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Neuroscience

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

Published: August 25, 2020 doi: 10.3791/61428
Automatic Translation
1,4, 2,4, 1,2,3,4
1Graduate Program in Neuroscience, Western University, 2Department of Physiology and Pharmacology, Western University, 3Department of Psychology, Western University, 4Robarts Research Institute

Summary

Präsentiert hier ist ein Verhaltensparadigma, das robuste schnelle visuomotorische Reaktionen auf menschliche Obermaße Muskeln während visuell geführter Reichweiten auslöst.

Abstract

Um zu einem gesehenen Objekt zu gelangen, müssen visuelle Informationen in Motorbefehle umgewandelt werden. Visuelle Informationen wie Farbe, Form und Größe des Objekts werden in zahlreichen Gehirnbereichen verarbeitet und integriert und schließlich an die motorische Peripherie weitergeleitet. In einigen Fällen ist eine Reaktion so schnell wie möglich erforderlich. Diese schnellen visuomotorischen Transformationen und ihre zugrunde liegenden neurologischen Substrate sind beim Menschen schlecht verstanden, da ihnen ein zuverlässiger Biomarker fehlte. Stimulus-locked Responses (SLRs) sind kurze Latenz (<100 ms) Bursts der elektromyographischen (EMG) Aktivität, die die erste Welle der Muskelrekrutierung durch visuelle Stimulus-Präsentation beeinflusst. SLRs liefern eine quantifizierbare Leistung von schnellen visuomotorischen Transformationen, aber SLRs wurden nicht in allen Fächern in früheren Studien konsistent beobachtet. Hier beschreiben wir ein neues, verhaltensbezogenes Paradigma, das das plötzliche Auftauchen eines sich bewegenden Ziels unter einem Hindernis zeigt, das konsequent robuste SLRs evoziert. Menschliche Teilnehmer erzeugten visuell geführte Reichweiten in Richtung oder weg vom entstehenden Ziel mit einem Roboter-Manipulandum, während Oberflächenelektroden die EMG-Aktivität vom Hauptmuskel des Pectoralis aufzeichneten. Im Vergleich zu früheren Studien, die SLRs mit statischen Reizen untersuchten, waren die sLRs, die mit diesem aufkommenden Zielparadigma evoziert wurden, größer, entwickelten sich früher und waren bei allen Teilnehmern vorhanden. Reach-Reaktionszeiten (RTs) wurden auch im sich abzeichnenden Zielparadigma beschleunigt. Dieses Paradigma bietet zahlreiche Möglichkeiten zur Veränderung, die eine systematische Untersuchung der Auswirkungen verschiedener sensorischer, kognitiver und motorischer Manipulationen auf schnelle visuomotorische Reaktionen ermöglichen könnten. Insgesamt zeigen unsere Ergebnisse, dass ein sich abzeichnendes Zielparadigma in der Lage ist, in einem schnellen Visuomotorsystem konsequent und robust zu wirken.

Introduction

Wenn wir eine Nachricht auf unserem Handy bemerken, werden wir aufgefordert, eine visuell geführte Reichweite durchzuführen, um unser Telefon abzuholen und die Nachricht zu lesen. Visuelle Funktionen wie die Form und Größe des Telefons werden in Motorbefehle umgewandelt, die es uns ermöglichen, das Ziel erfolgreich zu erreichen. Solche visuomotorischen Transformationen können unter Laborbedingungen untersucht werden, die ein hohes Maß an Kontrolle ermöglichen. Es gibt jedoch Szenarien, in denen die Reaktionszeit wichtig ist, z. B. das Telefon zu fangen, wenn es fallen sollte. Laborstudien über schnellvisuomotorisches Verhalten basieren oft auf verdrängten Zielparadigmen, bei denen laufende Bewegungen während des Fluges nach einer Änderung der Zielposition modifiziert werden (siehe z.B. Ref.1,2). Während solche Online-Korrekturen in <150 ms3auftreten können, ist es schwierig, den genauen Zeitpunkt der schnellen Visuomotor-Ausgabe allein mit Kinematik zu ermitteln, da der Arm mit Niedrigen passieriert ist und weil die schnelle Visuomotor-Leistung eine Bewegung bereits während des Fluges ersetzt. Solche Komplikationen führen zu Unsicherheit über die Substrate, die schnellen visuomotorischen Reaktionen zugrunde liegen (siehe Ref.4 zur Überprüfung). Einige Studien deuten darauf hin, dass subkortikale Strukturen wie der überlegene Colliculus, anstatt fronto-parietale kortikale Bereiche, Online-Korrekturen initiieren können5.

Diese Ungewissheit in Bezug auf die zugrunde liegenden neuronalen Substrate kann zumindest teilweise auf das Fehlen eines zuverlässigen Biomarkers für die Leistung des schnellen Visuomotor-Systems zurückzuführen sein. Kürzlich haben wir ein Maß für schnelle visuomotorische Reaktionen beschrieben, die aus statischen Haltungen erzeugt und mittels Elektromyographie (EMG) aufgezeichnet werden können. Stimulus-gesperrte Reaktionen (SLRs) sind zeitgesperrte Ausbrüche der EMG-Aktivität, die der freiwilligen Bewegung6,7vorausgehen und sich nach DemBeginn des Stimulus konstant um 100 ms entwickeln. Wie der Name schon sagt, werden SLRs durch Stimulus-Beginn evoziert, auch wenn eine eventuelle Bewegung8 zurückgehalten wird oder sich in die entgegengesetzte Richtungbewegt 9. Darüber hinaus sind SLRs, die durch Zielverschiebung in einem dynamischen Paradigma evoziert werden, mit kürzeren Online-Latenzkorrekturen10verbunden. Somit bieten SLRs eine objektive Maßnahme zur systematischen Untersuchung des Ausgangs eines schnellen Visuomotorsystems, das an kurzen Latenz-RTs beteiligt ist, da sie aus einer statischen Haltung erzeugt und von anderen EMG-Signalen analysiert werden können, die nichts mit der Anfangsphase der schnellen Visuomotor-Reaktion zu tun haben.

Ziel der aktuellen Studie ist es, ein visuell geführtes Erreichensparadigma zu präsentieren, das SLRs robust hervorruft. Frühere Studien zur Untersuchung der Spiegelreflexkamera haben über weniger als 100 % Nachweisraten bei den Teilnehmern berichtet, selbst wenn sie invasivere intramuskuläre Aufnahmen6,8,9verwenden. Niedrige Nachweisraten und die Abhängigkeit von invasiven Aufzeichnungen begrenzen den Nutzen von SLR-Maßnahmen bei zukünftigen Untersuchungen des schnellen Visuomotoriksystems bei Krankheiten oder über die gesamte Lebensdauer hinweg. Während einige Probanden einfach keine SLRs ausdrücken, waren die zuvor verwendeten Reize und Verhaltensparadigmen möglicherweise nicht ideal, um die Spiegelreflexkamera zu evozieren. Frühere Berichte über SLRs haben in der Regel Paradigmen verwendet, bei denen Teilnehmer visuell geführte Reichweiten in Richtung statische, plötzlich erscheinende Ziele6,9generieren. Allerdings ist ein schnelles Visuomotor-System das wahrscheinlichste, das in Szenarien benötigt wird, in denen man schnell mit einem fallenden oder fliegenden Objekt interagieren muss, was dazu führt, dass man sich fragt, ob bewegungsische anstatt statische Reize sLRs besser evozieren können. Daher haben wir ein bewegliches Zielparadigma zur Untersuchung von Augenbewegungen11angepasst und es mit einer pro/anti visuell geführten Erreichungsaufgabe kombiniert, die zur Untersuchung der Spiegelreflexkamera9verwendet wird. Im Vergleich zu Denergebnissen von Paradigmen, die zuvor verwendet wurden6,8,9, wurde festgestellt, dass sich SLRs im sich abzeichnenden Zielparadigma früher entwickelten, höhere Magnituden erreichten und in unserer Teilnehmerstichprobe häufiger waren. Insgesamt fördert das sich abzeichnende Zielparadigma die Expression schneller visuomotorischer Reaktionen in einem solchen Maße, dass objektive EMG-Maßnahmen zuverlässig mit Oberflächenaufzeichnungen durchgeführt werden können, wodurch Die Studie innerhalb klinischer Populationen und über die gesamte Lebensdauer hinweg potenziert wird. Darüber hinaus kann das sich abzeichnende Zielparadigma auf viele verschiedene Arten geändert werden, wodurch gründlichere Untersuchungen der sensorischen, kognitiven und motorischen Faktoren gefördert werden, die schnelle visuomotorische Reaktionen fördern oder modifizieren.

