唤起人类上肢肌肉快速视觉运动反应的新兴目标范式

摘要

这里展示的是一种行为范式，在视觉引导的到达过程中，它能对人类上肢肌肉产生强大的快速视觉运动反应。

摘要

要到达看到的对象，视觉信息必须转换为电机命令。视觉信息，如物体的颜色、形状和大小，被处理并整合到许多大脑区域中，然后最终传递到运动外围。在某些情况下，需要尽可能快的反应。这些快速的粘膜运动转化，及其潜在的神经基质，在人类中知之甚少，因为它们缺乏可靠的生物标志物。刺激锁定响应 （SRS） 是短延迟 （<100 ms） 的肌电学 （EMG） 爆发活动，代表受视觉刺激演示影响的第一波肌肉招募。SRS 提供快速粘胶电机变换的可量化输出，但在过去研究中，所有受试者的 SRS 都未得到一致观察到。在这里，我们描述了一个新的行为范式，其中一个移动目标突然出现在一个障碍之下，这个障碍始终唤起着强大的SRS。 人类参与者使用机器人男力表，在表面电极记录从胸托利斯主要肌肉的E姆格活动时，产生的视觉引导到达或远离新兴目标。与以前使用静态刺激调查单位比的研究相比，使用这种新兴目标范式调用的 SR 更大，进化得更早，并且存在于所有参与者中。在新兴的目标范式中，到达反应时间（RT）也加快了。这种模式提供了许多修改的机会，可以系统研究各种感官、认知和运动操纵对快速视觉运动反应的影响。总体而言，我们的结果表明，新兴的目标范式能够在快速的 visuomotor 系统中持续而有力地唤起活动。

引言

当我们注意到手机上的消息时，系统会提示我们执行视觉引导的到达，以拿起手机并阅读消息。视觉功能，如手机的形状和大小被转换成电机命令，使我们能够成功地达到目标。这种粘胶电机转换可以研究在实验室条件下，这允许高度控制。但是，在某些情况下，响应时间很重要，例如，如果手机要掉下去，则抓住电话。快速视觉运动行为的实验室研究通常依赖于置换目标范式，在目标位置发生一些变化后，在飞行中对移动进行修改（例如，^{见参考文献1，2）。}虽然这种在线修正可能发生在 <150 ms³中，但由于手臂的低通滤波特性，并且由于快速粘胶运动输出取代已在飞行中的运动，因此很难确定仅使用运动学技术进行快速粘热电机输出的确切时间。这种并发症导致快速粘附运动反应的基质的不确定性（见参考^4，供审查）。一些研究表明，皮下结构，如优越的胶合体，而不是前皮皮质区域，可以启动在线^修正5。

这种关于基础神经基质的不确定性可能是由于，至少部分是由于缺乏一个可靠的生物标志物，为快速视觉运动系统的输出。最近，我们描述了一种快速的视觉运动响应的测量方法，这些反应可能由静态姿势产生，并通过肌电图 （EMG） 进行记录。刺激锁定响应 （SRS） 是时间锁定的 EMG 活动爆发^之前自愿运动^6，7，在刺激启动后持续演变约 100 ms.正如这个名字所暗示的，SRS是由刺激的开始唤起的，即使最终的移动被隐瞒⁸或向相反的方向^{9移动，SRS也持续存在}。此外，动态范式中目标位移所唤起的 SL 与较短的延迟在线修正^{10 相关}。因此，SRS 提供了一个客观的衡量标准，用于系统地研究短延迟 RT 中涉及的快速粘性电机系统的输出，因为它们可能来自静态姿势，并且从与快速粘性电机响应的初始阶段无关的其他 EMG 信号中解析。

当前研究的目标是呈现一个视觉引导的到达范式，有力地引出 SR。先前研究单反的研究报告说，参与者的检测率低于100%，即使使用更具侵入性的肌肉内记录^6，8，9。低检测率和对侵入性记录的依赖限制了单反措施在未来对疾病或整个生命周期的快速视觉运动系统的调查中的有用性。虽然有些受试者可能根本无法表达单反，但以前使用的刺激和行为范式可能并不理想地唤起单反。过去关于 SRS 的报告通常使用范例，其中参与者生成视觉引导到达到静态，突然出现目标^6，9。然而，在必须快速与坠落或飞行物体交互的情况下，最可能需要的快速视觉运动系统，导致人们怀疑移动而不是静态刺激是否能更好地唤起SLR。因此，我们调整了用于研究眼动¹¹的移动目标范式，并结合一个亲/反视觉引导的到达任务，用于检查单^反9。与以前^{使用的6、8、9}的范式结果^相比，发现新兴目标范式中的SR进化得更快，达到更高的幅度，在我们的参与者样本中更为普遍。总体而言，新兴目标范式促进快速视觉运动反应的表达，使目标E动量测量可以通过表面记录进行可靠，在临床人群中和整个生命周期内进行有效的研究。此外，新兴的目标范式可以通过许多不同的方式进行修改，促进对促进或改变快速视觉运动反应的感官、认知和运动因素进行更彻底的调查。

