Summary

人間の上肢筋肉に対する高速ビスオモター応答を呼び起こす新たな標的パラダイム

Published: August 25, 2020
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Summary

ここで提示される行動パラダイムは、視覚的に導かれた到達の間に人間の上肢の筋肉に対する堅牢な高速バイビオータ応答を引き出す。

Abstract

見た目のオブジェクトに到達するには、視覚情報をモーターコマンドに変換する必要があります。オブジェクトの色、形状、サイズなどの視覚情報は、多数の脳領域内で処理され、統合され、最終的には運動周辺に中継されます。場合によっては、可能な限り迅速に反応が必要です。これらの高速バイスオモター変換とその基礎となる神経学的基質は、信頼性の高いバイオマーカーを欠いなかったため、ヒトでは十分に理解されていません。刺激ロック応答(SL)は、視覚刺激提示の影響を受ける筋肉のリクルートの第一波を表す筋筋(EMG)活動の短い待ち時間(<100 ms)バーストである。SDRは、迅速なビスオーモエータ変換の定量可能な出力を提供するが、SRSは過去の研究ですべての被験者で一貫して観察されていない。ここでは、堅牢なSLを一貫して呼び起こす障害物の下に移動するターゲットの突然の出現を特徴とする新しい行動パラダイムを説明します。静的刺激を用いてSLを調査した以前の研究と比較して、この新たな標的パラダイムで呼び起こされるSLはより大きく、より早く進化し、すべての参加者に存在していた。リーチ反応時間(RT)も、新たなターゲットパラダイムで迅速化された。このパラダイムは、高速バイスオーモター応答に対する様々な感覚、認知、運動操作の影響の体系的な研究を可能にする修正のための多くの機会を提供します。全体として、我々の結果は、新たなターゲットパラダイムが、高速ビスオーモエータシステム内で一貫して堅牢に活動を呼び起こすことができることを示している。

Introduction

携帯電話にメッセージが表示されたら、視覚的にガイド付きのリーチを実行して携帯電話を受け取り、メッセージを読むよう求められます。電話の形状やサイズなどの視覚的な機能は、私たちが正常に目標を達成できるように、モーターコマンドに変換されます。このようなビスオモケーター変換は、高度な制御を可能にする実験室の条件で研究され得る。ただし、応答時間が重要なシナリオがあります(例えば、電話が落ちる場合は電話をキャッチします)。高速バイビオーター挙動の実験室研究は、多くの場合、目標位置のいくつかの変更に続いて飛行中にオンゴーイングの動きが変更される変位ターゲットパラダイムに依存しています(例えば、ref.1,2を参照)。このようなオンライン補正は<150 ms3で発生する可能性がありますが、アームのローパスフィルタリング特性により運動学単独で高速ビスクオーター出力の正確なタイミングを確認することは困難であり、高速visuomotor出力は飛行中に既に動きを置き換えるためです。このような合併症は、高速ビスクオーター応答の基となる基質に関する不確実性を引き起こす(レビューについてはref.4を参照)。いくつかの研究は、前頭側頭頂皮質領域ではなく、上側の口蓋のような皮質下構造がオンライン補正を開始する可能性を示唆している5.

基礎となる神経基質に関するこの不確実性は、少なくとも部分的には、高速ビスオーモエータ系の出力のための信頼できるバイオマーカーの欠如による可能性がある。最近では、静的な姿勢から生成され、電図(EMG)を介して記録される可能性のある高速ビスクオータ応答の尺度について説明しました。刺激ロック応答(SL)は、自発的な動き6、7に先行するEMG活動の時間ロックバーストであり、刺激の発症後一貫して〜100 ms進化する。名前が示すように、SLAは刺激の発症によって呼び起こされ、最終的な動きが8を差し控えられたり、反対方向に移動したりしても持続する9。さらに、動的パラダイムにおけるターゲット変位によって誘発されるSLは、短い待ち時間のオンライン補正10と関連している。したがって、SLは、短い待ち時間のRTに関与する高速ビスオーモエータシステムの出力を体系的に研究するための客観的な尺度を提供し、静的な姿勢から生成され、高速バイビオータ応答の初期段階とは無関係の他のEMG信号から解析される可能性がある。