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Protocol

Alle Verfahren wurden von der Health Science Research Ethics Board an der University of Western Ontario genehmigt. Alle Teilnehmer erteilten eine informierte Einwilligung, wurden für ihre Teilnahme bezahlt und konnten sich jederzeit vom Experiment zurückziehen.

1. Teilnehmervorbereitung

HINWEIS: Es wurde eine kleine Stichprobe gesunder, junger Teilnehmer untersucht (3 weiblich, 2 männlich; Durchschnittsalter: 26 Jahre +/- 3,5). Alle Teilnehmer waren Rechtshänder und hatten ein normales oder korrigiertes Sehvermögen ohne aktuelle Seh-, neurologische oder Muskel-Skelett-Erkrankungen. Teilnehmer mit einer Vorgeschichte von Muskel-Skelett-Verletzungen oder Störungen der oberen Gliedmaßen wurden ausgeschlossen.

  1. Wenden Sie EMG-Sensoren auf den gezielten Muskel der oberen Extremität an, der an der untersuchten Bewegung beteiligt ist. Hier wurden EMG-Aufnahmen vom clavularen Kopf des rechten Pectoralis-Hauptmuskels gemacht, der für das Cross-Body -(links)-Erreichen rekrutiert wird.
    HINWEIS: Aufnahmen können von anderen Muskeln der oberen Extremität oder aus dem sternalen oder seitlichen Teil des Hauptmuskels pectoralis gemacht werden.
    1. Visualisieren Sie den Zielmuskel, indem Sie eine Aktion anfordern, die bekannt ist, um den Muskel von Interesse zu rekrutieren. Für den clavularen Kopf des Pectoralis Hauptmuskels bitten Sie den Teilnehmer, ihre Ellbogen an ihren Seiten zu entspannen und ihre Handflächen zusammen zu schieben. Wenn Sie Schwierigkeiten haben, den Zielmuskel zu visualisieren, palepaten Sie den Interessenbereich, während der Teilnehmer wiederholt die angeforderte Aktion ausführt, und Zielen Sie Bereiche mit bemerkenswerten Veränderungen im Muskel für die Elektrodenplatzierung an.
      HINWEIS: Visualisierung bezieht sich auf die Identifizierung des Zielmuskels, indem die Form des Muskels durch die darüber liegende Haut gesehen wird, während der Teilnehmer eine Aktion durchführt, die den Muskel rekrutiert. Die Visualisierung unterstützt die Lokalisierung des Zielmuskels.
    2. Reinigen Sie mit Alkoholtupfern die Hautoberfläche über den Zielmuskel, an dem die Elektrode platziert wird, und auch über den Bereich, an dem sich eine Bodenelektrode befindet.
    3. Bereiten Sie die Oberflächensensoren durch Auftragen von Klebstoffen und Elektrodengel vor.
    4. Bitten Sie den Teilnehmer, die mit der Muskelrekrutierung verbundene Aktion erneut durchzuführen und Sensoren über dem Muskelbauch zu kleben, indem Sie sie parallel zur Richtung der Fasern des Zielmuskels positionieren. Legen Sie die Bodenelektrode auf das Schlüsselbein kontralateral zum erreichenden Arm. Sichere Sensoren und Bodenelektroden an der umgebenden Haut mit medizinischem Klebeband. Schalten Sie das EMG-System ein, um die EMG-Sammlung während des gesamten Experiments zu ermöglichen.
      HINWEIS: Nach der Platzierung der EMG-Elektroden werden Die EMG-Daten während des gesamten Experiments passiv und kontinuierlich über das EMG-System erfasst und als analoger Datenstrom für spätere Analysen gespeichert.
    5. Überprüfen Sie die Qualität des EMG-Signals mit einem Desktop-Monitor oder Oszilloskop, das mit dem EMG-System verbunden ist. Um die geeignete Qualität zu bestimmen, lassen Sie den Teilnehmer eine Zugbewegung in oder gegendien aus der bevorzugten Richtung des Muskels von Interesse durchführen, und stellen Sie sicher, dass die EMG-Aktivität zunimmt bzw. abnimmt. Wenn keine Aktivität ruht, stellen Sie sicher, dass die EMG-Aktivität nicht für die Bewegung in die nicht bevorzugte Richtung zunimmt.
      HINWEIS: Die Muskelsignalqualität von Oberflächenelektroden hängt von vielen Eigenschaften ab (z. B. eigenwillige Verteilung von Fettgewebe, Körperhaltung). Die Spitzenaktivität der EMG im Zusammenhang mit der Bewegung in bevorzugter (Kontrahent-)Richtung wird empfohlen, mindestens das 2-fache des Ruhegrads zu betragen, sollte aber erheblich höher sein.
    6. Positionieren Sie die Elektroden bei Bedarf neu, um sicherzustellen, dass diese Aktivitätsniveaus eingehalten werden. Lassen Sie den Anzeigemonitor oder das Oszilloskop während des Experiments angeschlossen, um die EMG-Ausgabe kontinuierlich zu überwachen.
  2. Richten Sie den spezifischen Teilnehmer mit den eingesetzten EMG-Sensoren in einem Roboter-Zufallgerät ein, das das Erreichen von Bewegungen in einer horizontalen Ebene und die Anwendung von Kraft auf das Manipulandum ermöglicht.
    ANMERKUNG: Das Hinzufügen von Kraft gegen den Muskel des Interesses erhöht die Hintergrundaktivität, so dass die Expression der Spiegelreflexkamera als Erhöhung oder Abnahme der Muskelaktivität nach der Stimulus-Präsentation in der bevorzugten bzw. nicht bevorzugten Richtung des Muskels möglich ist. Eine Basisaktivität ist besonders in nicht bevorzugter Richtung nützlich, da Baseline- und nicht bevorzugte Zielaktivität ohne Hintergrundladekraft nicht zu unterscheiden wären. Eine angewandte Kraft von 5N nach rechts und 2N Kraft nach unten (gegenüber einem nach links dargestellten Ziel relativ zur Startposition), während der gesamten Versuchsposition kann ausreichend sein. Die Kraft sollte während des gesamten Experiments konstant bleiben, so dass bei Bedarf geringere Kräfte eingesetzt werden können.
    1. Setzen Sie den Teilnehmer auf den experimentellen Stuhl und priorisieren Sie den Komfort der Teilnehmer in Bezug auf die hinzugefügte, die gegen die Gliedmaßen gezwungen wird, um Haltungsänderungen während des Experiments zu minimieren.

