En emerging target paradigme å fremkalle rask visuomotoriske svar på menneskelige øvre lem muskler
Summary
Presentert her er et atferdsparadigme som fremkaller robuste raske visuomotoriske responser på menneskelige øvre lem muskler under visuelt guidede når.
Abstract
For å nå mot et sett objekt, må visuell informasjon omdannes til motorkommandoer. Visuell informasjon som objektets farge, form og størrelse behandles og integreres i mange hjerneområder, og deretter til slutt videresendt til motor periferien. I noen tilfeller er det nødvendig med en reaksjon så fort som mulig. Disse raske visuomotoriske transformasjonene, og deres underliggende nevrologiske substrater, er dårlig forstått hos mennesker som de har manglet en pålitelig biomarkør. Stimulus-låste responser (speilreflekskameraer) er kort ventetid (<100 ms) utbrudd av elektromyografisk (EMG) aktivitet som representerer den første bølgen av muskelrekruttering påvirket av visuell stimulanspresentasjon. Speilreflekskameraer gir en kvantifiserbar effekt av raske visuomotoriske transformasjoner, men speilreflekskameraer har ikke blitt konsekvent observert hos alle forsøkspersoner i tidligere studier. Her beskriver vi et nytt atferdsparadigme med den plutselige fremveksten av et bevegelig mål under et hinder som konsekvent fremkaller robuste speilreflekskameraer. Menneskelige deltakere generert visuelt veiledet når mot eller bort fra det nye målet ved hjelp av en robotmanipulandum mens overflateelektroder registrerte EMG-aktivitet fra pectoralis store muskler. Sammenlignet med tidligere studier som undersøkte speilreflekskameraer ved hjelp av statiske stimuli, fremkalte speilreflekskameraene med dette fremvoksende målparadigmet større, utviklet seg tidligere og var tilstede hos alle deltakerne. Reach reaksjonstider (RTs) ble også fremskyndet i det fremvoksende målparadigmet. Dette paradigmet gir mange muligheter for modifikasjon som kan tillate systematisk studie av virkningen av ulike sensoriske, kognitive og motoriske manipulasjoner på raske visuomotoriske responser. Samlet sett viser våre resultater at et fremvoksende målparadigme er i stand til konsekvent og robust fremkallende aktivitet innenfor et raskt visuomotorisk system.
Introduction
Når vi legger merke til en melding på mobiltelefonen vår, blir vi bedt om å utføre en visuelt veiledet rekkevidde for å hente telefonen vår og lese meldingen. Visuelle funksjoner som formen og størrelsen på telefonen blir forvandlet til motorkommandoer slik at vi kan nå målet. Slike visuomotoriske transformasjoner kan studeres under laboratorieforhold, noe som tillater høy grad av kontroll. Det er imidlertid scenarier der responstid er viktig, for eksempel å fange telefonen hvis den skulle falle. Laboratoriestudier av rask visuomotor atferd er ofte avhengig av fordrevne målparadigmer der pågående bevegelser endres midt i flyturen etter en viss endring i målposisjon (f.eks. se ref.1,2). Selv om slike online rettelser kan forekomme i <150 ms3, er det vanskelig å fastslå den nøyaktige tidspunktet for rask visuomotorutgang ved hjelp av kinematikk alene på grunn av armens lavpassfiltreringsegenskaper, og fordi rask visuomotorutgang erstatter en bevegelse som allerede er midt i flyturen. Slike komplikasjoner fører til usikkerhet om substrater underliggende raske visuomotoriske responser (se ref.4 for gjennomgang). Noen studier tyder på at subkortikale strukturer som den overlegne colliculus, i stedet for fronto-parietal kortikale områder, kan initiere online korreksjoner5.
Denne usikkerheten om de underliggende nevrale substrater kan skyldes, i hvert fall delvis, til mangelen på en pålitelig biomarkør for produksjonen av det raske visuomotorsystemet. Nylig har vi beskrevet et mål på raske visuomotoriske responser som kan genereres fra statiske stillinger og registreres via elektromyografi (EMG). Stimulus-låste svar (speilreflekskameraer) er tidslåste utbrudd av EMG-aktivitet som går forut for frivilligbevegelse 6,7, som utvikler seg konsekvent ~ 100 ms etter stimulansutbrudd. Som navnet tilsier, er speilreflekskameraer fremkalt av stimulans utbruddet, vedvarer selv om en eventuell bevegelse holdestilbake 8 eller beveger seg i motsattretning 9. Videre er speilreflekskameraer fremkalt av målforskyvning i et dynamisk paradigme forbundet med kortere ventetid online rettelser10. Speilreflekskameraer gir derfor et objektivt tiltak for systematisk å studere produksjonen av et raskt visuomotorisk system som er involvert i kort ventetids-RTs, da de kan genereres fra en statisk holdning og analyseres fra andre EMG-signaler som ikke er relatert til den innledende fasen av den raske visuomotoriske responsen.
