Name: an emerging target paradigm to evoke fast visuomotor responses on human upper limb muscles
Uploaded: 2020-08-25T13:15:00
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Ces travaux sont appuyés par une subvention découverte accordée à BDC par le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada (CSERN; RGPIN 311680) et une subvention de fonctionnement à BDC des Instituts de recherche en santé du Canada (IRSC; MOP-93796). RAK a reçu l’appui d’une bourse d’études supérieures de l’Ontario, et l’ALC a reçu l’appui d’une subvention CREATE du CSERN. L’appareil expérimental décrit dans ce manuscrit a été appuyé par la Fondation canadienne pour l’innovation. Le Fonds d’excellence en recherche Canada First (BrainsCAN) a également soutenu ce fonds.

Toutes les procédures ont été approuvées par le Conseil d’éthique de la recherche en sciences de la santé de l’Université Western Ontario. Tous les participants ont fourni un consentement éclairé, ont été payés pour leur participation et étaient libres de se retirer de l’expérience à tout moment.
1. Préparation des participants
REMARQUE : Un petit échantillon de jeunes participants en bonne santé a été étudié (3 femmes, 2 hommes; âge moyen...

<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>

Les humains ont une capacité remarquable, en cas de besoin, de générer des actions rapides et visuellement guidées à des latences qui approchent des retards de conduction minimaux et éfferents. Nous avons précédemment décrit les réponses verrouillées par stimulus (REFLEX) sur le membre supérieur comme une nouvelle mesure pour les réponses visuomotricesrapides 6,9,10. Bien qu’ils aient été bénéfiques pour fourn...

Lorsque nous remarquons un message sur notre téléphone cellulaire, nous sommes invités à effectuer une portée visuellement guidée pour prendre notre téléphone et lire le message. Les caractéristiques visuelles telles que la forme et la taille du téléphone sont transformées en commandes motrices nous permettant d’atteindre l’objectif avec succès. De telles transformations visuomotrices peuvent être étudiées dans des conditions de laboratoire, ce qui permet un degré élevé de contrôle. Toutefois, il existe des scénarios où le temps de réponse est important, par exemple, attraper le téléphone s’il devait tomber. Les études en laboratoire sur les comportements visuomotrices rapides reposent souvent sur des paradigmes cibles déplacés où les mouvements en cours sont modifiés en plein vol à la suite d’un certain changement de position cible (p. ex., voir réf.1,2). Bien que de telles corrections en ligne puissent se produire en <150 ms3, il est difficile de déterminer le moment exact de la sortie visuomotrice rapide en utilisant la cinématique seule en raison des caractéristiques de filtrage à faible passage du bras, et parce que la sortie visuomotrice rapide remplace un mouvement déjà en plein vol. De telles complications entraînent une incertitude quant aux substrats sous-jacents aux réponses visuomotrices rapides (voir l’réf.4 pour examen). Quelques études suggèrent que les structures subcortical telles que le colliculus supérieur, plutôt que les secteurs corticals fronto-pariétals, puissent initier des corrections enligne 5.
Cette incertitude concernant les substrats neuronaux sous-jacents peut être due, au moins en partie, à l’absence d’un biomarqueur fiable pour la production du système visuomotor rapide. Récemment, nous avons décrit une mesure des réponses visuomotrices rapides qui peuvent être générées à partir de postures statiques et enregistrées par électromyographie (EMG). Les réponses verrouillées par stimulus (REFLEX) sont des rafales verrouillées dans le temps de l’activité d’EMG qui précèdent le mouvement volontaire6,7,évoluant uniformément ~100 ms après le début de stimulus. Comme son nom l’indique, les reflex sont évoqués par le début du stimulus, persistant même si un mouvement éventuel estretenu 8 ou se déplace dans la direction opposée9. En outre, les reflex évoqués par le déplacement cible dans un paradigme dynamique sont associés à des corrections en ligne de latence pluscourtes 10. Ainsi, les reflex fournissent une mesure objective pour étudier systématiquement la production d’un système visuomotor rapide impliqué dans les TT à latence courte, car ils peuvent être générés à partir d’une posture statique et analyse à partir d’autres signaux EMG sans rapport avec la phase initiale de la réponse visuomotrice rapide.
L’objectif de l’étude actuelle est de présenter un paradigme d’atteinte visuellement guidé qui suscite solidement les reflex. Des études antérieures portant sur le SLR ont signalé des taux de détection inférieurs à 100 % chez les participants, même lorsqu’ils utilisent des enregistrements intramusculairesplus invasifs 6,8,9. Les faibles taux de détection et la dépendance à l’égard des enregistrements invasifs limitent l’utilité des mesures slr dans les études futures sur le système visuomotrice rapide dans la maladie ou tout au long de la durée de vie. Bien que certains sujets peuvent tout simplement ne pas exprimer reflex, les stimuli et les paradigmes comportementaux utilisés précédemment peuvent ne pas avoir été idéal pour évoquer le Reflex. Les rapports précédents des reflex ont généralement utilisé des paradigmes dans lequel les participants génèrent des portées visuellement guidées vers statique, apparaissant soudainement cibles6,9. Cependant, un système visuomotor rapide est le plus probablement nécessaire dans les scénarios où l’on doit interagir rapidement avec un objet qui tombe ou vole, ce qui conduit à se demander si le déplacement plutôt que des stimuli statiques peut mieux évoquer reflex. Par conséquent, nous avons adapté un paradigme cible mobile utilisé pour étudier les mouvementsoculaires 11, et l’avons combiné avec une tâche pro / anti visuellement guidée atteignant utilisé pour examiner le REFLEX9. Par rapport aux résultats des paradigmes utilisésprécédemment 6,8,9, il a été constaté que les reflex dans le paradigme cible émergent évolué plus tôt, atteint des magnitudes plus élevées, et étaient plus répandues dans notre échantillon participant. Dans l’ensemble, le paradigme cible émergent favorise l’expression de réponses visuomotrices rapides à un point tel que des mesures objectives de l’EMG peuvent être prises de manière fiable avec des enregistrements de surface, potentialisation des études au sein des populations cliniques et tout au long de la durée de vie. En outre, le paradigme cible émergent peut être modifié de nombreuses façons différentes, favorisant des investigations plus approfondies sur les facteurs sensoriels, cognitifs et moteurs qui favorisent ou modifient les réponses visuomotrices rapides.

