankach zazwyczaj wykorzystywały paradygmaty, w których uczestnicy generowali wizualnie kierowane zasięgi w kierunku statycznych, nagle pojawiających się celów6,9. Jednak szybki układ wzrokowo-ruchowy jest najbardziej prawdopodobny w scenariuszach, w których trzeba szybko wchodzić w interakcję z spadającym lub latającym obiektem, co prowadzi do zastanowienia się, czy poruszanie się, a nie bodźce statyczne, może lepiej przywoływać lustrzanki. W związku z tym dostosowaliśmy paradygmat ruchomego celu używany do badania ruchów gałek ocznych11 i połączyliśmy go z pro/anty wizualnie kierowanym zadaniem sięgania, używanym do badania klasy SLR9. W porównaniu z wynikami paradygmatów używanych wcześniej6,8,9, stwierdzono, że SLR w wyłaniającym się paradygmacie docelowym ewoluowały wcześniej, osiągały wyższe wielkości i były bardziej rozpowszechnione w naszej próbie uczestników. Ogólnie rzecz biorąc, wyłaniający się paradygmat docelowy sprzyja ekspresji szybkich reakcji wzrokowo-motorycznych do tego stopnia, że obiektywne pomiary EMG mogą być wykonywane wiarygodnie na podstawie zapisów powierzchniowych, wzmacniając badania w populacjach klinicznych i przez całe życie. Co więcej, wyłaniający się paradygmat docelowy może być modyfikowany na wiele różnych sposobów, promując bardziej szczegółowe badania nad czynnikami sensorycznymi, poznawczymi i motorycznymi, które promują lub modyfikują szybkie reakcje wzrokowo-motoryczne.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

Wszystkie procedury zostały zatwierdzone przez Radę Etyki Badań Nauk o Zdrowiu na Uniwersytecie Zachodniego Ontario. Wszyscy uczestnicy wyrazili świadomą zgodę, otrzymali wynagrodzenie za udział i mogli wycofać się z eksperymentu w dowolnym momencie.

1. Przygotowanie uczestników

UWAGA: Badano małą próbkę zdrowych, młodych uczestników (3 kobiety, 2 mężczyzn; średni wiek: 26 lat +/- 3,5). Wszyscy uczestnicy byli praworęczni i mieli normalne lub skorygowane do normalnego widzenia, bez obecnych zaburzeń wzrokowych, neurologicznych lub mięśniowo-szkieletowych. Uczestnicy z historią urazów lub zaburzeń kończyn górnych układu mięśniowo-szkieletowego zostali wykluczeni

.
  1. Zastosuj czujniki EMG do docelowego mięśnia kończyny górnej zaangażowanego w badany ruch sięgania. W tym przypadku zapisy EMG wykonano z obojczykowej głowy prawego mięśnia piersiowego większego, który jest rekrutowany do sięgania w poprzek ciała (w lewo).
    UWAGA: Nagrania mogą być wykonywane z innych mięśni kończyny górnej lub z mostkowej lub bocznej części mięśnia piersiowego większego.
    1. Wizualizuj mięsień docelowy, żądając działania, o którym wiadomo, że rekrutuje mięsień będący przedmiotem zainteresowania. W przypadku obojczyka głowy mięśnia piersiowego większego poproś uczestnika, aby rozluźnił łokcie po bokach i zsunął dłonie do siebie. Jeśli masz trudności z wizualizacją mięśnia docelowego, zbadaj palpacyjnie obszar zainteresowania, jednocześnie prosząc uczestnika o wielokrotne wykonanie żądanej czynności, a następnie celuj w obszary z zauważalnymi zmianami w mięśniu w celu umieszczenia elektrod.
      UWAGA: Wizualizacja odnosi się do identyfikacji mięśnia docelowego poprzez widzenie kształtu mięśnia przez leżącą nad nim skórę, gdy uczestnik wykonuje czynność, która rekrutuje mięsień. Wizualizacja pomaga w lokalizacji docelowego mięśnia.