現在の研究の目的は、SLAを堅牢に引き出す視覚的に導かれた到達パラダイムを提示することです。一眼レフを調査する以前の研究は、より侵襲的な筋肉内録音6、8、9を使用する場合でも、参加者全体で100%未満の検出率報告している。低検出率と侵襲的記録への依存は、病気または寿命を超えて高速ビスオーモエータシステムに対する将来の調査における一眼レフ対策の有用性を制限する。一部の被験者は単にSRRを発現しないかもしれないが、以前に使用された刺激および行動パラダイムは、一眼レフを呼び起こすのに理想的ではなかったかもしれない。SLの過去の報告は、通常、参加者が静的な、突然出現するターゲット6、9に向かって視覚的にガイドされた到達を生成するパラダイムを使用してきました。しかし、高速ビスオーモエータシステムは、落下物体や飛行物体と迅速に相互作用しなければならないシナリオで最も必要とされ、静的刺激ではなく移動がSLを呼び起こす可能性があるかどうか疑問に思う。そこで、眼球運動11を研究するために用いられる移動対象パラダイムを適応させ、それをSLR9を調べるために使用されるプロ/アンチの視覚誘導到達タスクと組み合わせた。以前に使用したパラダイムの結果と比較すると新たな目標パラダイムのSLはより早く進化し、より大きさが高くなり、参加者サンプル全体でより一般的であることがわかりました。全体的に見て、新たなターゲットパラダイムは、客観的なEMG測定が表面記録で確実に行うことができる程度に対する高速バイスオーバレーター応答の発現を促進し、臨床集団内および寿命を通じて研究を増強する。さらに、新たなターゲットパラダイムは、さまざまな方法で変更することができ、高速バイスオモケーター応答を促進または変更する感覚、認知、運動因子に対するより徹底的な調査を促進します。

Protocol

すべての手順は、ウェスタンオンタリオ大学の健康科学研究倫理委員会によって承認されました。すべての参加者はインフォームド・コンセントを提供し、参加料を支払われ、いつでも自由に実験から撤退することができます。 1. 参加者の準備 注:健康な若い参加者の小さなサンプルが研究されました(3人の女性、2人の男性、平均年齢:26歳+/- 3.5)。す?…

Representative Results

刺激ロック応答(SL)は、運動開始に関連する筋肉募集のより大きなボレーの前によく進化する刺激発症にロックされた筋肉活動時間の短いバーストである。一眼レフの時間ロックされた性質は、反応時間(RT)のためにソートされたすべての試験を見たときに〜100ミリ秒で見える筋肉活動の「バンディング」を生成しました(図1aは灰色のボックスで強調表示されています)。<…

Discussion

人間は、必要に応じて、最小限の驚異的で効率的な伝導遅延に近づく遅延で迅速かつ視覚的に導かれた行動を生成する顕著な能力を持っています。我々は以前に、迅速なビスクオーター応答6、9、10の新しい尺度として上肢の刺激ロック応答(SL)説明した。視覚刺激の影響を受ける上肢筋の募集の第1の側面のための試験ご…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

この研究は、カナダ自然科学工学研究評議会(NSERC;) からのBDCへのディスカバリー助成金によって支えられている。RGPIN 311680) およびカナダ保健研究所 (CIHR;MOP-93796)。RAKはオンタリオ州の大学院奨学金によって支援され、ALCはNSERC CREATE助成金によって支援されました。この原稿に記載されている実験装置は、カナダイノベーション財団によって支援されました。カナダ・ファースト・リサーチ・エクセレンス・ファンド(BrainsCAN)からの追加支援が行なわれた。

Materials

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.

References

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Cite This Article
Kozak, R. A., Cecala, A. L., Corneil, B. D. An Emerging Target Paradigm to Evoke Fast Visuomotor Responses on Human Upper Limb Muscles. J. Vis. Exp. (162), e61428, doi:10.3791/61428 (2020).

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