Målet med den nåværende studien er å presentere et visuelt styrt paradigme som robust fremkaller speilreflekskameraer. Tidligere studier som undersøker slr har rapportert mindre enn 100% deteksjonsrater på tvers av deltakerne, selv når du bruker mer invasive intramuskulæreopptak 6,8,9. Lave deteksjonsrater og en avhengighet av invasive opptak begrenser nytten av speilreflekskamerattiltak i fremtidige undersøkelser av det raske visuomotoriske systemet i sykdom eller over hele levetiden. Mens noen kan rett og slett ikke uttrykke speilreflekskameraer, stimuli og atferdsparadigmer som brukes tidligere kan ikke ha vært ideelt for å fremkalle slR. Tidligere rapporter om speilreflekskameraer har vanligvis brukt paradigmer hvor deltakerne genererer visuelt veiledede når mot statisk, plutselig vises mål6,9. Et raskt visuomotorsystem er imidlertid det mest sannsynlige som trengs i scenarier der man raskt må samhandle med et fallende eller flygende objekt, noe som fører til at man lurer på om det å bevege seg i stedet for statiske stimuli bedre kan fremkalle speilreflekskameraer. Derfor har vi tilpasset et bevegelig målparadigme som brukes til å studere øyebevegelser11, og kombinert det med en pro / anti visuelt guidet nå oppgave som brukes til å undersøke SLR9. Sammenlignet med resultater fra paradigmer brukttidligere 6,8,9, ble det funnet at speilreflekskamerat i det nye målet paradigme utviklet seg tidligere, oppnådd høyere størrelser, og var mer utbredt på tvers av våre deltaker utvalg. Samlet sett fremmer det fremvoksende målparadigmet uttrykket for raske visuomotoriske responser i en slik grad at objektive EMG-tiltak kan gjøres pålitelig med overflateopptak, forsterkende studie innen kliniske populasjoner og over hele levetiden. Videre kan det fremvoksende målparadigmet endres på mange forskjellige måter, noe som fremmer grundigere undersøkelser av sensoriske, kognitive og motoriske faktorer som fremmer eller endrer raske visuomotoriske responser.
Protocol
Representative Results
Discussion
Mennesker har en bemerkelsesverdig kapasitet, når det trengs, for å generere raske, visuelt veiledede handlinger ved latencies som nærmer seg minimale afferent og efferent ledningsforsinkelser. Vi har tidligere beskrevet stimulanslåste responser (speilreflekskameraer) på øvre lem som et nytt tiltak for raske visuomotoriske svar6,9,10. Mens gunstig i å gi en prøve-by-trial benchmark for det første aspektet av øvre lem m…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet støttes av et Discovery Grant til BDC fra Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC; RGPIN 311680) og et driftsstipend til BDC fra Canadian Institutes of Health Research (CIHR; MOP-93796). RAK ble støttet av et Ontario Graduate Scholarship, og ALC ble støttet av et NSERC CREATE-stipend. Det eksperimentelle apparatet som er beskrevet i dette manuskriptet ble støttet av Canada Foundation for Innovation. Ytterligere støtte kom fra Canada First Research Excellence Fund (BrainsCAN).
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
- 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).
- 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).
- 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).
- Gaveau, V., et al. Automatic online control of motor adjustments in reaching and grasping. Neuropsychologia. 55 (1), 25-40 (2014).
- Day, B. L., Brown, P. Evidence for subcortical involvement in the visual control of human reaching. Brain A Journal of Neurology. 124, 1832-1840 (2001).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Kowler, E. Cognitive expectations, not habits, control anticipatory smooth oculomotor pursuit. Vision Research. 29 (9), 1049-1057 (1989).
- 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).
- 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).
- Krekelberg, B., Vatakis, A., Kourtzi, Z. Implied motion from form in the human visual cortex. Journal of Neurophysiology. 94 (6), 4373-4386 (2005).
- 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).
- 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).