    2. Za pomocą wacików nasączonych alkoholem oczyść powierzchnię skóry nad mięśniem docelowym, w którym zostanie umieszczona elektroda, a także nad obszarem, w którym będzie znajdować się elektroda uziemiająca.
    3. Przygotuj czujniki powierzchniowe, nakładając kleje i żel do elektrod.
    4. Poproś uczestnika, aby ponownie wykonał czynność związaną z rekrutacją mięśni i przykleił czujniki do brzucha mięśniowego, ustawiając je tak, aby leżały równolegle do kierunku włókien docelowego mięśnia. Umieść elektrodę masową na obojczyku po przeciwnej stronie do ramienia sięgającego. Przymocuj czujniki i elektrody uziemiające do otaczającej skóry za pomocą taśmy medycznej. Włącz system EMG, aby umożliwić pobieranie EMG przez cały czas trwania eksperymentu.
      UWAGA: Po umieszczeniu elektrod EMG, dane EMG są zbierane pasywnie i w sposób ciągły przez cały czas trwania eksperymentu za pośrednictwem systemu EMG i zapisywane jako analogowy strumień danych do późniejszej analizy.
    5. Sprawdź jakość sygnału EMG za pomocą monitora biurkowego lub oscyloskopu podłączonego do systemu EMG. Aby określić odpowiednią jakość, poproś uczestnika, aby wykonał ruch sięgający w preferowanym kierunku lub przeciwnie do preferowanego kierunku mięśnia będącego przedmiotem zainteresowania i upewnij się, że aktywność EMG odpowiednio wzrasta lub maleje. Jeśli nie ma żadnej aktywności w spoczynku, upewnij się, że aktywność EMG nie wzrasta przy ruchu w niepreferowanym kierunku.
      UWAGA: Jakość sygnału mięśniowego z elektrod powierzchniowych zależy od wielu cech (np. idiosynkratycznego rozmieszczenia tkanki tłuszczowej, postawy badanego). Zaleca się, aby szczytowa aktywność EMG związana z ruchem w preferowanym (kurczącym się) kierunku była co najmniej 2 razy większa niż poziom aktywności w spoczynku, ale powinna być znacznie wyższa.
    6. W razie potrzeby zmień położenie elektrod, aby upewnić się, że te poziomy aktywności są przestrzegane. Pozostaw monitor viewlub oscyloskop podłączony przez cały czas trwania eksperymentu, aby stale monitorować wyjście EMG.
  2. Ustaw konkretnego uczestnika z zastosowanymi czujnikami EMG w zrobotyzowanym aparacie do sięgania, który umożliwia dotarcie do ruchów w płaszczyźnie poziomej i przyłożenie siły do manipulandum.
    UWAGA: Dodanie siły działającej na mięsień będący przedmiotem zainteresowania zwiększa aktywność tła, co pozwala na wyrażenie SLR jako wzrostu lub spadku aktywności mięśni po prezentacji bodźca odpowiednio w preferowanym lub niepreferowanym kierunku mięśnia. Poziom aktywności wyjściowej jest szczególnie przydatny w kierunku niepreferowanym, ponieważ aktywność związana z osiąganiem na linii podstawowej i niepreferowanej byłaby nie do odróżnienia bez siły obciążającej w tle. Przyłożona siła 5N w prawo i 2N siły w dół (przeciwnie do celu skierowanego w lewo w stosunku do pozycji początkowej) przez cały czas trwania eksperymentu może być wystarczająca. Siła powinna pozostać stała przez cały czas trwania eksperymentu, więc w razie potrzeby można użyć mniejszych sił.
    1. Posadź uczestnika na krześle eksperymentalnym, stawiając na pierwszym miejscu komfort uczestnika w odniesieniu do dodanego nacisku na kończynę, aby zminimalizować zmiany postawy podczas eksperymentu.