2. Stimuli-Konstruktion/Apparat

  1. Generieren Sie alle experimentellen Verfahren und Reize im Roboter-Greifgerät mit einer eingebauten visuellen Anzeige.
    HINWEIS: Stellen Sie sicher, dass das Roboter-Greifgerät mit einer Schnittstelle zwischen visueller Leistung und Manipulandum-Motorleistung ausgestattet ist, die gleichzeitiganaloge (z. B. Manipulandumposition, Photodiodenausgang) und EMG-Aufnahmen ermöglicht. Stellen Sie sicher, dass dieses Gerät mit einer Software ausgestattet ist, die Blöcke einzelner, vorprogrammierter Versuche mit allen vorprogrammierten visuellen Komponenten ausführen kann. Das integrierte visuelle Display kann ein Standardmonitor oder ein kundenspezifischer, hochwertiger Projektor sein. Es wird jedoch empfohlen, Projektoren mit höherer Qualität zu verwenden, um die zeitliche und visuelle Auflösung des angezeigten Ziels sicherzustellen.
    1. Generieren Sie die 4 primären Komponenten des neu entstehenden Zielparadigmas (siehe Ergänzende Abbildung 1) über eine integrierte Software, die die visuelle Anzeige steuert.
      HINWEIS: Komponenten sollten alle über integrierte Software generiert werden, die die angegebenen Komponenten während jeder Datenerfassungssitzung auf die visuelle Anzeige projiziert. Jede Komponente wird manuell in die Software eingegeben, die Eingabekoordinaten für Formen in Formen umwandelt, die auf der visuellen Anzeige angezeigt werden. Eine vollständige Kodierung aller Komponenten und Zielbewegungen erfolgt vor der Datenerfassung, daher ist während der Datenerfassung kein Experimentatoreingriff des Paradigmas erforderlich, da das Paradigma automatisch auf der Grundlage der Antworten des Teilnehmers läuft. Die folgenden Koordinaten (in cm berichtet) werden in Bezug auf den Mittelpunkt der beiden Robotermanipulandum-Ursprünge in der Roboter-Greifvorrichtung verwiesen, die verwendet wird, um Daten von Teilnehmern des aktuellen Manuskripts zu sammeln. Alle Komponenten des Paradigmas sind für den Teilnehmer während jeder Studie sichtbar, mit Ausnahme der Startposition, die nach dem Erscheinen des sich bewegenden Ziels verschwindet. Ein anderes Gerät kann einen anderen Bezugsrahmen verwenden.
      1. Generieren Sie einen invertierten y-Pfad, indem Sie manuell Koordinaten für sechs Rechtecke mit den folgenden Koordinaten eingeben (y: - 19 (oben von invertiertem y) oder -34 (unten invertiert y), x:-/+2 (inner, unten invertiert y), -/+8 (äußerer Boden invertiert y); Breite .5 Höhe: 20 (oben) oder 15 (unten)).
      2. Generieren Sie einen Okkluder, indem Sie manuell Koordinaten für ein großes Rechteck eingeben (zentriert bei: 0, -29; Breite: 35 Höhe: 15), das die Mitte des invertierten y-Pfads überlagert. Die Farbe dieses Okkluders kann von Versuch zu Versuch variieren, wobei dem Teilnehmer eine Anweisung erteilt wird.
        HINWEIS: Der Okkluder enthält eine Kerbe, die auf der Mitte unten zwischen den beiden Ausgängen (0, -29; Breite: 5 Höhe: 5) ausgeschnitten ist. Der Teilnehmer wird angewiesen: "Fixat die Kerbe, während sich ein Ziel hinter dem Okkluder befindet". Dadurch wird sichergestellt, dass das Auge bei der Zielaufnahme stabil ist. Der Okkluder wird zu Beginn jeder Prüfung entweder rot oder grün gefärbt.
      3. Generieren Sie ein sich bewegendes Ziel, indem Sie manuell Koordinaten für einen Kreis eingeben, der sich schließlich hinter dem umgekehrten y und hinter dem Okkluder bewegt (Start: 0, -17; Radius: 1; Geschwindigkeit: 10 cm/s, Geschwindigkeit hinter Okkluder: 30 cm/s).
        HINWEIS: Das bewegliche Ziel (T1) ist zu Beginn jeder Prüfung sichtbar und stationär.
      4. Generieren Sie, wie sich das Ziel in der Software bewegt, indem Sie die x- und y-Koordinaten der Zielbewegung angeben.
        HINWEIS: Die Geschwindigkeit des Ziels wird durch den Abstand der aufeinanderfolgenden x- und y-Koordinaten berechnet. Die richtige Darstellung der Zielbewegung hängt von der Fähigkeit der Software und der visuellen Anzeige ab, jede x- und y-Position in schneller Folge ordnungsgemäß zu aktualisieren. Ändern Sie in der Software den Status des beweglichen Ziels in "unsichtbar für den Teilnehmer", wenn sich die x- und y-Position des Ziels vollständig unter den Okkluder bewegt haben, bis die x- und y-Position vollständig aus dem Okkluder hervorgegangen sind.
      5. Generieren Sie eine Startposition (0, -42; Radius 1). Der Teilnehmer muss diese Position erwerben, um jede Prüfung zu initiieren.
    2. Generieren Sie einen Echtzeitcursor (RTC), der die Handposition des Teilnehmers auf dem Bildschirm in Echtzeit darstellt.
      HINWEIS: Die Hand/der Arm des Teilnehmers wurde während des Experiments über einen nach oben gerichteten Spiegel, der nach unten präsentierte Ziele reflektiert, verdeckt. Dies kann über eingebaute Softwarefunktionen erfolgen, die spezifisch für das Gerät sind, das ein Ziel über die ständig aktualisierten x- und y-Koordinaten der Hand legt.

