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

Dit werk wordt ondersteund door een Discovery Grant aan BDC van de Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC; RGPIN 311680) en een exploitatiesubsidie aan BDC van de Canadian Institutes of Health Research (CIHR; MOP-93796). RAK werd ondersteund door een Ontario Graduate Scholarship, en ALC werd ondersteund door een NSERC CREATE subsidie. Het experimentele apparaat beschreven in dit manuscript werd ondersteund door de Canada Foundation for Innovation. Extra steun kwam van het Canada First Research Excellence Fund (BrainsCAN).

Alle procedures werden goedgekeurd door de Health Science Research Ethics Board aan de Universiteit van West Ontario. Alle deelnemers gaven geïnformeerde toestemming, werden betaald voor hun deelname en mochten zich op elk moment terugtrekken uit het experiment.
1. Voorbereiding van de deelnemers
OPMERKING: Een kleine steekproef van gezonde, jonge deelnemers werd bestudeerd (3 vrouw, 2 man; gemiddelde leeftijd: 26 jaar +/- 3,5). Alle deelnemers waren rechtshandig en ...

<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>

Mensen hebben een opmerkelijke capaciteit, wanneer dat nodig is, om snelle, visueel geleide acties te genereren bij latencies die minimale afferente- en efferent geleidingsvertragingen benaderen. We hebben eerder beschreven stimulus-locked reacties (spiegelreflexcamera's) op de bovenste ledemaat als een nieuwe maatregel voor snelle visuomotorische reacties6,9,10. Hoewel gunstig bij het verstrekken van een trial-by-trial benchmar...

Wanneer we een bericht op onze mobiele telefoon opmerken, worden we gevraagd om een visueel begeleid bereik uit te voeren om onze telefoon op te nemen en het bericht te lezen. Visuele functies zoals de vorm en grootte van de telefoon worden omgezet in motorcommando's waardoor we het doel met succes kunnen bereiken. Dergelijke visuomotorische transformaties kunnen worden bestudeerd in laboratoriumomstandigheden, die een hoge mate van controle mogelijk maken. Er zijn echter scenario's waarin de reactietijd belangrijk is, bijvoorbeeld het vangen van de telefoon als deze zou vallen. Laboratoriumstudies van snel visuomotorisch gedrag zijn vaak afhankelijk van verplaatste doelparadigma's waarbij doorlopende bewegingen halverwege de vlucht worden gewijzigd na enige verandering in de doelpositie (bijvoorbeeld ref.1,2). Hoewel dergelijke online correcties kunnen optreden in <150 ms3,is het moeilijk om de exacte timing van snelle visuomotorische output met behulp van kinematica alleen als gevolg van de low-pass filtering kenmerken van de arm vast te stellen, en omdat snelle visuomotorische uitgang vervangt een beweging al in het midden van de vlucht. Dergelijke complicaties leiden tot onzekerheid over de substraten die ten grondslag liggen aan snelle visuomotorische reacties (zie ref.4 voor beoordeling). Sommige studies suggereren dat subcorticale structuren zoals de superieure colliculus, in plaats van fronto-pariëtale corticale gebieden, online correcties kunnen initiëren5.
Deze onzekerheid met betrekking tot de onderliggende neurale substraten kan, althans gedeeltelijk, te wijten zijn aan het ontbreken van een betrouwbare biomarker voor de output van het snelle visuomotorische systeem. Onlangs hebben we een maat beschreven van snelle visuomotorische reacties die kunnen worden gegenereerd uit statische houdingen en geregistreerd via elektromyografie (EMG). Stimulus-locked reacties (spiegelreflexcamera's) zijn tijd vergrendeld uitbarstingen van EMG activiteit die voorafgaan aan vrijwillige beweging6,7, evolueert consequent ~ 100 ms na stimulus begin. Zoals de naam al aangeeft, worden spiegelreflexcamera's opgeroepen door stimulus begin, aanhoudend, zelfs als een uiteindelijke beweging wordt ingehouden8 of beweegt in de tegenovergestelde richting9. Bovendien worden spiegelreflexcamera's die worden opgeroepen door doelverplaatsing in een dynamisch paradigma geassocieerd met kortere latentie online correcties10. Zo bieden spiegelreflexcamera's een objectieve maatregel om systematisch de output van een snel visuomotorisch systeem te bestuderen dat betrokken is bij korte latentie-RT's, aangezien deze kunnen worden gegenereerd uit een statische houding en kunnen worden ontleed aan andere EMG-signalen die niets te maken hebben met de beginfase van de snelle visuomotorische respons.
Het doel van de huidige studie is om een visueel geleide bereiken paradigma dat robuust serreflex lingen ontlokt presenteren. Eerdere studies die de SLR onderzochten, hebben minder dan 100% detectiepercentages gemeld voor deelnemers, zelfs bij het gebruik van meer invasieve intramusculaire opnamen6,8,9. Lage detectiepercentages en een afhankelijkheid van invasieve opnamen beperken het nut van SLR-maatregelen in toekomstige onderzoeken naar het snelle visuomotorische systeem bij ziekte of over de levensduur. Hoewel sommige onderwerpen gewoon geen spiegelreflexcamera's uitdrukken, zijn de stimuli en gedragsparadigma's die voorheen werden gebruikt misschien niet ideaal geweest om de spiegelreflexcamera op te roepen. Eerdere rapporten van spiegelreflexcamera's hebben meestal paradigma's gebruikt waarbij deelnemers visueel geleide bereiken genereren naar statische, plotseling verschijnende doelen6,9. Echter, een snelle visuomotorische systeem is de meest waarschijnlijke nodig in scenario's waar men moet snel interageren met een vallend of vliegend object, waardoor men zich afvraagt of bewegen in plaats van statische stimuli beter spiegelreflexcamera's kunnen oproepen. Daarom hebben we een bewegend doelparadigma aangepast dat wordt gebruikt om oogbewegingen11te bestuderen, en deze gecombineerd met een pro/anti visueel geleide bereikende taak die wordt gebruikt om de SLR9te onderzoeken. In vergelijking met resultaten van paradigma's die eerder6,8,9werden gebruikt, bleek dat spiegelreflexcamera's in het opkomende doelparadigma eerder evolueerden, hogere grootheden bereikten en vaker voorkwamen in onze deelnemerssteekproef. Over het algemeen bevordert het opkomende doelparadigma de expressie van snelle visuomotorische reacties in een zodanige mate dat objectieve EMG-maatregelen betrouwbaar kunnen worden gemaakt met oppervlakte-opnamen, versterkende studie binnen klinische populaties en over de levensduur. Verder kan het opkomende doelparadigma op veel verschillende manieren worden gewijzigd, waardoor grondiger onderzoek naar de sensorische, cognitieve en motorische factoren wordt bevorderd of gewijzigd die snelle visuomotorische reacties bevorderen of wijzigen.