2. Budowa bodźców/ aparatura

  1. Generuj wszystkie procedury eksperymentalne i bodźce w zrobotyzowanym aparacie docierającym z wbudowanym wyświetlaczem wizualnym.
    UWAGA: Upewnij się, że zrobotyzowany aparat docierający jest wyposażony w interfejs między wyjściem wizualnym a wyjściem silnika manipulandowego, który umożliwia jednoczesne zapisy analogowe (np. pozycja manipulandum, wyjście fotodiody) i EMG. Upewnij się, że aparatura ta jest wyposażona w oprogramowanie zdolne do uruchamiania bloków indywidualnych, wstępnie zaprogramowanych prób ze wszystkimi wstępnie zaprogramowanymi komponentami wizualnymi. Wbudowany wyświetlacz wizualny może być standardowym monitorem lub niestandardowym projektorem wysokiej jakości; Zaleca się jednak projektory wyższej jakości, aby zapewnić rozdzielczość czasową i wizualną wyświetlanego celu.
    1. Wygeneruj 4 podstawowe składniki wyłaniającego się paradygmatu docelowego (patrz rysunek uzupełniający 1) za pomocą wbudowanego oprogramowania, które steruje wyświetlaniem wizualnym.
      UWAGA: Wszystkie komponenty powinny być generowane za pomocą wbudowanego oprogramowania, które wyświetla określone komponenty na wyświetlaczu wizualnym podczas każdej sesji zbierania danych. Każdy komponent jest ręcznie wprowadzany do oprogramowania, które przekształca współrzędne wejściowe kształtów w kształty widoczne na wyświetlaczu. Przed zebraniem danych odbywa się pełne kodowanie wszystkich komponentów i ruchów docelowych, dlatego podczas zbierania danych nie jest wymagana interwencja eksperymentatora w paradygmat, ponieważ paradygmat działa automatycznie na podstawie odpowiedzi uczestnika. Następujące współrzędne (podane w cm) odnoszą się do punktu środkowego dwóch początków manipulandum robota w zrobotyzowanym aparacie sięgającym używanym do zbierania danych od uczestników obecnego manuskryptu. Wszystkie elementy paradygmatu są widoczne dla uczestnika podczas każdej próby, z wyjątkiem pozycji początkowej, która znika po pojawieniu się ruchomego celu. Inny aparat może korzystać z innego układu odniesienia.
      1. Wygeneruj odwróconą ścieżkę y, ręcznie wprowadzając współrzędne dla sześciu prostokątów o następujących współrzędnych (y: - 19 (góra odwróconego y) lub -34 (dół odwróconego y), x:-/+2 (wewnętrzna, dolna odwrócona y), -/+8 (zewnętrzna dolna odwrócona y); szerokość .5 wysokość: 20 (góra) lub 15 (dół)).
      2. Wygeneruj okluder, ręcznie wprowadzając współrzędne dla jednego dużego prostokąta (wyśrodkowanego na: 0, -29; szerokość: 35, wysokość: 15) nakładającego się na środek odwróconej ścieżki y. Kolor tego okludera może się różnić w zależności od próby, stanowiąc instrukcję dla uczestnika.
        UWAGA: Okluder zawiera wycięcie na środku na dole między dwoma wyjściami (0, -29; szerokość: 5 wysokość: 5). Uczestnik jest instruowany, aby: "zamocuj wcięcie, gdy cel znajduje się za okluderem". Dzięki temu oko jest stabilne w momencie pojawienia się celu. Okluder będzie miał kolor czerwony lub zielony na początku każdej próby.
      3. Wygeneruj ruchomy cel, ręcznie wprowadzając współrzędne dla jednego okręgu, który ostatecznie przesunie się w dół odwróconej y i za okluder (start: 0, -17; promień: 1; prędkość: 10 cm/s, prędkość za okluderem: 30 cm/s).
