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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Diese Arbeit wird durch ein Discovery Grant an BDC vom Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC; RGPIN 311680) und ein Betriebsstipendium an BDC von den Canadian Institutes of Health Research (CIHR; MOP-93796). RAK wurde durch ein Ontario Graduate Scholarship und ALC durch ein NSERC CREATE Stipendium unterstützt. Der in diesem Manuskript beschriebene Versuchsapparat wurde von der Canada Foundation for Innovation unterstützt. Weitere Unterstützung kam vom Canada First Research Excellence Fund (BrainsCAN).

Alle Verfahren wurden von der Health Science Research Ethics Board an der University of Western Ontario genehmigt. Alle Teilnehmer erteilten eine informierte Einwilligung, wurden für ihre Teilnahme bezahlt und konnten sich jederzeit vom Experiment zurückziehen.
1. Teilnehmervorbereitung
HINWEIS: Es wurde eine kleine Stichprobe gesunder, junger Teilnehmer untersucht (3 weiblich, 2 männlich; Durchschnittsalter: 26 Jahre +/- 3,5). Alle Teilnehmer waren Rechtshänder u...

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	<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>

Menschen haben eine bemerkenswerte Fähigkeit, bei Bedarf schnelle, visuell geführte Aktionen bei Latenzen zu erzeugen, die sich minimalen affetierenden und effevertunen Leitungsverzögerungen nähern. Wir haben zuvor Stimulus-gesperrte Reaktionen (SLRs) an der oberen Extremität als eine neue Maßnahme für schnelle visuomotorische Reaktionen6,9,10beschrieben. Während es vorteilhaft ist, einen Trial-by-Trial-Benchmark für de...

Wenn wir eine Nachricht auf unserem Handy bemerken, werden wir aufgefordert, eine visuell geführte Reichweite durchzuführen, um unser Telefon abzuholen und die Nachricht zu lesen. Visuelle Funktionen wie die Form und Größe des Telefons werden in Motorbefehle umgewandelt, die es uns ermöglichen, das Ziel erfolgreich zu erreichen. Solche visuomotorischen Transformationen können unter Laborbedingungen untersucht werden, die ein hohes Maß an Kontrolle ermöglichen. Es gibt jedoch Szenarien, in denen die Reaktionszeit wichtig ist, z. B. das Telefon zu fangen, wenn es fallen sollte. Laborstudien über schnellvisuomotorisches Verhalten basieren oft auf verdrängten Zielparadigmen, bei denen laufende Bewegungen während des Fluges nach einer Änderung der Zielposition modifiziert werden (siehe z.B. Ref.1,2). Während solche Online-Korrekturen in <150 ms3auftreten können, ist es schwierig, den genauen Zeitpunkt der schnellen Visuomotor-Ausgabe allein mit Kinematik zu ermitteln, da der Arm mit Niedrigen passieriert ist und weil die schnelle Visuomotor-Leistung eine Bewegung bereits während des Fluges ersetzt. Solche Komplikationen führen zu Unsicherheit über die Substrate, die schnellen visuomotorischen Reaktionen zugrunde liegen (siehe Ref.4 zur Überprüfung). Einige Studien deuten darauf hin, dass subkortikale Strukturen wie der überlegene Colliculus, anstatt fronto-parietale kortikale Bereiche, Online-Korrekturen initiieren können5.
Diese Ungewissheit in Bezug auf die zugrunde liegenden neuronalen Substrate kann zumindest teilweise auf das Fehlen eines zuverlässigen Biomarkers für die Leistung des schnellen Visuomotor-Systems zurückzuführen sein. Kürzlich haben wir ein Maß für schnelle visuomotorische Reaktionen beschrieben, die aus statischen Haltungen erzeugt und mittels Elektromyographie (EMG) aufgezeichnet werden können. Stimulus-gesperrte Reaktionen (SLRs) sind zeitgesperrte Ausbrüche der EMG-Aktivität, die der freiwilligen Bewegung6,7vorausgehen und sich nach DemBeginn des Stimulus konstant um 100 ms entwickeln. Wie der Name schon sagt, werden SLRs durch Stimulus-Beginn evoziert, auch wenn eine eventuelle Bewegung8 zurückgehalten wird oder sich in die entgegengesetzte Richtungbewegt 9. Darüber hinaus sind SLRs, die durch Zielverschiebung in einem dynamischen Paradigma evoziert werden, mit kürzeren Online-Latenzkorrekturen10verbunden. Somit bieten SLRs eine objektive Maßnahme zur systematischen Untersuchung des Ausgangs eines schnellen Visuomotorsystems, das an kurzen Latenz-RTs beteiligt ist, da sie aus einer statischen Haltung erzeugt und von anderen EMG-Signalen analysiert werden können, die nichts mit der Anfangsphase der schnellen Visuomotor-Reaktion zu tun haben.
Ziel der aktuellen Studie ist es, ein visuell geführtes Erreichensparadigma zu präsentieren, das SLRs robust hervorruft. Frühere Studien zur Untersuchung der Spiegelreflexkamera haben über weniger als 100 % Nachweisraten bei den Teilnehmern berichtet, selbst wenn sie invasivere intramuskuläre Aufnahmen6,8,9verwenden. Niedrige Nachweisraten und die Abhängigkeit von invasiven Aufzeichnungen begrenzen den Nutzen von SLR-Maßnahmen bei zukünftigen Untersuchungen des schnellen Visuomotoriksystems bei Krankheiten oder über die gesamte Lebensdauer hinweg. Während einige Probanden einfach keine SLRs ausdrücken, waren die zuvor verwendeten Reize und Verhaltensparadigmen möglicherweise nicht ideal, um die Spiegelreflexkamera zu evozieren. Frühere Berichte über SLRs haben in der Regel Paradigmen verwendet, bei denen Teilnehmer visuell geführte Reichweiten in Richtung statische, plötzlich erscheinende Ziele6,9generieren. Allerdings ist ein schnelles Visuomotor-System das wahrscheinlichste, das in Szenarien benötigt wird, in denen man schnell mit einem fallenden oder fliegenden Objekt interagieren muss, was dazu führt, dass man sich fragt, ob bewegungsische anstatt statische Reize sLRs besser evozieren können. Daher haben wir ein bewegliches Zielparadigma zur Untersuchung von Augenbewegungen11angepasst und es mit einer pro/anti visuell geführten Erreichungsaufgabe kombiniert, die zur Untersuchung der Spiegelreflexkamera9verwendet wird. Im Vergleich zu Denergebnissen von Paradigmen, die zuvor verwendet wurden6,8,9, wurde festgestellt, dass sich SLRs im sich abzeichnenden Zielparadigma früher entwickelten, höhere Magnituden erreichten und in unserer Teilnehmerstichprobe häufiger waren. Insgesamt fördert das sich abzeichnende Zielparadigma die Expression schneller visuomotorischer Reaktionen in einem solchen Maße, dass objektive EMG-Maßnahmen zuverlässig mit Oberflächenaufzeichnungen durchgeführt werden können, wodurch Die Studie innerhalb klinischer Populationen und über die gesamte Lebensdauer hinweg potenziert wird. Darüber hinaus kann das sich abzeichnende Zielparadigma auf viele verschiedene Arten geändert werden, wodurch gründlichere Untersuchungen der sensorischen, kognitiven und motorischen Faktoren gefördert werden, die schnelle visuomotorische Reaktionen fördern oder modifizieren.

