Name: an emerging target paradigm to evoke fast visuomotor responses on human upper limb muscles
Uploaded: 2020-08-25T13:15:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about An Emerging Target Paradigm to Evoke Fast Visuomotor Responses on Human Upper Limb Muscles at JoVE.com

Dette arbejde støttes af et Discovery Grant til BDC fra Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC; RGPIN 311680) og et driftstilskud til BDC fra Canadian Institutes of Health Research (CIHR; MOP-93796). RAK blev støttet af en Ontario Graduate Scholarship, og ALC blev støttet af en NSERC CREATE tilskud. Det eksperimentelle apparat, der er beskrevet i dette manuskript, blev støttet af Canada Foundation for Innovation. Yderligere støtte kom fra Canada First Research Excellence Fund (BrainsCAN).

Alle procedurer blev godkendt af Health Science Research Ethics Board ved University of Western Ontario. Alle deltagere gav informeret samtykke, blev betalt for deres deltagelse og kunne til enhver tid trække sig ud af eksperimentet.
1. Forberedelse af deltager
BEMÆRK: En lille stikprøve af raske, unge deltagere blev undersøgt (3 kvinder, 2 mandlige; gennemsnitsalder: 26 år +/- 3,5). Alle deltagere var højrehåndede og havde normal eller korrigeret til normal sy...

<ol>
	<li>Veerman, M. M., Brenner, E., Smeets, J. B. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+latency+for+correcting+a+movement+depends+on+the+visual+attribute+that+defines+the+target.">The latency for correcting a movement depends on the visual attribute that defines the target.</a> Experimental Brain Research. 187 (2), 219-228 (2008).</li><li>Soechting, J. F., Lacquaniti, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Modification+of+trajectory+of+a+pointing+movement+in+response+to+a+change+in+target+location.">Modification of trajectory of a pointing movement in response to a change in target location.</a> Journal of Neurophysiology. 49 (2), 548-564 (1983).</li><li>Day, B. L., Lyon, I. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Voluntary+modification+of+automatic+arm+movements+evoked+by+motion+of+a+visual+target.">Voluntary modification of automatic arm movements evoked by motion of a visual target.</a> Experimental Brain Research. 130 (2), 159-168 (2000).</li><li>Gaveau, V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Automatic+online+control+of+motor+adjustments+in+reaching+and+grasping.">Automatic online control of motor adjustments in reaching and grasping.</a> Neuropsychologia. 55 (1), 25-40 (2014).</li><li>Day, B. L., Brown, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Evidence+for+subcortical+involvement+in+the+visual+control+of+human+reaching.">Evidence for subcortical involvement in the visual control of human reaching.</a> Brain A Journal of Neurology. 124, 1832-1840 (2001).</li><li>Pruszynski, A. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Stimulus-locked+responses+on+human+arm+muscles+reveal+a+rapid+neural+pathway+linking+visual+input+to+arm+motor+output.">Stimulus-locked responses on human arm muscles reveal a rapid neural pathway linking visual input to arm motor output.</a> European Journal of Neuroscience. 32 (6), 1049-1057 (2010).</li><li>Corneil, B. D., Olivier, E., Munoz, D. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Visual+responses+on+neck+muscles+reveal+selective+gating+that+prevents+express+saccades.">Visual responses on neck muscles reveal selective gating that prevents express saccades.</a> Neuron. 42 (5), 831-841 (2004).</li><li>Wood, D. K., Gu, C., Corneil, B. D., Gribble, P. L., Goodale, M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Transient+visual+responses+reset+the+phase+of+low-frequency+oscillations+in+the+skeletomotor+periphery.">Transient visual responses reset the phase of low-frequency oscillations in the skeletomotor periphery.</a> European Journal of Neuroscience. 42 (3), 1919-1932 (2015).</li><li>Gu, C., Wood, D. K., Gribble, P. L., Corneil, B. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+Trial-by-Trial+Window+into+Sensorimotor+Transformations+in+the+Human+Motor+Periphery.">A Trial-by-Trial Window into Sensorimotor Transformations in the Human Motor Periphery.</a> Journal of Neuroscience. 36 (31), 8273-8282 (2016).</li><li>Kozak, R. A., Kreyenmeier, P., Gu, C., Johnston, K., Corneil, B. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Stimulus-locked+responses+on+human+upper+limb+muscles+and+corrective+reaches+are+preferentially+evoked+by+low+spatial+frequencies.">Stimulus-locked responses on human upper limb muscles and corrective reaches are preferentially evoked by low spatial frequencies.</a> eNeuro. 6 (5), (2019).</li><li>Kowler, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cognitive+expectations,+not+habits,+control+anticipatory+smooth+oculomotor+pursuit.">Cognitive expectations, not habits, control anticipatory smooth oculomotor pursuit.</a> Vision Research. 29 (9), 1049-1057 (1989).</li><li>Goonetilleke, S. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cross-species+comparison+of+anticipatory+and+stimulus-driven+neck+muscle+activity+well+before+saccadic+gaze+shifts+in+humans+and+nonhuman+primates.">Cross-species comparison of anticipatory and stimulus-driven neck muscle activity well before saccadic gaze shifts in humans and nonhuman primates.</a> Journal of Neurophysiology. 114 (2), 902-913 (2015).</li><li>Franklin, D. W., Reichenbach, A., Franklin, S., Diedrichsen, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Temporal+evolution+of+spatial+computations+for+visuomotor+control.">Temporal evolution of spatial computations for visuomotor control.</a> Journal of Neuroscience. 36 (8), 2329-2341 (2016).</li><li>Krekelberg, B., Vatakis, A., Kourtzi, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Implied+motion+from+form+in+the+human+visual+cortex.">Implied motion from form in the human visual cortex.</a> Journal of Neurophysiology. 94 (6), 4373-4386 (2005).</li><li>Gribble, P. L., Everling, S., Ford, K., Mattar, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hand-eye+coordination+for+rapid+pointing+movements:+Arm+movement+direction+and+distance+are+specified+prior+to+saccade+onset.">Hand-eye coordination for rapid pointing movements: Arm movement direction and distance are specified prior to saccade onset.</a> Experimental Brain Research. 145 (3), 372-382 (2002).</li><li>Par&#233;, M., Munoz, D. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Saccadic+reaction+time+in+the+monkey:+advanced+preparation+of+oculomotor+programs+is+primarily+responsible+for+express+saccade+occurrence.">Saccadic reaction time in the monkey: advanced preparation of oculomotor programs is primarily responsible for express saccade occurrence.</a> Journal of Neurophysiology. 76 (6), 3666-3681 (1996).</li></ol>