        UWAGA: Ruchomy cel (T1) jest widoczny i nieruchomy na początku każdej próby.
      4. Wygeneruj w oprogramowaniu, w jaki sposób cel będzie się poruszał, określając współrzędne x i y ruchu celu.
        UWAGA: Prędkość celu jest obliczana na podstawie odległości kolejnych współrzędnych x i y. Właściwa prezentacja ruchu obiektu zależy od zdolności oprogramowania i wyświetlacza wizualnego do prawidłowej aktualizacji każdej pozycji x i y w krótkich odstępach czasu. W oprogramowaniu zmień status ruchomego celu na "niewidoczny dla uczestnika", gdy pozycja x i y celu przesunęła się całkowicie poniżej okludera, aż pozycja x i y całkowicie wyłoni się z okludera.
      5. Wygeneruj pozycję początkową (0, -42; promień 1). Uczestnik będzie musiał zdobyć tę pozycję, aby rozpocząć każde badanie.
    2. Wygeneruj kursor w czasie rzeczywistym (RTC) reprezentujący pozycję ręki uczestnika na ekranie w czasie rzeczywistym.
      UWAGA: Ręka/ramię uczestnika było zasłonięte podczas eksperymentu przez lustro skierowane w górę, odbijające cele przedstawione w dół. Można to zrobić za pomocą wbudowanych funkcji oprogramowania specyficznych dla urządzenia, które umieszczają cel nad stale aktualizowanymi współrzędnymi x i y wskazówki.

3. Procedura

  1. Kliknij przycisk "Start" w powiązanym oprogramowaniu wyświetlanym na ekranie eksperymentatora, który inicjuje pierwszą próbę i siłę generowaną przez zrobotyzowaną aparaturę sięgającą przyłożoną do kończyny górnej uczestnika.
    UWAGA: Po tym, jak eksperymentator kliknie start, eksperymentator nie wymaga żadnej interwencji, aż do momentu, gdy eksperymentator musi ponownie nacisnąć start. Interwencja eksperymentatora może być również wymagana, jeśli sygnał EMG, który jest stale monitorowany, zmienia się lub uczestnik nie jest w stanie ukończyć eksperymentu. W przypadku wystąpienia sytuacji awaryjnej wszystkie eksperymenty należy natychmiast przerwać. Siła przyłożona do ręki uczestnika jest automatycznie zatrzymywana, jeśli uczestnik puści uchwyt za pomocą wbudowanych programów do zadań. Zaleca się stosowanie aparatury z przyciskiem do zakończenia eksperymentu w sytuacjach awaryjnych.
    1. Poinstruuj ustnie uczestnika, aby rozpoczął pierwszą próbę, ustawiając RTC (wskazywane przez pozycję manipulandum) do pozycji początkowej (T0) na zmienny czas 1-1,5 s. Okluder zmienia kolor, aby poinstruować badanego, że nadchodzące badanie wymaga pro- lub anty-zasięgu.
      UWAGA: Wprowadzenie RTC do T0 inicjuje każdą próbę. Jeśli uczestnik opuści pozycję startową T0 przed wyznaczonym czasem, próba rozpocznie się ponownie, gdy RTC powróci do T0.
    2. Upewnij się, że ruchomy cel (T1), który był nieruchomy i widoczny dla uczestnika na szczycie odwróconego y (2.1.1.3), zaczyna poruszać się w kierunku uczestnika wzdłuż ścieżki odwróconego y, która została zainicjowana przez uczestnika wprowadzającego RTC do T0 w poprzednim kroku.
      UWAGA: Gdy T1 zaczyna się poruszać, T0 znika. Po tym czasie na ramię uczestnika nie są nakładane żadne ograniczenia, jednak uczestnik jest instruowany, aby pozostać w wyimaginowanych granicach T0.
    3. Upewnij się, że T1 porusza się za okluderem i jest niewidoczny dla uczestnika. Podczas tego interwału uczestnik utrzymuje pozycję dłoni w wyobrażonym T0.