<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

Pour atteindre un objet vu, l’information visuelle doit être transformée en commandes motrices. Les informations visuelles telles que la couleur, la forme et la taille de l’objet sont traitées et intégrées dans de nombreuses zones du cerveau, puis finalement relayées à la périphérie motrice. Dans certains cas, une réaction est nécessaire aussi vite que possible. Ces transformations visuomotrices rapides, et leurs substrats neurologiques sous-jacents, sont mal comprises chez l’homme car elles n’ont pas de biomarqueur fiable. Les réponses verrouillées par stimulus (REFLEX) sont de courtes latences (<100 ms) des éclats d’activité électromyographique (EMG) représentant la première vague de recrutement musculaire influencée par la présentation visuelle de stimulus. Les reflex fournissent une production quantifiable de transformations visuomotrices rapides, mais les reflex n’ont pas été observés de façon constante chez tous les sujets dans des études antérieures. Nous décrivons ici un nouveau paradigme comportemental mettant en vedette l’émergence soudaine d’une cible en mouvement sous un obstacle qui évoque constamment des reflex robustes. Les participants humains ont généré des portées visuellement guidées vers ou loin de la cible émergente à l’aide d’un manipulandum robotique tandis que les électrodes de surface enregistrait l’activité EMG du muscle majeur pectoralis. Par rapport aux études précédentes qui ont étudié les reflex à l’aide de stimuli statiques, les reflex évoqués avec ce paradigme cible émergent étaient plus grands, ont évolué plus tôt et étaient présents chez tous les participants. Les temps de réaction de portée (TR) ont également été accélérés dans le paradigme cible émergent. Ce paradigme offre de nombreuses possibilités de modification qui pourraient permettre une étude systématique de l’impact de diverses manipulations sensorielles, cognitives et motrices sur les réponses visuomotrices rapides. Dans l’ensemble, nos résultats démontrent qu’un paradigme cible émergent est capable d’évoquer constamment et vigoureusement l’activité au sein d’un système visuomotor rapide.

Stimulus réponses verrouillées (Reflex) sont de brèves rafales de temps d’activité musculaire verrouillé au début de stimulus qui évoluent bien avant la plus grande volée de recrutement musculaire associée à l’apparition du mouvement. La nature verrouillée du Reflex a produit un « baguage » de l’activité musculaire visible à ~ 100 ms lors de la visualisation de tous les essais triés pour le temps de réaction (RT) (Figure 1a, mis en évidence par des boîtes grises). ...

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

Présenté ici est un paradigme comportemental qui suscite des réponses visuomotrices rapides robustes sur les muscles des membres supérieurs humains au cours des portées visuellement guidées.

Un paradigme cible émergent pour évoquer des réponses visuomotrices rapides sur les muscles des membres supérieurs humains

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, ...