Mennesker har en bemærkelsesværdig evne, når det er nødvendigt, til at generere hurtige, visuelt guidede handlinger på latencies, der nærmer minimal afferent og efferent ledning forsinkelser. Vi har tidligere beskrevet stimulus-låste reaktioner (spejlreflekser) på overekstremiteterne som en ny foranstaltning for hurtige visuomotoriskereaktioner 6,9,10. Mens gavnligt i at give en trial-by-trial benchmark for det første a...

Når vi bemærker en besked på vores mobiltelefon, bliver vi bedt om at udføre en visuelt guidet rækkevidde for at hente vores telefon og læse beskeden. Visuelle funktioner såsom formen og størrelsen af telefonen er omdannet til motorkommandoer giver os mulighed for at nå målet. Sådanne visuomotoriske omdannelser kan undersøges under laboratorieforhold, som muliggør en høj grad af kontrol. Der er dog scenarier, hvor responstid er vigtig, f.eks. Laboratorieundersøgelser af hurtig visuomotorisk adfærd er ofte afhængige af fordrevne målparadigme, hvor de fordrivlede bevægelser ændres midt i flyvningen efter en vis ændring i målpositionen (f.eks. se ref.1,2). Mens sådanne online korrektioner kan forekomme i <150 ms3, er det vanskeligt at fastslå den nøjagtige timing af hurtig visuomotorouting ved hjælp af kinematik alene på grund af den lave-pass filtrering egenskaber af armen, og fordi hurtig visuomotorout udgang erstatter en bevægelse allerede i midten af flyvningen. Sådanne komplikationer fører til usikkerhed om de underlag, der ligger til grund for hurtige visuomotoriske reaktioner (se ref.4 til gennemsyn). Nogle undersøgelser tyder på, at subkortikale strukturer såsom den overlegne colliculus, snarere end fronto-parietal kortikale områder, kan indlede online korrektioner5.
Denne usikkerhed med hensyn til de underliggende neurale substrater kan skyldes, i det mindste delvist, manglen på en pålidelig biomarkør for produktionen af det hurtige visuomotoriske system. For nylig har vi beskrevet et mål for hurtige visuomotoriske reaktioner, der kan genereres fra statiske stillinger og registreres via elektromyografi (EMG). Stimulus-låste svar (SPEJLreflekser) er tid låst byger af EMGaktivitet,der går forud for frivillig bevægelse6,7, udvikler sig konsekvent ~ 100 ms efter stimulus debut. Som navnet antyder, er spejlrefleksler fremkaldt af stimulus debut, vedvarende, selv om en eventuel bevægelse tilbageholdes8 eller bevæger sig i den modsatte retning9. Desuden er spejlrefleksler fremkaldt af målforskydning i et dynamisk paradigme forbundet med kortere latenstid online korrektioner10. Spejlrefleksanordning udgør således en objektiv foranstaltning til systematisk at undersøge produktionen af et hurtigt visuomotorisk system, der er involveret i korte latency RT'er, da de kan genereres fra en statisk kropsholdning og fortolkes fra andre EMG-signaler, der ikke er relateret til den indledende fase af den hurtige visuomotoriske reaktion.
Målet med den nuværende undersøgelse er at præsentere en visuelt styret nå paradigme, der robust fremkalder spejlrefleksler. Tidligere undersøgelser af SLR har rapporteret mindre end 100% påvisning satser på tværs af deltagerne, selv når du bruger mere invasive intramuskulæreoptagelser 6,8,9. Lave detektionsrater og en afhængighed af invasive optagelser begrænser nytten af SLR-foranstaltninger i fremtidige undersøgelser af det hurtige visuomotoriske system ved sygdom eller i hele levetiden. Mens nogle emner kan simpelthen ikke udtrykke spejlrefleksler, stimuli og adfærdsmæssige paradigmer, der anvendes