研究方案

所有程序都得到西安大略大学健康科学研究伦理委员会的批准。所有参与者都提供了知情的同意，并支付了参与费用，并可随时退出实验。

1. 学员准备

注:对一小组健康、年轻的参与者进行了研究（3名女性，2名男性;平均年龄:26岁+/- 3.5岁）。所有参与者都是右手，视力正常或矫正到正常，没有当前的视觉、神经或肌肉骨骼疾病。有肌肉骨骼损伤或紊乱的参与者被排除在外。

1. 将 EMG 传感器应用于正在研究的伸展运动所涉及的目标上肢肌肉。在这里，EMG记录是由右胸肌的角骨，这是招募的跨体（左）达到。
   注:记录可以从上肢的其他肌肉，或从胸骨或横向部分的主要肌肉。
   1. 通过请求已知招募感兴趣的肌肉的动作来可视化目标肌肉。对于胸腔主要肌肉的胸腔头部，请参与者放松肘部，将手掌推在一起。如果难以可视化目标肌肉，在让参与者重复执行请求的动作时，会苍白感兴趣的区域，并瞄准肌肉中明显变化的区域进行电极放置。
      注:可视化是指通过覆盖的皮肤看到肌肉的形状，在参与者执行招募肌肉的动作时，识别目标肌肉。可视化有助于目标肌肉的定位。
   2. 使用酒精拭子，清洁电极放置目标肌肉上的皮肤表面，以及地面电极放置区域的皮肤表面。
   3. 通过涂抹粘合剂和电极凝胶来准备表面传感器。
   4. 要求参与者再次执行与肌肉招募相关的动作，并在肌肉腹部上粘附传感器，定位它们与目标肌肉纤维的方向平行。将接地电极放在锁骨上，与伸手臂相对。用医用胶带将传感器和接地电极固定到周围皮肤上。打开 EMG 系统，在整个实验中允许 EMG 收集。
      注:EMG电极放置后，EMG数据通过E姆格系统在整个实验中被动连续收集，并保存为模拟数据流供以后分析。
   5. 使用连接到 EMG 系统的桌面显示器或示波器检查 EMG 信号的质量。要确定合适的质量，请让参与者在感兴趣的肌肉的首选方向上或相反进行伸展运动，并确保 EMG 活动分别增加或减少。如果处于休息位置没有活动，则确保 EMG 活动不会增加，以用于在非首选方向的移动。
      注:来自表面电极的肌肉信号质量取决于许多特征（例如，脂肪组织的特殊分布、主体姿势）。建议与首选（合同）方向移动相关的峰值 EMG 活动至少为休息活动水平的 2 倍，但应高出得多。
   6. 如有必要，重新定位电极，以确保观察到这些活性水平。在整个实验中保持观察监视器或示波器连接，以持续监控 EMG 输出。
2. 在机器人接触装置中设置应用 EMG 传感器的特定参与者，该装置允许在水平平面上达到运动，并施加力到机械平面上。
   注:对感兴趣的肌肉添加力会增加背景活动，允许单反在肌肉首选或非首选方向的刺激呈现后，将单反表现为肌肉活动的增加或减少。基线活动水平在非首选方向上特别有用，因为基线和非首选的到达活动如果没有背景载荷力是无法区分的。右向 5N 施加力和 2N 力下降（相对于相对于开始位置的左侧显示目标），在整个实验过程中可能就足够了。在整个实验中，力应保持不变，因此必要时可以使用较低的力。
   1. 将参与者坐在实验椅上，优先安排参与者对肢体的添加舒适性，以尽量减少整个实验过程中姿势的变化。