3. Verfahren

  1. Klicken Sie auf die "Starten" Taste auf der zugehörigen Software auf dem Bildschirm des Experimentators präsentiert, die die erste Studie und Kraft durch die Roboter-Griffvorrichtung erzeugt auf die obere Extremität des Teilnehmers erzeugt initiiert.
    HINWEIS: Nachdem der Experimentator klickt, ist keine Intervention durch den Experimentator erforderlich, bis zwischen den Blöcken, in denen der Experimentator wieder auf den Start drücken muss. Ein Eingreifen des Experimentators kann auch erforderlich sein, wenn das EMG-Signal kontinuierlich überwacht wird oder der Teilnehmer das Experiment nicht abschließen kann. Alle Experimente sollten im Notfall sofort abgebrochen werden. Die auf die Hand des Teilnehmers ausgeübte Kraft wird automatisch gestoppt, wenn der Teilnehmer das Handle über eingebaute Aufgabenprogramme loslässt. Es wird empfohlen, ein Gerät mit einem Knopf zu verwenden, um das Experiment in Notsituationen zu beenden.
    1. Weisen Sie den Teilnehmer mündlich an, den ersten Versuch zu beginnen, indem er den RTC (angezeigt durch die Position des Manipulandums) für eine variable Dauer von 1- 1,5 s in die Startposition (T0) bringt. Der Okkluder ändert die Farbe, um das Subjekt anzuweisen, dass die bevorstehende Studie eine Pro- oder Anti-Reichweite erfordert.
      HINWEIS: Das Einbringen von RTC in T0 initiiert jede Testversion. Wenn der Teilnehmer die T0-Startposition vor der vorgeschriebenen Zeit verlässt, beginnt die Testversion erneut, sobald RTC wieder in T0 ist.
    2. Stellen Sie sicher, dass das bewegliche Ziel (T1), das stationär und für den Teilnehmer an der Spitze des invertierten y (2.1.1.3) sichtbar war, die Bewegung in Richtung des Teilnehmers entlang des Pfades des invertierten y beginnt, der vom Teilnehmer initiiert wurde, der RTC im vorherigen Schritt in T0 einführte.
      HINWEIS: Wenn T1 in Bewegung kommt, verschwindet T0. Nach dieser Zeit werden keine Einschränkungen auf dem Arm des Teilnehmers auferlegt, der Teilnehmer wird jedoch angewiesen, innerhalb der imaginierten Grenzen von T0 zu bleiben.
    3. Stellen Sie sicher, dass sich T1 hinter dem Okkluder bewegt und für den Teilnehmer unsichtbar ist. In dieser Pause behält der Teilnehmer die Handposition bei dem imaginären T0.
    4. Stellen Sie sicher, dass T1 hinter dem Okkluder mit einer konstanten Geschwindigkeit von 30 cm/s entlang der y-Achse in Richtung des Teilnehmers fährt. Sobald T1 die Hälfte der Länge des Okkluders erreicht, zweit es entlang einer der invertierten y-Ausgänge mit einer zusätzlichen x-Geschwindigkeitskomponente. Somit wird die Geschwindigkeit entlang der y-Achse konstant gehalten. Das Ziel verschwindet für eine konstante Verzögerung von 0,5 s, wobei die Verzögerung von der Größe des Okkluders und der Geschwindigkeit der T1-Bewegung abhängt.
    5. Wenn T1 den Rand des Okkluders erreicht, der dem Teilnehmer am nächsten liegt, stellen Sie sicher, dass das Softwareprogramm T1 nicht als auftauchend präsentiert, indem es am Rand des Okkluders vorbeirutscht, da dies zunächst einen "Halbmond"-Impuls für das visuelle System darstellen würde. Überprüfen Sie stattdessen, ob das Softwareprogramm T1 unsichtbar hält, bis das vollständige Ziel bekannt ist, und stellen Sie es dann dem Teilnehmer vor.
      HINWEIS: Dies geschieht, um visuelle Verarbeitungseffekte von Partiellenreizen zu steuern, insbesondere wenn unterschiedliche Geschwindigkeiten von Zielen verwendet werden, die die Grenze zu unterschiedlichen Zeiten überschreiten würden. Eine partielle Entstehung eines Ziels (z. B. Halbmondreiz) erzeugt ein Ziel, das ursprünglich aus einer höheren räumlichen Frequenz besteht, was auf der Grundlage früherer Ergebnisse zu einer erhöhten SLR-Latenz und einer verringerten Magnitudevon 10führen würde.
    6. Überprüfen Sie, ob das Softwareprogramm T1 einer randomisierten Seite an einem der beiden invertierten y-Pfade präsentiert, während die Hand des Teilnehmers bei T0 stationär bleibt.
      HINWEIS: Gleichzeitig mit der Entstehung von T1 unter dem Okkluder wird ein sekundäres Ziel in der Ecke des Bildschirms an einer Stelle dargestellt, die von einer Fotodiode bedeckt ist. Dieses der Photodiode vorgestellte Ziel wird vom Motiv nicht gesehen, sondern liefert ein analoges Signal zu einer Imkodiode, die in das Roboter-Zufallgerät integriert ist. Dieses Photodiodensignal ermöglicht die präzise Ausrichtung des Zielauftritts mit der Muskelaktivität und sorgt dafür, dass innerhalb des Roboter-Reichweitegerätes keine Verzögerungen oder Verzögerungen auftreten.
    7. Wenn T1 aus dem hinteren Okkluder auftaucht, sehen Sie, ob der Teilnehmer in der Lage ist, eine visuell geführte Reichweite je nach Farbe des Okkluders zu erzeugen. Wenn der Okkluder grün ist, bitten Sie den Teilnehmer, T1 mit dem RTC abzufangen. Wenn der Okkluder rot ist, bitten Sie den Teilnehmer, den RTC von T1 wegzubewegen.
      ANMERKUNG: Eine grüne Okkluderfarbe (2.1.1.2) zeigt eine Pro-Reichweite (d. h. in Richtung des Okkelers) und eine rote Farbe, die weg vom beweglichen Ziel T1 (d. h. einer Anti-Reichweite) angezeigt wird. In der Anti-Reach-Bedingung basiert ein korrektes Abfangen nicht auf dem Spiegelbild von T1, sondern auf dem horizontalen Abstand relativ zu T0.
    8. Je nach erreichendem Verhalten geben Sie Feedback entweder als "Treffer" (korrektes Abfangen), "falscher Weg" (falsche Richtung für Pro/Anti-Reichweite) oder "Fehlschlag" (weder korrekte noch falsche Antworten erkannt) während des Inter-Trial-Intervalls. Dieses Feedback besteht aus Text, der auf den Okkluder geschrieben ist.
    9. Stellen Sie sicher, dass T1 und T0 an ihren jeweiligen ursprünglichen Positionen 200 ms wieder auftauchen, nachdem das Reichweitenverhalten des Teilnehmers abgeschlossen ist. Starten Sie die nächste Testversion, wenn der Teilnehmer den RTC auf T0 bringt.
  2. Bitten Sie jeden Teilnehmer, 4 Blöcke mit 100 Versuchen durchzuführen, was 100 Reichweiten pro Bedingung ergibt. Randomisieren Sie die Versuchstypen mit Pro oder Anti-Reaches nach linken und rechten Reizen vermischt. Jeder Block benötigt ca. 7,5 min.
    HINWEIS: Es wird empfohlen, dass jede Bedingung bei verwendung von Oberflächenaufzeichnungen aus mindestens 80 Wiederholungen besteht, da der nächste Analyseschritt auf Daten aus vielen Versuchen zur SLR-Erkennung beruht.
    1. Minimieren Sie die Teilnehmerbewegung zwischen den einzelnen Blocks, um die Konsistenz der Aufzeichnungen zu gewährleisten. Nach der mündlichen Bestätigung, dass der Teilnehmer bereit ist, den nächsten Block zu beginnen, starten Sie den nächsten Block und überwachen Sie weiterhin die Teilnehmerleistung und die EMG-Ausgabe.
      HINWEIS: Eine kontinuierliche Überwachung der EMG-Ausgabe über einen Desktop-Monitor durch den Experimentator kann erforderlich sein, um Probleme mit Oberflächen-EMG-Aufnahmen zu erkennen. Beispielsweise können bei längeren Zeiträumen des Erreichens von Bewegungen die EMG-Elektroden durch Schwitzen von der Haut des Teilnehmers abgeführt werden.
  3. Sammeln Sie Daten aus einem statischen Steuerelementparadigma, um einen Vergleich der Daten mit denen zu ermöglichen, die im neu entstehenden Zielparadigma erhalten wurden.
    HINWEIS: Dies kann vor oder nach dem sich abzeichnenden Zielparadigma erfolgen. Um ein statisches Steuerelementparadigma zu erstellen, wiederholen Sie die Schritte 2.1.1.3, 2.1.1.5, 2.2, 3.1, 3.1.1, 3.1.7, 3.2 und 3.2.1; In Schritt 2.1.1.3 jedoch nicht T1, beginnend am oberen Bildschirmrand und in Richtung des Teilnehmers, codieren. Positionieren Sie stattdessen T1, um links oder rechts von T0 zu erscheinen. Darüber hinaus ist T0 jetzt entweder rot oder grün ähnlich dem Okkluder, der im sich abzeichnenden Zielparadigma verwendet wird. Der Prozess verläuft wie unten beschrieben.
    1. Weisen Sie den Teilnehmer mündlich an, den RTC in T0 zu bringen, um die erste Studie zu starten, die sich am selben Ort wie im sich abzeichnenden Zielparadigma befindet.
    2. Stellen Sie sicher, dass das Softwareprogramm T0 entweder rot oder grün darstellt, um eine Pro- bzw. Anti-Reichweite anzuzeigen. Randomisieren Sie die Haltedauer von 1-2s, damit der Teilnehmer den RTC in T0 halten kann.
    3. Stellen Sie sicher, dass das Softwareprogramm ein statisches Ziel entweder links oder rechts, 10 cm von T0, darstellt. Randomisieren Sie die Zielseite in Versuchen.
    4. Bitten Sie den Teilnehmer, wie im sich abzeichnenden Zielparadigma ein Ziel zu erreichen, wenn T0 grün ist, und in diametral entgegengesetzter Richtung von einem Ziel weg zu gelangen, wenn T0 rot ist. Die nächste Testversion wird nach Kontakt mit einem Ziel- oder Antizielstandort fortgesetzt.
    5. Stellen Sie sicher, dass jeder Teilnehmer 4 Blöcke mit 100 Versuchen durchgeführt hat, was 100 Reichweiten pro Bedingung ergibt. Testtypen wurden zufällig vermischt.

