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

עבודה זו נתמכת על ידי מענק דיסקברי ל- BDC מהמועצה לחקר מדעי הטבע וההנדסה של קנדה (NSERC; RGPIN 311680) ו מענק הפעלה ל- BDC מהמונים הקנדיים לחקר הבריאות (CIHR; MOP-93796). RAK נתמך על ידי מלגת בוגר אונטריו, ו- ALC נתמך על ידי מענק CREATE של NSERC. המנגנון הניסיוני המתואר בכתב יד זה נתמך על ידי קרן קנדה לחדשנות. תמיכה נוספת הגיעה מהקרן הקנדית הראשונה למצוינות במחקר (BrainsCAN).

כל ההליכים אושרו על ידי ועדת האתיקה של מחקר מדעי הבריאות באוניברסיטת מערב אונטריו. כל המשתתפים סיפקו הסכמה מדעת, קיבלו תשלום עבור השתתפותם, והם היו חופשיים לסגת מהניסוי בכל עת.
1. הכנת משתתפים
הערה: מדגם קטן של משתתפים צעירים ובריאים נחקר (3 נקבות, 2 גברים; גיל ממו...

<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>

לבני אדם יש יכולת יוצאת דופן, בעת הצורך, ליצור פעולות מהירות ומונחות ויזואלית באיחורים המתקרבים לעיכובים מינימליים בהוליכות. תיארנו בעבר תגובות גירוי נעול (SLRs) על הגפיים העליונות כאמצעי חדש לתגובות visuomotorמהיר 6,9,10. בעוד מועיל במתן אמת מידה...

כאשר אנו מבחינים בהודעה בטלפון הסלולרי שלנו, אנו מתבקשים לבצע תפוצה מונחית ויזואלית כדי להרים את הטלפון שלנו ולקרוא את ההודעה. תכונות חזותיות כגון הצורה והגודל של הטלפון הופכים לפקודות מוטוריות המאפשרות לנו להגיע בהצלחה למטרה. טרנספורמציות visuomotor כאלה ניתן ללמוד בתנאי מעבדה, המאפשרים רמה גבוהה של שליטה. עם זאת, ישנם תרחישים שבהם זמן התגובה חשוב, למשל, לתפוס את הטלפון אם זה היה ליפול. מחקרי מעבדה של התנהגויות visuomotor מהיר לעתים קרובות להסתמך על פרדיגמות היעד עקורים שבו תנועות מתמשך משתנות באמצע הטיסה בעקבות שינוי כלשהו בעמדת היעד (למשל, ראה שופט1,2). בעוד תיקונים מקוונים כאלה יכולים להתרחש <150 ms 3 ,קשהלברר את התזמון המדויק של פלט visuomotor מהיר באמצעות קינמטיקה לבד בשל מאפייני סינון מעבר נמוך של הזרוע, ומכיוון פלט visuomotor מהיר תוחף תנועה כבר באמצע הטיסה. סיבוכים כאלה מובילים לחוסר ודאות לגבי המצעים שבבסיס תגובות visuomotor מהיר (ראה שופט4 לסקירה). מספר מחקרים מראים כי מבנים תת-קליפתיים כגון קוליקולוס מעולה, ולא אזורים קליפת המוח הקדמית-קודית, עשויים ליזום תיקוניםמקוונים 5.
אי ודאות זו לגבי המצעים העצביים הבסיסיים עשויה לנעניין, לפחות בחלקה, בהיעדר סמן ביולוגי אמין לפלט של מערכת visuomotor המהירה. לאחרונה, תיארנו מדד של תגובות visuomotor מהיר שעשוי להיווצר יציבות סטטיות נרשם באמצעות אלקטרומיוגרפיה (EMG). תגובות נעולות גירוי (SLRs) הם התפרצויות נעולות זמן של פעילות EMG שקדמו לתנועהמרצון 6,7, מתפתח באופן עקבי ~ 100 ms לאחר תחילת גירוי. כפי שהשם מרמז, SLRs מעוררים על ידי תחילת גירוי, מתמשך גם אם תנועה בסופו שלדבר מעוכבת 8 או נע בכיווןההפוך 9. יתר על כן, SLRs עורר על ידי תזוזת היעד בפרדיגמה דינמית קשורים עם תיקונים מקוונים השהיה קצרהיותר 10. לכן, SLRs לספק אמצעי אובייקטיבי ללמוד באופן שיטתי את הפלט של מערכת visuomotor מהיר מעורב RTs השהיה קצרה, כפי שהם עשויים להיווצר יציבה סטטית לנתח אותות EMG אחרים שאינם קשורים לשלב הראשוני של התגובה visuomotor מהיר.
מטרת המחקר הנוכחי היא להציג פרדיגמה חזותית מונחית להגיע כי חזק מעורר SLRs. מחקרים קודמים החוקרים את SLR דיווחו על פחות מ -100% שיעורי זיהוי על פני משתתפים, גם בעת שימוש בהקלטות תוך שריריותפולשניות יותר 6,8,9. שיעורי זיהוי נמוכים והסתמכות על הקלטות פולשניות מגבילים את התועלת של אמצעי SLR בחקירות עתידיות של מערכת visuomotor המהירה במחלה או לאורך תוחלת החיים. בעוד נושאים מסוימים עשויים פשוט לא להביע SLRs, הגירויים ופרדיגמות התנהגותיות בשימוש בעבר לא יכול להיות אידיאלי לעורר את SLR. דיווחים קודמים של SLRs השתמשו בדרך כלל פרדיגמות שבו המשתתפים ליצור חזותית מונחה מגיע לכיווןסטטי, פתאום מופיע מטרות 6,9. עם זאת, מערכת visuomotor מהירה היא ככל הנראה הדרושה בתרחישים שבהם יש לקיים אינטראקציה מהירה עם אובייקט נופל או מעופף, מה שמוביל אחד לתהות אם נע ולא גירויים סטטיים עשויים לעורר טוב יותר SLRs. לכן, יש לנו מותאם פרדיגמה היעד נע המשמש לחקר תנועותעיניים 11, ושילב אותו עם משימת הגעה מונחה פרו / אנטי ויזואלית המשמשת לבחינת SLR9. בהשוואה לתוצאות פרדיגמות בשימושבעבר 6,8,9, נמצא כי SLRs בפרדיגמת היעד המתעוררים התפתחו מוקדם יותר, השיגו סדרי גודל גבוהים יותר, היו נפוצים יותר על פני מדגם המשתתפים שלנו. בסך הכל, פרדיגמת היעד המתעוררת מקדמת את הביטוי של תגובות visuomotor מהיר עד כדי כך אמצעי EMG אובייקטיבי יכול להתבצע באופן אמין עם הקלטות פני השטח, מחקר potentiating בתוך אוכלוסיות קליניות לאורך תוחלת החיים. כמו כן, ניתן לשנות את פרדיגמת המטרה המתעוררת בדרכים רבות ושונות, ולקדם חקירות יסודיות יותר של הגורמים החושיים, הקוגניטיביים והמוטוריים המקדמים או משנים תגובות visuomotor מהירות.