2. 刺激结构/装置

1. 通过内置的视觉显示在机器人接触装置中生成所有实验程序和刺激。
   注:确保机器人接触装置配备视觉输出和马尼普兰杜姆电机输出之间的接口，允许同时模拟（例如，马尼普兰杜姆位置、光电二极管输出）和 EMG 录制。确保本设备配备的软件能够运行具有所有预编程视觉组件的单个预编程试验块。内置视觉显示器可为标准显示器或定制高品质投影仪;但是，建议使用更高质量的投影仪，以确保显示目标的时间和视觉分辨率。
   1. 通过驱动视觉显示的内置软件生成新兴目标范 式中的 4个主要组件（参见补充图 1）。
      注:组件应全部通过内置软件生成，该软件在每个数据收集会话期间将指定的组件投影到可视化显示上。每个组件都手动输入到软件中，软件将形状的输入坐标转换为在视觉显示器上看到的形状。所有组件和目标运动的完整编码是在数据收集之前完成的，因此，在数据收集过程中不需要对范例进行实验干预，因为该范式根据参与者的响应自动运行。以下坐标（以厘米表示）与用于从当前手稿中参与者收集数据的机器人接触装置中两个机器人毛化源的中点相关。范例的所有组件在整个试验过程中对参与者可见，但移动目标出现后消失的启动位置除外。不同的设备可能使用不同的参考框架。
      1. 通过手动输入具有以下坐标的六个矩形的坐标（y: - 19（倒 y 的顶部）或 -34（倒 y 的底部）、x:-/+2（内、底部反转 y）、-/=8（外底反转 y）;宽度.5 高度:20（顶部）或 15（底部）。
      2. 通过手动输入一个大矩形的坐标（居中:0，-29;宽度:35 高度:15）覆盖倒 y 路径的中心，生成一个圆角。此水线的颜色可能因试用而异，为参与者提供指导。
         注:在两个输出（0，-29;宽度:5高度:5）之间的中心底部包含一个切口。参与者被指示:"当目标在凹槽后面时固定凹口"。这样做可确保眼睛在目标出现时保持稳定。每次试验开始时，occluder 将红色或绿色。
      3. 通过手动输入一个圆的坐标来生成移动目标，该圆最终将向下移动 y 和在圆弧（开始: 0，-17;半径:1;速度:10 厘米/s，速度后速度:30 厘米/s）。
         注:移动目标 （T1） 在每次试验开始时都是可见的和静止的。
      4. 通过指定目标运动的 x 和 y 坐标，生成目标在软件中的移动。
         注:目标速度由连续 x 和 y 坐标的距离计算。目标运动的正确呈现取决于软件和视觉显示快速连续正确更新每个 x 和 y 位置的能力。在软件中，当目标的 x 和 y 位置完全移动到 occluder 以下，直到 x 和 y 位置完全从 occluder 中出现时，将移动目标的状态更改为"对参与者不可见"。
      5. 生成开始位置（0，-42;半径 1）。参与者需要获得此职位才能启动每个试用。
   2. 实时生成实时光标 （RTC），实时表示参与者在屏幕上的手部位置。
      注:在实验中，参与者的手/手臂通过一面朝上反射向下显示目标的镜子被遮挡。这可以通过特定于设备内置的软件功能完成，该软件功能将目标放在不断更新的 x 和 y 坐标之上。