tidligere, kan ikke have været ideel til at fremkalde SLR. Tidligere rapporter om spejlrefleksler har typisk brugt paradigmer, hvor deltagerne genererer visuelt guidede når mod statisk, pludselig optræder mål6,9. Men, en hurtig visuomotor system er den mest sandsynlige behov for scenarier, hvor man skal hurtigt interagere med en faldende eller flyvende objekt, fører en til at spekulere på, om at flytte snarere end statisk stimuli bedre kan fremkalde spejlrefleksler. Derfor har vi tilpasset et bevægeligt målparadigme, der bruges til at studere øjenbevægelser11, og kombineret det med en pro/anti visuelt styret nå opgave, der anvendes til at undersøge SLR9. Sammenlignet med resultater fra paradigmer, deranvendes tidligere 6,8,9, blev det konstateret, at spejlrefleksler i den nye målparadigme udviklet sig hurtigere, nået højere størrelser, og var mere udbredt på tværs af vores deltager prøve. Samlet set fremmer det nye målparadigme udtryk for hurtige visuomotoriske reaktioner i en sådan grad, at objektive EMG-foranstaltninger kan gøres pålideligt med overfladeoptagelser, forstærkende undersøgelse inden for kliniske populationer og i hele levetiden. Yderligere, den nye målparadigme kan ændres på mange forskellige måder, fremme mere grundige undersøgelser af de sensoriske, kognitive, og motoriske faktorer, der fremmer eller ændrer hurtige visuomotoriske reaktioner.

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

an emerging target paradigm to evoke fast visuomotor responses on human upper limb muscles

For at nå frem til et set objekt skal visuelle oplysninger omdannes til motorkommandoer. Visuelle oplysninger såsom objektets farve, form og størrelse behandles og integreres inden for mange hjerneområder, så i sidste ende videresendes til motorens periferi. I nogle tilfælde er der behov for en reaktion så hurtigt som muligt. Disse hurtige visuomotoriske transformationer, og deres underliggende neurologiske substrater, er dårligt forstået hos mennesker, da de har manglet en pålidelig biomarkør. Stimulus-låste responser (SPEJLrefleksangivelser) er korte latenstid (<100 ms) byger af elektromyografisk (EMG) aktivitet, der repræsenterer den første bølge af muskelrekruttering påvirket af visuel stimulus præsentation. Spejlrefleksler giver en kvantificerbar produktion af hurtige visuomotoriske transformationer, men spejlrefleksler er ikke blevet konsekvent observeret i alle forsøgspersoner i tidligere undersøgelser. Her beskriver vi et nyt, adfærdsmæssigt paradigme med den pludselige fremkomsten af et bevægeligt mål under en forhindring, der konsekvent fremkalder robuste spejlrefleksler. Menneskelige deltagere genereret visuelt guidede når mod eller væk fra det nye mål ved hjælp af en robot manipulandum, mens overfladeelektroder registreres EMG aktivitet fra pectoralis store muskel. I forhold til tidligere undersøgelser, der undersøgte spejlrefleksler ved hjælp af statiske stimuli, de spejlrefleksler fremkaldt med denne nye målparadigme var større, udviklet sig tidligere, og var til stede i alle deltagere. Nå reaktionstider (RTs) blev også fremskyndet i den nye mål paradigme. Dette paradigme giver mange muligheder for ændring, der kunne tillade systematisk undersøgelse af virkningen af forskellige sensoriske, kognitive, og motoriske manipulationer på hurtige visuomotoriske reaktioner. Samlet set viser vores resultater, at et spirende målparadigme er i stand til konsekvent og robust at fremkalde aktivitet inden for et hurtigt visuomotorisk system.