4. Analyse

  1. Analysieren Sie alle Daten in benutzerdefinierten Offlineskripts, und verwerfen Sie Fehlertests.
    HINWEIS: Fehlerversuche werden durch falsche Reichweitenrichtungen (3,5 cm), lange RTs (>500 ms) definiert, die eine vermutete Unaufmerksamkeit anzeigen, oder kurze RTs (<120), die auf eine Vorwegnahme hinweisen.
    1. Ableiten Sie die Reaktionszeit (RT) für das Erreichen von Bewegungen für jede Studie, indem Sie die Zeit identifizieren, zu der die Bewegung 8 % der tangentialen Spitzengeschwindigkeit überstieg.
      HINWEIS: Es können andere Methoden zur Definition von RT verwendet werden.
    2. Um die Muskelaktivität zu analysieren, verwenden Sie Offline-Skripte, um die EMG-Signale in Quell-Mikrovolt umzuwandeln, dc-Offsets zu entfernen, das EMG-Signal zu korrigieren und das Signal mit einem 7-Punkt gleitenden Durchschnittsfilter zu filtern.
    3. Verwenden Sie eine ROC-Analyse (Time-Series Receiver-Operating Characteristic), um das Vorhandensein und die Latenz der SLR6,7zu erkennen.
      HINWEIS: Es können alternative Methoden zur Bestimmung der zeitgesperrten Natur der SLR-Aktivität verwendet werden.
      1. Um die ROC-Analyse der Zeitreihe durchzuführen, trennen Sie EMG-Daten basierend auf der Seite der Zieldarstellung und der Testbedingung(Abbildung 1a zeigt linke und rechte Daten für Pro-Reaches).
      2. Berechnen Sie die Fläche unter der ROC-Kurve für die beiden Populationen, für jede Zeitprobe (1 ms) von 100 ms vor 300 ms nach der Zieldarstellung (z. B. Abbildung 2c).
        ANMERKUNG: Der ROC-Wert von 0,5 gibt eine Zufallsdiskriminierung an, während Werte von 1 bzw. 0 eine vollkommen korrekte oder falsche Diskriminierung im Verhältnis zur Zieldarstellung angeben.
      3. Bestimmen Sie die Diskriminierungslatenz als die erste von 8 von 10 aufeinanderfolgenden Punkten, die einen Wert von 0,6 überschritten haben(Abbildung 2c, angegeben durch vertikale rote oder blaue Linien).
        HINWEIS: Der Schwellenwert und die Anzahl der Punkte, die den Schwellenwert überschreiten, können sich je nach Qualität und Quantität der Oberflächen- oder intramuskulären EMG-Aufnahmen ändern, und eine Bootstrapping-Analyse kann verwendet werden, um die Konfidenzintervalle objektiv zu bestimmen. Frühere Arbeiten haben gezeigt, dass ein Wert von 0,6 ungefähr einem 95% Konfidenzintervall12entspricht.
    4. Um das Vorhandensein einer SLR in Pro-Reach-Studien zu bestimmen, verwenden Sie eine RT-Split-Analyse (siehe Abbildung 18), wobei die Schritte 4.1.3.2 und 4.1.3.3 getrennt auf der frühen und späten Hälfte der Reichweiten auf der Grundlage von RT durchgeführt werden(Abbildung 1a violette Studien und grüne Studien).
      1. Plotten Sie die frühe Diskriminierungszeit und meinen Sie frühe RT als einen Punkt, dann zeichnen Spätdiskriminierung Zeit und bedeuten späte RT als zweiten Punkt auf der gleichen Handlung. Verbinden Sie diese beiden Punkte mit einer Linie (Abbildung 1c). Eine Spiegelreflexkamera wird erkannt, wenn die Neigung dieser Linie 67,5° überschreitet.
        ANMERKUNG: Für diese Linie würde eine Steigung von 90° darauf hindeuten, dass EMG-Diskriminierungszeiten perfekt für die Stimulusdarstellung gesperrt sind (da die EMG-Aktivität unabhängig von der nachfolgenden Bewegungszeit mit der gleichen Latenz ausgelöst wird), während eine Neigung von 45° darauf hindeuten würde, dass EMG-Diskriminierung perfekt für den Bewegungsbeginn gesperrt ist. In der Praxis wird eine Abgrenzungsneigung von 67,5° (halb zwischen 45° und 90°) verwendet, um festzustellen, ob eine Spiegelreflexkamera vorhanden war (Slope > 67.5°) oder nicht (Slope < 67.5°); dies deutet darauf hin, dass die EMG-Aktivität eher für Stimulus als für Bewegungsbeginn gesperrt ist.
    5. Wenn die SLR-Präsenz bestimmt wird, definieren Sie die SLR-Latenz durch die Diskriminierungslatenz aus allen Studien (4.1.3.3).
    6. Definieren Sie die SLR-Größe als Differenz zwischen linken und rechten mittleren EMG-Spuren (z. B. Abbildung 2c dunkelrot versus hellrote Spuren oder dunkelblaue oder hellblaue Spuren) von der SLR-Latenz bis zu 30 ms nach der Diskriminierungslatenz.
      HINWEIS: Magnitudenzeitwerte können verlängert oder verkürzt werden.

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Representative Results

Stimulus gesperrte Reaktionen (SLRs) sind kurze Ausbrüche der Muskelaktivität Zeit gesperrt, um den Stimulus-Beginn, die weit vor dem größeren Volley der Muskelrekrutierung mit Bewegungsbeginn verbunden entwickeln. Die zeitlich verriegelte Natur der Spiegelreflexkamera erzeugte eine "Bandierung" der Muskelaktivität, die bei 100 ms sichtbar ist, wenn alle Versuche nach Reaktionszeit (RT) sortiert angesehen werden (Abbildung 1a, hervorgehoben durch graue Felder). Wie in Abbildung 1adargestellt, waren SLRs abhängig von der Zielposition, wobei SLRs auf dem rechten Pectoralis major aus einer Erhöhung oder Abnahme der Muskelrekrutierung nach links bzw. rechts gerichteter Zieldarstellung bestehen. SLRs wurden mit einer RT-Split-Analyse (Methoden 4.1.4) nachgewiesen, wobei separate Roc-Analysen in Zeitreihen an frühen und späten RT-Studien durchgeführt wurden(Abbildung 1b- violett versus grün). Diese Analyse zeigt an, ob der EMG-Beginn invariant für Stimulus oder Bewegungsbeginn war, der durch die Steigung der Linie bestimmt wurde, die frühe und späte Diskriminierungszeiten verbindet, die als Funktion von RT dargestellt wurden (Abbildung 1c). Frühere Studien der Spiegelreflexkamera mit statischen Reizen berichteten über Nachweisraten bei allen Teilnehmern unter 70%8,9. Hier wurde ein Vergleich mit der Wirksamkeit eines sich abzeichnenden Zielparadigmas bei der Heranschwörung von SLRs an das, das mit einem Paradigma mit statischen Zielen erreicht wurde, angestellt.

Im sich abzeichnenden Zielparadigma (Ergänzende Abbildung 1) erreichten Die Probanden auf neu entstehende bewegliche Ziele statt stationäre Ziele. Abbildung 2 zeigt Daten von zwei Probanden, die sich einem stationären Ziel (erste und dritte Reihe) oder beweglichen Zielen zuwenden, die unter einem Okkluder entstehen (zweite und vierte Zeile). Teilnehmer 1 zeigt keine Spiegelreflexkamera im statischen Paradigma, sondern eine klare SLR im sich abzeichnenden Zielparadigma; SLRs waren als vertikales Aktivitätsband in den Versuchs-für-Versuch-Plots (Abbildung 2a) 100 ms nach Dembeginn des Stimulus im entstehenden Ziel, aber nicht als statisches Paradigma, zu erkennen. Die SLR zeigte sich auch in den mittleren EMG-Spuren (Abbildung 2b) für Teilnehmer 1 im entstehenden Ziel, aber nicht in der statischen Paradigma (rote Spuren in den oberen beiden Zeilen von Abbildung 2b). Teilnehmer 1 lieferte ein Beispiel für jemanden, der keine Spiegelreflexkamera in einem statischen Paradigma ausstellt, das zuvor in der Literatur verwendet wurde, sondern eine SLR im sich abzeichnenden Zielparadigma ausstellt. Im Gegensatz dazu zeigte Teilnehmer 2 eine SLR sowohl in den statischen als auch in den sich abzeichnenden Zielparadigmen, aber das Ausmaß der SLR war im sich abzeichnenden Zielparadigma viel größer, wobei sich Die Größen näherten, die kurz vor dem Beginn der Bewegung erreichtwurden.