<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

Om naar een gezien object te komen, moet visuele informatie worden omgezet in motorcommando's. Visuele informatie zoals de kleur, vorm en grootte van het object worden verwerkt en geïntegreerd in tal van hersengebieden, en uiteindelijk doorgegeven aan de motorperiferie. In sommige gevallen is een reactie zo snel mogelijk nodig. Deze snelle visuomotorische transformaties, en hun onderliggende neurologische substraten, zijn slecht begrepen bij de mens omdat ze een betrouwbare biomarker hebben niet. Stimulus-locked reacties (spiegelreflexcamera's) zijn korte latentie (<100 ms) uitbarstingen van elektromyografische (EMG) activiteit die de eerste golf van spierwerving beïnvloed door visuele stimulus presentatie. Spiegelreflexcamera's bieden een kwantificeerbare output van snelle visuomotorische transformaties, maar spiegelreflexcamera's zijn niet consistent waargenomen in alle onderwerpen in eerdere studies. Hier beschrijven we een nieuw, gedragskundig paradigma met de plotselinge opkomst van een bewegend doel onder een obstakel dat consequent robuuste spiegelreflexcamera's oproept. Menselijke deelnemers gegenereerd visueel geleid bereikt naar of uit de buurt van de opkomende doelgroep met behulp van een robotmanipulandum, terwijl oppervlakte-elektroden opgenomen EMG activiteit van de pectoralis grote spier. In vergelijking met eerdere studies die spiegelreflexcamera's onderzochten met behulp van statische stimuli, waren de spiegelreflexcamera's die met dit opkomende doelparadigma werden opgeroepen groter, evolueerden eerder en waren ze aanwezig bij alle deelnemers. Bereik reactietijden (RTs) werden ook versneld in de opkomende doel paradigma. Dit paradigma biedt tal van mogelijkheden voor modificatie die het mogelijk zou kunnen maken systematische studie van de impact van verschillende zintuiglijke, cognitieve en motorische manipulaties op snelle visuomotorische reacties. Over het algemeen tonen onze resultaten aan dat een opkomend doelparadigma in staat is om consistent en robuust activiteit op te roepen binnen een snel visuomotorisch systeem.

Stimulus vergrendelde reacties (spiegelreflexcamera's) zijn korte uitbarstingen van spieractiviteit tijd opgesloten aan de stimulus begin dat zich goed vóór de grotere volley van spier werving geassocieerd met beweging begin evolueren. De tijdgebonden aard van de SLR produceerde een 'banding' van spieractiviteit zichtbaar op ~ 100 ms bij het bekijken van alle proeven gesorteerd voor reactietijd (RT) (Figuur 1a, gemarkeerd door grijze dozen). Zoals blijkt uit figuur 1a<...

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

Hier gepresenteerd is een gedragskundig paradigma dat robuuste snelle visuomotorische reacties op menselijke bovenste ledematen spieren tijdens visueel geleide bereikt elicits.

Een opkomende doel paradigma op te roepen snelle visuomotorische reacties op humane bovenste ledematen spieren

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

Opname Behavioral Responses to Reflectie in Rivierkreeftjes

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

Vibrodissociation van de neuronen van knaagdieren Brain Slices synaptische transmissie en Image presynaptische Terminals Study

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

Correleren Behavioral Reacties op fMRI-signalen van de Mens prefrontale cortex: Het onderzoeken van cognitieve processen met behulp van Task Analyse

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

Voorbereiding van een Awake Muis voor opnemen Neurale Reacties en injecteren van Tracers

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

Een blessure Paradigm aan het centrale zenuwstelsel Reparatie Onderzoek in<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

Elektrofysiologische Methode voor opname intracellulaire Voltage Reacties van<em&gt; Drosophila</em&gt; Fotoreceptoren en Interneurons naar 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

Een geautomatiseerde testbatterij farmacodynamische effecten op het centrale zenuwstelsel van cholinerge Drugs in vroege fase geneesmiddelenontwikkeling te bestuderen

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

Een Model In Ovo voor het testen van de insuline-mimetische verbindingen

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

Isolatie van cerebrale haarvaten van verse menselijk hersenweefsel

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