<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

Um zu einem gesehenen Objekt zu gelangen, müssen visuelle Informationen in Motorbefehle umgewandelt werden. Visuelle Informationen wie Farbe, Form und Größe des Objekts werden in zahlreichen Gehirnbereichen verarbeitet und integriert und schließlich an die motorische Peripherie weitergeleitet. In einigen Fällen ist eine Reaktion so schnell wie möglich erforderlich. Diese schnellen visuomotorischen Transformationen und ihre zugrunde liegenden neurologischen Substrate sind beim Menschen schlecht verstanden, da ihnen ein zuverlässiger Biomarker fehlte. Stimulus-locked Responses (SLRs) sind kurze Latenz (<100 ms) Bursts der elektromyographischen (EMG) Aktivität, die die erste Welle der Muskelrekrutierung durch visuelle Stimulus-Präsentation beeinflusst. SLRs liefern eine quantifizierbare Leistung von schnellen visuomotorischen Transformationen, aber SLRs wurden nicht in allen Fächern in früheren Studien konsistent beobachtet. Hier beschreiben wir ein neues, verhaltensbezogenes Paradigma, das das plötzliche Auftauchen eines sich bewegenden Ziels unter einem Hindernis zeigt, das konsequent robuste SLRs evoziert. Menschliche Teilnehmer erzeugten visuell geführte Reichweiten in Richtung oder weg vom entstehenden Ziel mit einem Roboter-Manipulandum, während Oberflächenelektroden die EMG-Aktivität vom Hauptmuskel des Pectoralis aufzeichneten. Im Vergleich zu früheren Studien, die SLRs mit statischen Reizen untersuchten, waren die sLRs, die mit diesem aufkommenden Zielparadigma evoziert wurden, größer, entwickelten sich früher und waren bei allen Teilnehmern vorhanden. Reach-Reaktionszeiten (RTs) wurden auch im sich abzeichnenden Zielparadigma beschleunigt. Dieses Paradigma bietet zahlreiche Möglichkeiten zur Veränderung, die eine systematische Untersuchung der Auswirkungen verschiedener sensorischer, kognitiver und motorischer Manipulationen auf schnelle visuomotorische Reaktionen ermöglichen könnten. Insgesamt zeigen unsere Ergebnisse, dass ein sich abzeichnendes Zielparadigma in der Lage ist, in einem schnellen Visuomotorsystem konsequent und robust zu wirken.

Stimulus gesperrte Reaktionen (SLRs) sind kurze Ausbrüche der Muskelaktivität Zeit gesperrt, um den Stimulus-Beginn, die weit vor dem größeren Volley der Muskelrekrutierung mit Bewegungsbeginn verbunden entwickeln. Die zeitlich verriegelte Natur der Spiegelreflexkamera erzeugte eine "Bandierung" der Muskelaktivität, die bei 100 ms sichtbar ist, wenn alle Versuche nach Reaktionszeit (RT) sortiert angesehen werden (Abbildung 1a, hervorgehoben durch graue Felder). Wie in <strong class="xfi...

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

Präsentiert hier ist ein Verhaltensparadigma, das robuste schnelle visuomotorische Reaktionen auf menschliche Obermaße Muskeln während visuell geführter Reichweiten auslöst.

Ein aufstrebendes Zielparadigma, um schnelle Visuomotor-Antworten auf menschliche Oberkörpermuskeln zu evozieren

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, ...

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