Wir verglichen die Eigenschaften der sLRs, die in den neu entstehenden Zielen beobachtet wurden, mit dem statischen Paradigma in der Stichprobe und untersuchten daten, die in der Pro-Reach-Bedingung gesammelt wurden. Wie in Abbildung 3a (grüne Linien) dargestellt und im Einklang mit den repräsentativen Ergebnissen in Abbildung 2,sLR Magnitude war deutlich größer in der aufkommenden Ziel im Vergleich zu statischen Paradigma, mit Rekrutierung Magnituden im Intervall 80-120 ms nach Stimulus Beginn stieg im Durchschnitt verfünffacht. Im Gegensatz zu solchen systematischen Veränderungen in der SLR-Größe unterschied sich die Latenz der erkannten SLRs im statischen und aufstrebenden Zielparadigma nicht(Abbildung 3a, violette Linien). Wie in Abbildung 3b (blaue Balken) dargestellt, wurden SLRs bei allen fünf Teilnehmern des sich abzeichnenden Zielparadigmas (d. h. einer Prävalenz von 100 %), aber nur bei drei Teilnehmern an einem Paradigma mit statischen Zielen (d. h. einer Prävalenz von 60 %, ähnlich früheren Berichten8,9) festgestellt. Die Beobachtung von SZR bei allen Teilnehmern des sich abzeichnenden Zielparadigmas war umso beeindruckender, als wir uns auf nicht-invasive Oberflächen-EMG-Aufnahmen verließen, während frühere Berichte in der Regel auf invasive intramuskuläre EMG-Aufnahmen setzten. Wichtig ist, dass die Reichweite von RTs zwar im sich abzeichnenden Ziel im Vergleich zum statischen Paradigma(Abbildung 3b, schwarze Linien) tendenziell viel kürzer war, aber SLRs entstehen nicht einfach im sich abzeichnenden Zielparadigma aufgrund beschleunigter RTs. Beispielsweise zeigten die Daten für Teilnehmer 1 in Abbildung 2 prominente SLRs im entstehenden Ziel, aber kein statisches Paradigma für überlappende Reichweiten von RTs. Schließlich untersuchten wir auch, wie die Anweisung, sich vom aufkommenden Ziel zu entfernen, die SLRs beeinflusste. Wie bereits bei statischen Zielen9festgestellt, wurden SLR-Größen in der Anti-Reach-Bedingung im Vergleich zu denen in der Pro-Reach-Bedingung stummgeschaltet(Abbildung 3c, blaue Linien; siehe auch Mittelwert EMG-Spuren in Abbildung 2, Abbildung 4). Dies zeigt, dass ein neu entstehendes Zielparadigma verwendet werden kann, um Aspekte der kognitiven Kontrolle zu untersuchen, die in diesem Fall mit der Konsolidierung der Anweisung zusammenhängt, sich entweder in Richtung oder weg von einem neu entstehenden Ziel zu bewegen.

Wir zeigen Daten, die von allen fünf Teilnehmern in Abbildung 4aufgezeichnet wurden, um die Variabilität der Merkmale von SLRs zu veranschaulichen, die in den statischen und sich abzeichnenden Zielparadigmen in den Pro- und Anti-Reach-Bedingungen aufgezeichnet wurden (die grauen Felder in Abbildung 4 zeigen das SLR-Intervall). Wie bei Teilnehmer 1 (in den oberen beiden Zeilen in Abbildung 2dargestellt), zeigte Teilnehmer 5 auch eine Spiegelreflexkamera im entstehenden Ziel, aber kein statisches Paradigma in der Pro-Reach-Bedingung. Wie bei Teilnehmer 2 (in den unteren beiden Reihen in Abbildung 2dargestellt) zeigten die Teilnehmer 3 und 4 auch deutlich größere SLRs im aufkommenden Ziel gegenüber statischen Paradigmen in der Pro-Reach-Bedingung. Zwei weitere Merkmale der in Abbildung 4 dargestellten Daten verdienen den Schwerpunkt. Zuerst beobachteten wir bei den Teilnehmern 3, 4 und 5 eine größere Spiegelreflexkamera in der Anti-Reach-Variante der neu entstehenden Zielaufgabe, wobei die Roc-Zeitreihe über 0,6 erreichte, bevor wir Werte nahe 0 annahmen. Eine Spiegelreflexkamera in Richtung des Stimulus in einem Anti-Reach-Zustand wurde zuvor9beobachtet, und wir haben dies mit der kurzen Bewegung der Hand in Richtung des Stimulus in einer Anti-Reach-Variante einer Online-Korrekturaufgabe3in Verbindung gebracht. Zweitens wurde bei der Pro-Reach-Bedingung in der sich abzeichnenden Zielaufgabe bei einigen Teilnehmern (z. B. Teilnehmer 1, 3 und 5, wie die Roc-Zeitreihe während des SLR-Intervalls kurz nach dem Höhepunkt abnimmt), eine deutliche Trennung zwischen der SLR und der sich daraus ergebenden bewegungsorientierten Aktivität beobachtet,( z. B. Teilnehmer 1, 3 und 5; sehen Sie, wie die Zeitreihen ROC kurz nach dem Höhepunkt während des SLR-Intervalls abnimmt), stellte jedoch fest, dass die SLR in anderen (z. B. Teilnehmer 2 und 4) in bewegungsorientierte Aktivität überging. Wie unten erwähnt, bezieht sich dies auf das Design von Algorithmen zur Erkennung der Spiegelreflexkamera.

Insgesamt ist das sich abzeichnende Zielparadigma effektiver bei der Evokung von SLRs und kurzen RTs als Paradigmen, die statische Ziele verwenden. Dies wird durch die Zunahme der SLR-Prävalenz, -größe und kürzerer Latenz-RTs in Bezug auf statische Ziele gezeigt.

Figure 1
Abbildung 1: SLR-Erkennung. Beispiel für eine Spiegelreflexkamera eines repräsentativen Teilnehmers, das die Erkennungskriterien für SLRs veranschaulicht. (a) Trial-by-Trial-Rekrutierung für den rechten pectoralis Hauptmuskel für rechts oder links erreicht in der Pro-Reach-Bedingung. Jede Zeile ist eine andere Testversion. Die Intensität der Farbe vermittelt das Ausmaß der EMG-Aktivität. Die Versuche wurden nach Reach RT (weiße Felder) sortiert und auf Stimulusbeginn ausgerichtet (schwarze Linie). Die SLR erschien als vertikale Bandierung der Aktivität, die durch graue Felder hervorgehoben wurde; Beachten Sie, wie die EMG-Aktivität nach der Darstellung des linken bzw. rechten Stimulus zu- bzw. verringert wurde (zeitgesperrte 90 ms). Lila oder grüne Balken zeigen die Versuche an, die zu den frühen bzw. späten RT-Gruppen beitragen. (b) Roc-Analyse der Zeitreihe, die die Zeit der EMG-Diskriminierung für frühe (lila) und späte (grüne) Studien angibt, die in A) gezeigt werden. (c) Für die frühen (lila) und späten (grünen) Gruppen wurde der mittlere RT als Funktion der ROC-Diskriminierung dargestellt. Die Steigung der Linie, die diese beiden Punkte verbindet, beträgt 83,7°, was darauf hinweist, dass die EMG-Aktivität stärker auf die Stimulusdarstellung ausgerichtet war als auf Den). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 2
Abbildung 2: Repräsentative Ergebnisse. Daten der Teilnehmer 1 und 2, die die Variabilität in Anwesenheit oder Abwesenheit oder SLRs in der statischen(1. und3. Zeile) und die Konsistenz der SLR-Präsenz in den neu entstehenden Zielparadigmen (2. und4. Zeile) zeigen. a) Versuchsrekrutierung für den rechten Pectoralis Hauptmuskel für diese Teilnehmer (gleiches Format wie Abbildung 1a). Die Bedingungen, die eine Spiegelreflexkamera aufweisen, sind in Violett(2.,3. und4. Reihe) umrissen. (b) Mittelwert +/- SE der EMG-Aktivität für pro (rot) und anti (blau) erreicht, getrennt durch die Seite der Stimulus-Präsentation (fainter Spuren für Bewegungen in der nicht bevorzugten Richtung verwendet). (c) Die ROC-Analyse der Zeitreihe für Pro (rot) und anti (blau) erreicht die in (b) angezeigten. SLR-Epoche in grauer Box hervorgehoben; horizontal gestrichelten Linien bei 0,4 und 0,6. Vertikale farbige Linien (falls pro-bedingung) zeigen die Diskriminierungszeit für Pro- (rot) oder Anti- (blaue) Reichweitenversuche. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 3
Abbildung 3: Auswirkungen eines sich abzeichnenden Zielparadigmas auf SLR-Eigenschaften und erreichen RT. (a) SLR-Latenz (lila) und Magnitude (grün) für Pro erreicht in statischen versus aufkommenden Zielparadigmen. Latenz definiert als erste 8 von 10 kontinuierlichen Datenpunkten, die den ROC-Schwellenwert von 0,6 überschreiten (siehe Methoden). Die Größe der SLR wurde definiert als der integrierte Bereich über 30 ms nach der SLR-Diskriminierung zwischen der durchschnittlichen EMG-Aktivität auf linken oder rechten Studien. Alle Größen wurden für den Teilnehmer über bedingungenhinweg auf das Maximum normalisiert (z. B. gibt der Wert 1 die maximale Antwort an). (b) SLR-Prävalenz und erreichen RT. (c) SLR-Größe und Latenz resultieren aus Pro und Anti-Reaches im sich abzeichnenden Zielparadigma. * bezeichnet die Signifikanz bei p<.05 im Vergleich zu statischen oder Anti-Bedingungen basierend auf einem ungepaarten t-Test. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 4
Abbildung 4: Mittlere EMG- und Zeitreihen-ROC-Analysen für alle Teilnehmer. Linke Spalte der Plots: Mittlere +/- SE der EMG-Aktivität für pro (rot) und anti (blau) erreicht, getrennt durch die Seite der Stimulus-Präsentation (fainter Spuren für Bewegungen in der nicht bevorzugten Richtung verwendet). Rechte Spalte der Diagramme: Zeitreihen-ROC-Analyse für Pro (rot) und anti (blau) erreicht in (linke Spalte der Diagramme). SLR-Epoche in grauer Box hervorgehoben; horizontal gestrichelten Linien bei 0,4 und 0,6. Vertikale farbige Linien (falls pro-bedingung) zeigen die Diskriminierungszeit für Pro- (rot) oder Anti- (blaue) Reichweitenversuche. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Ergänzende Abbildung 1: Top-Ansicht der Aufgabe im Roboter-Zulaufgerät. Großer weißer Punkt auf der linken unteren Seite stellt die Fotodiode dar. Weißes Ziel (T1) wird beim Verlassen des umgekehrten "y"-Pfads nach links angezeigt. Weißer Punkt rechts von T1 stellt RTC inmitten einer visuell geführten Reichweite dar. Der Okkluder wird hier als grün dargestellt, was darauf hinweist, dass eine Pro-Reichweite erforderlich war. T0 nicht angezeigt, aufgrund des gleichzeitigen Verschwindens mit Ziel-Emergence. Bitte klicken Sie hier, um diese Abbildung herunterzuladen.