<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

כדי להגיע לכיוון אובייקט שנראה, יש להפוך מידע חזותי לפקודות מוטוריות. מידע חזותי כגון הצבע, הצורה והגודל של האובייקט מעובדים ומשולבים באזורי מוח רבים, ולאחר מכן מועברים בסופו של דבר לפריפריה המוטורית. במקרים מסוימים, יש צורך בתגובה מהר ככל האפשר. טרנספורמציות visuomotor מהיר אלה, ואת המצעים הנוירולוגיים הבסיסיים שלהם, מובנים היטב בבני אדם כפי שהם חסרים סמן ביולוגי אמין. תגובות נעולות גירוי (SLRs) הן התפרצויות השהיה קצרות (<100 ms) של פעילות אלקטרומיוגרפית (EMG) המייצגת את הגל הראשון של גיוס שרירים המושפע מהצגת גירוי חזותי. SLRs מספקים תפוקה הניתנת לכימות של טרנספורמציות visuomotor מהירה, אבל SLRs לא נצפו באופן עקבי בכל הנושאים במחקרים קודמים. כאן אנו מתארים פרדיגמה חדשה והתנהגותית המציגה את הופעתה הפתאומית של מטרה נעה מתחת למכשול המעורר באופן עקבי SLRs חזקים. בהשוואה למחקרים קודמים שחקרו SLRs באמצעות גירויים סטטיים, SLRs עורר עם פרדיגמת היעד המתעוררים היו גדולים יותר, התפתחו מוקדם יותר, היו נוכחים בכל המשתתפים. זמני התגובה של Reach (RTs) זרזו גם בפרדיגמת המטרה המתעוררת. פרדיגמה זו מעניקה הזדמנויות רבות לשינוי שיכולות לאפשר לימוד שיטתי של ההשפעה של מניפולציות חושיות, קוגניטיביות ומוטוריות שונות על תגובות visuomotor מהיר. בסך הכל, התוצאות שלנו מראות כי פרדיגמת היעד המתעוררת מסוגלת לעורר פעילות באופן עקבי וחזק בתוך מערכת visuomotor מהירה.

תגובות נעולות גירוי (SLRs) הם התפרצויות קצרות של זמן פעילות שרירים נעול תחילת הגירוי להתפתח הרבה לפני מטח גדול יותר של גיוס שרירים הקשורים תחילת התנועה. האופי הנעול בזמן של ה-SLR הפיק 'פסים' של פעילות שרירים הנראים ב- ~ 100 ms בעת הצגת כל הניסויים ממוינים לזמן תגובה (RT) (איור 1a, מודגש ...

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

מוצג כאן פרדיגמה התנהגותית המ מעוררת תגובות visuomotor חזקות ומהירות על שרירי הגפיים העליונות האנושיות במהלך מגעים מודרכים ויזואלית.

פרדיגמת יעד מתעוררת לעורר תגובות Visuomotor מהיר על שרירי הגפיים העליונות האנושיות

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

הקלטה תגובות התנהגותיות כדי השתקפות של סרטן הנהרות

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 של נוירונים בין פרוסות המוח מכרסמים לחקר הילוכים Synaptic ותמונה מסופי Presynaptic

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

התאמת תגובות התנהגותיות לאותות-fMRI של קליפת המוח הקדם חזיתית האנושי: בחינת תהליכים קוגניטיביים באמצעות ניתוח משימה

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

הכנת עכבר ער להקלטת תגובות עצביות והזרקת קליעים נותבים

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

פרדיגמה פגיעה לחקור תיקון של מערכת עצבים מרכזי ב<em&gt; דרוזופילה</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

שיטת אלקטרו עבור תגובות מתח תאיים הקלטה של<em&gt; תסיסנית</em&gt; קולטני אור ו interneurons יאירו גירויים<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

סוללה בחינה ממוחשבת ללמוד Pharmacodynamic השפעות על מערכת העצבים המרכזית של שימוש בסמים בפיתוח התרופה בשלב מוקדם

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

מודל ב Ovo לבדיקת תרכובות מימטי-אינסולין

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

בידוד של נימים מוחי מרקמות המוח האנושי טריים

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