    4. Upewnij się, że T1 porusza się za okluderem ze stałą prędkością 30 cm/s wzdłuż osi y w kierunku uczestnika. Gdy T1 osiągnie połowę długości okludera, rozgałęzia się wzdłuż jednego z odwróconych wyjść y z dodatkowym składowym prędkości x. W ten sposób prędkość wzdłuż osi y jest utrzymywana na stałym poziomie. Cel znika ze stałym opóźnieniem ~0,5 s, przy czym opóźnienie zależy od wielkości okludera i prędkości ruchu T1.
    5. Gdy T1 dotrze do krawędzi okludera znajdującej się najbliżej uczestnika, upewnij się, że program komputerowy nie przedstawia T1 jako wyłaniającego się przez przesunięcie się przez krawędź okludera, ponieważ początkowo stanowiłoby to bodziec "półksiężyca" dla układu wzrokowego. Zamiast tego sprawdź, czy program utrzymuje T1 niewidoczny do momentu pojawienia się pełnego celu, a następnie przedstawia go uczestnikowi.
      UWAGA: Ma to na celu kontrolę efektów przetwarzania wzrokowego bodźców częściowych, zwłaszcza jeśli używane są różne prędkości celów, które przekraczałyby granicę w różnym czasie. Częściowe pojawienie się celu (np. bodziec półksiężyca) powoduje powstanie celu składającego się początkowo z wyższej częstotliwości przestrzennej, co w oparciu o poprzednie wyniki doprowadziłoby do zwiększenia opóźnienia SLR i zmniejszenia magnitudo10.
    6. Sprawdź, czy program przedstawia T1 w losowo położoną stronę na jednej z dwóch odwróconych ścieżek y, podczas gdy ręka uczestnika pozostaje nieruchoma na T0,
      UWAGA: Równocześnie z pojawieniem się T1 spod okludera, w rogu ekranu, w miejscu pokrytym fotodiodą, prezentowany jest cel wtórny. Ten cel prezentowany fotodiodzie nie jest widziany przez obiekt, ale dostarcza sygnał analogowy do fotodiody zintegrowanej z robotycznym urządzeniem docierającym. Ten sygnał fotodiody pozwala na precyzyjne dopasowanie wyglądu celu do aktywności mięśni i zapewnia, że w zrobotyzowanym aparacie docierającym nie występują żadne opóźnienia ani opóźnienia.
    7. Kiedy T1 wyłania się zza okludera, sprawdź, czy uczestnik jest w stanie wygenerować wizualnie kierowany zasięg w zależności od koloru okludera. Gdy okluder jest zielony, poproś uczestnika o przechwycenie T1 za pomocą RTC. Gdy okluder jest czerwony, poproś uczestnika o odsunięcie zegara RTC od T1.
      UWAGA: Zielony kolor okludera (2.1.1.2) oznacza zasięg pro (tj. w kierunku okkuldera), a kolor czerwony wskazuje z dala od ruchomego celu T1 (tj. antyzasięg). W warunkach zapobiegających dotarciu prawidłowe przechwycenie nie opiera się na odbiciu lustrzanym T1, ale raczej na odległości poziomej względem T0.
    8. W zależności od ich zachowania podczas docierania, przekaż informację zwrotną jako "trafienie" (prawidłowe przechwycenie), "niewłaściwa droga" (nieprawidłowy kierunek dla dotarcia za/przeciw) lub "chybione" (nie wykryto ani prawidłowych, ani nieprawidłowych odpowiedzi) w okresie między próbami. Ta informacja zwrotna składa się z tekstu napisanego na okluderze.
    9. Upewnij się, że T1 i T0 pojawią się ponownie w swoich pierwotnych lokalizacjach 200 ms po zakończeniu działania uczestnika w zakresie zasięgu. Rozpocznij następną próbę, gdy uczestnik doprowadzi RTC do T0.