3. 程序

1. 单击"开始"在实验者屏幕上显示的相关软件上的按钮，它启动第一次试验，并启动应用于参与者上肢的机器人接触装置产生的力。
   注:实验者单击启动后，实验者无需干预，直到实验者必须再次按下的块之间。如果 EMG 信号不断被监视变化，或者参与者无法完成实验，则可能还需要实验者干预。如果发生紧急情况，应立即停止所有实验。如果参与者通过内置的任务程序离开手柄，将会自动停止对参与者手施加的强制。建议在紧急情况下使用带按钮的装置来终止实验。
   1. 口头指示参与者开始第一次试验，将 RTC（由马尼普兰图姆的位置指示）带到开始位置 （T0），持续时间为 1- 1.5 s）。occluder 会更改颜色，以指示主题即将进行的试用需要支持或抗接触。
      注:将 RTC 引入 T0 将启动每个试用。如果参与者在规定时间之前退出 T0 开始位置，则一旦 RTC 回到 T0，试用将重新开始。
   2. 确保在倒置 y （2.1.1.3） 顶部对参与者保持静止且可见的移动目标 （T1） 沿倒 y 路径开始向参与者移动，该路径由参与者在上一步中将 RTC 引入 T0 启动。
      注:当 T1 开始移动时，T0 将消失。在此时间之后，对参与者的手臂没有限制，但是，参与者被指示留在 T0 的想象范围内。
   3. 确保 T1 在 occluder 后面移动，并且对参与者不可见。在此时间间隔内，学员在想象中的 T0 下保持手部位置。
   4. 确保 T1 沿 y 轴以 30 厘米/s 的恒定速度沿学员向学员移动， 在车后移动。一旦 T1 达到 occluder 长度的一半，它将沿着一个倒置的 y 输出与附加的 x 速度分量进行分叉。因此，沿 y 轴的速度保持不变。目标在 ±0.5 s 的恒定延迟下消失，延迟取决于水线的大小和 T1 运动的速度。
   5. 当 T1 到达最接近参与者的 occluder 边缘时，确保软件程序不会通过滑过 occluder 的边缘来呈现 T1，因为这样做最初会向视觉系统呈现"半月"刺激。相反，请检查软件程序是否保持 T1 不可见，直到出现完整目标，然后向参与者显示它。
      注:这是为了控制部分刺激的视觉处理效果，特别是如果使用不同的目标速度，这将在不同的时间跨越边界。目标的部分出现（例如，半月刺激）产生一个最初由较高空间频率组成的目标，根据先前的结果，该目标将导致单反延迟增加，^减少10级。
   6. 检查软件程序是否将 T1 呈现在两个倒置 y 路径之一的随机侧，而参与者的手在 T0 时保持静止。
      注:同时，在从 occluder 下方出现 T1 时，屏幕一角、光电二极管覆盖的位置会显示一个辅助目标。对象不会看到向光电二极管呈现的此目标，但为集成在机器人接触设备中的光电二极管提供模拟信号。此光电二极管信号允许将目标外观与肌肉活动精确对齐，并确保机器人接触装置内不存在滞后或延迟。
   7. 当 T1 从 occluder 后面出现时，查看参与者是否能够根据 occluder 的颜色生成视觉引导的触角。当 occluder 为绿色时，请参与者使用 RTC 拦截 T1。当 occluder 为红色时，请学员将 RTC 移离 T1。
      注:绿色光度颜色（2.1.1.2）表示亲光度（即朝向遮挡器），红色表示远离移动目标 T1（即反光接触）。在反到达条件下，正确的拦截不是基于 T1 的镜像，而是相对于 T0 的水平距离。
   8. 根据他们的到达行为，在试验间间隔内提供反馈，如"命中"（正确拦截）、"错误路线"（亲/反到达方向不正确）或"错过"（未检测到正确或不正确的响应）。此反馈包含写在 occluder 上的文本。
   9. 确保 T1 和 T0 在参与者的到达行为完成后重新出现在各自的原始位置 200 ms。当参与者将 RTC 带到 T0 时，开始下一个试用。
2. 要求每个参与者执行 4 块 100 个试验，每个条件产生 100 个到达。随机化试验类型与左、右刺激后与亲或反达到混合。每个块大约需要 7.5 分钟才能完成。
   注:建议每个条件在使用表面记录时至少包含 80 次重复，因为下一个分析步骤依赖于许多单反检测试验的数据。
   1. 最小化每个块之间的参与者移动，以确保录制的一致性。在口头确认参与者已准备好开始下一个块后，启动下一个块并继续监视参与者的绩效和 EMG 输出。
      注:可能需要通过台式机监视器持续监视 EMG 输出，以检测表面 EMG 录像的问题。例如，在长时间接触运动期间，表面 EMG 电极可能会因出汗而从参与者的皮肤中解开。
3. 从控制静态范式收集数据，以便将数据与新兴目标范式中获得的数据进行比较。
   注意:这可能在新兴目标范式之前或之后完成。要创建控制静态范式，请重复步骤 2.1.1.3、2.1.1.5、2.2、3.1、3.1.1、3.1.7、3.2 和 3.2.1;但是，在步骤 2.1.1.3 中，不要从屏幕顶部开始向参与者移动，对 T1 进行编码。相反，将 T1 定位到 T0 的左侧或右侧。此外，T0 现在要么红色，要么绿色，类似于新兴目标范式中使用的 occluder。审判继续进行，如下所述。
   1. 口头指示参与者将 RTC 引入 T0 以开始第一个试验，该试验与新兴目标范式中的相同位置。
   2. 确保软件程序将 T0 呈现为红色或绿色，分别指示亲或反覆盖。随机化 1-2 的保留期，使参与者在 T0 中保留 RTC。
   3. 确保软件程序在左侧或右侧显示静态目标，从 T0 10 厘米。跨试验随机化目标端。
   4. 与新兴目标范式一样，如果 T0 为绿色，请要求学员向目标目标前进;如果 T0 为红色，请向目标向相反的方向伸张。下一次试验在与目标或反目标位置接触后继续进行。
   5. 确保每个参与者执行 4 块 100 次试验，每个条件达到 100 个。试验类型是随机混合的。