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Discussion

Menschen haben eine bemerkenswerte Fähigkeit, bei Bedarf schnelle, visuell geführte Aktionen bei Latenzen zu erzeugen, die sich minimalen affetierenden und effevertunen Leitungsverzögerungen nähern. Wir haben zuvor Stimulus-gesperrte Reaktionen (SLRs) an der oberen Extremität als eine neue Maßnahme für schnelle visuomotorische Reaktionen6,9,10beschrieben. Während es vorteilhaft ist, einen Trial-by-Trial-Benchmark für den ersten Aspekt der Rekrutierung von Muskelmuskeln der oberen Gliedmaßen zu bieten, der durch den visuellen Reiz beeinflusst wird, wurden Gliedmaßen-SLRs nicht in allen Probanden ausgedrückt und stützten sich oft auf invasive intramuskuläre Aufnahmen. Hier wird ein neu entstehendes Zielparadigma (Zusatzdatei 1) beschrieben und die Ergebnisse mit denen verglichen, die mit statischen Zielen erzielt wurden. Die Vorteile des entstehenden Zielparadigmas zeigen sich bei den einzelnen Teilnehmern, da Teilnehmer, die die Spiegelreflexkamera nicht in einem statischen Paradigma ausdrücken, eins im entstehenden Zielparadigma ausdrücken (z. B. Abbildung 2, Teilnehmer 1- 1. Reihe versus 2. Reihe). Darüber hinaus sind die im sich abzeichnenden Zielparadigma ausgedrückte SLRs viel größer als in anderen Paradigmen und erreichen manchmal Magnituden, die volitionalen Magnituden entsprechen(Abbildung 2, Teilnehmer 2; Abbildung 4, Teilnehmer 5). Somit hat sich dieses Paradigma als wirksam erwiesen, um die Größe (Abbildung 3a), die Nachweisbarkeit der Spiegelreflexkamera (Abbildung 3b) zu erhöhen und kürzere RTs um 50 ms zu fördern (Abbildung 3b), verglichen mit einem Paradigma, das statische Ziele verwendet. Das sich abzeichnende Zielparadigma hat auch Vorteile gegenüber Paradigmen, die Korrekturen während des Fluges erfordern4, wo ein neuer Stimulus präsentiert wird, während sich eine erreichende Bewegung bereits mitten im Flug befindet. EMG- oder kinetische Bewegungen bereits während des Fluges können auch während Experimenten auftreten, die die visuelle Rückkopplung der aktuellen Handposition verändern, entweder allein oder in Verbindung mit Veränderungen in der Zielposition13. Während häufig verwendet, um schnelle visuomotorische Reaktionen zu studieren, in solchen Paradigmen die EMG, kinetische, und /oder kinematische Aktivität als Reaktion auf den neuen Reiz angetrieben entwickeln sich zusätzlich zu aktivität im Zusammenhang mit der ursprünglichen Bewegung. Im Gegensatz dazu sind SLRs, da sich der Teilnehmer zum Zeitpunkt der Entstehung von Stimulus im sich abzeichnenden Zielparadigma in einer stabilen Haltung befindet, leicht zu erkennen, selbst auf Versuchsbasis.

Die drei kritischsten Aspekte des sich abzeichnenden Zielparadigmas sind die Verwendung von impliziter Bewegung hinter einer Barriere (3.1.3), die Gewissheit des Zeitpunkts des Zielauftritts (3.1.4) und die vollständige Zielbildung hinter einem Okkluder (3.1.5). Von diesen drei Aspekten spekulieren wir, dass die Verwendung von impliziter Bewegung der wichtigste ist. Implizierte Bewegung erzeugt starke Signale in bewegungsbezogenen Bereichen im dorsalen visuellen Strom, die nicht von denen unterschieden werden können, die von sichtbaren beweglichen Zielen erzeugt werden14. Wir spekulieren, dass in Kombination mit einer solchen impliziten Bewegung das plötzliche Auftreten des entstehenden Ziels unterhalb des Hindernisses eine stärkere visuelle Transientheit erzeugt als im statischen Zielparadigma. Unsere Umsetzung des sich abzeichnenden Zielparadigmas beinhaltete auch ein hohes Maß an Versuchssicherheit für den Zeitpunkt, zu dem das Ziel wieder auftauchen würde. Das Verschwinden und das anschließende Auftauchen des Ziels hinter der Barriere kann einem "Lückenintervall" zwischen dem Offset einer zentralen Fixierung oder haltestimulus und der Darstellung eines peripheren Ziels ähneln, das auch die Reaktionszeiten15 beschleunigt und die Expression von Express-Sakkaden16fördert, die eine andere Art der schnellen visuomotorischen Reaktion sind. Schließlich ist es wichtig, dass das Ziel, das hinter der Barriere auftaucht, in seiner Gesamtheit präsentiert wird, anstatt als Rutschen hinter der Barriere dargestellt zu werden. Würde das Ziel über die Barriere gleiten, wäre der früheste Stimulus, der dem visuellen System zur Verfügung steht, ein "Halbmond"-Stimulus, dem die niedrigeren räumlichen Frequenzen fehlen würden, die bekanntermaßen eine frühere und stärkere Expression vonGliedmaßen-SLRs 10fördern würden. Zusätzlich zu diesen kritischen Schritten ist es wichtig, die Auslässe für die entstehenden Ziele an Orten zu positionieren, die mit der bevorzugten oder nicht bevorzugten Richtung der untersuchten Muskeln verbunden sind. Die Einführung einer Hintergrundladekraft zur Erhöhung der Aktivität des Muskels von Interesse ist auch vorteilhaft bei der Erkennung von Gliedmaßen-SLRs.

In Bezug auf die Fehlerbehebung ist es unbedingt erforderlich, sicherzustellen, dass die Zeit der Zielentstehung in jeder Studie bekannt ist, angesichts der kurzen Latenz der Gliedmaßen-SLR. Dies ist besonders wichtig für digitale Monitordisplays, die systematisch zu variablen Verzögerungen in der Zeit der Stimulusdarstellung führen können, die eine genaue Ausrichtung der Muskelaktivität auf kritische Ereignisse gefährden könnten. Vor jeder Implementierung des neu entstehenden Zielexperiments und unabhängig von der Art der visuellen Anzeige empfehlen wir die Verwendung mehrerer Photodioden, um das Timing des Stimulusauftritts an mehreren Bildschirmpositionen aufzuzeichnen (z. B. an der unsichtbaren Position, auf die in 3.1.6 verwiesen wird, und an den Orten, an denen T1 entstehen wird). Wenn das Intervall zwischen dem Stimulus-Erscheinungsbild an diesen beiden Standorten versuchsweise invariant ist, kann die Photodiode an der unsichtbaren Position als Proxy für das T1-Erscheinungsbild während des eigentlichen Experiments dienen, nachdem sie sich auf Verzögerungen angepasst hat, die für die verschiedenen Positionen spezifisch sind, an denen T1 erscheinen kann. Wir empfehlen auch eine enge Online-Überwachung der EMG-Aktivität während des Experiments, um veränderungen der EMG-Aktivität im Hintergrund vor der Zielaufnahme oder Veränderungen der EMG-Aktivität im Zusammenhang mit dem Erreichen von Gegenteilen aus der bevorzugten Bewegungsrichtung des Muskels zu beobachten.