  2. Poproś każdego uczestnika o wykonanie 4 bloków po 100 prób, co da 100 osiągnięć na warunek. Losowo dobieraj typy prób przemieszane z pro lub anty-reachs po bodźcach lewych i prawych. Ukończenie każdego bloku zajmuje około 7,5 minut.
    UWAGA: Zaleca się, aby każdy warunek składał się z co najmniej ~80 powtórzeń podczas korzystania z nagrań powierzchniowych, ponieważ następny krok analizy opiera się na danych z wielu prób wykrywania SLR.
    1. Zminimalizuj ruch uczestnika między każdym blokiem, aby zapewnić spójność nagrań. Po ustnym potwierdzeniu, że uczestnik jest gotowy do rozpoczęcia następnego bloku, zainicjuj następny blok i kontynuuj monitorowanie wydajności uczestnika i wyjścia EMG.
      UWAGA: Ciągłe monitorowanie wyjścia EMG za pomocą monitora biurkowego przez eksperymentatora może być wymagane do wykrycia problemów z powierzchniowymi zapisami EMG. Na przykład podczas dłuższych okresów ruchów sięgających powierzchniowe elektrody EMG mogą odkleić się od skóry uczestnika z powodu pocenia się.
  3. Zbierz dane z statycznego paradygmatu kontrolnego, aby umożliwić porównanie danych z danymi uzyskanymi w powstającym paradygmacie docelowym.
    UWAGA: Można to zrobić przed lub po powstającym paradygmacie docelowym. Aby utworzyć statyczny paradygmat sterowania, powtórz kroki 2.1.1.3, 2.1.1.5, 2.2, 3.1, 3.1.1, 3.1.7, 3.2 i 3.2.1; jednak w kroku 2.1.1.3 nie należy kodować T1, zaczynając od góry ekranu i przesuwając się w kierunku uczestnika. Zamiast tego ustaw T1 tak, aby pojawił się po lewej lub prawej stronie T0. Co więcej, T0 jest teraz albo czerwony, albo zielony, podobnie jak okluder używany w wyłaniającym się paradygmacie docelowym. Rozprawa przebiega w sposób opisany poniżej.
    1. Ustnie poinstruuj uczestnika, aby przyłożył RTC do T0, aby rozpocząć pierwszą próbę, która znajduje się w tym samym miejscu, co w wyłaniającym się paradygmacie docelowym.
    2. Upewnij się, że program przedstawia T0 jako czerwony lub zielony, aby wskazać odpowiednio pro lub anty reach. Losowo wybierz okres wstrzymania wynoszący 1-2 sekundy dla uczestnika, aby utrzymać RTC w T0.
    3. Upewnij się, że program przedstawia statyczny cel po lewej lub prawej stronie, 10 cm od T0. Losowo dobieraj stronę docelową w różnych próbach.
    4. Podobnie jak w paradygmacie wyłaniającego się celu, poproś uczestnika, aby sięgnął w kierunku celu, jeśli T0 jest zielony, i sięgnął w diametralnie przeciwnym kierunku od celu, jeśli T0 jest czerwony. Następna próba przebiega po kontakcie z lokalizacją docelową lub anty-docelową.
    5. Upewnij się, że każdy uczestnik wykonał 4 bloki po 100 prób, uzyskując 100 osiągnięć na warunek. Typy badań były losowo mieszane.

4. Analiza

  1. Analizuj wszystkie dane w niestandardowych skryptach offline i odrzucaj próby błędów.
    UWAGA: Próby błędów są definiowane przez nieprawidłowe kierunki zasięgu (3,5 cm), długie RT (>500 ms) wskazujące na domniemaną nieuwagę lub krótkie RT (<120) wskazujące na przewidywanie.
    1. Wyznacz czas reakcji (RT) dla osiągnięcia ruchów dla każdej próby, identyfikując czas, w którym ruch przekroczył 8% szczytowej prędkości stycznej.