4. 分析

1. 分析脱机自定义脚本中的所有数据并放弃错误试验。
   注:错误试验由不正确的到达方向（3.5 厘米）、长 RT（>500 ms）定义，指示假定的漫不经心或短 RT（<120）表示预期。
   1. 通过确定运动超过峰值切向速度的 8% 的时间，得出每个试验达到运动的反应时间 （RT）。
      注:可以使用其他方法来定义 RT。
   2. 要分析肌肉活动，请使用离线脚本将 EMG 信号转换为源微伏，移除任何直流偏移，校正 EMG 信号，并使用 7 点移动平均滤波器过滤信号。
   3. 使用时间序列接收器操作特性 （ROC） 分析来检测单反^{6、 7的存在和延迟}。
      注:可以使用用于确定单反活动时间锁定性质的替代方法。
      1. 要执行时间序列 ROC 分析，请根据目标表示和试验条件一侧分离 EMG 数据（图 1a 显示了支持到达的左数据与右数据）。
      2. 计算两个基点 ROC 曲线下的面积，每次样本 （1 ms） 从目标表示前的 100 ms 到 300 ms（例如， 图 2c）。
         注:ROC 值 0.5 表示机会歧视，而值 1 或 0 分别表示与目标表示相比完全正确或不正确的歧视。
      3. 确定歧视延迟为超过 0.6 值的 10 个连续点中的 8 个点中的第一个（图 2c 以垂直红色或蓝色线表示）。
         注:阈值和超过阈值的点数可能会根据表面或肌肉内 EMG 记录的质量和数量而变化，并且可以使用引导分析来客观地确定置信区间。过去的工作表明，值 0.6 大约等于 95% 置信区间¹²。
   4. 要确定在亲接触试验中是否存在单反，请使用RT分割分析（参见 图1^8），根据该分析步骤4.1.3.2和4.1.3.3，根据RT（图1a紫色 试验和绿色试验），在接触的早期和后期分别执行。
      1. 绘制早期歧视时间， 将早期 Rt 作为一个点， 然后绘制后期歧视时间， 并意味着后期 Rt 作为同一情节的第二个点。用一条线连接这两个点（图1c）。当这条线的斜率超过 67.5°时，检测到单反。
         注:对于这条线，90° 的斜率表示 EMG 歧视时间完全锁定在刺激表示上（因为 EMG 活动以相同的延迟启动，而无论随后的移动时间如何），而 45° 的斜率表示 EMG 歧视完全锁定在运动开始。实际上，67.5° 的截止坡度（介于 45° 和 90° 之间）用于检测单反是否存在（坡度 > 67.5°）（坡度 < 67.5°）;这表明 EMG 活动更锁定刺激而不是运动开始。
   5. 如果确定单反存在，则通过所有试验（4.1.3.3）的歧视延迟定义单反延迟。
   6. 将单反幅度定义为左和右之间的差值意味着 EMG 跟踪（例如，图 2c 深红色与 浅红色轨迹，或深蓝色与浅蓝色轨迹）从单反延迟到 30 ms 后歧视延迟。
      注:幅度时间值可能会延长或缩短。

结果

刺激锁定反应 （SRS） 是肌肉活动时间短暂爆发锁定到刺激发作之前， 进化的肌肉招募与运动开始相关的大排球。单反的时锁性质产生了一个"带状"的肌肉活动可见在+100 ms时，查看所有试验排序的反应时间（RT）（图1a，突出显示的灰色框）。如图1a所示，SRS 取决于目标位置，右胸腔上的 SRS 主要包括左向或右向目标呈现后肌肉招募的增加或减少。使用R...

讨论

人类有非凡的能力，如果需要，产生快速，视觉引导的延迟，接近最小的发向和发速延迟。我们以前曾描述过上肢的刺激锁定反应（SRS）是快速视觉运动反应^{的新措施6，9，10。}虽然有利于提供一个试验基准的上肢肌肉招募的第一个方面受视觉刺激的影响，肢体SRS并没有在所有受试者中表达，并往往依赖于侵入性肌肉内记录。?...

材料

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.