We are interested in how the brain can rapidly translate visual input into motor output. And here, we describe the emerging target paradigm, which elicits quantifiable and reliable fast visuomotor responses. The fast visuomotor responses listed by the paradigm include stimulus-locked responses, which are short bursts of muscle activity tied to visual stimulus onset.Having a paradigm that reliably elicits fast visuomotor responses potentiates the study of the underlying neural mechanisms across the lifespan and in neurological disorders like Parkinson's disease. Many aspects of the emerging target paradigm could be modified to better understand the sensory, cognitive, and motor factors which influence the fast visuomotor system. Begin by applying electromyography or EMG sensors to the targeted upper limb muscle involved in the reaching movement being studied.Visualize the target muscle by requesting an action known to recruit the muscle of interest. For the clavicular head of the pectoralis major muscle, ask the participant to relax their elbows at their sides and push their palms together. If it is difficult to visualize the target muscle, palpate the area of interest while having the participant repeatedly perform the requested action.Target areas with notable changes in the muscle for electrode placement. Use alcohol swabs to clean the skin areas where electrodes will be located and apply adhesives and electrode gel to the surface sensors. Ask the participant to perform the action associated with the muscle recruitment again and adhere sensors over the muscle belly, positioning them to lie in parallel with the direction of the fibers of the targeted muscle.Place the ground electrode on the clavicle contralateral to the reaching arm, then secure sensors and ground electrodes to the surrounding skin with medical tape. Turn on the EMG system to allow for EMG collection throughout the experiment. Check the quality of the EMG signal with a desktop monitor or oscilloscope connected to the system.Have the participant perform a reaching movement into or opposite from the preferred direction of the muscle of interest and ensure that the EMG activity increases or decreases respectively. Next, set up the participant in a robotic reaching apparatus that allows reaching movements in a horizontal plane and the application of force to the manipulandum. Seat the participant in the experimental chair, maximizing their comfort to minimize changes of posture throughout the experiment.Click start on the associated software which initiates the first trial and force generated by the robotic reaching apparatus applied to the participant's upper limb. Verbally instruct the participant to start the first trial by bringing the real-time cursor or RTC into the start position for a duration of one to 1.5 seconds. The occluder changes color to instruct the subject that the upcoming trial requires a pro or anti-reach.Determine if the participant is able to generate a visually-guided reach depending on the color of the occluder. When the occluder is green, the participant intercepts the moving target with the RTC. When the occluder is red, the participant moves the RTC away from the target.Ensure that the moving target, which was stationary and visible to the participant at the top of the inverted Y, begins moving towards the participant along the path of the inverted Y.When the moving target moves behind the occluder, it should move at a constant speed of 30 centimeters per second along the y-axis and should be invisible to the participant. During this interval, the participant should maintain the hand position at the imagined start position. Once the moving target reaches half the length of the occluder, it bifurcates along one of the inverted Y outputs with an additional X velocity component.The target vanishes for a constant delay of approximately half a second, with the delay depending on the size of the occluder and the speed of the target. When the moving target reaches the edge of the occluder, make sure that the software keeps it invisible until the full target has emerged and only then presents it to the participant. The target should be presented to a randomized side at one of the inverted Y paths while the participant's hand remains at the starting position.The exact time of target emergence must be known to ensure accurate measurement of fast visuomotor responses. Here, we present another visual stimulus, which is not seen by the participant, to a photodiode located in the corner of the screen at the exact time of target emergence. This photodiode provides an analog signal for alignment of muscle activity and reaction times.Depending on the participant's reaching behavior, this software provides feedback as text written on the occluder during the inter-trial interval. The feedback says hit for correct interception, wrong way for incorrect direction of reach, or miss for neither correct nor incorrect responses detected during the inter-trial interval. The moving target and the starting position reappear at their respective original locations 200 milliseconds after the participant's reach behavior is completed.Start the next trial when the participant brings the RTC to the starting position. Minimize the participant's movement between each block to ensure consistency of recordings. After verbal confirmation that the participant is ready to begin the next block, initiate the next block and continue to monitor participant performance and EMG output.Stimulus-locked responses or SLRs depended on target location, with SLRs on the right pectoralis major consisting of an increase or decrease in muscle recruitment following leftward or rightward target presentation respectively. To detect SLRs, separate time series receiver operating characteristic analyses were performed on trials with earlier or later than average reaction times. This analysis indicated whether electromyography onset was invariant to stimulus or movement onset, which was determined by the slope of the line connecting early and late discrimination times plotted as a function of reaction time.Data from two subjects reaching toward a stationary object or moving target is shown here. Participant one does not exhibit an SLR in the static paradigm, but a clear SLR can be seen in the emerging target paradigm. The SLR was also apparent in the mean electromyography traces for participant one in the emerging target paradigm.While participant two exhibited an SLR in both the static and emerging target paradigms, the magnitude of the SLR was much greater in the emerging target paradigm. On average, SLR magnitude was considerably larger in the emerging target versus the static paradigm. In contrast, the latency of detected SLRs did not differ between the two paradigms.SLRs were detected in all five participants in the emerging target paradigm, but only in three participants in a paradigm with static targets. SLR magnitudes in the anti-reach condition were muted compared to that in the pro-reach condition. The paradigm could be varied to better understand the sensory, cognitive, or motor factors that influence fast visuomotor responses.Future experiments could vary target speed, alter the time behind the occluder, or require participants to choose which hand to move. We've started to use reliable responses elicited by the emerging target paradigm to study the fast visuomotor system in elderly participants and in patients with Parkinson's disease.

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