      UWAGA: Można użyć innych metod definiowania RT.
    2. Aby przeanalizować aktywność mięśni, użyj skryptów offline, aby przekonwertować sygnały EMG na mikrowolty źródłowe, usunąć wszelkie przesunięcia DC, sprostować sygnał EMG i przefiltrować sygnał za pomocą 7-punktowego filtra średniej ruchomej.
    3. Użyj analizy charakterystyki operacyjnej odbiornika (ROC) szeregów czasowych, aby wykryć obecność i opóźnienie SLR6,7.
      UWAGA: Można zastosować alternatywne metody określania czasowego charakteru aktywności SLR.
      1. Aby przeprowadzić analizę ROC szeregów czasowych, należy posegregować dane EMG na podstawie strony prezentacji docelowej i warunków badania (Rysunek 1a pokazuje dane po lewej i prawej stronie dla pro-reaches).
      2. Oblicz obszar pod krzywą ROC dla dwóch populacji, dla każdej próbki czasowej (1 ms) od 100 ms przed do 300 ms po prezentacji docelowej (np. Rysunek 2c).
        UWAGA: Wartość ROC wynosząca 0,5 wskazuje na dyskryminację losową, podczas gdy wartości 1 lub 0 wskazują odpowiednio na całkowicie poprawną lub nieprawidłową dyskryminację w odniesieniu do prezentacji celu.
      3. Określ opóźnienie dyskryminacji jako pierwszy z 8 z 10 kolejnych punktów, które przekroczyły wartość 0,6 (Rysunek 2c oznaczony pionowymi czerwonymi lub niebieskimi liniami).
        UWAGA: Próg i liczba punktów przekraczających próg mogą się zmieniać w zależności od jakości i ilości powierzchniowych lub domięśniowych zapisów EMG, a do obiektywnego określenia przedziałów ufności można zastosować analizę bootstrapping. Wcześniejsze prace wykazały, że wartość 0,6 odpowiada w przybliżeniu 95% przedziałowi ufności12.
    4. Aby określić obecność SLR w próbach pro-reach, użyj analizy RT-split (patrz Rysunek 18), przy czym kroki 4.1.3.2 i 4.1.3.3 są wykonywane oddzielnie dla wczesnej i późnej połowy zasięgu w oparciu o RT (Rysunek 1a próby fioletowe i próby zielone).
      1. Wykreśl czas wczesnej dyskryminacji i średnią wczesną RT jako jeden punkt, a następnie wykreśl czas późnej dyskryminacji i średnią późną RT jako drugi punkt na tym samym wykresie. Połącz te dwa punkty linią (Rysunek 1c). SLR jest wykrywany, gdy nachylenie tej linii przekracza 67.5°.
        UWAGA: Dla tej linii nachylenie 90° wskazywałoby, że czasy dyskryminacji EMG są idealnie zablokowane dla prezentacji bodźca (ponieważ aktywność EMG jest inicjowana z tym samym opóźnieniem, niezależnie od następującego czasu ruchu), podczas gdy nachylenie 45° wskazywałoby, że dyskryminacja EMG jest idealnie zablokowana na początek ruchu. W praktyce nachylenie graniczne 67,5° (w połowie odległości między 45° a 90°) służy do wykrywania, czy SLR był obecny (nachylenie > 67,5°), czy nie (nachylenie < 67,5°); ponieważ oznacza to, że aktywność EMG jest bardziej ograniczona do bodźca, a nie do początku ruchu.
    5. Jeśli określono obecność SLR, należy zdefiniować opóźnienie SLR za pomocą opóźnienia dyskryminacji ze wszystkich prób (4.1.3.3).
    6. Zdefiniuj wielkość SLR jako różnicę między lewą i prawą średnią liczbą śladów EMG (np. Rysunek 2c ciemnoczerwone w porównaniu z jasnoczerwonymi śladami lub ciemnoniebieskie w porównaniu z jasnoniebieskimi śladami) od opóźnienia SLR do 30 ms opóźnienia po dyskryminacji.