Es gibt eine Reihe von Möglichkeiten, wie das sich abzeichnende Zielparadigma verändert werden könnte und dies kann das Verständnis der sensorischen, kognitiven und bewegungsbezogenen Faktoren fördern, die das schnelle visuomotorische System beeinflussen. Hier wiesen wir die Probanden an, sich darauf vorzubereiten, sich in Richtung (pro-reach) oder weg (eine Anti-Reichweite) vom entstehenden Ziel zu bewegen. Wie aus den vorherigen Ergebnissen9erwartet, ermöglichte die Konsolidierung dieser Anweisung den Probanden, die SLR-Größe zu dämpfen, ohne das SLR-Timing zu ändern. Dies zeigt, dass die neuronalen Zentren, die die Spiegelreflexkamera vermitteln, durch Bereiche höherer Ordnung voreingestellt werden können, die aufgabenfestgelegt sind, bevor das Ziel aufsieben. Es gibt zahlreiche andere Dimensionen, in denen die Aufgabe geändert werden könnte, um kognitive Faktoren zu manipulieren, z. B. indem die Vorhersagbarkeit des Zielauftritts in einer der beiden Zeiten (d. h. dadurch, dass der Zeitpunkt der Entstehung weniger vorhersehbar ist) oder des Raumes (d. h. die Voreingenommenheit der Zielentstehung auf die eine oder andere Seite oder die Bereitstellung endogenes Hinweise, um die Seite der Entstehung anzuzeigen) geändert wird. Manipulationen der sensorischen Parameter des entstehenden Ziels (z. B. Geschwindigkeit, Kontrast, Größe oder Farbe des entstehenden Stimulus oder Das Vorhandensein konkurrierender Ablenker) geben ebenfalls Einblicke in zugrunde liegende Substrate. Die Darstellung eines statischen anstatt sich bewegenden Ziels unterhalb der Barriere würde auch dazu beitragen, die Auswirkungen der Zielbewegung im Vergleich zur zeitlichen Vorhersehbarkeit auf die Robustheit der Gliedmaßen-SLR zu analysieren. Schließlich kann aus motorischer Sicht der Rahmen des sich abzeichnenden Zielparadigmas auf bilaterale Greifbewegungen ausgedehnt werden und die Feststellung des Vorhandenseins robuster SLRs an den Muskeln der oberen Gliedmaßen potenziert die Untersuchung die Verteilung solcher Signale auf andere Rumpf- oder Gliedmaßenmuskeln.

Eine der Einschränkungen, die mit diesem Paradigma verbunden sind, ist vielleicht paradoxerweise der Grad, in dem die Reichweite von RTs verkürzt wurde. Unsere SLR-Erkennungskriterien ähnelten dem, das zuvor12verwendet wurde, da wir separate ROC-Analysen für Zeitreihen für die kürzeren oder längeren RT-Gruppen durchführten. Dies erfordert ein gewisses Maß an Varianz in Reichweiten-RTs, und in der Praxis haben wir festgestellt, dass RTs im sich abzeichnenden Zielparadigma kürzer und weniger variabel sind als das statische Paradigma (279 +/- 58 ms (statisch); 207 +/- 34 ms (aufstrebendes Ziel)). Tatsächlich wurden RTs manchmal so weit gekürzt, dass sich der bewegungsbezogene Volley der EMG-Aktivität oft in das SLR-Intervall einfügte. Folglich stieg der ROC der Zeitreihe häufig direkt von Werten nahe 0,5 auf Werte nahe 1,0 an, ohne den kurzen Rückgang nach der Spiegelreflexkamera anzuzeigen, der für die Erkennung in Ref.8 erforderlich war (siehe Abbildung 4, Teilnehmer 1,2,4,5). Noch wichtiger ist, dass die geringere RT-Varianz der Neigungserkennung abträglich ist (Abbildung 1c); wobei ein Mangel an Variabilität in RTs zu niedrigeren Konzentrationen nachweisbarer SLRs führen kann. Wir gehen davon aus, dass sich die Erkennungskriterien für SLRs weiterentwickeln und wahrscheinlich auf die Besonderheiten der jeweiligen Aufgabe optimiert werden müssen. Andere Aufgabenmanipulationen, vielleicht durch die Erhöhung der zeitlichen Unsicherheit des Wiederauftauchens des Ziels oder die Anforderung, dass Die Probanden warten, um sich für ein kurzes Intervall nach dem Auftauchen des Ziels zu bewegen (z. B. indem sie darauf warten, dass das entstandene Ziel farbe ändert), können dazu beitragen, den Mittelwert und die Varianz der Reichweite von RTs zu erhöhen und die Rekrutierung während des SLR-Intervalls von dem, das mit dem Bewegungsbeginn verbunden ist, zu trennen. Eine zweite Einschränkung, die nicht untersucht wurde, kann sein, dass einige Teilnehmer möglicherweise keine SLR im sich abzeichnenden Zielparadigma aufweisen. Wir erkennen an, dass unsere Stichprobe klein ist und zukünftige Studien das sich abzeichnende Zielparadigma für größere Populationen verwenden sollten.

Abschließend bietet das sich abzeichnende Zielparadigma eine zuverlässigere Technik zum Auslösen der Spiegelreflexkamera im Vergleich zu Paradigmen, die statische Ziele verwenden. Der Rahmen des sich abzeichnenden Zielparadigmas wird die Untersuchung schneller visuomotorischer Reaktionen vorantreiben, indem er ein Mittel bereitstellt, um eine robuste Expression von SLRs der oberen Gliedmaßen zu erhalten. Es ist besonders bemerkenswert, dass alle hier berichteten Ergebnisse mit Oberflächenaufzeichnungen erzielt wurden, da dies die Untersuchung von SLRs in Populationen ermöglichen wird, die für intramuskuläre Erfassungen weniger geeignet sind, wie junge, ältere Menschen oder Kranke. Wir erwarten auch, dass das sich abzeichnende Zielparadigma in Tierstudien an nichtmenschlichen Primaten ausgeweitet und mit neurophysiologischen Techniken kombiniert werden könnte, um potenzielle neuronale Substrate zu erforschen. Zusammen mit zukünftigen Arbeiten am Menschen, die die zahlreichen sensorischen, kognitiven und motorischen Dimensionen der Aufgabe schnell erforschen können, sollte das sich abzeichnende Zielparadigma hypothesengetriebene Erkundungen des schnellen Visuomotor-Systems potenzieren.

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Disclosures

Die Autoren haben nichts zu verraten.

Acknowledgments

Diese Arbeit wird durch ein Discovery Grant an BDC vom Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC; RGPIN 311680) und ein Betriebsstipendium an BDC von den Canadian Institutes of Health Research (CIHR; MOP-93796). RAK wurde durch ein Ontario Graduate Scholarship und ALC durch ein NSERC CREATE Stipendium unterstützt. Der in diesem Manuskript beschriebene Versuchsapparat wurde von der Canada Foundation for Innovation unterstützt. Weitere Unterstützung kam vom Canada First Research Excellence Fund (BrainsCAN).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Bagnoli-8 Desktop Surface EMG System Delsys Inc. Another reaching apparatus may be used
Kinarm End-Point Robot Kinarm, Kingston, Ontario, Canada Another reaching apparatus may be used
MATLAB (version R2016a) Stateflow and Simulink applications The MathWorks, Inc., Natick, Massachusetts, United States
PROPixx projector VPIXX Saint-Bruno, QC, Canada This is a custom built addon for the Kinarm. Other displays may be used. Resolution: 1920 x 1080. Standard viewing monitors may also be used.

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