Stimulus låste svar (spejlrefleksler) er korte byger af muskelaktivitet tid låst til stimulus debut, der udvikler sig længe før de større volley af muskel rekruttering forbundet med bevægelse debut. Slr'ens tidslåste karakter gav en »banding« af muskelaktivitet, der er synlig ved ~100 ms, når alle forsøg blev sorteret efter reaktionstid (RT) (Figur 1a, fremhævet med grå bokse). Som vist i figur 1avar spejlrefleksionsrammen afhængige af målplacerin...

Watch this Scientific Journal Video about An Emerging Target Paradigm to Evoke Fast Visuomotor Responses on Human Upper Limb Muscles at JoVE.com

An Emerging Target Paradigm to Evoke Fast Visuomotor Responses on Human Upper Limb Muscles

Præsenteret her er en adfærdsmæssig paradigme, der fremkalder robust hurtig visuomotor svar på menneskelige øvre lemmer muskler under visuelt guidede rækker.

En emerging Target Paradigm at fremkalde Hurtig Visuomotor Svar på Human Upper Limb Muskler

To reach towards a seen object, visual information has to be transformed into motor commands. Visual information such as the object&#8217;s color, shape, ...

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Recording Behavioral Responses to Reflection in Crayfish

Social behavior depends on sensory input from the visual, mechanical and olfactory systems.  One important issue concerns the relative roles of each ...

Vibrodissociation of Neurons from Rodent Brain Slices to Study Synaptic Transmission and Image Presynaptic Terminals

Mechanical dissociation of neurons from the central nervous system has the advantage that presynaptic boutons remain attached to the isolated neuron of ...

Correlating Behavioral Responses to fMRI Signals from Human Prefrontal Cortex: Examining Cognitive Processes Using Task Analysis

Korrelere adfærdsmæssige reaktioner på fMRI Signaler fra Menneskelig præfrontale cortex: Undersøgelse Kognitive processer ved hjælp af Task Analysis

The aim of this methods paper is to describe how to implement a neuroimaging technique to examine complementary brain processes engaged by two similar ...

Preparation of an Awake Mouse for Recording Neural Responses and Injecting Tracers

Udarbejdelse af en vågen Mouse til optagelse Neurale svarene og Injektion Lysspor

It is well known that anesthesia alters neural response properties in various regions of the brain.13.  In the auditory system, fundamental response ...

An Injury Paradigm to Investigate Central Nervous System Repair in Drosophila

An Injury Paradigm to Investigate Central Nervous System Repair in Drosophila

En skade Paradigm at undersøge centrale nervesystem reparation i<em&gt; Drosophila</em

An experimental method has been developed to investigate the cellular responses to central nervous system (CNS) injury using the fruit-fly Drosophila. ...

Electrophysiological Method for Recording Intracellular Voltage Responses of Drosophila Photoreceptors and Interneurons to Light Stimuli In Vivo

Electrophysiological Method for Recording Intracellular Voltage Responses of Drosophila Photoreceptors and Interneurons to Light Stimuli In Vivo

Elektrofysiologiske Metode til Recording Intracellulær Voltage Responses af<em&gt; Drosophila</em&gt; Fotoreceptorer og interneuroner til Light Stimuli<em&gt; In vivo</em

Voltage responses of insect photoreceptors and visual interneurons can be accurately recorded with conventional sharp microelectrodes. The method ...

A Computerized Test Battery to Study Pharmacodynamic Effects on the Central Nervous System of Cholinergic Drugs in Early Phase Drug Development

En edb Test batteri til at studere farmakodynamiske virkninger på centralnervesystemet kolinerge narkotika i tidlig fase udvikling af lægemidler

Investigating potential pharmacodynamic effects in an early phase of central nervous system (CNS) drug research can provide valuable information for ...

An In Ovo Model for Testing Insulin-mimetic Compounds

An In Ovo Model for Testing Insulin-mimetic Compounds

En i Ovo Model til test Insulin-mimetiske forbindelser

Elevated blood glucose levels in type 2 diabetes mellitus (T2DM), a complex and multifactorial metabolic disease, are caused by insulin resistance and ...

Isolation of Cerebral Capillaries from Fresh Human Brain Tissue

Isolering af cerebrale kapillærer fra frisk menneskelige hjernevæv

Understanding blood-brain barrier function under physiological and pathophysiological conditions is critical for the development of new therapeutic ...