      UWAGA: Wartości czasu wielkości mogą być wydłużane lub skracane.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Reakcje zsynchronizowane z bodźcem (SLR) to krótkie serie aktywności mięśniowej zsynchronizowane czasowo z początkiem bodźca, które pojawiają się na długo przed większą falą rekrutacji mięśni związaną z rozpoczęciem ruchu. Czasowa synchronizacja SLR spowodowała powstanie „prążkowania” aktywności mięśniowej widocznego przy ~100 ms podczas analizy wszystkich prób posortowanych według czasu reakcji (RT) (Rysunek 1a, zaznaczone szarymi polami). Jak pokazano na Rysunku 1a

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Ludzie mają niezwykłą zdolność, w razie potrzeby, do generowania szybkich, wizualnie sterowanych działań przy opóźnieniach, które zbliżają się do minimalnych opóźnień przewodzenia aferentnego i odprowadzającego. Wcześniej opisaliśmy reakcje zablokowane na bodziec (SLR) na kończynie górnej jako nową miarę szybkich reakcji wzrokowo-ruchowych 6,9,10. Chociaż korzystne w dostarczaniu punktu odniesienia dla poszczególnych prób dla pi...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

Ta praca jest wspierana przez Grant Odkrywczy dla BDC od Kanadyjskiej Rady Badań Nauk Przyrodniczych i Inżynierii (NSERC; RGPIN 311680) oraz grant operacyjny dla BDC z Kanadyjskiego Instytutu Badań nad Zdrowiem (CIHR; MOP-93796). RAK był wspierany przez Ontario Graduate Scholarship, a ALC był wspierany przez grant NSERC CREATE. Aparatura eksperymentalna opisana w tym manuskrypcie była wspierana przez Kanadyjską Fundację na rzecz Innowacji. Dodatkowe wsparcie pochodziło z Canada First Research Excellence Fund (BrainsCAN).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Bagnoli-8 System EMG do powierzchni biurkowejDelsys Inc.użyć innego urządzenia docierającego
Kinarm End-Point RobotKinarm, Kingston, Ontario, KanadaMożna użyć innego urządzenia docierającego
MATLAB (wersja R2016a) Aplikacje Stateflow i SimulinkThe MathWorks, Inc., Natick, Massachusetts, Stany Zjednoczone
Projektor PROPixxVPIXX Saint-Bruno, QC, KanadaJest to niestandardowy dodatek do Kinarm. Można użyć innych wyświetlaczy. Rozdzielczość: 1920 x 1080. Można również używać standardowych monitorów do oglądania.
Można

Bibliografia

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. Gaveau, V., et al. Automatic online control of motor adjustments in reaching and grasping. Neuropsychologia. 55 (1), 25-40 (2014).
  5. Day, B. L., Brown, P. Evidence for subcortical involvement in the visual control of human reaching. Brain A Journal of Neurology. 124, Pt 9 1832-1840 (2001).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. Kowler, E. Cognitive expectations, not habits, control anticipatory smooth oculomotor pursuit. Vision Research. 29 (9), 1049-1057 (1989).
  12. 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).
  13. 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).
  14. Krekelberg, B., Vatakis, A., Kourtzi, Z. Implied motion from form in the human visual cortex. Journal of Neurophysiology. 94 (6), 4373-4386 (2005).
  15. 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).
  16. 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).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Odpowiedzi zsynchronizowane z bod cemelektromiografia EMGrobotyczny manipulandummi sie piersiowy wi kszyzasi gi sterowane wzrokowoczas reakcji RTsensoryczno poznawcze funkcje motorycznezaburzenia neurologiczne
Wyłaniający się paradygmat docelowy wywołujący szybkie reakcje wzrokowo-ruchowe na mięśniach kończyn górnych człowieka
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.